CN107427760A - 用于从气体流中分离二氧化碳的设备和方法 - Google Patents

用于从气体流中分离二氧化碳的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于气体流中的，尤其烟气流中的二氧化碳的分离设备(1)，所述分离设备包括：用于借助于清洗介质(9)从气体流中分离二氧化碳的吸收单元(3)；与吸收单元(3)流体连接的解吸单元(5)，所述解吸单元用于从清洗介质(9)中释放被吸收的二氧化碳；以及流体连接在解吸单元(5)下游的压缩机单元(39)，所述压缩机单元用于压缩被释放的二氧化碳，其中将用于二氧化碳的清洁设备(35)流体连接在压缩机单元(39)上游。此外，本发明涉及一种用于从气体流中，尤其从烟气流中分离二氧化碳的方法。

Description

用于从气体流中分离二氧化碳的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于气体流中的二氧化碳的分离设备，所述气体流尤其是烟气流。此外，本发明涉及一种用于从气体流中分离二氧化碳的方法。
背景技术
在气候变化的背景下，全球的目标是降低有害物质到大气中的排放。这尤其适用于二氧化碳(CO2)的排放，所述二氧化碳在大气中聚集，妨碍地球的热辐射进而作为温室效应引起地表温度的提高。
尤其在用于产生电能的化石燃料发电厂设施中，通过燃烧化石燃料产生含二氧化碳的烟气。为了避免或减小二氧化碳到大气中的排放，必须从烟气中分离二氧化碳。相应地，尤其在现有的化石燃料发电厂中探讨适当的措施，以便在燃烧之后将所形成的二氧化碳从废气中分离(燃烧后捕获)。
对此，作为技术上的实现方案，使燃烧之后的燃气在吸收单元或吸收器中与适当的清洗介质形成接触，其中包含在烟气中的气态的二氧化碳溶解在清洗介质中或就化学意义而言被吸收。最后，清除了二氧化碳的废气被排放到大气中。加载有二氧化碳的清洗介质被输送给解吸单元或解吸器，在那里从清洗介质中再次释放被吸收的二氧化碳。
除了二氧化碳之外，在吸收器之内也在清洗介质中吸收少量的氧气，所述氧气在解吸器中与二氧化碳一起再次释放。然而，根据所产生的二氧化碳的有意进行的其它应用，包含在二氧化碳中的氧气量对此会超出所需要的极限值。例如在三次原油开采(“提高原油采收率”)的范畴中使用二氧化碳时是这种情况。相应地，需要清洁在解吸器中释放的二氧化碳以移除氧气。用于移除氧气的常用的气体清洁方法是氢气的催化氧化(或通过氢气催化还原包含在二氧化碳中的氧气)和化学吸附。
在催化氧化时，将足够量的氢气与待清洁的气体，即尤其二氧化碳混合。随后，在用例如用贵金属催化剂填充的反应器中，包含在气体中的氧气与氢气反应成水。在连接在反应器中下游的冷却器中，被清洁的气体冷却，并且沉积冷凝出的水。在此被清洁的气体包含小于5ppmv(百万分体积比)的氧气，剩余的氢气含量在500ppmv和1000ppmv之间。通过将干燥设施连接在下游，含水量能够降低到低于1ppmv的值。
在化学吸附方法的范围中，包含在待清洁的气体中的氧气例如在铜触媒处分离。当对铜触媒进行加载时，所述铜触媒通过添加氢气来再生。为了实现铜触媒的尽可能高的吸收能力，在温度大致为200℃时执行所述工艺。为了确保连续的运行，在化学吸附时必须使用两个反应器。在此，在一个反应器中清洁气体，而同时另一反应器再生。气体首先被加热到所需要的运行温度，其中对此大多使用包含在已经被清洁的气体中的热量。在穿流铜触媒时，包含在气体中的氧气被铜束缚，所述气体以不含氧气的方式离开该设施。
发明内容
本发明所基于的第一目的是：提出一种设备，借助所述设备可以有效地且低成本地在用于二氧化碳的分离工艺的范畴中清洁二氧化碳。
本发明所基于的第二目的是：提出一种方法，所述方法允许相应简单地且低成本地清洁二氧化碳。
本发明的第一目的根据本发明通过用于气体流中的，尤其烟气流中的二氧化碳的分离设备来实现，所述分离设备包括：用于借助于清洗介质从气体流中分离二氧化碳的吸收单元；与吸收单元流体连接的解吸单元，所述解吸单元用于从清洗介质中释放被吸收的二氧化碳；以及用于被释放的二氧化碳的压缩机单元，所述压缩机单元流体地连接在解吸单元下游，其中用于二氧化碳的清洁设备流体地连接在压缩机单元上游。
在第一步骤中，本发明以如下知识为出发点：原则上能够在不同的压力下清洁包含氧气的二氧化碳流。由于体积流在压力提高的情况下下降，在高压下与在低压下相比结构上更小的清洁设备是可行的。因此，二氧化碳的清洁通常在压缩级下游执行。
在第二步骤中，本发明考虑：在高压下清洁二氧化碳结合有相对高的成本。也就是说，在清洁设备“高压运行”期间，结构上的给定条件，例如设备的壁厚度和氢气的馈送压力，必须匹配于提高的压力比。此外，对分别所使用的设备的压力稳定性和密封性提出更高的要求。
在第三步骤中，本发明此时违背关于在低压下本身所不期望的体积流增大的知识，然而考虑如下可行性：在低压下从二氧化碳中清除氧气。也就是说，本发明令人惊讶地认识到：当前，当用于二氧化碳的清洁设备在低压下工作且就此而言流体连接在用于压缩清洁过的二氧化碳的压缩机单元上游时，尽管设备在结构上更耗费但是清洁设备与至今为止相比能够更简单且更低成本地集成到之前所描述的分离设备中。
从解吸单元中流出的二氧化碳以未被压缩的方式输送给清洁设备。在那里，移除所包含的氧气。在清洁之后，将二氧化碳输送给压缩机单元并且压缩。清洁设备流体连接到解吸单元和压缩机单元之间。
通过清洁设备的至今为止未被考虑过的这种定位实现：在构造和随后运行相应的清洁设备时相对于至今为止常用的设备改进了方法的复杂性和总成本。
清洁设备本身仅须针对低压设计。这允许使用壁厚小的设备，这降低材料耗费进而降低材料成本。也不像在高压运行时需要运行成本那样需要耗费的安全技术。换言之，使用结构上更大的设备所产生的成本通过如下优点来抵消，所述优点从连接在压缩机单元上游的清洁设备中得出。
显而易见的是，清除了氧气的二氧化碳也满足对于对另一应用所需的清洁度的要求。
为了分离包含在气体流中的，尤其烟气流中的二氧化碳，使气体流流入吸收单元中。包含在气体流中的二氧化碳在吸收单元内部在清洗介质中吸收。优选将氨基酸盐溶液用作为清洗介质。在此，含水的氨基酸盐溶液是适当的。
加载有二氧化碳的清洗介质输送给解吸单元。对此，吸收单元适当地经由导出管道与解吸单元的输送管道流体连接。在解吸单元中，在清洗介质中吸收的二氧化碳被释放，并且清除了二氧化碳的清洗介质再次回导到解吸单元中，在那里所述清洗介质用于重新吸收烟气中的二氧化碳。对此，解析单元优选经由回导管道与吸收器的输送管道流体连接。
在解吸单元中释放的二氧化碳在解吸器顶部被提取并且输送给清洁设备，在那里清除二氧化碳所包含的氧气。在进入之前，含氧气的二氧化碳气体流有利地还经过冷凝器，在所述冷凝器中冷凝出包含在二氧化碳流中的水。适当地，冷凝器流体连接到解吸单元和清洁设备之间。
在本发明的另一有利的设计方案中，清洁设备构成用于对包含在二氧化碳中的氧气进行催化还原。氧气的催化还原通过在催化表面上借助氢气还原包含在二氧化碳流中的氧气来进行。因此，这同样是用氧气对氢气进行催化氧化。
含氧气的二氧化碳流经由解吸单元与清洁设备的流体连接输送给清洁设备。对此，将解吸单元的导出管道适当地与清洁设备的输送管道连接。
为了配给氢气，给清洁设备的输送管道适当地接上用于含氢的气体流的输送管道。因此，给流入清洁设备中的二氧化碳计量氢气的所需要的量。在此，氢气含量适当地与氧气量相配合。
优选地，在清洁设备的相应对此所设计的设备中进行催化还原。优选地，清洁设备包含具有催化活性材料的反应器。优选地，将贵金属催化剂，如铂催化剂或钯催化剂用作为催化活性材料，在所述贵金属催化剂的表面上进行所计量的氢气的催化氧化(或氧气的催化还原)以形成水。
为了将在氢气和氧气反应时在反应器内部形成的水从二氧化碳中移除，随后将气体流冷却进而冷凝出包含在气体流中的、通过氧气与氢气反应所形成的水。对此，清洁设备优选包含冷却器。冷却器适当地流体连接在清洁设备的反应器下游。冷凝出的水随后被抽出。
为了从二氧化碳中移除残余的剩余湿气，清洁设备优选包含干燥设备。优选地，干燥设备构成为吸收干燥器，所述吸收干燥器借助相应的干燥剂抽出湿气，即尤其从二氧化碳流中抽出水。干燥设备适当地连接在冷却器下游。
一个替选的设计方案提出具有集成的干燥设备的反应器，使得氧气与氢气的催化反应和二氧化碳的干燥在共同的设备中执行。
在一个优选的设计方案中，二氧化碳流仅在清洁结束之后，即在氧气与氢气在反应器内部催化反应、在随后冷却和冷凝出所形成的水以及通过干燥移除水之后，才输送给压缩机单元。对此，清洁设备适当地经由导出管道与压缩机单元的输送管道流体连接。在此，压缩机单元能够单级或多级地构成。
在一个替选的设计方案中，本发明提出：使用清洁设备，所述清洁设备构成用于借助于化学吸附从气体流中移除氧气。这种清洁设备适当地包括两个反应器，在所述反应器中尤其且优选借助于铜触媒从二氧化碳中移除氧气。清洁优选经由铜触媒的氧化来进行。适当地，也将这种清洁设备流体连接在解吸单元和压缩机单元之间。
根据本发明，本发明的第二目的通过一种用于从气体流中，尤其烟气流中分离二氧化碳的方法来实现，其中将包含二氧化碳的气体流输送给吸收单元，其中包含在气体流中的二氧化碳借助于清洗介质从该气体流中移除，其中加载有二氧化碳的清洗介质输送给解吸单元，其中在清洗介质中吸收的二氧化碳从该清洗介质中释放，并且其中释放的二氧化碳在压缩之前，即以未压缩的方式，输送给清洁设备。
优选地，包含在二氧化碳中的氧气在清洁设备中催化还原。为了催化还原氧气，适当地将含氢气的气体配给到清洁设备中。氧气的催化还原或所计量的氢气的催化氧化，借助于适当的催化活性材料来进行。对此，优选地，使用贵金属催化剂，将所述贵金属催化剂填入到清洁设备的反应器中。
在氢气与包含在二氧化碳流中的氧气反应之后形成水。水优选通过冷却而被冷凝出来，并且尽可能地被导出。适当地，随后干燥清除了氧气的二氧化碳，以便因此降低剩余湿气。有利地，冷却了的二氧化碳接下来被压缩。
二氧化碳流的压缩尤其仅在已经移除了所包含的氧气、干燥了基本上清除了氧气的二氧化碳流和冷却了被干燥的二氧化碳流之后才进行。
针对所述设备的从属权利要求所说明的优点也能够对照地转用于所述方法的相应的设计方案。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明的实施例。在此示出：
图1示出借助于示意的清洁设备用于烟气流中的二氧化碳的分离设备，和
图2示出适合于根据图1的分离设备的清洁设备。
具体实施方式
图1示出用于烟气流的二氧化碳的分离设备1。在此，分离设备1包括吸收单元3和解吸单元5。
待清洁的烟气8经由烟气管道7流入吸收单元3中。在吸收单元3内部，烟气8与清洗介质9形成接触并且由清洗介质9吸收包内含在烟气8中的二氧化碳。将含水的氨基酸盐溶液用作为清洗介质9。被清洁的烟气经由吸收单元3的顶部13处的导出管道11排放到大气中。
加载有二氧化碳的清洗介质9经由连接在吸收单元3的底部15处的导出管道17提取。经由导出管道17与解吸单元5的输送管道19流体连接或耦联将被加载的清洗介质9输送给解吸单元5。在此，清洗介质9经过换热器21。
在解吸单元5内部，通过热解吸再次从清洗介质9中释放二氧化碳。释放了二氧化碳的清洗介质9经由解析单元5所接上的导出管道23与解吸单元3的输送管道25的流体连接再次回导到该吸收单元中，并且在那里提供用于重新吸收烟气8中的二氧化碳。附加地，给解吸单元5接上再沸器27，所述再沸器作为底部蒸发器(Sumpfverdampfer)提供再生热的一部分用于释放在清洗介质9中被吸收的二氧化碳。
在解吸单元5内部从清洗介质9中释放的二氧化碳在解吸单元5的顶部29处经由接在该处的导出管道31从该解吸单元中提取，并且经过冷凝器33。二氧化碳流也包含少量的氧气，所述少量的氧气必须从气体流中移除。对此，将清洁设备35流体连接在解吸单元5下游，所述清洁设备经由输送管道37与解吸单元5的导出管道31连接。
在清洁设备35中，移除包含在二氧化碳中的氧气。仅在图2中详细描述的清洁之后，才将二氧化碳输送给压缩机单元39并且在那里压缩。
换言之，清洁设备35流体连接在解吸单元3和压缩机单元39之间，使得将离开解吸单元5的二氧化碳流以未压缩的方式输送给清洁设备35。
在图2中示出的清洁设备35内部，移除包含在二氧化碳流中的氧气。这通过借助于氢气在催化活性表面上催化还原包含在二氧化碳流中的氧气的方式来进行。
含氧气的二氧化碳流经由解吸单元5的导出管道31和清洁设备35的输送管道37的流体连接被输送给清洁设备35。
为了配给氢气，给清洁设备35的输送管道37接上用于含氢气的气体的输送管道41。含氢气的气体在经过预热器43之后与含氧气的二氧化碳流一起流入反应器45中，所述反应器作为清洁设备35的一部分流体连接在解吸单元5下游。
反应器45通过催化活性材料47填充。当前，使用铂网。网结构的表面提供起催化作用的表面，在所述表面上进行氢气的催化氧化或氧气的催化还原。在此，形成水，所述水与二氧化碳一起经由反应器45的导出管道49从该反应器中流出。
在导出管道49中设置有冷却器51，在所述冷却器中水被冷凝出来并且经由相应的排放管道53排放。为了最后进行干燥，将二氧化碳从冷却器51起进一步引导至干燥设备55，在那里通过吸收仍包含的水将二氧化碳中的水份额降低到低于1ppmv。
仅在成功清洁之后，即在经过反应器45、冷却器51和干燥设备55之后，将二氧化碳输送给在图1中示出的压缩机单元39。对此，清洁设备35经由导出管道37与压缩机单元39的输送管道59流体耦联。

Claims (16)

1.一种用于气体流中的，尤其烟气流中的二氧化碳的分离设备(1)，所述分离设备包括：用于借助于清洗介质(9)从所述气体流中分离二氧化碳的吸收单元(3)；与所述吸收单元(3)流体连接的解吸单元(5)，所述解吸单元用于从所述清洗介质(9)中释放被吸收的二氧化碳；以及流体连接在所述解吸单元(5)下游的压缩机单元(39)，所述压缩机单元用于压缩被释放的二氧化碳，其中将用于二氧化碳的清洁设备(35)流体连接在所述压缩机单元(39)上游。
2.根据权利要求1所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)构成用于对包含在二氧化碳中的氧气进行催化还原。
3.根据权利要求1或2所述的分离设备(1)，其中所述解吸单元(5)经由导出管道(31)与所述清洁设备(35)的输送管道(37)流体连接。
4.根据权利要求3所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)的所述输送管道(37)接有用于含氢的气体的输送管道(41)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)包括具有催化活性材料(47)的反应器(45)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)包括冷却器(51)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)包括干燥设备(55)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的分离设备(1)，其中所述清洁设备(35)经由导出管道(57)与所述压缩机单元(39)的输送管道(59)流体连接。
9.一种用于从气体流中，尤其烟气流中分离二氧化碳的方法，其中将包含二氧化碳的气体流(8)输送给吸收单元(3)，其中将包含在所述气体流(8)中的二氧化碳借助于清洗介质(9)从所述气体流中移除，其中将加载有二氧化碳的所述清洗介质(9)输送给解吸单元(5)，其中将在所述清洗介质(9)中被吸收的二氧化碳从所述清洗介质中释放，并且其中将被释放的二氧化碳在压缩之前输送给清洁设备(35)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述清洁设备(35)中对包含在二氧化碳中的氧气进行催化还原。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中为了对包含在二氧化碳中的氧气进行催化还原，将氢气配给到所述清洁设备(35)中。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中借助于催化活性材料(47)进行所述催化还原。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中冷却被干燥的二氧化碳。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中干燥被清洁的二氧化碳。
15.根据权利要求14所述的方法，其中冷却被干燥的二氧化碳。
16.根据权利要求15所述的方法，其中压缩被冷却的二氧化碳。
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