[发明专利]二氧化碳的纯化

说明书

                        背景技术

本发明涉及一种纯化包含选自氧气(“O₂”)和一氧化碳(“CO”)的第一杂质的不纯的液体二氧化碳(“CO₂”)的方法和装置。该方法和装置特别适用于废二氧化碳气体中二氧化碳的回收，例如含氧燃料燃烧工艺的烟气或氢气(“H₂”)变压吸附(“PSA”)工艺的废气。

迫切需要研发新方法从化石燃料、碳质燃料或烃质燃料发电，同时收集二氧化碳。新方法应该理想地比现有工艺效率更高、费用更低。本文中考虑含氧燃料燃烧工艺。

在含氧燃料燃烧工艺中，燃料在纯氧气中燃烧，非必须地循环冷烟气或蒸气或水来调节火焰的温度。去除燃烧产生的大部分的氮气接着冷却和水冷凝之后产生具有高二氧化碳浓度的净烟气。

含氧燃料燃烧工艺理想地适用于传统的粉煤燃烧锅炉生产用于发电的蒸汽。在粉煤燃烧锅炉中含氧燃料燃烧产生净烟气，在所含水蒸汽冷却并冷凝后，该净烟气一般含有大约65mol％到约95mol％的二氧化碳和高达约5mol％的氧气，其余大部分是氮气和氩气。氧气、氮气和氩气称为“杂质气体”。

在烟气中大部分氧气来自于比煤完全燃烧所需过量的氧气。剩下的氧气来自于漏入锅炉和对流部分的空气。烟气中的氮气和氩气来自于煤燃烧的氧气进料和漏入锅炉与对流部分的空气，氧气进料一般具有纯度为90mol％到99.6mol％，通常95mol％到97mol％的氧气。

烟气中也存在如酸性气体的杂质和其他来自于煤与燃烧过程的杂质。杂质包括二氧化硫、三氧化硫、氟化氢、氯化氢、一氧化氮、二氧化氮、汞等等。烟气(在经过洗涤和干燥之后)中这些杂质的总量取决于燃料的组成和燃烧的条件。

在烟气中的二氧化碳可以保存于例如地质构造之前必须净化烟气。在这种情况下，水溶性组分如三氧化硫、氯化氢和氟化氢，通过直接与水接触通常可以从烟气中脱除，这样不但洗脱这些组分而且可以冷却烟气和冷凝水蒸汽。如2005年11月28日提交的申请号为US 11/287640的美国专利申请中公开，二氧化硫和氮的氧化物可以在压缩二氧化碳到管路压力期间去除，其公开的内容作为参考在此结合。该工艺也可以去除在二氧化碳中存在的任何汞。

二氧化碳的管路压力通常在约100bar到约250bar，远高于二氧化碳的临界压力。最好去除大量的杂质气体以降低压缩二氧化碳所需的能耗并且以保证在保存二氧化碳的管路或地质构造中不会出现两相流的情形。

当打算将二氧化碳用来浓缩油或气体的回收操作时，氧气的存在会成为问题，因为氧化可能引起钻孔设备的腐蚀问题。一般要求的二氧化碳的纯度指标是最大杂质含量为3mol％，并且在使用二氧化碳回收浓缩油的情况下，最大氧气含量一般为100ppm或更低，甚至低到1ppm。

用于下一阶段纯化二氧化碳的现有技术采用如下技术：从约30bar压力下的压缩干燥预净化的粗二氧化碳气流，通过冷却粗二氧化碳到非常接近二氧化碳的凝固点来脱除杂质气体，其中二氧化碳的分压在约7bar到约8bar。包含约25mol％的二氧化碳的残余气体在加热和膨胀产生能量之后分离并放空。该单个工艺得到二氧化碳的回收率为约90％。如果可以经济地达到很高的二氧化碳的回收率，如高于97％，那么含氧燃料的燃烧工艺可以显著地改善。

将来自化石燃料的含氧燃料燃烧的二氧化碳输送到地质储存位置中的现有技术基于将其压缩至一般从约100bar到约250bar的管线压力。用于较小二氧化碳排放源或者管线可能太贵的情形下的可选技术是液化二氧化碳并在压力低于它的临界压力下以液体例如在大的海运油轮中来运送。如果二氧化碳纯化技术可以在接近周围温度下经济地生产用于管线运送的液体二氧化碳产品，而不是超临界二氧化碳流，那么含氧燃料燃烧工艺可以显著地改善。

在含氧燃料动力系统中碳捕获的重要目标是提供一种处理压缩后的粗二氧化碳的方法以脱除氮气和氩气，并且降低其中氧气的浓度到小于100ppm，最好具有低耗能和高二氧化碳的回收率。二氧化碳的回收率(基于总烟气气流中的二氧化碳)理想地应该高于97％。另外，如果纯化的二氧化碳产品是以低于它的临界压力的低温液体流形式生产，那么作为液体或作为超临界流体输送到二氧化碳的储存位置是很便利的。