CN1320952C - 以高能效率方式同时除去和捕集co2的系统 - Google Patents

Abstract

一个CO₂的除去和捕集系统(3)，该系统的作用是在床(10)中从烟道气除去CO₂、使CO₂溶解在床(10)的水中，然后将水/CO₂返回大海、河流、湖泊或其它可用来储存CO₂的区域。

Description

以高能效率方式同时除去和捕集CO2的系统

技术领域

本发明广义上涉及从工业气体中大规模捕集CO₂的领域，具体涉及更加有效除去并捕集发电厂燃烧矿物燃料所产生的CO₂的新的有用方法。

技术背景

从发电厂工艺中大规模捕集CO₂属于相对新的领域。人们已经广泛认识到在全球范围控制CO₂排放的需要，并且燃烧矿物燃料来产生电力的发电厂是主要目标。在北美，煤炭是用于发电的主要燃料。

对CO₂捕集/捕集提出的控制策略之一涉及浓缩锅炉烟道气中的CO₂，随后液化CO₂。然后，用管道将液态CO₂输送到最终储存地点，包括深海、地下含水土层、废弃的天然气井以及其它类似地点。

针对捕集并浓缩烟道气中CO₂提出的许多方法，包括：吸收/解吸、半渗膜、用氧代替燃烧空气、以及改变这些方法的不同组合。在所有这些情况下，在通过压缩和冷却来液化CO₂之前，CO₂气体必须脱水，并将酸性气体从中除去。CO₂液化以后，可泵送到最终储存地点。

近年来，已经认真考虑到可将CO₂直接注入海洋。由于CO₂是酸性气体，直接注入会引起注入点海域的pH局部明显下降至小于3.5，而正常海水的pH一般大于7.8。

在Santa Clare的California大学以及Lawrence Livermore NationalLaboratory进行的研究建议，将发电厂燃烧气体中的CO₂直接吸收到海水中是一种可能的捕集CO₂的方法。该方法在概念上，是使用改性的SO₂湿涤气装置，结合多开口碳酸盐床和碳酸/水溶液，使烟道气与水和石灰石接触，采用这种方法，吸收速度和容量利用了大多数烟道气中存在的较高的CO₂分压。

提出的这种方法涉及CO₂与适度碱性的石灰石反应，从而缓冲溶液的pH。CO₂与水和石灰石接触期间最低的pH大约为6.5。将此含CO₂的海水排放到广阔的海洋中，与其水达到平衡后，pH将大于7.8，这样就减小了对广阔海水的影响。对这一建议方法的进一步分析表明，溶解在海水中的钙仅增加0.6％，碳酸氢盐仅增加大约5％。尽管海水组成的这些变化对环境造成的后果的还未知，但是与浓缩的液化CO₂加入到海水中的后果相比，这一影响还是比较小的。不幸的是，对采用上述任一方法还存在一些限制因素。首先，需处理的CO₂的量和体积太大，无法使用常规实际结构的湿涤气设备。另一个问题是这些除去CO₂的方法都是能量极高能量消耗的。所以，这些方法都有附加的能量损失，将大大减小这些方法的吸引力。

附加的能量损失描述如下。发电厂中消耗电能的辅助设备所使用的能量称作辅助能量消耗或附加能量。这些辅助设备包括例如鼓风机、抽风机、静电沉积器上的变压整流器(TR)组、进水泵和其它等等设备。发电厂的净发电容量有时称作线路(busbar)能量，是发电厂的能量输出总额与附加能量之差。通常是将附加能量表示为能量输出总额的百分数。例如，基于石灰石强制氧化法的烟道气脱硫(FGD)系统使用大约1.4％附加能量。

对燃煤发电厂，控制CO₂最常考虑的两种方法是“吸收/解吸”和“用氧燃烧”。这两种方法的附加能量的要求描述如下。

吸收-解吸描述了一类用于除去和浓缩气流中“杂质”的方法。对烟道气中CO₂的情况，采用双塔装置。含CO₂的烟道气通过填料塔，与有机溶液如单乙醇胺(MEA)对流接触。CO₂被选择性地吸收到有机溶液中。饱和了CO₂的溶液然后转移到第二塔，在该塔内溶液与水蒸汽接触。以这种方式，CO₂从有机溶剂中解吸成为水蒸汽-CO₂气体混合物。然后，水蒸汽冷凝，留下浓缩的CO₂气流。

涉及吸收/解吸来除去和浓缩CO₂的方法都是很费能量的。例如，CO₂解吸塔上的再沸器的热负荷占发电锅炉热量输入的大约50％。该热量需求通常用50-磅/英寸²的水蒸汽来满足。至少这个水蒸汽需求是取自水蒸汽循环，从而减少发电机所发的能量。在一个研究中，现有的凝汽式涡轮必须被两个水蒸汽涡轮取代，第一个是背压涡轮，第二个是凝汽式涡轮。此外由于吸收/解吸法降低了热循环效率，与此同时，就增加了热量排出。相应地提高了热污染。这一损失并不是严格的附加能量消耗。而实际上是降低了发电机的总能量输出。

美国能源部(DOE)赞助的一项科研工作研究了对现有434MWe发电厂中采用基于单乙醇胺吸收的影响。该研究表明，传送到线路的发电量从434Mwe下降到260Mwe。但是，发电厂的燃料消耗仍然那么多。这种发电厂的能量转化效率从36％下降到21％。这种使用MEA吸收/解吸的发电厂的总附加能量大约为44％，而未使用MEA吸收/解吸的情况是6.2％(进一步的讨论可参见John Marion等人的论文，“Engineering Feasibility of CO₂ Capture on an Existing US Coal-firedplant”，26^th International Conference on Coal Utilization&Fuel Systems，Clearwater，FI，March 5-8，2001，参考结合于此)。

在氧燃锅炉中是使用氧气取代空气作为矿物燃料的氧化剂。空气包含大约21体积％的氧，余量中大多数为氮气。在氧燃锅炉中，氧气占98体积％以上，余量为氮和氩。在常规用空气进行燃烧期间，燃烧过程释放的大多数热能消耗加热空气中的氮。但是，用氧进行燃烧时，只有极少量的氮吸收热能的。结果是用氧燃烧会产生非常高温度的火焰，使得常规发电锅炉的结构材料破坏。可以设想在用氧燃烧情况下，进行烟道气循环来避免这个问题。实际上，用氧燃烧作为产生富CO₂的烟道气的一种办法，与常规的用空气燃烧的燃煤锅炉相比，其使用的辅助即附加消耗较小。然而，当从空气中分离氧所需和能量以及为最终将CO₂输送到捕集的终点而冷却和冷凝CO₂所需的能量一起在能量计算中考虑进去，能量消耗的情况就有很大改变。如果将这种方法应用于上述现有技术的434Mwe发电厂，线路上可得到的净能量从434Mwe下降到280Mwe。但是此能量输入还会降低大约2％。配备氧燃锅炉的发电厂总的附加能量消耗大约为40％，而按照其原设计模式操作的这个发电厂仅为6.4％。直到目前提出的所有CO₂捕集方法固有的较大附加能量消耗，是实施这些方法仍然存在行政和经济上阻力的主要原因，特别是在美国。因此，需要一种捕集CO₂方法，其所需的能量消耗尽可能的小。

发明概述

本发明的第一个目的是提供解决许多与现有方法相关的问题的CO₂捕集系统。

本发明第二个目的是提供改进已知处理CO₂方法的捕集系统，该系统能降低与CO₂除去和处理相关的能量消耗。

因此，提供了一种捕集系统，一层粗粉碎的石灰石床层覆盖着载有烟道气的管道。这些管道壁上有间隔的开口能让烟道气通入石灰石床层。水填充到石灰石床层高度的大约2/3，高于管道深度。水以预定流量流过该床层。此设备排列为许多平行排的床层，在每对相邻排之间有敞开的槽。这些敞开的槽是交替的进水槽和出水槽。烟道气传输系统包括集气管和歧管，以足够的压力分配烟道气，克服管道壁上开口存在的水压。

在提供于沿海环境的设备的一个实施方案中，床层安装在高潮汐点之上，其取向能使从下面泵入床层的海水在重力作用下流回到大海。可以使用一些格栅在靠近流入至大海的水出口处将石灰石保留在床层中。

在附属并形成本说明书一部分的权利要求书中将指出本发明新颖性各种特征。为了更好地理解本发明、通过其使用得到的其操作优点和具体目的，可以参见附图以及对本发明优选实施方案的描述。

附图简述

附图中：

图1是本发明捕集CO₂的石灰石床的平面图。

图2A是图1床的进水槽的截面侧视图。

图2B是图1床的出水槽的截面侧视图。

图3是图1一排床的局部端视图

图4是图1床的烟道气供应系统的顶视透视图。

较好实施方式的描述

提供一个有效除去燃烧矿物燃料产生的烟道气中CO₂的系统，该系统是使用填充有水的石灰石床(而不是涤气设备)来捕集CO₂，改进并提高现有的技术。

参见附图，其中，相同的数字表示相同或类似的部件。图1所示为石灰石床10的顶平面图，该床在一边具有供水槽20，另一边有排水槽30。每两个石灰石排12之间交替的进水槽22和出水槽32。进水槽22由壁25限定，而出水槽32由壁35限定。

排12之间的壁25和35的结构取决于其相邻的空间是进水槽还是出水槽。如图2A所示，进水槽22中的壁25在其底部有一狭槽24，允许水从壁25下面通过进入床排12。在进水槽22中沿床排12长度方向，间隔有一些狭槽24。图2B所示为出水槽壁35，在位于壁35大约2/3高度处有通过壁35的格栅通道34。可以使用钢筋或其它类似材料形成这些格栅，用来防止夹带在水流中的石灰石通过排12，从通道34排出到出水槽32中。各格栅通道34都沿着各出水槽32的壁35放置。

如图3和4所示，烟道气通过埋在各石灰石床排12中的多开口管60输入石灰石床10。这些开口使含CO₂的烟道气在床排12和水中通过。

在一较好的实施方式中，主烟道50取向垂直于床排12。主烟道50的直径可向着距产生CO₂的发电厂锅炉最远的一端减小。在每个床排12上，有个接受歧管40通过管道55连接于主烟道50。主烟道50可承载在相隔的槽壁25和35上，并有一些膨胀节用来补偿热膨胀变化。

使用进水槽22和出水槽32，各排12的床10上填充有大约2/3高度的水。按照本发明有效除去烟道气中CO₂的方法，石灰石床10的要求尺寸可按如下方式确定。

假设石灰石床深1米，宽15米，可以计算通过埋在石灰石床中的管道有效除去烟道气中CO₂的床的长度。管道埋在水平面(大约2/3米)下大约1/4米。

通过床的水流速度由下式确定：

2N_eu＝(1000/7.5N_Re+2.33)L/D_eq    (1)

N_eu＝ΔP/(ρ_fν_m ²/g_c)             (2)

ν_s＝ν_mε                         (3)

D_eq＝2/3(ε/(ε-1))(D₃₂/Φ)      (4)

N_re＝ρfν_mD_eq/μ_f                (5)

其中：

N_eu是欧拉数

N_re是雷诺数

D_eq是等价直径

D₃₂是石灰石颗粒的Sauter平均直径

Φ是形状因子

ν_m是平均水流速度

ν_s是表现水流速度

ε是空隙率

μ_f是水的粘度

ρ_f是水的密度

ΔP是压差

L是通道长度

g_c是重力常数

石灰石床的尺寸应允许要求量的水以小于或等于25cm水的驱动力通过石灰石床。驱动力定义为进水槽液面与石灰石床液面之差。下面更详细地描述水的运动。

为了由上述一些等式解出ν_s，必须知道石灰石床的空隙率ε和Sauter平均直径。空隙率是此系统难以控制的性能。然而，Sauter平均直径可在一宽的范围内设定。Sauter平均直径也与石灰石的比表面积呈下述关系：

S_p＝6Φ/ρD₃₂    (6)

其中：

ρ是颗粒密度

S_p＝是比表面积

Sauter平均直径是粒度分布的表面积重均直径。在公用事业工业中捕集CO₂的石灰石基湿式涤气器中使用的细粉碎的石灰石通常粉碎至Sauter平均直径为4-12微米。对本发明的床，粉碎的石灰石的Sauter平均直径宜在5-15毫米范围。使用粗粉碎的石灰石石时，压差随Sauter平均直径呈线性变化，且粗颗粒石灰石的床操作时不会有明显的石灰石颗粒夹带损失。用来粉碎除去CO₂所需量的石灰石，能量消耗也是很大的。因此，在一较好的实施方式中，使用粒度分布范围为2-30毫米的石灰石，其Sauter平均直径测定为8.66毫米。粉碎颗粒的石灰石床的空隙率大约为50％，形状因子为1.6。采用这些数据解出等式(4)，得到等价直径为3.6毫米。求出在包括25cm驱动力的这些条件下，表现水流速度大约为32.5米水/小时。

根据以前研究得到的资料，估计通过捕集CO₂的床所需的水量对于每吨捕集的CO₂约为1650吨海水。对燃煤发电厂的发电容量的每Mwe，每小时要产生大约1吨CO₂。因此，如果要捕集90％的CO₂，与其它方法相比，小时水用量大约为1485吨/小时，或6400加仑/分钟/Mwe。值得注意的，采用上述和下述的方法和假设，可以具体设计有一组除去效率的系统(即，301、501、701等)。

按照本发明方法，水是横向流动通过石灰石床，从狭槽24通过石灰石床排12至格栅通道34。由水的体积流量被表现水流速度ν_s除的商来确定所需的横向流动总面积。如上面指出的，在一较好的实施方式中，水平面保持大约2/3米深。对从150Mwe发电厂除去90％CO₂的系统，需要大约220,000吨水/小时的水流量通过床10。采用1吨水相当于1米³，水的体积流量即为220,000米³/小时。由32.5米/小时的表现水流速度除以体积流量得到6770米²面积。因为床10中水深度为2/3米，石灰石床10的长度必须大约为10,150米长，或10km或6.3英里。很清楚，如果床10是单条直线的，会造成占位过大问题以及一些流动水力学问题。

通过将床10排列成许多平行的排12，以一个大约600m×600m，或每个长600m的40个排12的床就能获得同样的有效长度。因此，上述床10就能体现有效除去中等发电厂产生的CO₂的必须尺寸。

进水槽和出水槽22和32设计成允许使用水供应而不必消耗另外的能量将水泵送通过床10。水液面最初必须升高，以提供水在床10中流动的驱动力。然而，一旦有了需要的水平面能提供水后，槽壁25和35的设计就能让重力藉流体力学使水流动通过床10。根据使用位置的情况，过程用水可来自河流、湖泊、大海，或其它大的蓄水池或供水源。目前，由于捕集是唯一需要考虑的问题(而不是水源或其它机械方面的问题)，没有必要将地点限制在海洋水或海岸区域。

在一较好的实施方式中，水可升高到高于石灰石床10液面50厘米。因此，如果提供的出口比沿海工厂的附近海水高潮汐水面高出25厘米，水必须在高潮汐时升高75厘米，即75厘米加上在高潮汐和低潮汐的水高度差。

本发明主要包括有进水槽和出水槽的床、将含CO₂烟道气通入床并在该床内分布的分配装置(较好是通过歧管、埋在床中的多开口管等)、供给该床的溶剂、设置在床内有助于从烟道气除去CO₂的化学物质、将除去的CO₂溶解于废水源的手段、以及用来处理含溶解的CO₂的废水用以散逸、pH调节、储存和/或其它处理的手段。

值得注意的，上述化学物质可以是粉碎的石灰石或其它本领域技术人员已知有助于或影响从烟道气除去CO₂的物质。同样，溶剂宜为水(或为淡水，或为含盐水或为其组合)，尽管有本领域技术人员已知的能将CO₂溶于其中的许多溶剂。上述用来溶解的手段可以是任何物理装置，能将捕集的CO₂分散和溶解在水中，包括但不限于格栅、雾化器等。最后，可在床中加入的上述处理手段，包括借助重力驱动水通过床的一系列斜槽，或者交替的或增加的泵、管道或其它从床带走废水的手段。

此系统比较已知的CO₂捕集方法和装置具有一些优点，包括低得多的附加能量消耗。使用本发明的石灰石床10的附加能量消耗，当除去大约90％CO₂时，大约为1％。对一个150Mwe的发电厂，该附加能量消耗能够用来提升220,000米³水/小时大约1.5米，并相对于25厘米静水压头鼓泡12,000米³/分钟。

而且，可以设想，在燃烧矿物燃料发电厂的常规一次通过的冷凝器系统中使用的冷凝器的冷却水，可以循环并用于本发明的石灰石床10。床10中该量使用的水在通过冷凝器后其温度升高不超过3，因此，应用于冷却水的同样的流体力学措施可应用于石灰石床10。进口和出口必须彼此充分分开，以避免系统的短路。

其它优点包括可以将该系统相对简单地应用到现有的工厂。与吸收/解吸方法不同，烟道气中存在的SO₂对本发明系统不构成问题。烟道气中的少量SO₂通过本发明的石灰石床10时，实际上有利于石灰石的溶解速度，从而有利于CO₂捕集速度。与此不同，在吸收/解吸方法中，SO₂则会与胺基溶剂反应产生热温稳定的胺-硫化合物，这些化合物必须排出并用新鲜的胺基溶剂取代；所以，采用吸收/解吸的发电厂必须加入或改进已有的FGD系统来得到很高的去除SO₂效率，以避免过量的试剂费用。

应当注意，在不偏离本发明的原则和范围条件下，可以按照前述公式改变石灰石床排12的具体宽度和深度，用以满足设置部位的具体要求。如上所述，还可以根据要求的除去效率来改变该系统。

虽然详细描述了本发明的一个具体实施方式，用来说明本发明原理的应用，但可以理解，在不偏离这些原理下以其他方式实施本发明。

Claims (5)

1.一种通过将二氧化碳溶于水中来从气体除去预定量二氧化碳的系统，所述系统包括：

进水口，所述进水口连接到至少一个进水槽，所述进水口由湖泊、河流、大海或蓄水池组成，所述进水槽向下倾斜离开所述进水口；

至少一个排水槽；

至少一个包含石灰石的反应床，所述石灰石粉碎成Sauter平均直径为5-15mm，所述反应床位于一个进水槽和一个排水槽之间，所述反应床具有流体连接到一个进水槽的入口和流体连接一个排水槽的出口，其中所述入口位于所述出口的正下方；

至少部分浸入所述反应床的至少一个废气歧管，所述歧管连接到动力车间的废气排气口，所述歧管具有串联排列的出口小孔，以将废气排入所述反应床；

所述排水槽相对于所述进水槽放置，所述放置方式能通过重力引导水流过所述反应床。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，相对于包含在反应床中的所述石灰石，水以三分之二的高度填充所述反应床。

3.一种通过将二氧化碳溶于水中来从含二氧化碳的废气中除去预定量二氧化碳的系统，所述系统包括：

以多个分隔的石灰石床排分布的石灰石床，所述多个分隔的石灰石床排之间有敞开的排，所述敞开的排是交替的将至少一种淡水、盐水或其混合输入所述石灰石床排的进水槽和从所述石灰石床排接收水的出水槽，所述进水槽由具有将所述水送入石灰石床排的许多槽的壁限定，所述许多槽以一定间隔沿着限定所述水进入通道的壁的底部长度分布，所述出水槽由具有将所述水送出所述石灰石床排进入所述出水槽的许多通路的壁限定，所述许多通路以2/3的高度和一定的间隔沿着限定所述出水槽的壁的长度分布，由所述进水槽和所述石灰石床排中水平面的高度之差决定的不等压头使水在重力的作用下从所述进水槽通过所述石灰石床排流入所述出水槽；

连接到许多埋入各个石灰石床排的穿孔管的主烟道，以将含二氧化碳的废气送入所述石灰石床排和包含在其中的水中，这样所述废气就能滤过所述石灰石和水；

将水送入所述进水槽的供水槽装置，以及从所述出水槽接收水的排水槽装置。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述进水槽中的水上升到高于所述石灰石床排中液体平面50cm的水平。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于它包括将水从河流、湖泊、大海、蓄水池和冷凝器的冷却水中的至少一种泵送到所述供水槽装置的装置。

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