CN102695553A - 基于醇的气体汽提方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用一种醇从吸收介质和/或吸附介质中汽提酸性气体（例如二氧化碳）的方法，其中所述醇选自沸点低于吸收介质和/或吸附介质的沸点的醇。

Description

基于醇的气体汽提方法
技术领域
本发明涉及一种从吸收或吸附介质中汽提酸性气体如二氧化碳的方法。本发明还涉及方法、用途和设备。
背景技术
大规模燃烧方法通常用于市政和工业产生能量，用于从原矿和其他原材料中制备精炼产品，以及用于市政和工业废料的处理。这种燃烧方法通常连续产生很大体积的焚烧废气流，该废气流含有一种或多种不希望的气态化合物，所述气态化合物包含一种或多种酸性气体如二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)，其可导致严重的环境污染和健康威胁。特别地，大气中CO2的浓度增加被认为是全球变暖的首要原因。
为了工业和环境的目的，很早就提供了气体吸收、分离和回收的方法。工业应用通常包括从处理气流中分离和移除至少一种气态组分以提高生产的气体产物的质量和/或防止在随后的下游处理中可能产生的不希望的下游操作问题。实例包括从天然气体和合成气体中移除CO2和/或硫化氢(H2S)或从工业处理气流中移除挥发性有机化合物(VOC)或其他气体（例如，氮气(N2)、氧气(O2)、氢气(H2)）。环境应用通常包括从燃烧烟道或废气流中移除至少一种气态组分如CO2、SO2、NOx或汞(Hg)以减少污染物的排放。
存在许多从燃烧烟道或废气流中洗去不想要的气态化合物的***，通常包括对于含有不想要的组分的气流使用逆流溶剂，如包含一种或多种烷醇胺的溶剂。这种***通常称为逆流吸收器和汽提器。某些所述***及其操作描述于Kohl和Neilson的Gas Purification,5th Edition(1997,Elsivier B.V.)；US 2003/0221555；US 2005/0169825；US2007/0044658；US 2007/0077188；US 2009/0104098；US 2009/0151318；US 2009/0151564；US 2009/0151566；US 2009/0155889；US3,725,529；US 5,220,782；US 6,270,739；US 6,436,174；US 7,001,519；US 7,388,120；WO 89/07979；WO 2004/089512；WO 2006/108532；WO 2009/003238；WO 2009/052313和EP 544,515。
大多数酸性气体移除方法包括一个使吸收或吸附介质再生的步骤。此步骤具有不同的名称，已知为解吸附、再生或汽提。一种通常实施汽提步骤（例如在CO2移除操作中）的方法是将富含CO2的洗气介质与蒸汽接触。蒸汽从所述介质中驱除CO2，并且贫CO2的介质可再利用。产生蒸汽所需要的能量成本很高并且降低了***的总效率。
发明内容
本发明涉及一种使用一种醇从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体（例如二氧化碳）的方法，所述醇选自沸点低于吸收介质和/或吸附介质的沸点的醇。
本发明还提供了气态醇和/或醇蒸汽用于从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体的用途。
本发明还提供了热回收装置和方法用于一种醇汽提组分（或载体）的再生和再循环的用途。任选使用外部低等级热输入进行醇汽提组分（或载体）的再生和再循环。
本发明还提供了热泵用于回收和利用在气体汽提过程中产生的废热的用途。
本发明还提供了一种用于从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体的方法，所述方法包含：
(a)将一种富含酸性气体的吸收介质和/或吸附介质与一种气态醇接触；
(b)回收贫乏的、即除去了酸性气体的吸收介质和/或吸附介质；
(c)优选地，通过流经一个热交换装置而冷却富含酸性气体的醇，以便从所述醇中分离酸性气体；
(d)优选地，使所述醇再生为一种气态蒸汽流；以及
(e)任选地，用一个或多个热泵回收废热。
本发明还提供了一种用于从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体的装置。
如本文所用的，术语“富有的吸收介质和/或吸附介质”是指相对于贫乏介质而言吸收了相对大量的酸性气体的介质。
如本文所用的，术语“贫乏的吸收介质和/或吸附介质”是指不包含或包含少量的酸性气体的介质。
如本文所用的，术语“酸性气体”是指当与水混合时形成酸性溶液的气体。
如本文所用的，术语“沸点”是指在标准温度和压力下的沸点。
附图说明
结合参考以下附图阐述本发明，其中：
图1是表示一种示例性设备的示意图，所述设备适于在其中操作一种本发明公开的基于醇而从吸收介质中汽提CO2的示例性方法；并且
图2是表示一种示例性设备的示意图，所述设备适于在其中操作一种本发明公开的基于醇而从吸附介质中汽提CO2的示例性方法。
具体实施方式
在本发明的一个实施方案中，提供了一种使用醇从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体的方法。任何适宜的醇均可用在本发明中。例如，短链醇如C1-C6或C1-C4醇可用于本文中。示例性醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇及其组合。
虽然无意受限于理论，据认为由于汽提溶剂在较低温度下蒸发，因此本发明可在比使用蒸汽的常规汽提操作更低的温度下进行汽提。这样可节省能量并改善介质（吸收剂和/或吸附剂）再生的效率。此外，由于较低的操作温度，本发明可在用于汽提操作的设备的构建中使用不同的材料。这类材料可，例如，比当前使用的材料更轻和/或更便宜。另外，可以使用低品质热源如地热能用于汽提操作。
本发明的方法可用于从吸收介质和/或吸附介质汽提任何合适的气体。例如，可汽提的气体举例为CO2、NOx、SO2等。
本发明提供了从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体。通常吸收介质为液体，吸附介质为固体。可使用本发明的方法汽提任何合适类型的吸收介质。吸收介质的实例包括，但不限于，单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、哌嗪(DEA)、氨、胺、烷醇胺、其衍生物和/或其组合。这些胺应以水溶液的形式使用。
醇汽提剂的沸点优选低于吸收介质和/或吸附介质的沸点，使得当醇与所述介质接触时为蒸汽，即气态形式。
在本发明的一个实施方案中，富有的吸收介质被输送至一个汽提容器中。该富有的介质可便利地输送至汽提容器的顶部或其附近。对于使用吸附介质的实施方案，该富有的介质可装填于吸附容器中，在所述吸附容器中操作切换至汽提模式。醇，例如甲醇、乙醇、异丙醇和/或正丙醇，被输送至汽提容器中。所述醇可便利地输送至汽提容器的底部或其附近或者输送至容器中的多个位点。所述醇可以气体或蒸汽的形式输送。或者，所述醇可原位转化成气体或蒸汽。
气态醇在容器中上升并接触下降的吸收介质和/或吸附介质。该接触使醇从介质中汽提至少一部分酸性气体。可收集并且——如果需要——再循环该贫乏的介质。酸性气体-醇蒸汽在容器中上升，离开容器并可被冷却——优选通过热回收和交换机构——并冷凝以分离醇和酸性气体。所述醇可重复用于进一步汽提。酸性气体可收集以储存，然后用于其他工业目的或者以另一种合适的方式处理。通过热回收和交换机构回收的热可例如通过热泵传输至醇蒸汽发生器（再沸器）从而改善该***的效率。
容器可以具有任何合适的类型。例如，合适的气-液或气-固接触器。例如，可使用填充容器、膜容器、模块容器、喷雾容器、盘状容器。或使用其合适的组合。容器可以是柱状。
图1是表示一种示例性设备的示意图，所述设备适于在其中操作一种本发明公开的基于醇而从胺吸收介质中汽提CO2的示例性方法。所述设备(100)包括一个在CO2汽提操作中用于醇蒸汽的产生和再循环的热回收单元(120)。来自吸收剂的富含CO2的胺溶液通过错流热交换器(130)用来自汽提器的贫CO2溶液加热。经加热的溶液被导入汽提器(150)的顶部，并且逆着引入到汽提器(150)的底部和/或侧部的热醇蒸汽的上行流而下行。在汽提驱动力存在下，CO2从液体中释放并随着醇蒸汽离开汽提器的顶部，同时贫CO2溶液在底部离开汽提器而不沸腾。来自汽提器的醇和CO2的蒸汽混合物通过热回收器(122)和顶部冷凝器(124)冷却以分离醇和CO2。液态醇收集在储集器(160)中然后通过液体泵(128)泵送穿过回收冷凝器(122)和再沸器(126)以蒸发成为醇蒸汽，然后在汽提器(150)中再利用。由于所用的醇始终在***中循环，其损耗和补充依赖于合适的汽提器操作条件。注意的是，汽提器的温度必须保持在高于醇的沸点但低于吸收介质的沸点，以确保醇蒸汽的存在并阻止大量的水从液体溶液中蒸发。所需醇蒸汽的量和沿着汽提器(150)高度设置的醇注射点(152、154、156)的数量取决于所需汽提驱动力的大小。
因为用于醇蒸发的再沸器(126)的温度较低，热泵的概念可顺利地引入到所提出的汽提操作中。从图1来看，应用了热泵回路（虚线）以从顶部冷凝器(124)提取热并将其用于在较高温度加热再沸器(126)。基于初步的估计，在10°C（用于冷凝器的冷却介质的温度）和90°C（用于再沸器的加热介质的温度）之间运转的带有制冷剂R-124a的热泵提供2.5的热泵性能系数(COPHP)。这表明仅有40%的提供至再沸器(126)的能量需要来自外部来源以驱动热泵压缩机(128)，从而显示出巨大的节能潜力。虽然无意受限于理论，据认为将热泵概念用于目前的汽提操作是有问题的，因为常规方法所用的再沸器温度高于R-134a的操作范围，而R-134a受限于其临界温度101°C。
因为存在的醇的沸点（甲醇为64.7°C）低于胺溶液的沸点，可在比常规汽提操作更低的温度实现由醇蒸汽汽提CO2。较低的汽提温度使得可使用来自发电厂的低品质能源，或低成本热源，如来自地热场的热水。这可使得捕获CO2的成本显著降低。另外，较低的汽提温度也可降低吸收器和汽提器的操作温度之间的差异，提供降低热负荷和所用错流热交换器的尺寸的可能。
图2是表示一种示例性设备(200)的示意图，所述设备适于在其中操作一种本发明的基于醇而从吸附柱(210)中汽提CO2的示例性方法。所述设备(200)包括一个在CO2汽提方法中用于醇蒸汽的产生和再循环的热回收单元(220)。所述富含CO2的吸附介质是吸附床的一种，在该吸附床中操作切换到汽提模式。汽提后得到的贫CO2吸附介质保留在汽提柱(210)中，其中操作切换回到吸附模式。在汽提过程中，热醇蒸汽的上行流被引入到吸附柱的底部(212)和侧部(214)。在汽提驱动力存在下，CO2从吸附介质中释放并随着醇蒸汽离开汽提器的顶部(216)。来自汽提器的醇和CO2的蒸汽混合物通过热回收器(222)和顶部冷凝器(224)冷却以分离醇和CO2。液态醇收集在储集器中然后通过液体泵(228)泵送穿过回收冷凝器(222)和再沸器(226)以蒸发成为醇蒸汽，然后在汽提器中再利用。由于所用的醇始终在***中循环，其损耗和补充依赖于合适的汽提器操作条件。所需醇蒸汽的量和沿着汽提器高度设置的醇注射点的数量取决于所需汽提驱动力的大小。
对超临界燃煤发电厂的初步评估（表1）表明所提出的使用醇蒸汽载体的CO2汽提方法预期可提供大约29-37%的能量节约，有助于使能量损耗降低2.6-3.2%。
表1：对提出的使用醇蒸汽的CO2汽提方法的初步效益评估
Figure BDA00001846018900061

Claims (20)

1.一种从富含酸性气体的介质中汽提酸性气体的方法，其中所述方法包含：
将一种富含酸性气体的介质与醇蒸汽接触，由此使至少一部分酸性气体通过醇蒸汽从所述介质中解吸附从而形成一种贫酸性气体的介质和一种富含酸性气体的醇；和
将至少一部分酸性气体与所述醇分离；和
回收所述醇。
2.权利要求1的方法，其中所述醇的沸点低于所述介质的沸点。
3.权利要求1的方法，其中所述酸性气体为CO2、H2S、SO2、NOx或其组合。
4.权利要求1的方法，其中所述介质包含选自单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、哌嗪(PZ)、氨、胺、烷醇胺、其衍生物和其组合的胺的水溶液。
5.权利要求1的方法，其中所述介质包含动力学增强剂、腐蚀抑制剂、消泡剂、氧清除剂、盐中和剂、防污剂、抗降解剂或其组合。
6.权利要求1的方法，其中至少一部分来自富含酸性气体的醇的废热被回收和再利用。
7.权利要求1的方法，其中通过冷却富含酸性气体的醇使其冷凝而从富含酸性气体的醇中回收贫酸性气体的醇，然后加热冷凝的醇形成一种醇蒸汽，所述醇蒸汽再用于从富有的介质中汽提酸性气体。
8.权利要求7的方法，其中所述冷却和加热通过一个热回收和交换装置和一个再沸器提供。
9.权利要求1的方法，其中所述醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇及其组合。
10.一种醇蒸汽用于从吸收介质和/或吸附介质汽提酸性气体的用途。
11.权利要求10的用途，其中所述酸性气体为CO2、H2S、SO2、NOx或其组合。
12.权利要求10的用途，其中所述吸收介质为选自单乙醇胺(MEA)、二甘醇胺(DGA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、哌嗪(PZ)、氨、胺、烷醇胺、其衍生物和其组合的胺的水溶液。
13.权利要求10的用途，其中所述介质包含动力学增强剂、腐蚀抑制剂、消泡剂、氧清除剂、盐中和剂、防污剂、抗降解剂或其组合。
14.权利要求10的用途，其中所述醇选自甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇及其组合。
15.一种用于从吸收介质汽提酸性气体的装置，所述装置包含：
一个汽提容器，用于接收穿过其中的富含酸性气体的介质流，并将该介质流与穿过所述汽提容器的醇蒸汽混合，由此所述介质除去至少一部分所述酸性气体并且醇蒸汽富集所述酸性气体，所述汽提容器具有一个用于除去了酸性气体的吸收介质的出口和一个用于富集了酸性气体的醇蒸汽的出口；和
用于接收排出的富集了酸性气体的醇蒸汽、冷却所述富集了酸性气体的醇蒸汽以冷凝醇并且从其中分离出至少一部分所述酸性气体的设备。
16.权利要求15的装置，其中用于富集了酸性气体的醇蒸汽的出口在汽提容器的一端附近，用于除去了酸性气体的吸收介质的出口在另一端附近。
17.权利要求15的装置，其中用于接收排出的富集了酸性气体的醇蒸汽的设备包含至少一个热交换装置用于从排出的醇蒸汽和汽提容器的至少一个中回收热，以及至少一个热交换装置用于冷凝所述醇。
18.一种用于从吸附介质汽提酸性气体的装置，所述装置包含：
一个具有吸附介质的汽提容器，用于接收穿过其中的富含酸性气体的介质流，其中至少一部分所述酸性气体吸附到所述吸附介质中，
与所述汽提容器协作的设备，用于将一种穿过该设备的醇蒸汽与吸附介质混合，以从其中汽提至少一部分所述吸附的酸性气体，从而使醇蒸汽富集酸性气体，以及一个用于富集了酸性气体的醇蒸汽的出口；和
用于接收排出的富集了酸性气体的醇蒸汽、冷却所述富集了酸性气体的醇蒸汽以冷凝醇并且从其中分离出至少一部分所述酸性气体的设备。
19.权利要求18的装置，其中用于接收排出的富集了酸性气体的醇蒸汽的设备包含至少一个热交换装置用于从排出的醇蒸汽和汽提容器的至少一个中回收热，以及至少一个热交换装置用于冷凝所述醇。
20.权利要求15或18的装置，还包含用于冷凝所述回收的醇、加热所述醇以由其形成蒸汽并将所述醇蒸汽再循环到汽提容器中的设备。
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