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CN101977669A - 通过使用催化剂来增强从混合气流中脱除co2的系统和方法 - Google Patents

通过使用催化剂来增强从混合气流中脱除co2的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于溶剂的烟道气处理系统，该系统用于从烟道气流中脱除CO2。提供催化剂来增加溶剂从烟道气流中捕获CO2或者再生该溶剂的效率。

Description

通过使用催化剂来增强从混合气流中脱除CO2的系统和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求共同未决的美国临时申请名称为“通过使用催化剂来增强从混合气料流中脱除CO2的系统和方法(A System and Method for EnhancedRemoval of CO2 From a Mixed Gas Stream via Use Of a Catalyst)”的优先权，其具有美国序列号US61/038467，2008年3月21日提交，其公开内容以引用的方式整个地并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种系统和方法，用于从含有二氧化碳和二氧化硫的工艺气流中脱除二氧化碳(CO2)。更特别地，本发明涉及一种基于溶剂的烟道气处理系统，用于从烟道气流中脱除CO2，其中提供催化剂来增加该溶剂从烟道气流中捕获CO2或者再生该溶剂的效率。
背景技术
在燃烧装置(例如与锅炉系统相结合用于向发电厂提供水蒸气的燃烧装置)中，在燃料(例如煤、石油、泥炭、废弃物等)的燃烧中，产生热的工艺气体(processgas)(或者烟道气(flue gas))。除其它物质之外，这种烟道气通常含有二氧化碳(CO2)。向大气中排放二氧化碳的环境负面影响已经被广泛地认识，结果是开发了适用于从上述燃料燃烧产生的热工艺气体中脱除二氧化碳的工艺。一种这样的系统和工艺已经在之前公开，其涉及基于冷冻氨的单级系统和方法，用于从后燃烧的烟道气流中脱除二氧化碳(CO2)。
已知的基于溶剂的CO2捕获系统，例如基于氨的系统和工艺(CAP)提供了一种相对低成本的从气流(例如后燃烧烟道气流中)捕获/脱除CO2的手段。这种系统和工艺的例子之前已经被未决专利申请PCT/US2005/012794(国际公开号：WO2006/022885/发明人：Eli Gal))公开，2005年4月12日提交，名称是“包括脱除CO2的燃烧气体的超级清洁法(Ultra Cleaning of Combustion GasIncluding the Removal of CO2)”。在该工艺中从烟道气流中吸收CO2是通过让冷冻氨离子氨溶液(或浆体)与含有CO2的烟道气流接触来实现的。
图1A是概略描述了烟道气处理系统15的图，该系统用于从烟道气流FG中脱除多种污染物，该烟道气流FG由锅炉系统26的燃烧室排出，该锅炉系统26用于例如发电厂的水蒸气发生系统中。该系统包括CO2脱除系统70，其经配置以在将净化的烟道气流排放到排气烟囱90(或额外的处理过程)之前，从烟道气流FG中脱除CO2。其还经配置以排出从烟道气流FG中脱除的CO2。详细的CO2脱除系统70在图1B中概略描述。
参考图1B，CO2脱除系统70包括用于从烟道气流FG中捕获/脱除CO2的捕获系统72，以及用于再生用来从烟道气流FG中脱除CO2的离子氨溶液的再生系统74。捕获系统72的详情在图1C中概略描述。
参考图1C和图1D，概略地描述了CO2捕获系统70(图1A)的捕获系统72。在该系统中，捕获系统72是基于溶剂的CO2捕获系统。更特别地，在本实例中，使用的溶剂是冷冻氨。在基于冷冻氨(CAP)的CO2脱除系统/方法中，提供吸收容器，在其中吸收剂离子氨溶液(离子氨溶液)与含有CO2的烟道气流(FG)接触。离子氨溶液一般是含水的，并可以包含例如水和氨离子、碳酸氢根(bicarbonate)离子、碳酸根(carbonate)离子和/或氨基甲酸根(carbamate)离子。图1C和图1D的图中概略地描述了已知的CAP CO2脱除系统的例子。
参考图1C，吸收容器170经配置以接收烟道气流(FG)，该烟道气流例如来自燃烧化石燃料的锅炉26(见图1A)的燃烧室。其还经配置以接收来自再生系统74(见图1B)的贫(lean)离子氨溶液的供应。贫离子氨溶液通过液体分配系统121引入容器170，而吸收容器170通过烟道气入口76还接收烟道气流FG。
离子氨溶液通过气-液接触设备(以下称为传质设备，MTD)111与烟道气流接触，该设备用于使烟道气流与溶剂接触，并位于吸收容器170内，并在烟道气流从入口76进入流动到容器出口77的路径上。气-液接触设备111可以是例如一个或多个通常已知的结构化(structured)或随机堆放的填充材料，或它们的组合。
一旦与烟道气流接触，离子氨溶液从烟道气流中吸收CO2，从而使得该离子氨溶液“富含”CO2(富溶液)。富离子氨溶液继续向下流动通过传质设备，然后在吸收容器170的底部78被收集。富离子氨溶液随后通过再生系统74(见图1B)进行再生，以释放由离子氨溶液从烟道气流中吸收的CO2。从离子氨溶液中释放的CO2可以排出到储存或其它预定的用途/目的。一旦CO2从离子氨溶液中释放，离子氨溶液就被称为“贫(lean)的”。贫离子氨溶液随后再次准备好以从烟道气流中吸收CO2，并可以被引导返回到液体分配系统121，藉此将其再次引入到吸收容器170。图1E中示出了再生系统74的详情。系统74包括再生容器195。再生容器195经配置以接收来自捕获系统72的富溶液进料，一旦CO2已经从该富溶液中分离，再生容器将贫溶液进料返回到捕获系统72。
再生过程中，富离子氨溶液被加热，使得溶液中含有的CO2从该冷冻氨溶液中分离。一旦分离出CO2，氨(氨逃逸)返回到捕获系统用于从气流中捕获额外的CO2。
这些目前已知的基于溶剂的CO2捕获技术通常要消耗由发电系统产生的电的大约20-30％，以使CO2的捕获工艺有效地工作。另外，这些技术通常需要大量由锅炉/再沸器运行(再沸器热负荷(reboiler duty))产生的热能，从而将胺溶液再生以重新用于从烟道气流中捕获CO2。简单来说，当这些已知的技术用于从烟道气流中捕获CO2时，为了使它们良好运行需要巨大的能量。另外，为了最大化/最优化烟道气与胺接触的时间量，典型系统中吸收罐和/或再生罐的物理尺寸必须非常大。设计和实施这些如此大规模的塔所需的成本非常高昂。另外，现场为容纳这些容器所需的物理空间也是显著的。对于现场空间有限的地方，必须采取附加的步骤来在有限的空间中实施该容器/系统，如果可能的话。
发明内容
本发明的实施方案提供用于燃烧化石燃料的锅炉的烟道气处理系统。简要描述地，在结构上该系统的一个实施方案尤其可以实施为烟道气处理系统，其包括吸收塔，该吸收塔经配置以接收含有二氧化碳的混合气料流并使其与溶剂接触；并且该吸收塔包括涂覆有催化剂的填充材料。
本发明的实施方案还可以看作提供处理混合气料流的方法，其中该方法包括以下步骤：接收来自锅炉的燃烧室的烟道气流；将烟道气流与溶剂接触并将溶剂与催化剂接触。
在查看随后的附图和详细描述之后，本发明的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员来说将是显而易见的或变得显而易见的。意图是所有这些额外的系统、方法、特征和优点都包括于本描述中，都在本发明的范围内，并由随附的权利要求所保护。
附图说明
参考随附的附图，可以使本领域技术人员更好地理解本发明，本发明的众多的目标和优点将变得显而易见，其中：
图1A-图1C是概略地描述了用于脱除CO2的典型烟道气处理系统15的图。
图2A-图2C是概略地说明填充材料315的实例的图，其中催化剂固定在填充材料的壁/表面上。
图3是概略地描述了基于胺或氨的CO2捕获系统70的相关部分的图，其中吸收器110和再生器330设置有填充材料315和335，其分别涂覆有催化剂。
图4A是概略地描述了基于胺或氨的CO2捕获系统70的相关部分的图，其中将催化剂425添加到溶剂供应195(图4A)或可以将其直接添加到溶剂供应进料中。在该实例中，溶剂是胺或氨。
图4B是概略地描述了基于胺或氨的CO2捕获系统70的相关部分的图，其中将催化剂425直接添加到溶剂供应进料中。
讨论
本发明涉及在例如用于处理烟道气流的基于溶剂的捕获系统中增加CO2的捕获效率。本发明还涉及高效地再生用于捕获CO2的溶剂。
在本发明的一个实施方案中，催化剂425涂覆(或固定)在填充材料315的一个或多个表面上，该填充材料位于基于胺或氨的CO2捕获系统70的吸收塔110中。图2A-图2C是概略描述已经涂覆有催化剂425的填充材料315的图。图2B和2C示出了填充材料315可以包括例如一系列波纹支撑结构320，其相互邻近设置以形成一系列通道334，烟道气通过所述通道进入吸收容器110流动。催化剂425涂覆在每个波纹支撑结构320的一个或多个表面上。波纹槽334形成使烟道气穿过填充材料315从而与催化剂层425接触的路径。
催化剂425可以是均相和/或多相催化剂。均相型催化剂可以包括，例如，有机金属配合物，其包括过渡金属和无机/有机配体(例如联吡啶、芳族化合物、卤素等)。过渡金属配合物的形成是激活惰性分子最有力和普遍的方法之一。配位造成配体的活性变化并产生对配体相互作用有利的位阻条件。在过渡金属化合物的影响下，这种通过配位的活化作用使得能够执行多种催化反应。其它可以使用的催化剂的例子包括但不限于，例如，有机金属配合物催化剂，例如，卤素型配合物，Ni(bpy)3Cl2)[bpy:联吡啶]。
多相型催化剂可以包括，例如，金属或它们的化合物例如氧化物(例如MgO)，氯化物MgCl2，等(氧化物优选不包括硫化物和氯化物。它们是彼此独立的)，它们(优选均匀地)分散在具有高BET表面积的固体材料上，所述固体材料例如为聚合物、金属氧化物、SiO2、分子筛、碱和/或酸改性的粘土等。
提供催化剂425来促进CO2与溶剂(例如胺或冷冻氨)的反应，这样导致该溶剂能够在给定的单位时间内捕获更多的CO2(也就是提高基于胺的CO2捕获效率)。
再生塔中填充材料上的催化剂-在本发明的一个实施方案中，催化剂涂覆/固定在基于胺或氨的CO2捕获系统的再生塔中的填充材料的一个或多个表面上。催化剂可以是均相和/或多相催化剂。催化剂用于在溶剂与CO2反应/相互作用后促进溶剂(例如：胺或氨)的再生。催化剂经选择和提供以促进产物的分解，该产物由CO2和胺之间相互作用/反应所形成，这样导致能够在单位给定时间内从富胺溶液中更有效地再生胺(也就是提高基于胺的CO2捕获效率)。这一实施方案概略地描述在图3中。
在另一实施方案中，将催化剂添加到溶剂(例如胺或氨)中，所述溶剂用于从烟道气流中捕获CO2。催化剂还能够用于促进溶剂在与CO2反应后的再生。在该实施方案中，可以使用均相催化剂。本实施方案概略地描述在图4A和图4B中。图4A说明了如何能将催化剂425直接进料到溶剂供应罐510中。图4B说明了如何能将催化剂425与向液体分配系统121进料的溶剂供应相结合。
在烟道气处理系统15中(其中催化剂425涂覆/固定/分层(layer)在吸收塔110和再生塔330两者的填充材料315上)，用于吸收塔110和再生塔330两者的催化剂425能够是相同或不同的催化剂。就用于捕获和再生两者使用的催化剂而言，并不要求是相同的催化剂。
催化剂425可以分散/分层/涂覆在具有高BET表面积的固体材料320上，例如100-1000m2/g，平方米每克固体材料，例如通过湿式浸渍，接着涂覆/固定在位于例如吸收塔110和/或再生塔/汽提塔330的填充材料315上。这可以通过例如已知的清洗-涂覆技术来实施，例如在工业催化剂制备工艺中采用的技术。这些固体材料能够用于制作填充材料或其部分。
备选地，催化剂(有机金属配合物、过渡金属和它的盐)可以直接涂覆到填充材料315(见图2A-图2C)上以形成催化剂膜(或层)。这可以通过例如已知的涂覆技术来实施，所述涂覆技术例如是在工业半导体制备或自组装工艺或电化学涂覆工艺中采用的技术。可以使用的催化剂的一些例子包括但不限于，例如有机金属配合物催化剂，例如卤素型配合物，Ni(bpy)3Cl2)[bpy:联吡啶]和基于过渡金属的无机催化剂。
任何均相和/或多相催化剂都能够用于CO2捕获操作来激活CO2吸附到催化剂425表面，并通过均相和/或多相工艺，催化用CO2碳酸化(carbonation)/重碳酸化(bi-carbonation)和氨基甲酸化(carbomation)胺。这些催化剂还能够用于溶剂(例如：胺或氨)再生，以催化分解用CO2碳酸化/重碳酸化和氨基甲酸化胺形成的产物。
虽然参考了一些优选的实施方案来描述本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以进行各种变化和本发明的要素可以用等效物替换而不背离本发明的范围。另外，在本发明的教导下，为了适应特定的情况或材料可以作出许多修改，而不背离本发明的实质范围。因此，本发明不意在限于作为实施本发明的最佳方式公开的特定的实施方案，而是本发明将包括落在附随的权利要求的范围内的所有的实施方案。另外，这里使用的术语第一、第二等等并不表示任何顺序或重要性，术语第一、第二等等只是用于区分一个特征与另一个特征。

Claims (19)

1.烟道气处理系统，包括：
吸收塔，经配置以接收包含二氧化碳的混合气料流并使其与溶剂接触；并且该吸收塔包括涂覆有催化剂的填充材料。
2.权利要求1的系统，其中所述催化剂是均相催化剂。
3.权利要求1的系统，其中所述催化剂是多相催化剂。
4.权利要求1的系统，其中所述烟道气系统是基于胺的烟道气处理系统。
5.权利要求4的系统，其中提供所述催化剂以促进借助胺捕获烟道气流中的二氧化碳。
6.权利要求1的系统，其中所述混合气系统是基于氨的混合气处理系统。
7.混合气处理系统，包括：
再生塔，经配置以接收富含二氧化碳的胺料流；并且该再生塔包括涂覆/固定有这样的催化剂的填充材料。
8.权利要求7的系统，其中所述催化剂是均相催化剂。
9.权利要求7的系统，其中所述催化剂是多相催化剂。
10.混合气处理系统，包括：
再生塔，经配置以接收富含二氧化碳的氨料流；并且
该再生塔包括涂覆/固定有这样的催化剂的填充材料。
11.权利要求10的系统，其中所述催化剂是均相催化剂。
12.权利要求10的系统，其中所述催化剂是多相催化剂。
13.混合气处理系统，包括经配置以接收烟道气流的吸收塔，和含催化剂的胺进料供应。
14.权利要求13的系统，其中吸收塔经配置以使得烟道气流与来自胺进料供应的胺/催化剂接触。
15.混合气处理系统，包括：
吸收塔，其经配置以接收烟道气流；并且
该吸收塔包括涂覆/固定有这样的催化剂的填充材料，该催化剂能够用于激活CO2吸附到其表面，并催化藉由CO2碳酸化/重碳酸化和氨基甲酸化胺。
16.混合气处理系统，包括：
再生塔，其经配置以接收富含二氧化碳的胺料流；并且该再生塔包括涂覆/固定有这样的催化剂的填充材料，该催化剂能够用于催化藉由CO2碳酸化/重碳酸化和氨基甲酸化胺而形成的产物的分解。
17.混合气处理系统，包括：
再生塔，其经配置以接收富含二氧化碳的氨料流；并且
该再生塔包括涂覆/固定有这样的催化剂的填充材料，该催化剂能够用于催化由氨与CO2的反应/相互作用形成的产物的分解。
18.混合气处理系统，包括经配置以接收烟道气流的吸收塔，和含这样的催化剂的胺进料供应，该催化剂能够用于在低温催化使用胺/氨捕获CO2，以及在高温下，分解由氨与CO2的反应/相互作用形成的产物。
19.处理混合气料流的方法，包括以下步骤：
接收包含二氧化碳的烟道气流；
将烟道气流与溶剂接触；以及
将溶剂与催化剂接触。
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