專利名稱：從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣或煙中分離和回收二氧化碳的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
從最廣義的方面講，本發(fā)明涉及從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣或煙中分離和回收二氧化碳的方法。具體而言，本發(fā)明涉及從空氣氧化礦物燃料或餾份及其衍生物而產(chǎn)生的廢氣或煙中分離和回收二氧化碳的方法。術(shù)語(yǔ)“氧化”的含義既包括燃料，特別是礦物燃料，在家用或工業(yè)規(guī)模上和空氣進(jìn)行的正常燃燒，又包括其電化學(xué)氧化，例如在燃料電池中所發(fā)生的。
現(xiàn)有技術(shù)眾所周知工業(yè)或家用設(shè)備中礦物燃料(易燃的)的燃燒或其他氧化過程產(chǎn)生的排 (廢)氣或煙被分散到大氣中，造成多種環(huán)境問題。其中最嚴(yán)重的問題涉及對(duì)行星的整體加熱效應(yīng)，即已知的“溫室效應(yīng)”，而廢氣或煙中所含的二氧化碳對(duì)此負(fù)有責(zé)任。而且，已知二氧化碳在若干工業(yè)工序中是供給的原材料；為了完成這種工序，通常采用礦物燃料燃燒產(chǎn)生的熱能。因此，對(duì)于這些工序而言，為了提高產(chǎn)量和/或降低購(gòu)買這種原材料的成本，是希望能夠從燃燒廢氣中便利地分離和回收至少部分二氧化碳。例如，在生產(chǎn)氨和尿素或甲醇的工序中，已知供給的原材料，例如氫、一氧化碳和二氧化碳，一般是通過沼氣或諸如天然氣、LPG (液化石油氣)、石腦油的其他輕質(zhì)烴的重整，以氣體混合物形式獲得的。沼氣的轉(zhuǎn)化是在重整裝置的專用爐中進(jìn)行的，通常和氨和尿素或甲醇的生產(chǎn)有關(guān)，所利用的是供給的沼氣部分和空氣燃燒產(chǎn)生的熱能。在氨和尿素的生產(chǎn)過程中，為了使氫轉(zhuǎn)化為氨，隨后向重整獲得的氣體混合物中按照化學(xué)計(jì)量加入氮?dú)?。但是，按照這種方式，上述氣體混合物所含的二氧化碳量小于將產(chǎn)生的氨全部轉(zhuǎn)化為尿素所需的化學(xué)計(jì)量，以致尿素生產(chǎn)裝置能力被不利地降低了。 而在甲醇生產(chǎn)過程中，重整所得氣體混合物中的氫超過將一氧化碳和二氧化碳全部轉(zhuǎn)化為甲醇所必須的數(shù)量，因此部分氫氣從合成反應(yīng)器被清除，并經(jīng)常用作燃料。因此，在上述的兩種方法中，這一點(diǎn)很清楚只要能夠回收甚至只是部分沼氣重整裝置地燃燒氣體中所含的二氧化碳，尿素和甲醇各自的產(chǎn)量都可以有較大的提高。所以，關(guān)于從燃燒氣體或煙中分離和回收二氧化碳的問題是非常敏感的，在過去的幾十年中一直是若干研究的課題。這些研究大部分針對(duì)的是所謂的二氧化碳的“濕”分離和回收方法。即，基于用能夠選擇性吸附二氧化碳的合適溶液或溶劑洗滌燃燒氣體，并通過加熱吸附溶液或溶劑來回收所吸附的二氧化碳的方法。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)開發(fā)出了多種上述類型的方法；但是，它們都有限制其工業(yè)應(yīng)用的各種缺點(diǎn)。其中經(jīng)常遇到的一個(gè)缺點(diǎn)在于洗滌溶液受到其組分氧化現(xiàn)象的影響，該現(xiàn)象是由燃燒氣體中存在的氧氣造成的，因此需要頻繁替換。而且，應(yīng)當(dāng)注意到燃燒氣體通常還包含硫和氮氧化物(SOx和NOx)，它們和洗滌溶液中的某些組分反應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的鹽和難以清除和處理的其他有害化合物。因此，需要經(jīng)常替換洗滌溶液，并清除和處理其降解產(chǎn)生的有害化合物，這就意味著相應(yīng)地增加上述已知?dú)怏w二氧化碳分離和回收方法的生產(chǎn)費(fèi)用。此外，用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行二氧化碳分離和回收所需的設(shè)備復(fù)雜、昂貴、難以操作，而且體積龐大，因而還意味著高的投資和維護(hù)費(fèi)用。本發(fā)明根本的技術(shù)難題是提供一種從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣中分離和回收二氧化碳的方法，該方法簡(jiǎn)單、有成本效益，且沒有先前所述的與現(xiàn)有技術(shù)的二氧化碳分離和回收方法有關(guān)的缺點(diǎn)。發(fā)明概述這個(gè)技術(shù)難題是通過從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣中分離和回收二氧化碳方法解決的，該方法包括如下步驟-將廢氣流輸送到氣體半透性材料，-通過所述氣體半透性材料從廢氣流中分離含高濃度二氧化碳的氣流，以及-至少用部分含高濃度二氧化碳的氣流作為工業(yè)生產(chǎn)裝置中供給的原材料和/或?qū)⒅辽俨糠炙龅暮趸嫉臍饬鲀?chǔ)存起來。氣體半透性材料可以從中空纖維膜和諸如分子篩的能夠優(yōu)先吸附二氧化碳的材料中選擇。中空纖維膜可以是二氧化碳優(yōu)先滲透類型或者基本不滲透該氣體的類型。術(shù)語(yǔ)“分子篩”的含義包括所有具有適合優(yōu)先吸附氣體混合物所含二氧化碳的微孔的常規(guī)材料，包括活性碳。按照二氧化碳被吸附和釋放的具體方式，將這些材料分為 PSA(壓力擺動(dòng)吸附)或TSA(溫度擺動(dòng)吸附)型分子篩或者活性碳。在PSA吸附法中，施壓使含二氧化碳的混合氣體通過分子篩，以促進(jìn)二氧化碳在微孔中的優(yōu)先吸附。然后，減少壓力以獲得解吸的二氧化碳和其他可能保留在微孔中的氣體組分，因而使分子篩再生。與之不同，在TSA法中，是讓待分離的含二氧化碳的氣體混合物在不高于80°C的溫度下通過上述分子篩，將二氧化碳優(yōu)先吸附到微孔中。然后升高溫度，例如借助于蒸汽流，以這種方式使二氧化碳和其他可能保留在微孔中的氣體組分一起被解吸出來，從而再生分子篩。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選使用至少使用一種TSA型分子篩。在本發(fā)明的方法中使用TSA型分子篩不需要壓縮大量待分離的氣體，因而由于其低能耗而具有優(yōu)勢(shì)。而且為了再生TSA型分子篩，讓蒸汽流或者，作為選擇，部分含高濃度二氧化碳的氣流通過這些分子篩就足夠了，其中這一部分氣流在這種分子篩的再生溫度下被適當(dāng)?shù)丶訜?。另外，在本發(fā)明的方法中使用中空纖維膜或PSA型分子篩，如果和使用TSA型分子篩相比，則不太有利，因?yàn)樗鼈冃枰獙?duì)待處理的廢氣進(jìn)行壓縮，與之相聯(lián)系的是相關(guān)的能耗。再者，中空纖維膜非常昂貴，即使它們保證有更高的效率和將二氧化碳從燃燒廢氣所含其他氣體組分中分離出來的更高的產(chǎn)率。按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，氣體半透性材料能夠優(yōu)先吸附二氧化碳，而從所述廢氣流中分離含高濃度二氧化碳的氣流包括如下步驟-讓廢氣流滲透到所述氣體半透性材料中，以吸附至少所述廢氣流中所含二氧化碳的相關(guān)部分，并獲得低二氧化碳含量的滲透氣流。-分散所述低二氧化碳含量的滲透氣流，和-從所述氣體半透性材料中解吸至少相應(yīng)部分的二氧化碳，這樣獲得含高濃度二氧化碳的氣流。從如下參照附圖對(duì)本發(fā)明執(zhí)行方法而做的陳述性描述及其非限定性實(shí)例，將會(huì)使本發(fā)明從燃燒廢氣中回收二氧化碳方法的特征和優(yōu)點(diǎn)變得更清楚。附圖簡(jiǎn)述-

圖1顯示了本發(fā)明從燃燒廢氣中分離和回收二氧化碳方法的實(shí)施方案的方塊圖。發(fā)明詳述參照附圖，方塊1指的是用空氣燃燒燃料，特別是礦物燃料的家用或工廠設(shè)備。方塊2指的是冷卻方塊1內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣流的熱交換器。該廢氣流的氣體組成主要包括二氧化碳、水、氧氣和氮?dú)庖约?，在有限程度上，氮和硫氧化?SOx和Nox)。方塊3指的是適合將方塊2中冷卻的廢氣流壓縮到所需壓力的壓縮單元。方塊3 是任選的，而當(dāng)使用PSA型分子篩或中空纖維膜來分離二氧化碳時(shí)，方塊3變得非常重要， 因?yàn)榇藭r(shí)必須適當(dāng)?shù)貕嚎s待處理的廢氣。如果使用TSA型分子篩，可以省略方塊3，或者作為替代，方塊3可以由一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)扇組成。方塊4是氣體半透性材料，例如膜或分子篩，用于從來自方塊2或方塊3的廢氣流中分離含高濃度二氧化碳的氣流，本說明中稍后將解釋這點(diǎn)。方塊5是另一個(gè)適合對(duì)來自方塊4的含高濃度二氧化碳的氣流進(jìn)行壓縮的壓縮單兀。 方塊6是另一個(gè)熱交換器，適合加熱部分來自方塊4的含高濃度二氧化碳的氣流。流線7指示在方塊1內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣流。然后該廢氣流被輸送到方塊2，在那兒被冷卻至20°C 80°C。流線8表示來自方塊2的冷卻氣流。如果方塊4的氣體半透性材料由中空纖維膜或PSA型分子篩組成，首先在方塊3中在labs bar 20abs bar的壓力下壓縮廢氣流8，然后再如流線9所示，輸送到方塊4中。
與之相反，如果方塊4的氣體半透性材料由TSA型分子篩組成，可以省略方塊3，因此方塊2出來的廢氣流8被直接輸送到方塊4。方塊4的氣體半透性材料用于從廢氣流8或9中分離含高濃度二氧化碳的氣流。優(yōu)選該材料由TSA型分子篩組成，這種分子篩允許優(yōu)先通過氮?dú)?，同時(shí)吸附含氧的混合氣體組分，即主要是二氧化碳、水和氧氣。因此，如流線10所示，在方塊4出口處獲得的氣流主要包括氮?dú)?，該氣流被分散到大氣中。為了使方塊4中吸附的二氧化碳和其他氧化的化合物解吸出來，中斷進(jìn)入方塊4 的廢氣流8或9，并再生方塊4中的中空纖維膜或分子篩。在使用中空纖維膜或PSA型分子篩的情況下，再生是通過降低方塊4中的壓力 (減壓)而進(jìn)行的，以分離該材料中吸附的二氧化碳。在使用TSA型分子篩的情況下，再生是按照本說明稍后解釋的方式進(jìn)行的。如流線11所示，從再生步驟獲得氣流，結(jié)果是其中的二氧化碳濃度比廢氣流8或9 中的要高。氣流11中方塊4所吸附的其他氣體成分的濃度也高于廢氣流8或9中這些成分的濃度。然后，可以使用含高濃度二氧化碳的氣流11作為在合適的工業(yè)工序中供給的原材料，可以直接供給或者經(jīng)過進(jìn)一步處理后再供給?；蛘?，可以將氣流11液化或以合適的方式儲(chǔ)存，以備以后根據(jù)特定的需要使用。例如，可以在方塊5中壓縮氣流11至合適的壓力，這樣獲得的氣流，如流線12所示，可以被直接用作生產(chǎn)尿素或甲醇的裝置的供給原材料。無論如何，必須從氣體成分氣流11中完全或部分清除諸如氧氣和氮或硫氧化物 (SOx.NOx)之類的物質(zhì)，然后才可以安排使氣流11在合適的操作條件下通過一個(gè)或多個(gè)膜或分子篩，和/或用其他類型的分離系統(tǒng)來處理氣流11。在這種情況下，可以將從上述氣體成分中完全或部分純化的氣流11在方塊5中壓縮，并在生產(chǎn)尿素或甲醇的裝置中作為供給原材料。本實(shí)例中，流線13所示的含高濃度二氧化碳的氣流部分11，在方塊6中被加熱，并通過流線14輸送到方塊4，以再生TSA-型分子篩。備選地，上述再生方法中可以使用高溫水蒸汽。再生意味著氣體成分的解吸，特別是TSA-型分子篩的微孔中保留的二氧化碳，這些二氧化碳在氣流11中被回收。很顯然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行多處修改，來達(dá)到具體而特殊的要求，所有這些都屬于如下權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣中分離和回收二氧化碳的方法，該方法包括如下步驟 -將廢氣流輸送到氣體半透性材料，這些氣體半透性材料是TSA型分子篩或活性炭， -通過所述氣體半透性材料從所述廢氣流中分離出含高濃度二氧化碳的氣流，和-至少使用部分含高濃度二氧化碳的氣流作為工業(yè)生產(chǎn)裝置中供給的原材料和/或?qū)⒅辽俨糠炙龊趸嫉臍饬鲀?chǔ)存起來。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體半透性材料能夠優(yōu)先吸附二氧化碳，而從所述廢氣流中分離含高濃度二氧化碳的氣流包括如下步驟-讓廢氣流滲透到所述氣體半透性材料中，以至少吸附所述廢氣流中所含二氧化碳的相關(guān)部分，并獲得低二氧化碳含量的滲透氣流， -分散所述低二氧化碳含量的滲透氣流，和-從所述氣體半透性材料中解吸至少相應(yīng)部分的二氧化碳，這樣獲得含高濃度二氧化碳的氣流。
3.前述權(quán)利要求任一條中的方法，其中所述的可燃物是礦物燃料。
4.前述權(quán)利要求任一條中的方法，其中所述工業(yè)生產(chǎn)裝置是生產(chǎn)氨和尿素或者甲醇的直ο
全文摘要
本發(fā)明描述了一種從可燃物氧化產(chǎn)生的廢氣中分離和回收二氧化碳的方法，該方法包括如下步驟將廢氣流輸送到氣體半透性材料，通過該氣體半透性材料從廢氣流中分離出含高濃度二氧化碳的氣流，并至少使用部分含高濃度二氧化碳的氣流作為工業(yè)生產(chǎn)裝置中供給的原材料和/或?qū)⒅辽俨糠趾趸嫉臍饬鲀?chǔ)存起來。
文檔編號(hào)B01D53/22GK102173417SQ20111007928
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月11日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 費(fèi)代里科·扎爾迪 申請(qǐng)人:阿梅尼亞·卡薩萊股份有限公司