专利名称：使用冷却液从工艺气流中去除可凝固的气体组分的系统和方法
技术领域：
提供用于通过冻结所选择的组分处理气流以从中去除所选择的气体组分的系统和方法，并更具体地提供用于通过将气流与冷却液直接接触去除可凝固的气体比如温室气体的系统和方法。
背景技术：
工业过程，包括工业燃烧过程，产生多种气流，其中许多最终排入环境中。比如在将这些气流排入环境之前，这些气流可包括温室气体或可能期望从工艺气流中去除的其他气态组分。这种温室气体的一个说明性、非独占性例子是二氧化碳，并且这种气流的一个说明性、非独占性例子是来自燃烧器或燃烧装置的烟道气流。通过多种工业过程，比如发电、加热和蒸汽产生可产生包含二氧化碳的烟道气流或其他气流。许多这种过程在大气压或近大气压下进行，并且是空气燃烧的，从而产生处于大气压或接近大气压的烟道气流并且其被来自用于支持燃烧的空气流的氮气高度稀释。常规上，可通过许多方法比如包括烟道气流的胺或氨水处理、用固体吸附剂吸附二氧化碳和使用物理溶剂去除二氧化碳的方法，将二氧化碳从烟道气流中去除。D. Aaron和 C. Tsouris, "Separation of CO2from Flue Gas:A Review, "Separation Science andTechnology, 40, 321-48，2005公开了这种常规方法的说明性例子。从天然气去除二氧化碳的另一个例子使用气流的焦耳-汤姆逊膨胀以使用回流蒸馏塔冷却气流。该方法可称为“控制冻结区”方法并公开在美国专利号4，533，372,5, 062，270,5, 120，338,5, 956，971和6,053,007中，其公开通过引用并入本文。在美国专利号7，073，348中公开了另一种方法，其公开使包含二氧化碳的气流经过在冻结温度和熔化温度之间循环的表面，并且其公开通过引用并入本文。这些方法，虽然有效，但是通常具有高的能量或溶剂要求或需要，并且可能需要高压以有效地操作。例如，对于烧煤发电厂，估计使用胺-处理方法从烟道气中去除二氧化碳降低净发电约30%。一些这种常规方法也需要预处理烟道气流或其他气流，以便其是干燥的(即，不含水)或基本上是干燥的，以便不造成由于冰形成引起的系统堵塞。
发明内容
本公开涉及用于通过与冷却液直接接触从工艺气流中去除一种或多种可凝固的气体组分的系统和方法。工艺气流包括至少一种气体组分，其当工艺气流的一种或多种其他气体组分保持气态时，通过与冷却液直接接触，比如在接触组件中，被冻结或以其他方式固化。工艺气流可包括水，并且冷却液将具有与工艺气流不同的组成。将冷却液与工艺气流的接触以形成至少一种固化气体组分可在下列压力下进行小于200psia，和任选地小于IOOpsia,小于50psia或甚至小于35psia或30psia,并且可使用冷却液将固化气体组分(一种或多种)作为淤浆从接触组件中去除。在一种或多种实施方式中，气体-冷却液接触可以以逆流方式在两个或多个阶段中进行。至少部分固体可机械地从所产生的淤浆中去除，其中去除在至少一组相邻阶段之间进行。通过减少淤浆中冷却液的量，液体-固体淤浆可任选地被浓缩以增加淤浆中固化气体组分的浓度。使用液体泵或其他液体-加压机构可任选地增加淤浆的压力，并且固化气体组分可选择性地从冷却液中去除。使淤浆加压的合适方法的另一个说明性的、非独占性例子是在密封容器中加热固体。当淤浆包含两种或多种固化气体组分时，固化气体组分可分别地和/或顺序地从冷却液中去除，比如通过加热 淤浆。固体可被熔化或蒸发，并分离以形成出口流。如本文所讨论，出口流可经有多种机构和/或多种应用处理，其包括在地下地层中处置出口流。附图
简述图I是根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的系统的不意图。图2是根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的系统的另一示意图。图3是根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的系统的另一示意图。图4是根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的系统的另一示意图。图5是根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的系统的另一示意图。图6是流程图，其图解根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的方法。图7是另一流程图，其图解根据本公开用于通过与冷却液直接接触从气流中去除可凝固的气体组分的方法。为了图解的简单和清楚，图中显示的要素不一定按比例绘制。例如，为了清楚，一些要素的维度相对于其他要素可被放大。进一步，在认为适当的情况下，在相同的附图中或附图之间重复一些参考数字以指示相应的或类似的要素，但不一定是同一要素。详细说明和本公开的最佳方式本公开涉及用于通过用冷却液固化可凝固的气体组分从气流中去除可凝固的气体组分的系统和方法。如本文更详细讨论的，系统和方法可使包含可凝固气体组分的气流与冷却液直接接触以冻结或以其他方式固化可凝固的气体组分。通过与冷却液的该直接接触，可凝固的气体组分将冻结或以其他方式固化，从而从气流中去除冻结的(固化的)可凝固的气体组分。实际上，冻结的(固化的)可凝固的气体组分将与冷却液形成混合物或淤浆。其后，该系统和方法可将冻结的(固化的)可凝固的气体组分与冷却液分开。分开的组分可接着转化成液体或蒸汽一例如通过加热，以形成用于在其他地方处置或使用的流。如本文所使用，术语“工艺气流(process gas stream)” 一般指在工业或商业设施中存在的任何气流，不管工艺气流是反应物流、产物流、中间(或反应中间物)流、废料(气)流或废气流。这种工业和/或商业设施的示意性、非独占性的例子包括炼油厂、发电厂、焚化炉、熔炉、化学厂、天然气处理器等。使用根据本公开系统和/或方法从其中可去除一种或多种可凝固气体组分的工艺气流的示意性、非独占性的例子包括，但不限于烟道气流和燃烧废气流。工艺气流的另一种示意性、非独占性的例子是天然气流，比如其可包含可用根据本公开的系统和/或方法去除的二氧化碳和/或硫化氢。另外地或可选地，可使用根据本公开的系统和/或方法从中去除一种或多种可凝固气体组分的工艺气流包括，但不限于下述流其中在通过与冷却液直接接触一种或多种可凝固的气体组分从工艺气流中去 除的温度和压力下，大部分气流保持气相流。如本文所使用的，在根据本公开的系统和/或方法从工艺气流中去除一种或多种可凝固气体组分的工艺气流的上下文中，“组分”指在工艺气流中存在的不同的化合物。使用根据本公开的系统和/或方法，可从工艺气流中去除的可凝固气体组分的示意性、非独占性的例子包括二氧化碳(CO2)、水(H2O)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、硫化羰(COS)和NOx化合物(例如，NO和NO2)。工艺气流的这些组分可另外地或可选地在本文中称为气相化合物、可凝固的气相化合物和工艺气流的可凝固的气体组分。如本文所使用，“冻结”拟宽范围地指引起化合物比如来自工艺气流的化合物从气相到固相的相变。因此，“冻结”可包括化合物从气相到液相的第一相变和其后到固相的相变。另外地或可选地，“冻结”可包括化合物升华、沉淀、固化或以其他方式从气相到固相的相变。作为示意性例子，在大气压或接近大气压的压力下，水、硫化氢和硫化羰从气相转变成液相并接着转变成固相。相反，在低于其5. 2个大气压(73.5psi)的三相点压力的压力下，二氧化碳容易从气相升华至固相——在低于其三相点的压力下。使用根据本公开的系统和/或方法的工艺气体的一种或多种化合物的状态或相的这种改变指化合物状态的改变，而不是化合物化学组成的改变。因此，工艺气流的一种或多种可凝固气体组分的固化不拟指示组分化学反应以形成一种或多种不同的化合物。图I中显示用于从气流比如工艺气流中去除可凝固气体组分的系统的示意性、非独占性的例子的示意图。在图I中，通常在10处指示系统，并且系统包括比如来自工艺气流源22的工艺气流20。系统10可另外地或可选地被描述为装置10和/或设备10，其用于通过与冷却液直接接触从气流比如工艺气流20中去除一种或多种可凝固的气体组分。系统10进一步包括接触组件40，其中工艺气流与冷却液36直接接触以冻结(或以其他方式固化)在工艺气流中存在的至少一种可凝固的气体组分24。尽管不是对于所有根据本公开的系统10和/或方法都是必须的，但是冷却液可被输送至接触组件，比如用于与工艺气流直接接触，如来自冷却液供应源(supply) 32的冷却液流30。当存在时，冷却液供应源32可另外地或可选地在本文中称为冷却液源32。一种或多种冷却液和工艺气流可存在于接触组件中，此时冷却液和工艺气流的另一种被输送至那里用于直接接触，这也在本公开的范围内。
如所讨论的，工艺气流20包括至少一种可凝固的气体组分24，在其冰点处可凝固的气体组分当通过冷却液36在接触组件40中、在接触组件的操作条件下接触时，将冻结、固化或以其他方式改变状态，从气相至固相。如本文所使用，“操作条件”指确定的流、设备、组件等的至少温度和压力。在通过在接触组件40中与冷却液36直接接触冻结或以其他方式固化可凝固的气体组分的温度和压力的上下文中，该温度和压力可分别被称为接触温度和接触压力。工艺气流20也将包括一种或多种其他气体或气相组分26，其在通过与冷却液直接接触在接触组件中冻结可凝固组分24的操作条件下保持气相。因此，至少在接触组件中存在的操作条件的上下文中，工艺气流20的这些其他气相组分26可被称为非可凝固的气体组分和/或非可凝固的气体26。而且，这里称这些其他气相组分为工艺气流的非可凝固的气体组分并不要求这些其他组分在其他温度和/或压力下不能够被冻结或以其他方式固化。实际上，它指这些其他气相组分的冰点低于接触组件中的接触温度。 工艺气流的可凝固的和非可凝固的组分24、26可统称为工艺气流的组分或气相组分28。尽管不是对于所有根据本公开的系统10和/或方法都是必需的，但是一种或多种可凝固的气体组分24通常每种，和在一些实施方式中，共同地，构成工艺气流总体组成的少数组分。在本公开的范围内，工艺气流20可包括两种或多种可凝固的气体组分，并且这两种或多种可凝固的气体组分可具有不同的组成和不同的冰点和/或沸点。在许多工艺气流20，比如为烟道气流或包括烟道气流的许多工艺气流中，氮气(N2)将构成工艺气流的多数组分并可被描述为在接触组件40的操作条件下的非可凝固的气体组分26。如本文所使用，“多数”和“少数”指在流比如工艺气流20中组分或组分组的百分比。流的多数或多数组分指气流中存在的最大百分比的组分或组分组。该最大百分比通常，但不是必须构成或以其他方式占相应流的至少50%。流的少数或少数组分指以小于一种或多种其他组分一包括多数组分一或组分组的量存在的组分或组分组。因此，流的少数组分构成或以其他方式占小于50%的流，并可占小于25%的流。除非本文另外指出，这些百分比为摩尔百分比或mol%。如所讨论的，可存在于工艺气流20中，并可通过在接触组件中与冷却液36直接接触从中去除的可凝固气体组分24的示意性、非独占性的例子包括二氧化碳(C02)、水(H2O)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)、硫醇(RSH)和硫化羰(COS)。可包括水作为可凝固的气体组分24的工艺气流20在本公开的范围内，尽管脱水的或干燥的、不包括可感知的水(即，在质量上小于约200ppm(每百万的份数)的水)的工艺气流20也在本公开的范围内。根据本公开的许多工艺气流20将包括二氧化碳作为可凝固的气体组分24，并且在一些这种系统10和/或方法中，二氧化碳将构成工艺气流中存在的多数可凝固的气体组分。但是，不要求根据本公开的所有系统10和/或方法，通过在接触组件40中通过与冷却液36直接接触冻结二氧化碳从工艺气流中去除二氧化碳。通过图解并且非限制的方法，可存在于(但非必须)工艺气流20中的气体组分28的示意性、非独占性例子的冰点和沸点呈现在表I。表I
权利要求
1.从工艺气流中去除可凝固的气体组分的方法，所述方法包括 (a)使包含可凝固的气体组分的工艺气流与冷却液在接触温度和接触压力下接触，以形成包含所述冷却液和固体的液体-固体淤浆，所述固体通过固化所述工艺气流中至少部分可凝固组分的可凝固气体形成； 其中 所述接触进一步形成处理的气流，其包含一部分通过与所述冷却液接触未被固化的工艺气流； 所述冷却液处在所述工艺气流中所述可凝固的气体组分将转变成固相的温度； 所述冷却液具有与所述可凝固的气体组分不同的组成；并且 所述工艺气流包括至少一种气体组分，其在所述接触温度和所述接触压力下保持气 相；和 (b)从所述淤浆中去除至少部分所述固体。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述可凝固的气体组分选自二氧化碳、硫化氢、二氧化硫或硫化羰。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述可凝固的气体组分是二氧化碳。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述工艺气流包含多种可凝固的气体组分。
5.根据权利要求I所述的方法，其中工艺气流包括在高于水的冰点温度下等于水饱和浓度的水。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法包括在所述接触之前从所述工艺气流中去除至少部分所述水。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述工艺气流包括来自燃烧过程的废气流。
8.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液的温度低于固体二氧化碳将从所述工艺气流中沉淀的温度。
9.根据权利要求I所述的方法，其中在所述接触压力和所述接触温度下，所述冷却液具有小于10mol%的可凝固的气体组分溶解度。
10.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液具有与所述工艺气流不同的组成。
11.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液在20°c的温度和I个大气压下为液态，并且进一步其中所述冷却液的冰点小于-100°C。
12.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液包括异烷烃、异烯烃、醇或其组合。
13.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液包括两种或多种组分的混合物。
14.根据权利要求12所述的方法，其中冷却液包括异己烷、异己烯或其组合。
15.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液包括乙醇、甲醇或其组合。
16.根据权利要求I所述的方法，其中所述接触压力小于lOOpsia，并且进一步其中所述接触温度小于_80°C。
17.根据权利要求I所述的方法，其中所述接触包括用所述冷却液喷射所述工艺气流。
18.根据权利要求I所述的方法，其中所述接触包括使所述工艺气流起泡通过所述冷却液。
19.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法包括在不同的接触温度下重复与所述冷却液的所述接触。
20.根据权利要求I所述的方法，其中所述冷却液是第一冷却液，并且进一步其中所述方法包括重复与具有与所述第一冷却液不同组成的第二冷却液的接触。
21.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法包括在不同的接触温度下重复与第二冷却液的接触。
22.根据权利要求I所述的方法，其中所述去除包括加热淤浆到至少部分所述固体不再处于固相的温度。
23.根据权利要求I所述的方法，其中在所述去除之前，所述方法包括使所述淤浆加压至大于所述接触压力的压力。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述加压通过在密封容器中加热所述固体实现。
25.根据权利要求I所述的方法，其中在所述去除之前，所述方法包括通过从所述淤浆中去除一部分所述冷却液增加所述淤浆中所述固体的浓度。
26.根据权利要求22所述的方法，其中不再处于固相的所述固体是转化的固体，并且进一步其中所述方法包括分离至少部分所述转化的固体以形成出口流。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述出口流被泵入地下地层，进行处置。
28.根据权利要求I所述的方法，其中所述去除产生从中去除所述固体的所得到的液体流，并且进一步其中所述方法包括将所得到的液体再循环以形成至少部分所述冷却液。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述方法包括通过与至少部分所述处理的气流热交换冷却所述所得到的液体流。
30.根据权利要求I所述的方法，其中所述接触步骤以逆流方式进行。
31.根据权利要求I所述的方法，其中所述接触步骤在两个或多个阶段中进行。
32.根据权利要求I所述的方法，其中所述去除步骤机械地进行并且去除在至少一组相邻阶段之间发生。
33.通过与冷却液直接接触从工艺气流中去除可凝固的气体组分的系统，所述系统包括 冷却液供应源，其包含具有冷却液温度的冷却液； 工艺气体源，其包含工艺气体，所述工艺气体包含的气体包括具有冰点的可凝固的气体组分和至少一种其他气体组分，所述至少一种其他气体组分的冰点低于所述可凝固的气体组分的冰点； 接触组件，其适合接收包含来自所述冷却液供应源的冷却液的冷却液流、包含来自所述工艺气体源的工艺气体的工艺气流，并适合在接触温度和接触压力下使所述冷却液与所述工艺气体直接接触，以产生液体-固体淤浆和处理的气流，其中所述淤浆包含所述冷却液和由所述可凝固的气体组分形成的固体，并且进一步其中所述处理的气流包含所述至少一种其他气体组分；和 分离组件，其适合从所述淤浆中去除所述固体，以产生去除的流，所述去除的流包含从所述工艺气流中去除的所述可凝固的气体组分。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述接触组件包括多个接触阶段，在其中所述工艺气流与所述冷却液直接接触。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述接触组件包括多个接触组件，其中所述冷却液供应源是第一冷却液供应源，所述冷却液流是第一冷却液流，所述冷却液是第一冷却液，并且进一步其中所述系统包括第二冷却液供应源，其适合将包含第二冷却液的第二冷却液流输送至与所述工艺气流直接接触。
36.根据权利要求35所述的系统，其中所述第一冷却液和所述第二冷却液具有不同的组成和不同的温度中的至少一个。
37.根据权利要求33所述的系统，其中所述分离组件包括热源，其适合将所述淤浆加热至高于所述可凝固的气体组分冰点的温度。
38.根据权利要求33所述的系统，其中所述系统包括固体-液体分离器，其适合接收包含来自所述接触组件的淤浆的淤浆流并适合将所述淤浆流分成浓缩的淤浆流和所得到的冷却液流，其中所述浓缩的淤浆流包含比所述淤浆流更大浓度的所述固体，并且进一步其中所述所得到的冷却液流不包括存在于所述淤浆流中的所有所述冷却液。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述固体-液体分离器包括过滤器。
40.根据权利要求33所述的系统，其中所述固体-液体分离器包括机械移动刮刀。
41.根据权利要求38所述的系统，其中所述固体-液体分离器以分批操作模式、半分批操作模式或连续操作模式使用，以将所述淤浆流分成所述浓缩的淤浆流和所述所得到的冷却液流。
42.根据权利要求33所述的系统，其中所述可凝固的气体组分选自二氧化碳、硫化氢、二氧化硫或硫化羰。
43.根据权利要求33所述的系统，其中所述可凝固的气体组分不是水。
44.根据权利要求33所述的系统，其中所述接触压力小于IOOpsia并且接触温度小于-80°C。
45.根据权利要求44所述的系统，其中所述接触压力小于35psia。
46.根据权利要求33所述的系统，其中冷却液具有小于_100°C的冰点，并且进一步其中所述冷却液在20°C的温度和Iatm的压力下为液态。
47.根据权利要求33所述的系统，其中在所述接触压力和所述接触温度下，所述冷却液具有小于10mol%的可凝固的气体组分溶解度。
48.根据权利要求33所述的系统，其中所述冷却液具有与所述工艺气流不同的组成。
49.从工艺气流中去除可凝固的气体组分的系统，所述系统包括 提供冷却液和工艺气流的装置；其中所述工艺气流包括具有冰点的可凝固的气体组分和至少一种其他气体组分，其冰点小于所述可凝固的气体组分的冰点；并且进一步其中所述冷却液的冰点小于所述工艺气流中所述可凝固的气体组分将转变成固相的温度，在20°C的温度和Iatm的压力下为液态，并且具有与所述工艺气流不同的组成； 用于直接接触的装置，其使所述冷却液与所述工艺气流直接接触以固化所述可凝固的气体组分并形成液体-固体淤浆和处理的气流；其中所述淤浆包含所述冷却液和固化的可凝固的气体组分；并且进一步其中所述处理的气流包含一部分未被固化形成所述淤浆的工艺气流；和 用于去除的装置，其从所述淤浆中去除所述固化的可凝固的气体组分。
50.根据权利要求49所述的系统，其中所述可凝固的气体组分是二氧化碳，并且所述其他气体组分是氮气。
51.根据权利要求49所述的系统，其中所述用于直接接触的装置包括喷雾塔、泡罩塔、起泡接触器、罐或其组合的至少一种。
52.根据权利要求49所述的系统，其中所述用于直接接触的装置包括至少一个喷雾
53.根据权利要求49所述的系统，其中所述冷却液包括异烷烃、异烯烃、醇或其组合的至少一种。
54.根据权利要求49所述的系统，其中所述用于直接接触的装置使所述冷却液与所述工艺气流以逆流方式接触。
55.根据权利要求49所述的系统，其中所述用于直接接触的装置使所述冷却液与所述工艺气流在两个或多个阶段中接触。
56.根据权利要求49所述的系统，其中所述用于去除的装置在至少一组相邻阶段中机械地去除所述固化的可凝固的气体组分。
全文摘要
描述用于通过与冷却液直接接触从工艺气流中去除可凝固的气体的系统和方法。工艺气流包括至少一种气体，其当工艺气流的一种或多种其他气体保持气态时通过冷却液被冻结。工艺气流可包括水，并具有与冷却液不同的组成。冷却液与工艺气流的接触可在下列压力下小于200psia，和任选地小于100psia、50psia或甚至30psia，并且固化的气体可用冷却液从接触组件中作为淤浆去除。
文档编号B01D9/04GK102740941SQ201180008082
公开日2012年10月17日 申请日期2011年1月5日 优先权日2010年2月3日
发明者M·明特, R·D·卡明斯基 申请人:埃克森美孚上游研究公司