CN101987277A - 从燃烧废气中分离出co2的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从燃烧废气中分离出CO2的方法，所述燃烧废气通过在燃烧室内借助作为氧化剂的空气燃烧含碳的燃料或废料而产生，其中所述方法包括以下步骤。

Description

从燃烧废气中分离出CO2的方法和装置
本发明涉及从燃烧废气中分离出CO2的方法和装置。本发明尤其涉及从燃烧废气中分离出CO2的方法和装置，所述燃烧废气通过在燃烧室内借助作为氧化剂的空气燃烧含碳的燃料或废料而产生。
一种这类方法由出版物“Process Optimization in PostcombustionCO2-Capture by means of Repowering and ReversibleCarbonation/Calcination Cycle”，Luis M.Romeo等人，ENDESA，西班牙，第8届温室气体控制技术国际会议，Trondheim，2006年6月，挪威是已知的。
在这种已知的方法中，将大部分在燃烧废气中含有的CO2借助在燃烧气体的流动方向上看在所述燃烧室下游布置的碳酸盐-循环-***(“CarbonateLooping System”或者“Reversible Carbonation/Calcination Cycle”)分离出来，并且输送到其它处理过程。为了分离出CO2而使用吸着剂CaO，即氧化钙或者生石灰，并在所述碳酸盐-循环-***内以循环方式运行。将在温度为900～950℃的煅烧炉内产生或生成氧化钙CaO，以该温度经连接煅烧炉与碳酸化器的管道输送到碳酸化器。在碳酸化器中(从燃烧室将含有CO2的燃烧废气导入到该碳酸化器中，且所述碳酸化器具有循环的流化床)所述吸着剂CaO在约650℃温度下与燃烧废气中所含的大部分CO2结合生成碳酸钙CaCO3。将从碳酸化器中流出的固体-/气体混合物输送到分离器，在该分离器中使固体物质从燃烧废气中分离。将减少了CO2的燃烧废气通过任选地存在的处理装置排入大气，并且将主要含有CaCO3、但还含有灰分、CaSO4和CaO的固体物质通过管道输送到煅烧炉。在煅烧炉内将CaCO3煅烧温度为900～950℃的条件下对进行焙烧或煅烧，并在该过程中产生固态和气态产物。固态产物主要具有从CaCO3再生的CaO，气态产物主要具有CO2和水。由于煅烧过程以吸热反应方式进行，必须将热量引入到煅烧炉之中，以便提供所需的煅烧温度或反应温度。这通过在煅烧炉中的补充燃烧而进行，在该补充燃烧中将煤借助氧化介质或者氧化剂O2燃烧，并由此将热量引入到用循环的流化床形成的煅烧炉中。为了在煅烧炉内产生的气态产物不会被例如氮气稀释，并因此使分离出CO2变得困难，必须强制性地使用O2替代空气作为氧化剂用于补充燃烧。将具有约900℃的产物热量的CaO作为吸着剂从煅烧炉输送到碳酸化器。将具有同样的产物热量的、主要含有CO2的气体产物由煅烧炉排出，并将所述CO2输送到其它处理过程，在这种情况下冷却、缩并运送到储存装置中。上述方法是连续进行的。
这种已知的方法或者已知的装置的缺点在于：这种方法或者这种装置的效率损失为约3％。这种效率损失主要归因于煅烧炉，所述煅烧炉设有补充燃烧，并由此被烧热，在该补充燃烧中使用工业纯氧作为氧化剂或氧化介质来燃烧燃料或者煤。在此，在煅烧炉中用作氧化剂的氧的制备带来高的能量消耗，该能量消耗造成整个装置约3％的效率损失。
现在，本发明的目的在于提供一种从燃烧废气中分离出CO2的方法，所述燃烧废气通过借助作为氧化剂的空气在燃烧室中燃烧含碳燃料或者废料而产生，该方法避免了上述缺点。本发明的目的尤其在于提供一种从燃烧废气中分离出CO2的方法，所述燃烧废气通过借助作为氧化剂的空气在燃烧室中燃烧含碳燃料或者废料而产生，在该方法中减少了或可完全放弃煅烧炉对补充燃烧的需求和由此对氧的需求。本发明的另一个目的在于提出从燃烧废气中分离出CO2的装置，所述燃烧废气通过借助作为氧化剂的空气在燃烧室中燃烧含碳燃料或者废料而产生。
上述目的根据权利要求1的特征的方法以及根据权利要求11的特征的装置得以实现。
本发明的有利具体实施方案由从属权利要求获知。
通过本发明的技术方案提供了从燃烧废气中分离出CO2的方法和装置，所述废气通过借助作为氧化剂的空气在燃烧室中燃烧含碳燃料或者废料而产生，这种方法或装置具有下述优点：
-大大减少直至完全消除了用于运行煅烧炉的补充燃烧需求和由此对氧的需求
-通过减少或者消除对氧的需求，减少或者消除了用于制备氧的高能量消耗，并大大减少了由于制备氧而出现的整个装置的效率损失。
本发明的一种有利具体实施方案设计，将经加热的且含有吸着剂的固体物料流(F2)用作外热源，并且在固体物料流(F2)进入到碳酸化器中之前提取其所含热量的一部分。由此降低了在煅烧炉中的补充燃烧速率，并因此降低了对工业氧气的需求。因此，用于制备氧的能量消耗和由此效率损失降低。
在本发明的有利具体实施方案中，将从煅烧炉流出的、经加热的且含有CO2的气体物料流(G2)用作外热源，并且在其它的热端处理(
Figure G200910253075XD00031
Behandlung)之前提取其所含热量的一部分。通过这种措施降低了煅烧炉中的补充燃烧速率，并由此降低了工业氧气的需求。因此减少了用于制备氧气的能量消耗，并由此降低了效率损失。
在本发明的有利具体实施方案中，将一种外部热源用作外热源，所述外部热源的温度高于在碳酸化器中主导的工作温度，并且提取所述外部热源所含热量的至少一部分。如上文已经所述的那样，由此同样降低了在所述煅烧炉中的补充燃烧率，并因此降低了对工业氧气的需求。因此，降低了用于制备氧气的能量消耗并由此降低了效率损失。
本发明的一个有利的具体实施方案设计，将天然材料或者合成材料用作吸着剂。天然吸着剂可廉价地获得，并且可毫无问题地清除或者继续使用。合成材料可以具有较高的机械和化学稳定性。因此，降低了所需的循环量以及新鲜吸着剂的量。
本发明的另一个有利的具体实施方案设计，将CaO用作吸着剂。石灰石形式的CaO可廉价地获得，并且可以毫无问题地进行清除或者继续使用。
本发明的一个有利的具体实施方案设计，以交流换热或者回流换热方式进行热交换。通过这种措施使得将常规的且可靠的热交换器用于所需的热交换成为可能。
在本发明的有利的具体实施方案中，借助载热介质进行热转移，所述载热介质具有有利的热力学性能。通过这种措施，需要的待循环的质量流量更小，由此可以将泵功率保持在低水平。同样热交换器的结构尺寸、管道截面等更小。
本发明的一个有利的具体实施方案设计，将氦或者钠用作载热介质。这些载热介质具有有利的热力学性能与上文所述的优点。
在本发明的符合目的的具体实施方案中，将化石燃料或生物质或废料或前述物质的混合物用于在煅烧炉中的补充燃烧。通过这种措施可以将燃料成本以及运行成本保持在低水平。
以下将根据附图和说明，对本发明的实施例进行详细解释。
附图显示：
图1图解地描述了用于从燃烧废气中分离出CO2的装置或者在燃烧室(后燃烧)下游的碳酸盐-循环-***(Carbonate Looping System)
图1图解地显示了用于从燃烧废气中分离出CO2的装置或者碳酸盐-循环-***2(Carbonate Looping System)。在燃烧废气的流动方向上布置在燃烧室1(后燃烧)的下游的碳酸盐-循环-***2包括：具有分离器6以及热交换器16的碳酸化器3，具有补充燃烧5和分离器7的煅烧炉4，热转移***8或热交换器11，热转移***9或一个热交换器12以及与在图中没有绘出的外部热源连通的热转移***10或者热交换器13。此外，在分离器6、7下游设计有热交换器-设备17、18以用来冷却气体。
将从燃烧室1排出的且含有CO2的燃烧废气G1(所述废气通过借助作为氧化剂的空气在燃烧室1中燃烧含碳燃料或者废料而产生)经管道14和鼓风机15输送到碳酸盐-循环-***2的碳酸化器3。为了分离出燃烧废气G1中所含的大部分CO2，使用吸着剂CaO，即氧化钙或者生石灰，并且使其在碳酸盐-循环-***2内以循环方式运行。将在温度T煅烧为900～950℃的煅烧炉4中产生或者再生的氧化钙CaO，以该温度借助管道23、24从煅烧炉4输送到碳酸化器3。
在具有循环流化床的碳酸化器3中，吸着剂CaO在温度T碳酸化器约650℃下与燃烧废气G1中所含的大部分CO2结合生成碳酸钙CaCO3。将从碳酸化器3排出的固体/气体混合物经管道20输送到分离器6，并在所述分离器6中从燃烧废气中分离出固体物质。将减少了CO2的燃烧废气经管道21、烟囱19或者类似物排入大气，其中在排出到大气中之前还可以借助热交换器17从减少了CO2的燃烧废气中提取热量。将主要含有碳酸盐CaCO3、但还含有灰分、CaSO4以及CaO的固体物质以碳酸盐-固体物料流F1的形式经管道22输送到煅烧炉4。
在煅烧炉4中，将CaCO3在900～950℃的煅烧温度T煅烧下焙烧或煅烧，并由此产生固态产物和气态产物。固态产物主要包括从CaCO3再生的CaO或者吸着剂，气态产物主要包含CO2和水。由于煅烧以吸热反应的形式进行，必须将热量引入到煅烧炉4中，以便提供所需的煅烧温度或反应温度T煅烧。这通过在煅烧炉4中的补充燃烧5进行，其中利用氧化介质或者氧化剂O2使煤燃烧，并且由此将热量Qz引入到配备有循环的流化床的煅烧炉4中。为了使得煅烧炉4内产生的气态产物不被例如氮气稀释，从而使得分离出CO2变得困难，必须强制性地使用O2替代空气作为氧化剂用于补充燃烧。使作为固态产物的再生的吸着剂CaO以及主要含有CO2的气态产物带着约900℃的产物热量从煅烧炉4排出，并且经管道23输送到分离器7，并在分离器7中将吸着剂或者固态产物从气体中分离。从分离器7出发，将约900℃的热吸着剂以固体物料流F2的形式经管道24输送到碳酸化器3。将约900℃的热且主要含有CO2的气态产物以气态物料流G2的形式从分离器7排出，并经管道25将其输送到其它处理过程，其中可以将CO2例如冷却、压缩并运送到储存装置中。例如可以将热交换器18用于冷却。上述方法连续地进行。
根据本发明，部分或者完全替代借助补充燃烧5产生的热量输送Qz，该热量输送用于在煅烧炉4内维持煅烧温度T煅烧，其中从一个或多个热源提取热量，并通过借助热交换器11、12、13的间接的热交换，或者通过借助热转移***8、9、10的热转移，在含有碳酸盐的碳酸盐-固体物料流F1进入到煅烧炉4之前或者在煅烧炉4内将该热量输送给含有碳酸盐的碳酸盐-固体物料流F1。图1示例性地显示了从三个热源并借助热转移***8、9、10提取热量，其中热量的一部分从含有吸着剂的并经管道24引导的吸着剂-固体物料流F2提取，热量的另一部分从含有CO2的并经管道25引导的气态物料流G2提取，且热量的再一部分从未绘出的外部热源提取。在此，所述外部热源的温度高于在碳酸化器3中主导的工作温度T碳酸化器。也可以仅使用所示热源中的两个或者一个来替代示例性描述的三个热源，以便部分或者完全地替代借助补充燃烧5产生的热量输送Qz，该热量输送用于在煅烧炉4内维持煅烧温度T煅烧。还可以用热交换器11、12、13来替代热转移***8、9、10，或者在一个热源上使用热转移***，并且在另一个热源上使用热交换器。例如可以将来自燃烧室1的热燃烧废气或未绘出的外部装置的热介质用作外部热源。
通过根据本发明的来自一个或多个热源并用于在煅烧炉4内维持煅烧温度T煅烧的热量输送和由此部分或完全被替代的借助补充燃烧5的热量输送Qz，可以节省大部分或者完全省去用于在补充燃烧5中燃烧煤的氧气-或者O2需求(以工业气体形式)。因此可大大减少用于制备氧气的能量消耗，和由此出现的所述装置的效率损失。
除了示例性地作为吸着剂所提到的CaO之外，还可以使用天然材料或合成材料，它们在碳酸化器3中进行碳酸化时形成碳酸盐。这些材料例如可以是白云石、石灰石或者经过预处理的天然吸着剂。
为热交换设计的热交换器11、12、13可以在它们的功能方面以再生或者回收的方式构成。此外，为热交换设计的热转移***8、9、10具有载热介质，所述载热介质具有良好热力学特性，例如具有很高的热容Cp。优选将氦或者钠用作载热介质。
附图标记列表：
1燃烧室
2碳酸盐-循环-***(Carbonate looping system)
3碳酸化器
4煅烧炉
5补充燃烧
6分离器(固体)
7分离器(固体)
8热转移***
9热转移***
10热转移***
11热交换器
12热交换器
13热交换器
14管道
15鼓风机
16热交换器
17热交换器
18热交换器
19烟囱
20管道
21管道
22管道
23管道
24管道
25管道

Claims (15)

1.从燃烧废气中分离出CO2的方法，所述燃烧废气通过在燃烧室内借助作为氧化剂的空气燃烧含碳的燃料或废料而产生，其中所述方法包括以下步骤：
将含有CO2的且从燃烧室引出的燃烧废气流(G1)导入到具有至少一个碳酸化器和煅烧炉的碳酸盐-循环-***的碳酸化器中，
在该***中使能形成碳酸盐的吸着剂以循环方式运行，其中所述吸着剂在碳酸化器中与燃烧废气流(G1)中的CO2结合生成碳酸盐，将该碳酸盐作为碳酸盐-固体物料流(F1)输送到煅烧炉，并在热量输送(Qz)下借助利用氧气作为氧化剂的补充燃烧在碳酸盐特定的煅烧温度(T煅烧)下焙烧，并在该过程中形成再生的吸着剂和主要含有CO2的气体，其中将含有热量的、再生的吸着剂作为吸着剂-固体物料流(F2)输送到碳酸化器以用于将CO2碳酸化，并且将含有热量的气体作为气体物料流(G2)输送到其它处理过程，其特征在于，
部分或者完全替代借助补充燃烧产生的用来维持煅烧温度(T煅烧)的热量输送(Qz)，其中从一个或多个热源提取热量，并通过间接热交换或者通过热转移，在碳酸盐-固体物料流(F1)进入到煅烧炉中之前或者在煅烧炉内将该热量输送给碳酸盐-固体物料流(F1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将经加热的吸着剂-固体物料流(F2)用作热源，并且在吸着剂-固体物料流(F2)进入到所述碳酸化器之前提取其所含的热量的一部分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将从煅烧炉下游的分离器流出的且经加热的气体物料流(G2)用作热源，并且在其它热端处理之前提取其所含的热量的一部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将外部热源用作热源，所述外部热源具有比碳酸化器中主导的运行温度(T碳酸化器)更高的温度，并且提取所述外部热源含有的热量的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用天然或者合成材料作为吸着剂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用CaO作为吸着剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以再生或回收方式进行热交换。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助具有有利的热力学性能的载热介质进行热转移。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用氦或者钠作为载热介质。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将化石燃料、生物质、废料或者前述物质的混合物用于煅烧炉内的补充燃烧。
11.用于从燃烧废气中分离出CO2的装置，所述燃烧废气通过在燃烧室(1)中借助作为氧化剂的空气燃烧含碳的燃料或废料而产生，该装置包括
在燃烧废气(G1)的流动方向上看在燃烧室(1)下游布置的、且具有至少一个碳酸化器(3)以及煅烧炉(4)的碳酸盐-循环-***(2)，在所述碳酸盐-循环-***(2)中使能形成碳酸盐的吸着剂以循环方式运行，其中所述吸着剂在碳酸化器(3)中与燃烧废气流(G1)中的CO2结合生成碳酸盐，将该碳酸盐作为碳酸盐-固体物料流(F1)输送到煅烧炉(4)，并在热量输送(Qz)下借助利用氧气作为氧化剂的补充燃烧(5)在碳酸盐特定的煅烧温度(T煅烧)下焙烧，并在该过程中形成再生的吸着剂和主要含有CO2的气体，其中将含有热量的、再生的吸着剂以吸着剂-固体物料流(F2)的形式输送到碳酸化器(3)以用于将CO2碳酸化，并且将含有热量的气体作为气体物料流(G2)输送到其它处理过程，
用于从一个或者多个热源分别提取热量，并且在碳酸盐-固体物料流(F1)进入到煅烧炉(4)之前或者在煅烧炉(4)内将该热量输送到碳酸盐-固体物料流(F1)中的至少一个热转移***(8，9，10)或者为间接热交换而构造的热交换器(11，12，13)，其中所述热量输送部分或者完全替代借助补充燃烧(5)所产生的用于维持煅烧温度(T煅烧)的热量输送(Qz)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在管道(24)中输送的吸着剂-固体物料流(F2)可用作热源。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在管道(25)中输送的气体物料流(G2)可用作热源。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，外部热源可用作热源。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，热交换器(11，12，13)是以交流换热型-或者回流换热型-热交换器的形式构造的。
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