碳捕獲系統(tǒng)與捕獲二氧化碳的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳捕獲系統(tǒng)和用于捕獲二氧化碳的方法。
[0002]先前已描述了多種系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法詳述了從煙道氣捕獲C02?？蓪⑦@些系統(tǒng)和方法結(jié)合到不同的應(yīng)用中(如工業(yè)應(yīng)用或發(fā)電廠)以從煙道氣中捕獲二氧化碳。由于天然吸附劑材料(如石灰石)的快速失活，本系統(tǒng)和方法的優(yōu)選并且特別有益的應(yīng)用與低碳含量進(jìn)料材料以用于下游水泥爐渣的生產(chǎn)(如在回旋窯中)有關(guān)。盡管在以下說(shuō)明書中給出了所提供的水泥生產(chǎn)方案的特別優(yōu)勢(shì)，但無(wú)論如何清楚的是，本系統(tǒng)和方法的應(yīng)用不受限于水泥生產(chǎn)。
[0003]背景
水泥生產(chǎn)通過(guò)熔結(jié)(clinker)原料發(fā)生，所述原料一般包括石灰石CaCO3 (作為氧化鈣CaO的來(lái)源)和黏土、泥灰?guī)r或頁(yè)巖(作為Si02、Al203、Fe203的來(lái)源)并一般還包括其它材料如砂。
[0004]耦合的碳捕獲與水泥生產(chǎn)經(jīng)以下步驟發(fā)生:
1)吸附劑制備；材料研磨和熱處理，如煅燒石灰石以生產(chǎn)CaO(允許在煅燒反應(yīng)器的煅燒期間捕獲化學(xué)相關(guān)的CO2);
2)將吸附劑粉末暴露于煙道氣(可能是由于上述熱處理而產(chǎn)生，但也可能來(lái)自外部過(guò)程)以經(jīng)由煅燒反應(yīng)器中的氣固接觸，通過(guò)降低燃燒煙道氣中的CO2濃度，將CaO轉(zhuǎn)化為CaCO3;
3)吸附劑材料的再生，特別是0)2捕獲能力(0)2數(shù)量/吸附劑數(shù)量)的恢復(fù)；
4)吸附劑凈化(purge)以完成該循環(huán)的材料平衡并從系統(tǒng)中除去失活的吸附劑，其用于水泥生產(chǎn)。
[0005]考慮以上步驟，圖1所示為簡(jiǎn)化流程框圖，其表示與二氧化碳捕獲過(guò)程耦合的用于水泥生產(chǎn)的目前工藝水平方法流程。它包括煅燒爐1、碳酸化器2和窯3。將含石灰石CaCO3的原料從原料供應(yīng)4供給到煅燒爐1，在那里將補(bǔ)充吸附劑(主要為CaCO3)連同來(lái)自碳酸化器的CaCO3根據(jù)以下反應(yīng)煅燒(通過(guò)熱分解):
CaCO3 — CaO + CO2
以產(chǎn)生二氧化碳CO2和貧二氧化碳吸附劑CaO。
[0006]將貧吸附劑CaO供給到碳酸化器2，在那里根據(jù)以下碳酸化反應(yīng)將二氧化碳0)2從煙道氣5中捕獲:
CaO + CO2 — CaCO3。
[0007]將除去CO2的氣體6從碳酸化器2排出。將產(chǎn)于碳酸化器2的碳酸鈣CaCO 3返回煅燒爐I使經(jīng)捕獲的二氧化碳得以釋放并使吸附劑再生。
[0008]含碳的煙道氣5可歸于多種多樣的熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程(如發(fā)電)，但是一些煙道氣總是歸于水泥加工。在窯3中，煙道氣通過(guò)燃料與空氣燃燒而產(chǎn)生；此外，由于離開碳酸化器2去往窯3的進(jìn)料材料的剩余碳含量，在熔結(jié)反應(yīng)期間釋放了二氧化碳C02。
[0009]圖6顯示在一些吸附/解吸循環(huán)后，氧化鈣CaO失去它吸附二氧化碳0)2的能力，因?yàn)樵撛?，必須將它凈化?br>[0010]根據(jù)圖1的流程圖，凈化通過(guò)以下進(jìn)行:將含碳酸鈣CaCOj^煅燒原料從碳酸化器2中排出，并將其供給窯3用于煅燒和因此熔結(jié)。
[0011]如上所述，該方案的缺點(diǎn)為，在碳酸化器中形成的碳酸鈣CaCO3在窯3中煅燒，這需要燃燒另外的燃料并產(chǎn)生另外的CO2，所述CO2與在碳酸化器2處捕獲自煙道氣的化學(xué)結(jié)合的CO2相關(guān)。這引起窯與碳酸化器之間不必要的二氧化碳循環(huán)并因此增加能量消耗和設(shè)備尺寸以及成本。
[0012]圖2顯示第二簡(jiǎn)化流程框圖，其表示用于水泥生產(chǎn)的目前工藝水平的加工方案。它與圖1的方案相似且相同的數(shù)字表示相同或類似的組分。圖2的流程區(qū)別于圖1的流程在于凈化通過(guò)以下進(jìn)行:將含氧化鈣CaO的原料從煅燒爐I排出并將其供給到窯3。
[0013]該第二流程減少了循環(huán)二氧化碳的量，因?yàn)樵诟G處釋放了減少量的二氧化碳(因?yàn)楸苊饬伺c捕獲自煙道氣的二氧化碳相關(guān)的另外的CaOV煅燒);盡管如此，仍然將能最有效地用于碳捕獲的新鮮和高活性的氧化鈣Ca0(吸附劑)連同失活或失效的吸附劑(即具有降低了的吸附二氧化碳能力的吸附劑)無(wú)選擇性地凈化。
[0014]概述
本發(fā)明的一方面包括提供系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法通過(guò)避免或至少減少無(wú)選擇性地凈化新鮮和高活性吸附劑改進(jìn)吸附劑活性并同時(shí)限制二氧化碳的循環(huán)。
[0015]通過(guò)提供依照所附權(quán)利要求的系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)這些和其它方面。
[0016]附圖簡(jiǎn)述
其它特征和優(yōu)勢(shì)將由對(duì)本系統(tǒng)和方法優(yōu)選但非排他實(shí)施方案的描述而顯而易見(jiàn)，所述實(shí)施方案通過(guò)附圖中的非限制實(shí)施例說(shuō)明，其中:
圖1和2顯示與水泥生產(chǎn)耦合的用于碳捕獲的目前工藝水平加工方案的實(shí)施例；
圖3顯示簡(jiǎn)化的流程框圖，該流程框圖表示根據(jù)本發(fā)明與水泥生產(chǎn)耦合的用于碳捕獲的加工方案；
圖4所示為用于水泥生產(chǎn)的集成碳捕獲方案的更為詳細(xì)的流程框圖；
圖5為顯示完成了給定數(shù)量的煅燒和再碳酸化循環(huán)的系統(tǒng)中的吸附劑分?jǐn)?shù)的圖表。圖5表示圖2(曲線A)和圖3(曲線B)的工廠方案的情況，并將使用上述方法使水泥生產(chǎn)脫碳所需的材料流考慮在內(nèi)；
圖6為顯示隨著煅燒和再碳酸化循環(huán)的次數(shù)增加吸附劑活性降低的圖表。
[0017]附圖標(biāo)記 I煅燒爐
2碳酸化器 3窯
4原料供應(yīng) 5煙道氣
6除去二氧化碳的氣體 13連接 15第二煅燒爐 16連接 17連接 18連接 21預(yù)熱器 22預(yù)熱器 23線路 24線路 29線路 30線路 31換熱器 32連接 33連接 34分離器 35熔爐 36連接線路 38連接線路 39連接 40換熱器 42線路 43線路 45換熱器 46線路 48換熱器 49爐渣 50連接 52線路
A根據(jù)圖2的系統(tǒng)中CaO所經(jīng)歷的循環(huán) B根據(jù)圖3和4的系統(tǒng)中CaO所經(jīng)歷的循環(huán)。
[0018]示例性實(shí)施方案詳述
參照?qǐng)D3，它顯示包含第一煅燒爐I和碳酸化器2的碳捕獲系統(tǒng)。
[0019]碳酸化器2用于通過(guò)采用貧吸附劑從煙道氣中吸附二氧化碳以產(chǎn)生更加富集的吸附劑。
[0020]除材料的失活特征以外，貧和富吸附劑的組成取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(如補(bǔ)充流量對(duì)再循環(huán)流量的比例)。對(duì)于失活的富吸附劑，與顆粒中可用的Ca結(jié)合的CO2的摩爾分?jǐn)?shù)一般小于0.2 (對(duì)應(yīng)圖8中介于10和20次吸附劑循環(huán))。
[0021]以下引用CaO作為貧二氧化碳吸附劑和CaCOdt為富二氧化碳吸附劑；但也可使用其它貧/富吸附劑。此外清楚的是，貧和富溶劑不僅僅由CaO和CaCO3制成，而它們是主要包括CaO或CaCO3和其它材料的混合物；例如，貧吸附劑具有CaO作為主要組分，但也可含有CaCO3,且類似地，富吸附劑也可含有CaO。
[0022]第一煅燒爐I用于使富二氧化碳吸附劑CaCO3解吸二氧化碳CO 2，產(chǎn)生貧二氧化碳吸附劑CaO。
[0023]第一煅燒爐I具有待煅燒原料的供應(yīng)4和第一煅燒爐I與碳酸化器2之間的連接13，所述連接13用于將經(jīng)煅燒的原料(包括貧二氧化碳吸附劑CaO)轉(zhuǎn)移到碳酸化器2。
[0024]此外，該系統(tǒng)具有第二煅燒爐15用于使富二氧化碳吸附劑CaCO3解吸二氧化碳CO2，產(chǎn)生貧二氧化碳吸附劑CaO，和碳酸化器2與第二煅燒爐15之間的連接16和17。
[0025]碳酸化器2和第二煅燒爐15之間的連接16用于將富二氧化碳吸附劑CaCO3轉(zhuǎn)移到第二煅燒爐15，且第二煅燒爐15與碳酸化器2之間的連接17用于將貧二氧化碳吸附劑CaO轉(zhuǎn)回碳酸化器2用于重新捕獲二氧化碳C02。
[0026]該系統(tǒng)可用于許多不同的應(yīng)用，因此，可向碳酸化器2供給煙道氣，所述煙道氣含有要從煙道氣捕獲和分離的二氧化碳co2。
[0027]選優(yōu)地，該系統(tǒng)用于水泥生產(chǎn)廠；因此，還提供用于水泥生產(chǎn)的窯3和第二煅燒爐15與窯3之間的用于將貧二氧化碳吸附劑CaO轉(zhuǎn)移到窯3中的連接18。
[0028]特別有益的是將該系統(tǒng)應(yīng)用于水泥生產(chǎn)廠，因?yàn)樵谶@種情況下，補(bǔ)充CaC03(隨新鮮原料供給)的量相比于凈化CaO(傳向窯)的量非常高。這可通過(guò)參照由以下定義的補(bǔ)充摩爾吸附劑流量對(duì)摩爾吸附劑循環(huán)速率的比例顯示:
比例=得自煅燒補(bǔ)充吸附劑(主要為CaCO3)的CaO的摩爾數(shù)/從給定煙道氣中捕獲C02所需的吸附劑(主要為CaO)的摩爾數(shù)。
[0029]對(duì)于圖1-3中所述的方案，該比例一般大于1，而對(duì)于燃燒后二氧化碳捕獲(例如在發(fā)電廠或工業(yè)應(yīng)用中)遠(yuǎn)低于1，一般小于0.05?？傊?，該系統(tǒng)同樣對(duì)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)生的煙道氣或來(lái)自發(fā)電的煙道氣提供益處。
[0030]圖4更為詳細(xì)的顯示了該系統(tǒng)；可將該系統(tǒng)例如用作現(xiàn)存水泥廠的碳捕獲更新方案；當(dāng)描述該圖時(shí)，參考CaO和CaCO3作為用于水泥生產(chǎn)的主要組分之一和作為優(yōu)選的吸附劑。清楚的是，在不同于水泥生產(chǎn)的應(yīng)用中，吸附劑可以為本領(lǐng)域所公知的天然或合成來(lái)源的任何合適的吸附劑。
[0031]圖4顯示與一個(gè)或多個(gè)預(yù)熱器21，22連接的原料供應(yīng)4 (例如含CaCO3的生料)；例如預(yù)熱器21表示許多用于待煅燒的原料的預(yù)熱器(例如來(lái)自現(xiàn)存水泥廠的4或5個(gè)預(yù)熱器)。預(yù)熱器21通過(guò)冷卻富二氧化碳煙道氣(經(jīng)由線路23源自窯3)和貧二氧化碳煙道氣(經(jīng)由線路24源自碳酸化器2)的混合物來(lái)加熱原料。例如將窯氣旁過(guò)(bypass)現(xiàn)存工廠的預(yù)熱器21以保證所需運(yùn)行壓力(在大氣壓力、真空條件下)。
[0032]預(yù)熱器22通過(guò)冷卻從第一和第二煅燒爐I和15經(jīng)由線路29、30排出的二氧化碳來(lái)加熱原料。
[0033]將預(yù)熱器22連接至第一煅燒爐I用于供給原料(預(yù)熱的原料)。
[0034]在第一煅燒爐I和碳酸化器2之間提供固體/固體換熱器31，用于通過(guò)冷卻從第一煅燒爐I和/或第二煅燒爐15移至碳酸化器2的貧二氧化碳吸附劑CaO來(lái)加熱從碳酸化器2移至第二煅燒爐15的富二氧化碳吸附劑CaC03。
[0035]第二煅燒爐15經(jīng)由連接32連接窯3和經(jīng)由連接33連接碳酸化器2。
[0036]此外，在窯3和預(yù)熱器21之間，優(yōu)選提供連接于線路23上的分離器34 ;分離器34分離來(lái)自窯3的煙道氣中可能含有的固體顆粒并將它們經(jīng)由線路52送回窯3。
[0037]為了加熱第一和第二煅燒爐I和15，提供熔爐35 (例如空氣火焰熔爐);恪爐35加熱固體，該固體經(jīng)由連接線路36在熔爐35與第一煅燒爐I之間和經(jīng)由連接線路38在熔爐35與第二煅燒爐15之間循環(huán)。當(dāng)然，不同的方案也可能用于加熱煅燒爐I和15。例如，每個(gè)煅燒爐1，15可具有無(wú)固體循環(huán)的熔爐或間接熱傳遞方案，或可施加直接燃燒(氧-燃料)煅燒。
[0038]在熔爐35與碳酸化器2之間提供連接39，用于將通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生于熔爐35的煙道氣供給到碳酸化器2中。優(yōu)選地，提