用于从由多个燃烧源产生的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法
阅读：184发布：2020-05-08
专利汇可以提供用于从由多个燃烧源产生的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于处理来自多个燃烧源(203，210)的排放气体的气体分离方法，其中将排放气流(204)从第一燃烧步骤(203)引导到 碳 捕获步骤(205)。将来自碳捕获步骤的二 氧 化碳贫化的出口气流(207)与来自第二燃烧步骤(210)的第二排放气流(211)混合以形成混合的气流(212)。将混合的气流作为进料气流通过相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透和相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜(213)的进料侧。将吹扫气流(216)，通常是空气流过渗透侧，并带走优先渗透的二氧化碳。然后，将从膜的渗透侧取出的渗透物流再循环回到 燃烧室 (203)。，下面是用于从由多个燃烧源产生的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法专利的具体信息内容。
1.一种用于控制来自多个燃烧过程的二氧化碳排放的工艺，包括：
(a)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第一混合物实施第一燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第一排放气流；
(b)实施二氧化碳捕获步骤以从所述第一排放气流中去除一部分浓缩的二氧化碳，从而使捕获步骤的废气流的二氧化碳浓度低于第一排放气流的二氧化碳浓度；
(c)提供具有第一进料侧和第一渗透侧的第一膜，所述第一膜具有二氧化碳对氮气和二氧化碳对氧气选择性地渗透；
(d)将所述废气流通过所述第一进料侧；
(e)从所述第一进料侧取出第一二氧化碳去除的气流；
(f)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第二混合物实施第二燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第二排放气流；
(g)将至少一部分所述第二排放气流与至少一部分所述第一二氧化碳去除的气流混合以产生混合的气流；
(h)提供具有第二进料侧和第二渗透侧的第二膜，所述第二膜具有二氧化碳对氮气和二氧化碳对氧气选择性地渗透；
(i)将至少一部分所述混合的气流通过所述第二进料侧；
(j)从所述第二进料侧取出第二二氧化碳去除的气流；
(k)将空气、富氧空气或氧气的至少一部分作为第一吹扫气流通过所述第二渗透侧；
(l)从所述第二渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第二膜渗透物流；
(m)将至少一部分包含氧气和二氧化碳的所述第二膜渗透物流作为第二吹扫气流通过所述第一膜的所述第一渗透侧；
(n)从所述第一膜的所述第一渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第一膜渗透物流；以及
(o)将所述第一膜渗透物流作为步骤(a)的空气、富氧空气或氧气的至少一部分通到步骤(a)。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第一排放气流包含来自第一燃烧单元的烟道气，而所述第二排放气流包含来自第二燃烧单元的烟道气。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元是锅炉。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述二氧化碳捕获步骤包含选自吸收、吸附、液化和膜分离的至少一种工艺。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述吹扫气流遵循穿过所述渗透侧的吹扫流向，所述废气流遵循穿过所述进料侧的进料流向，并且所述吹扫流向与所述进料流向基本上成逆流。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述膜在工艺操作条件下表现出至少500gpu的二氧化碳渗透性。
7.根据权利要求1所述的工艺，其中在工艺操作条件下所述膜表现出有利于二氧化碳的选择性，相对于氮气的选择性至少为10。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中排出气流含有小于6vol％的二氧化碳。
9.根据权利要求1所述的工艺，其中在通过所述进料侧之前将所述废气流压缩至高达5巴的压力。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中来自所述第一膜的第一二氧化碳去除的气流的二氧化碳浓度和所述第二排放气流的二氧化碳浓度基本相同。
11.根据权利要求1所述的工艺，还包括以下步骤：将至少一部分来自第三燃烧过程的包含二氧化碳和氮气的第三排放气流在步骤(b)之前与所述第一排放气流混合，在步骤(d)之前与所述废气流混合，在步骤(g)之前与所述第一二氧化碳去除的气流混合，在步骤(g)之前与所述第二排放气流混合，或者在步骤(i)之前与所述混合的气流混合。
12.根据权利要求1所述的工艺，其进一步包括以下步骤：在步骤(m)之前，将包含空气、富氧空气或氧气的气流与所述第二膜渗透物流的一部分混合以形成所述第二吹扫气流。
13.根据权利要求12所述的工艺，其中将所述第二膜渗透物流的另一部分通到步骤(a)作为步骤(a)的空气、富氧空气或氧气的部分或者在步骤(o)之前与所述第一膜渗透物流混合。
14.根据权利要求12所述的工艺，其中所述包含空气、富氧空气或氧气的气流包含一部分所述第一吹扫气流。
15.一种用于控制来自多个燃烧过程的二氧化碳排放的工艺，包括：
(a)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第一混合物实施第一燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第一排放气流；
(b)实施二氧化碳捕获步骤以从所述第一排放气流中去除一部分浓缩的二氧化碳，从而使捕获步骤的废气流的二氧化碳浓度低于第一排放气流的二氧化碳浓度；
(c)提供具有第一进料侧和第一渗透侧的第一膜，所述第一膜具有二氧化碳对氮气和二氧化碳对氧气选择性地渗透；
(d)将所述废气流通过所述第一进料侧；
(e)从所述第一进料侧取出第一二氧化碳去除的气流；
(f)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第二混合物实施第二燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第二排放气流；
(g)将至少一部分所述第二排放气流与至少一部分所述第一二氧化碳去除的气流混合以产生混合的气流；
(h)提供具有第二进料侧和第二渗透侧的第二膜，所述第二膜具有二氧化碳对氮气和二氧化碳对氧气选择性地渗透；
(i)将至少一部分所述混合的气流通过所述第二进料侧；
(j)从所述第二进料侧取出第二二氧化碳去除的气流；
(k)将空气、富氧空气或氧气的至少一部分作为第一吹扫气流通过所述第二渗透侧；
(l)从所述第二渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第二膜渗透物流；
(m)将空气、富氧空气或氧气作为第二吹扫气流通过所述第一膜的所述第一渗透侧；
(n)从所述第一膜的所述第一渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第一膜渗透物流；以及
(o)将所述第一膜渗透物流和所述第二膜渗透物流作为步骤(a)的空气、富氧空气或氧气的至少一部分通到步骤(a)。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中在步骤(o)之前将所述第一膜渗透物流和所述第二膜渗透物流混合在一起。
17.根据权利要求15所述的工艺，其中所述第二吹扫气流包含一部分所述第一吹扫气流。
用于从由多个燃烧源产生的排放气体中除去二氧化碳的基于
吹扫的膜分离方法
技术领域
[0001] 本发明涉及基于膜的气体分离方法，并且具体地涉及基于吹扫的膜分离方法以从由多个燃烧源产生的多个排放气流中除去二氧化碳。
背景技术
[0002] 由于可能涉及在详细说明中提及，但不必需详细描述的技术特征，因此以下提供了本发明一些方面的背景信息。不应将以下讨论解释为对信息与所要求保护的发明或者所描述材料的现有技术效果的相关性的承认。
[0003] 当排出到大气中时，来自多个燃烧过程的排放气体被二氧化碳污染，其有助于全球变暖和环境破坏。这些气流难以通过技术上和经济上实用的方式进行处理。
[0004] 通过膜的气体分离是得到公认的技术。在工业设置中，通常通过压缩进料气流或者维持膜渗透侧处于部分真空，通常在进料和渗透侧之间施加总压差。
[0005] 尽管通过产生渗透压差的进料进行渗透是最常见的方法，但是在文献中已知可以通过将吹扫气体通过膜的渗透侧，从而将在该侧所期望的渗透物的分压降低至低于其在进料侧的分压的水平来提供跨膜渗透的驱动力。在这种情况下，膜两侧的总压可以是相同的，渗透侧的总压可以高于进料侧，或者可以存在通过保持总进料压力高于总渗透压力所提供的其它驱动力。
[0008] 取出(排出，回收，withdraw)燃烧排放气流104，其通常含有10-20vol％的二氧化碳。将气流至少部分送至二氧化碳捕获步骤105，该捕获步骤从排放气流产生浓缩(大于60vol％)的二氧化碳产物流。该浓缩流106可以在第二步骤中进一步浓缩并输送用于分离(sequestration)，或者以任何其它适合的方式使用或处理。
[0009] 来自捕获步骤的出口气流107仍含有二氧化碳，但是处于低于未处理排放气流的浓度。该浓度对于烧煤锅炉可以高达约10vol％二氧化碳，对于燃气锅炉较低。将出口气流送至用于在膜分离步骤或单元108中处理。该单元含有相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜109。
[0010] 出口气体流过膜的进料侧；空气、富氧空气或氧气的吹扫气流111流过渗透侧。吹扫气流带走优先渗透的二氧化碳，并且从膜单元取出所得的渗透物流112，并将其与气流102合并以形成至燃烧室的空气或氧气进料113。
[0011] 残余气流110的二氧化碳含量降低至小于约5vol％，并通常将其排放至环境。
[0012] 在该方法中使用燃烧空气或氧气供给作为渗透吹扫的一些其它有益结果为将移至吹扫气体中的渗透二氧化碳再循环至燃烧室。这提高了离开燃烧室的排放气体中的二氧化碳浓度，从而有利于二氧化碳的下游侧捕获。
[0013] 尽管在一些地点上述方法存在优势，但是存在一些含有二氧化碳的排放气流，它是从多个燃烧过程或单元，如锅炉、熔炉或烤炉产生的。因此，设置多个碳捕获系统来处理来自每个燃烧源的排放气流将是昂贵的和资本密集的。
[0014] 另外，上述方法需要改变燃烧单元的操作条件，这是因为进入燃烧单元的空气气流被稀释，从而导致与其常规操作相比，氧气浓度降低。由于优化了大部分燃烧单元以使其在具体的氧含量范围内工作，因此任何氧气水平的降低将影响燃烧单元和整个工厂的效率。例如，当将该方法应用于煤炭发电厂(火力发电厂)，研究已表明发电厂的锅炉可以在含有低至18％的氧气的空气燃烧气流中操作。然而，即使在改变锅炉以利用该氧含量工作之后，工厂将遭受1-2％的效率降低。类似地，天然气动力涡轮机可以利用少至15％的氧气运行，但是再次，功率输出结果降低。
[0015] 因此，开发其中将吹扫气流再循环回到仅一个燃烧源的能够处理来自不同燃烧源的多个排放气流的单一方法将是有益的。以这种方式，如上所述的改变燃烧单元的成本和效率损失将仅发生在一个燃烧单元上，尽管将捕获来自一些燃烧单元的二氧化碳。
发明内容
[0016] 本发明是涉及用于控制来自多于一个燃烧过程的二氧化碳排放的基于吹扫的膜气体分离的方法。在基本实施方式中，本发明涉及用于控制来自多个燃烧源的二氧化碳排气(废气，exhaust)的方法，包括：
[0017] (a)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第一混合物实施第一燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第一排放气流；
[0018] (b)实施二氧化碳捕获步骤以从第一排放气流中以浓缩形式除去一部分二氧化碳，从而产生与第一排放气流相比二氧化碳浓度较低的来自捕获步骤的出口气流(off-gas stream)；
[0019] (c)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第二混合物实施第二燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第二排放气流；
[0020] (d)将第二排放气流与一部分出口气流混合以产生混合的气流；
[0021] (e)提供具有进料侧和渗透侧(渗透物侧，permeate side)并且相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透并且相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜；
[0022] (f)将混合的气流通过进料侧；
[0023] (g)将空气、富氧空气或氧气作为吹扫气流通过渗透侧；
[0024] (h)从进料侧取出(排出，回收)二氧化碳贫化的排出气流；
[0025] (i)从渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的渗透物流(渗透气流)；以及[0026] (j)将渗透物流通到步骤(a)作为步骤(a)的空气、富氧空气或氧气的至少部分。
[0027] 燃烧排放气流或出口气体通常被称为烟道气(flue gas)，并且在所有工业部门中从烤炉、熔炉和锅炉中，如城市垃圾的焚烧炉、用于提高采油率(EOR)的蒸汽发生器、燃气轮机、燃煤发电厂或精炼厂中的燃烧过程中大量出现。具体地，发电厂产生大量烟道气。适当规模的100兆瓦的基于煤的发电厂可以产生超过300MMscfd的烟道气。
[0028] 在多个这些位置处，可能存在多个、单独的排放源，它们在一起产生了非常大的二氧化碳的总排放源。这些排放源可能不是相同规模或类型。然而，单独处理每个个体来源将是过分昂贵的，因此需要如本文中本发明所提供的将这些来源分组进行碳捕获。以这种方式，可以基于其可能的最低成本以及对整个过程效率最小的影响来选择排放源，该排放源选择具有与之适合的二氧化碳再循环过程。
[0029] 燃烧排放气体的主要组分通常是氮气、二氧化碳和水蒸气。可能通常仅以少量存在的其它组分包括氧、氢、SOx、NOx和不完全燃烧的烃类。排放气体中二氧化碳的浓度通常高达约20，或甚至25vol％。
[0030] 除了气体组分之外，燃烧气体含有处于飞尘和煤烟形式的悬浮颗粒物质。通常在将气体送至烟囱(stack)之前，通过几级过滤除去这种材料。在本文中假设在实施本发明的方法之前，已通过这种方式处理了排放气体。
[0031] 本发明的方法包括处理过滤的排放气体以除去二氧化碳。在优选的实施方式中，排放气体的二氧化碳水平减小至低至6vol％或以下，并且最优选地减小至约5vol％或以下。向环境排放这种气流的危害比排放未处理排气的危害要小得多。
[0032] 从中取出排气的燃烧过程可以是任何类型的。燃料可以是化石燃料，如煤炭、石油或天然气，或者可以来自任何其它来源，如填埋场气体(landfill gas)、生物质或其它可燃废物。燃料可以通过与空气、富氧空气或纯氧混合进行燃烧。
[0033] 在第一(主要)燃烧步骤之后，首先使第一排放气体经受二氧化碳捕获步骤。该捕获步骤从排放气流中除去一部分二氧化碳，并且优选地以浓缩流形式提供，如大于50、60、70或80vol％的二氧化碳，并且最优选地，作为超临界流体或液体高纯度产物提供。可以输送浓缩产物流进行分离，或者用于任何其它用途。
[0034] 捕获步骤可以使用适合用于从排放气体浓缩流中回收二氧化碳的任何分离技术。优选的技术是吸收，如胺净化(氨净化，amine scrubbing)、物理吸收、冷冻氨吸附或膜分离；冷凝；或者通过碳或分子筛吸附剂吸附。
[0035] 来自捕获步骤的出口气流仍含有二氧化碳，但是通常以低于未处理排放气流的浓度存在。通常，该浓度为约10-20vol％的二氧化碳。
[0036] 然后，将出口气流与来自第二(辅助)燃烧步骤的第二排放气流混合以产生混合的气流。第二燃烧步骤可以类似于或者不同于第一燃烧步骤。理想地，第二排放气体应与出口气流在该方法中在两种气流的气体中具有大致相同的二氧化碳浓度的点混合。通过实施这种混合，避免了浓度不同的气流混合时所发生的损失。
[0037] 将混合气体送至用于在膜分离单元中处理。该单元含有相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜。优选在过程操作条件下，膜提供了至少约300gpu，更优选至少约500gpu并且最优选至少约1,000gpu的二氧化碳渗透性(carbon dioxide permeance)。在过程操作条件下，还希望二氧化碳/氮气的选择性为至少约10，或者更优选为20。
[0038] 混合气体流过膜的进料侧，而空气、富氧空气或氧气的吹扫气体流过渗透侧，以提供或增强跨膜渗透的驱动力。吹扫气流带走(获得，pick up)优先渗透的二氧化碳。然后，从膜单元取出吹扫/渗透物流，并将其返回至第一燃烧室以形成进料至第一燃烧步骤的空气、富氧空气或氧气的至少部分。
[0039] 通过使用作为吹扫气体设计用于第一燃烧室的含氧气流，以非常有效的方式实施了膜分离步骤并且不向燃烧区引入任何其它不希望的组分。
[0040] 该方法在能量敏感的应用中特别有用，并且在处理来自发电厂等的非常大的气流时几乎总是这样。该方法在压力-比受限的分离中也特别有用，如以下将更详细解释的。
[0041] 可以使用一个或多个单个膜组件实施膜分离步骤。可以使用能够在渗透吹扫条件下操作的任何组件。优选地，该组件采取中空纤维组件、板框式组件(plate-and-frame module)或螺旋缠绕组件的形式。所有三个组件类型是已知的，并且在文献中描述了它们的配置和在吹扫，包括逆流吹扫模式中的操作。
[0042] 该方法可以使用一个膜组件，但是在大多数情况下，分离将使用以顺序或平行流动设置布置的多个膜组件，如在现有技术中所熟知的。可以使用任何数目的膜组件。
[0043] 可以通过操作与在渗透侧相比在进料测具有更高总压的膜单元，从而提高渗透的跨膜驱动力，从而扩大该方法。
[0045] 残余气流的二氧化碳含量减少至小于约8vol％，更优选地小于6vol％并且最优选地小于5vol％。这种气流通常，尽管不一定排放至环境。二氧化碳含量减少至未处理排气中含量的20％、10％或以下大大地降低了排放气流的环境影响。
[0046] 在一些情况下，使用多于一个基于吹扫的膜分离步骤处理排放气流可以是有益的。因此，在可替换的实施方式中，本发明是用于控制来自多个燃烧源的二氧化碳排气的方法，包括：
[0047] (a)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第一混合物实施第一燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第一排放气流；
[0048] (b)实施二氧化碳捕获步骤以从第一排放气流中以浓缩形式除去一部分二氧化碳，从而产生与第一排放气流相比二氧化碳浓度较低的来自捕获步骤的出口气流；
[0049] (c)提供具有第一进料侧和第一渗透侧并且相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透并且相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的第一膜；
[0050] (d)将出口气流通过第一进料侧；
[0051] (e)从第一进料侧取出第一二氧化碳贫化的气流；
[0052] (f)通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的第二混合物实施第二燃烧过程，从而产生包含二氧化碳和氮气的第二排放气流；
[0053] (g)将至少一部分第二排放气流与至少一部分第一二氧化碳贫化的气流混合以产生混合的气流；
[0054] (h)提供具有第二进料侧和第二渗透侧并且相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透并且相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的第二膜；
[0055] (i)将至少一部分混合的气流通过第二进料侧；
[0056] (j)从第二进料侧取出第二二氧化碳贫化的气流；
[0057] (k)将至少一部分空气、富氧空气或氧气作为第一吹扫气流通过第二渗透侧；
[0058] (l)从第二渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第二膜渗透物流；
[0059] (m)将至少一部分包含氧气和二氧化碳的第二膜渗透物流作为第二吹扫气流通过第一膜的第一渗透侧；
[0060] (n)从第一膜的第一渗透侧取出包含氧气和二氧化碳的第一膜渗透物流；以及[0061] (o)将第一膜渗透物流通到步骤(a)作为步骤(a)的空气、富氧空气或氧气的至少部分。
[0062] 在一些方面，将第二膜渗透物流的整个部分作为第二吹扫气流通过第一膜的第一渗透侧。在其它方面，将第二膜渗透物流的第一部分作为第二吹扫气流通过第一膜的第一渗透侧，并且作为用作第一燃烧过程中的进料供应的空气、富氧空气或氧气的部分输送第二部分。优选地，将包含空气、富氧空气或氧气的气流与第二膜渗透物流的第一部分混合，从而作为第二吹扫气流的部分输送。甚至更优选地，作为用作第一吹扫气体的空气、富氧空气或氧气的一部分取出这种气流。
[0063] 在另一个可替换的实施方式中，将第二膜渗透物流的整个部分作为空气、富氧空气或氧气气流的一部分引导到第一燃烧过程。将包含空气、富氧空气或氧气的第二吹扫气流通过第一膜的第一渗透侧。优选地，在通过第二膜的渗透侧之前取出一部分第一吹扫气体，并将其作为第二吹扫气流送至第一膜的渗透侧。
[0064] 在一些实施方式中，可以将第一膜渗透物流和第二膜渗透物流直接送回至燃烧室或者可以在与第一燃烧过程中使用的空气、富氧空气或者氧气混合之前进行合并。
[0065] 以上所讨论的排放气流的数目不受限制。可以处理来自多个燃烧源的任何数目的排放气流。在一些实施方式中，取决于它们的浓度和将混合损失减到最小的目标，可以将来自其它燃烧步骤的排放气流在碳捕获步骤之前与第一排放气流合并，在这两种气流混合之前与碳捕获出口气体或第二排放气流合并，或者在膜分离步骤之前与混合的气流合并。
[0066] 同样地，在其中使用多于一个基于吹扫的膜分离步骤的实施方式中，可以将其它排放气流在碳捕获步骤之前与第一排放气流合并，在第一膜分离步骤之前与出口气流合并，在将这两种气流混合在一起之前与第一膜分离步骤的残余气流或者第二排放气流合并，或者在第二膜分离步骤中进行处理之前与混合的气流合并。
[0067] 通常将选择上述实施方式中排放气流的混合位置以混合具有基本相同的二氧化碳浓度的气流以使混合损失减到最小。“基本相同”表示要混合的两种气流的二氧化碳浓度的比值应在0.7至1.4之间。即，举例来说并且参考图3，如果气流310将含有10mol％的二氧化碳，则气流314的优选的二氧化碳浓度将在14.3mol％(10mol％/0.7)的最大值和7.1mol％(10mol％/1.4)的最小值之间。优选地，两种气流的比值应在0.8至1.2之间，并且最优选在0.9至1.1之间。
[0068] 除了处理多个排放气流外，本发明的另一个优势在于它仅需要改变一个燃烧单元来处理来自渗透再循环的空气气流中二氧化碳水平的提高(和较低的氧气水平)。本发明还允许即使在辅助燃烧单元关闭的情况下运行主要燃烧步骤和碳捕获步骤。附图说明
[0069] 图1是用于从仅一个燃烧单元的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法的示意性流程图(非根据本发明)。
[0070] 图2是显示从多于一个燃烧单元的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法的基本实施方式的示意性流程图。
[0071] 图3是显示使用两个基于吹扫的膜分离步骤从多于一个燃烧单元的排放气体中除去二氧化碳的基于吹扫的膜分离方法的实施方式的示意性流程图。
[0072] 图4是图3的可替换实施方式，其中将一部分第二膜渗透物流作为部分第二吹扫气流送至第一膜单元，并将另一部分送至第一燃烧单元。
[0073] 图5是图3的可替换实施方式，其中将整个第二膜渗透物引导回到第一燃烧单元。
具体实施方式
[0074] 如本文所使用的术语“气体”表示气体或蒸气(蒸汽)。
[0075] 术语“排放气体”、“烟道气”和“排放气流”在本文中可以互换使用。
[0076] 术语“mol％”和“vol％”在本文中可互换使用。
[0077] 本发明涉及通过基于吹扫的膜气体分离用于控制来自多个燃烧过程的二氧化碳排放的方法、以及包括这种气体分离的燃烧过程。
[0078] 图2显示了本发明的基本实施方式的简单流程图，其中从两个燃烧步骤或燃烧区释放的排放气体中除去二氧化碳。将第一燃料气流201和第一空气、富氧空气或氧气气流218引入第一燃烧步骤或燃烧区203。气流218由以下所讨论的渗透物流217以及另外的第一空气或氧气供给气流202组成。
[0079] 取出第一燃烧排放气流204，其通常含有15-25vol％的二氧化碳。该气流通常含有至少二氧化碳、水蒸气和氮气以及如上所述的其它组分。
[0080] 将该气流至少部分送至二氧化碳捕获步骤205。可以使用可以从如以上所讨论的排放气流产生浓缩二氧化碳流的任何技术或技术组合实施该步骤。
[0081] 捕获步骤产生了浓缩的二氧化碳产物流206，其优选地含有大于50、60、70或80vol％的二氧化碳或更多的二氧化碳。该流可以处于气相或液相，并且例如可以包含纯化的液体二氧化碳。可以输送浓缩流用于分离，或者以任何其它适合的方式使用或处理。
[0082] 来自捕获步骤的出口气流207仍含有与第一排放气流相比处于较低浓度的二氧化碳。通常，但不是必需地，该浓度对于烧煤锅炉为约10-20vol％的二氧化碳，对于燃气锅炉较低。
[0083] 在第二燃烧步骤或燃烧区域210中，向其中引入第二燃料气流209和第二空气或氧气供给气流208。
[0084] 取出第二燃烧排放气流211，其通常含有5-15vol％的二氧化碳。通常，该气流含有与第一燃烧排放气流相似的组分。
[0085] 将第二排放气流211至少部分送去与来自碳捕获步骤205的出口气流207混合以产生混合的气流212。
[0086] 将混合的气流212送去用于在膜分离步骤或单元213中处理。该步骤使用相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜214。
[0087] 混合气体流过膜的进料侧；空气、富氧空气或氧气的吹扫气流216流过渗透侧。
[0088] 吹扫气流带走优先渗透的二氧化碳，并且从膜中取出所得的渗透物流217，并将其与气流202合并以形成至燃烧室的空气或氧气进料218。
[0089] 可替换地，可以省略气流202，并且可以通过渗透物流217提供至燃烧室的全部含氧进料。
[0090] 残余气流215的二氧化碳含量减少至小于约8vol％，更优选地小于6vol％并且最优选地小于5vol％。通常，将该气流排放至环境。
[0091] 使用燃烧空气或氧气供给作为渗透吹扫的其它有益结果之一是将移至吹扫气体中的渗透二氧化碳再循环至燃烧室。这提高了离开燃烧室的排放气体中的二氧化碳浓度，有利于二氧化碳的下游捕获。例如，常规煤炭与空气的燃烧通常产生含有10-12％的二氧化碳的出口气体，然而根据本文教导内容，将二氧化碳返回至燃烧室可以将排放气体浓度提高至约15或20vol％。
[0092] 可以任选地将第一排放气流204、出口气流207和/或第二排放气流211与来自其它燃烧过程(未显示)的一个或多个辅助排放气流219a-d合并。优选地，将一个或多个辅助排放气流在将与它混合的气流具有与辅助气流基本相同的二氧化碳浓度的点合并。
[0093] 根据图2，可以看出本发明的方法结合了四个单元操作：两个燃烧步骤、碳捕获步骤和最终的膜分离步骤。
[0094] 可以以仅限于使它产生含有二氧化碳的排放气体或烟道气的任何方式实施燃烧步骤。这些燃烧过程在整个工业化社会中发生。代表性过程包括其中燃烧步骤用于向烤炉或熔炉，如鼓风炉提供热量的那些。其它重要的过程为其中燃烧步骤用于产生蒸汽以使涡轮机或其它设备运行以实施机械作业或产生电力的那些。在还有的其它过程中，燃烧气体本身用作电源来驱动涡轮机等，并且可以在它们已在涡轮机中使用之前或之后处理燃烧气体。然而，另一个来源是在提高采油率(EOR)操作中使用的蒸汽锅炉，其中将所产生的二氧化碳气流注入油层中。
[0095] 用于燃烧步骤的燃料可以是可以与氧一起燃烧的任何燃料，其包括但不限于煤炭、焦炭、木材、生物质、固体废物、所有等级和类型的油剂及其它天然和合成液体燃料、以及任何类型的含烃气体，如天然气、填埋场气体、煤矿气体等。
[0096] 可以以高纯氧、富氧空气、标准空气或任何其它适合的含氧混合物的形式提供燃料与之一起燃烧的氧。
[0097] 可以使用膜或非膜技术实施碳捕获步骤，并且碳捕获步骤可以包括一种或多于一种类型的分离程序。如果对于该步骤完全或部分使用膜技术，则捕获步骤仍是与后续膜分离步骤214分离的单独的单元操作。优选地，在碳捕获步骤中使用的膜与在基于吹扫的膜分离步骤中使用的膜相同或者具有类似的性质。
[0098] 可以在该步骤中用于捕获二氧化碳的代表性方法包括但不限于物理或化学吸附、膜分离、压缩/低温冷凝、吸附或者任何其它已知的技术。优选的技术是吸收，如胺净化或冷冻氨吸附、冷凝、膜分离和这些的组合。
[0099] 在当前用于捕获二氧化碳的工业用途中，低温度或低温冷凝和吸收至胺溶液中是最常见的方法并且无需在本文中详细说明。任一种方法均非常适合在本发明中使用。通过低温冷凝或蒸馏回收液体二氧化碳的方法在本领域中是熟知的。优选的方法是熟知的瑞安-霍尔姆斯法(Ryan-Holmes process)，其中将轻质烃液体或液体混合物加入至塔中以防止塔中二氧化碳固体或共沸物的形成。例如，在美国专利4,371,381；4,923,493；5,233,837中教导了用于实施低温冷凝的多种具体技术。例如，在美国专利4,350,511和4,462,814中教导了瑞安-霍尔姆斯法。
[0100] 还通常使用通过吸收回收二氧化碳的方法。简而言之，这些方法包括通过物理或化学相互作用将二氧化碳吸收到吸附剂溶液中，然后通过降低其压力或加热溶液从溶液中汽提气体，然后使再生的吸附剂再循环。可以使用多种吸附剂；最常用地，吸附剂是基于胺的并且可以包括单一烷醇胺或者胺的混合物。可以使用的其它吸附剂包括冷冻氨，如Alstom法中所使用的，或者其它专门的专利保护的二氧化碳吸收盐，如碳酸氢钾的溶剂或溶液。
[0101] 可以通过蒸汽汽提再生吸附剂溶液，并且通过使水冷却和冷凝从汽提蒸汽回收二氧化碳。可以使用的这种类型的代表性方法为Fluor Daniel Econamine FGTM法，其使用了单乙醇胺(MEA)类吸附剂体系。可以在文献中，例如，在Gas Purification,A.Kohl and R.Nielsen(第5版,Gulf Publishing Co.,Houston,Texas,1997),第1188-1237页中，找到这种方法非常详细的描述。
[0102] 对于二氧化碳捕获步骤来说，单独使用膜分离是不太优选的，这是因为在不使用多个膜级的情况下，难以在渗透物流中达到高二氧化碳浓度。在美国专利6,648,944中提供了用于从天然气气流中回收二氧化碳的三级膜单元的实例。
[0103] 还可以在该步骤中将两种或更多种不同的分离技术组合；例如，膜分离可以在冷凝步骤的上游或下游与低温冷凝组合，或者可以通过冷凝使在吸收过程的汽提步骤中释放的气体液化。例如，在美国专利4,639,257；4,990,168；5,233,837；和6,085,549中教导了这些组合方法的实例，以上所有专利作为参考并入本文中。
[0104] 第四单元操作是基于吹扫的膜分离。在该步骤中使用的膜应对二氧化碳显示出高渗透性，并且相对于氮气对二氧化碳显示出高选择性。
[0105] 可以使用任何具有适合性能特性的膜。多种聚合材料，特别是弹性体材料对二氧化碳是完全可渗透的。用于将二氧化碳与氮气或其它惰性气体分离的优选的膜具有基于聚醚的选择性层。一些这样的膜已知具有诸如30、40、50或以上的高二氧化碳/氮气。选择性层的代表性优选材料是 它是在美国专利4,963,165中详细描述的聚酰胺-聚醚嵌段共聚物材料。
[0106] 膜可以采取均一膜、整体不对称膜、多层复合膜、引入凝胶或液体层或颗粒的膜的形式，或者本领域中已知的任何其它形式。如果使用弹性体膜，则优选的形式为复合膜，其包含用于机械强度的微孔支持层和负责分离性质的薄橡胶涂层。
[0107] 可以将膜生产为平片材或者纤维并置于任何方便的组件形式，包括螺旋缠绕组件、板框式组件和密封的中空纤维组件中。所有这些类型的膜和组件的制备在本领域中是熟知的。为了提供吹扫气流的逆流流动，组件优选地采用中空纤维组件、板框式组件或螺旋缠绕组件的形式。
[0108] 螺旋缠绕组件中的平片材膜是膜/组件配置的最优选的选择。已设计了能够在渗透侧在有或者没有吹扫的情况下以逆流模式使用螺旋缠绕组件的一些设计。在Dow Chemical的美国专利5,034,126中描述了代表性实例。
[0109] 膜步骤或单元213可以含有单个膜组件或者膜组件库(bank)或者组件阵列。含有一个膜组件或者膜组件库的单一单元或级适用于多种应用。如果残余气流需要进一步纯化，则可以将其转到第二膜组件库以用于第二处理步骤。如果渗透物流需要进一步浓缩，则可以将其转到第二膜组件库以用于第二级处理。对本领域技术人员来说，这些多级或多步方法及其变型将是熟悉的，他们将理解可以通过多种可能的方式配置膜分离步骤，包括单级、多级、多步或者处于顺序或级联布置的两种或更多种单元的更复杂的阵列。
[0110] 转到步骤213的操作条件，通过膜单元实现的组分分离不仅取决于膜对要分离组分的选择性，而且还取决于压力比。
[0111] 压力比表示总进料压力/总渗透压力的比值。在压力驱动的方法中，在数学上可以看出组分的富集(即组分渗透分压/组分进料分压的比值)决不会大于压力比。不管膜的选择性可以是多高，这种关系是正确的。
[0112] 此外，压力比和选择性之间的数学关系预测无论哪个性质在数字上较少都将控制分离。因此，如果压力比的数值比选择性高得多，则在该方法中可实现的分离将不受压力比的限制，而将取决于膜的选择性能力。相反地，如果膜的选择性在数值上比压力比高得多，则压力比将限制分离。在这种情况下，渗透浓度变得基本上独立于膜的选择性并且单独通过压力比确定。
[0113] 可以通过将进料气体压缩至高压或者通过使用真空泵在渗透侧产生较低的压力或者两者的组合来实现高压力比。然而，选择性越高，则实现数值上与选择性相当或大于选择性的压力比的资金和能量的成本越大。
[0114] 根据上述，可以看出使用对要分离组分具有高选择性的膜的压力驱动的方法可能是压力比受限的。例如，如果压力比具有相当或更大的数量级，则其中有可能具有40、50或以上的膜选择性的方法(如多种二氧化碳/氮气分离的情况)将仅能够利用高选择性。
[0115] 本发明人已克服了该问题并且可以通过用吹扫气流216稀释渗透物来使用更多的膜的固有选择性能力，从而防止渗透侧浓度积累至限制水平。
[0116] 可以以压力比1，即在进料和渗透侧之间没有总压力差，以压力比小于1，即渗透侧的总压力大于进料侧的总压力，或者以例如小于10或小于5的相对适当的压力比来使用该操作模式。
[0117] 通过将渗透侧上所期望的渗透物的分压力降低至低于其在进料侧的分压力的水平来提供跨膜渗透的驱动力。吹扫气流216的使用在渗透侧维持了低二氧化碳分压力，从而提供了驱动力。
[0118] 可以通过将吹扫气流的流速调节至所期望的值来控制渗透侧上的分压力。在原理上，吹扫气流与进料气流的比值可以是提供所期望结果的任何值，尽管吹扫气流：进料气流的比值将很少小于0.1或者大于10。高比值(即高吹扫流速)从进料实现了最大二氧化碳去除，但是实现了相对的二氧化碳稀释渗透物流(即，在离开组件的吹扫气体中实现了相对低的二氧化碳富集)。低比值(即低吹扫流速)在渗透物中实现了高二氧化碳浓度，但是从进料中实现了相对低水平的二氧化碳去除。
[0119] 过低的吹扫流速的使用可以提供对于良好分离所不足的驱动力，而过高的吹扫流速的使用可能会导致渗透侧上的压力降或其它问题，或者可能会不利地影响反应容器中的化学计量。
[0120] 通常和优选地，吹扫气流的流速应在膜进料气流流速的约50％至200％之间，并且最优选地在约80％至120％之间。通常，约1:1的比值是方便且适合的。
[0121] 膜每一侧上的总气体压力可能是相同或不同的，并且每个可能会高于或低于大气压力。如上所述，如果压力是大致相同的，则通过吹扫模式操作提供整个驱动力。
[0122] 然而，在大多数情况下，排放气体以大气压力可获得，并且所包括的气流体积过大，从而在进料侧使用较大的压缩或在渗透侧使用真空都不是优选的。然而，轻微压缩，如从大气压至2或3巴可以是有帮助的并且可以提供部分总二氧化碳捕获和相对能量有效的回收处理。
[0123] 图3显示了在一个实施方式中包括多于一个基于吹扫的膜分离步骤的方法。本领域技术人员将理解如图2一样，这是非常简单的框图，其旨在使本发明方法的关键单元操作清楚，并且实际的处理流程通常将包括多个其它标准类型步骤，如加热、冷冻、压缩、冷凝、泵送、多种类型的分离和/或分馏以及压力、温度和流动的监控等。本领域技术人员还将理解对于不同情况，单元操作的细节可能是不同的。
[0124] 参照图3，将燃料气流301和空气、富氧空气或氧气气流322引入第一燃烧步骤或燃烧区303中。气流322由如以下所讨论的渗透物流321以及其它第一空气或氧气供给气流302组成。
[0125] 将第一燃烧排放气流304至少部分输送至碳捕获步骤305。可以使用可以从排放气流产生浓缩二氧化碳流的任何技术或技术组合，如以上所提及的那些来实施该步骤。该步骤将排放气流分离成二氧化碳浓缩流306和二氧化碳贫化的出口气流307。
[0126] 浓缩的二氧化碳产物流306优选地含有大于50、60、70或80vol％的二氧化碳或更多的二氧化碳。该流可以处于气相或液相，并且例如，可以包含纯化的液体二氧化碳。可以将浓缩流输送用于分离，或者以任何其它适合的方式使用或处理。
[0127] 浓缩流通常还将富含水蒸气，其可以通过冷却所述流容易地冷凝。任选地，浓缩流可以送去压缩/低温冷凝或者蒸馏以形成高纯度二氧化碳产物(未显示)。
[0128] 来自捕获步骤的出口气流307仍含有与第一排放气流相比处于较低浓度的二氧化碳。通常，但不是必需地，该浓度对于烧煤锅炉为约10-20vol％的二氧化碳，对于燃气锅炉较低。
[0129] 将出口气流307作为进料通到第一膜分离步骤308，其含有相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜309。
[0130] 从膜中取出二氧化碳贫化的第一残余气流310并将其与第二燃烧排放气流314混合以产生混合的气流315。
[0131] 通过第二燃烧步骤或燃烧区313产生第二燃烧排放气流314。将第二燃料气流311和第二空气或氧气供给气流312引入燃烧步骤313中。优选地，该气流含有与第一残余气流基本类似的二氧化碳浓度。
[0132] 混合的气流315流过第二膜分离步骤316的进料侧。将空气、富氧空气或氧气气流319的第一吹扫气体引入第二膜单元316的渗透侧入口并流过渗透侧，优选地以与进料侧的流动模式至少部分或基本成逆流的流动模式流过。进料和吹扫气流的进口流量比值通常为约2：1。
[0133] 第一吹扫气流带走优先渗透的二氧化碳，并且从第二膜单元316取出所得渗透物流(第二膜渗透物流)320，并将其作为第二吹扫气流送至第一膜分离单元308。在该步骤中，出口气流307与吹扫气体320的进口流量比值大致为1:1。
[0134] 在一些实施方式中，包含空气、富氧空气或氧气的气流可以与气流320混合以形成第二吹扫气流的部分(未显示)。
[0135] 第二吹扫气流还从该步骤带走了优先渗透的二氧化碳，并且从第一膜单元308取出所得渗透物流(第一膜渗透物流)321，并将其与气流302合并以形成至燃烧单元303的空气或氧气进料322。
[0136] 任选地，可以省略气流302，并且可以通过渗透物流321提供全部含氧气流。
[0137] 第二残余气流(排出气流)318中的二氧化碳贫化并从该过程中排出第二残余气流。通过遵循本发明的教导，与未处理的烟道气的浓度相比，可以将所排出的排放气体的二氧化碳浓度减少至少80％、90％或以上。例如，来自燃烧室的出口气体可能含有20mol％的二氧化碳并且残余排出气体可能仅含有6mol％或以下的二氧化碳。然而，在多种操作中，较少的去除是必需的并且来自两种排放气体的二氧化碳捕获率的总和在约40至60％的范围内。
[0138] 这种高去除水平对于完全压力驱动的方法来说实际上是不可能的，这是因为运行该方法的能量需要以及达到所期望的二氧化碳渗透水平所需的膜面积过大。
[0139] 可以任选地将第一排放气流304、出口气流307、第一二氧化碳贫化的残余气流310和/或第二排放气流314与来自其它燃烧过程(未显示)的一个或多个辅助气流323a-e合并。优选地，将一个或多个辅助气流在将与它混合的气流具有与辅助气流基本相同的二氧化碳浓度的点合并。
[0140] 图4中显示了其中将一部分第二膜渗透物流作为部分第二吹扫气流送至第一膜分离步骤，并将第二部分作为第一燃烧步骤的空气或氧气供给气流的部分输送的实施方式。
[0141] 参照该图，将第一燃料气流401和空气、富氧空气或氧气气流425引入第一燃烧步骤或燃烧区403。气流425由如以下所讨论的包含第一膜渗透物流423和第二膜渗透物流420b的合并的渗透物流424以及其它第一空气或氧气供给气流402组成。
[0142] 将第一燃烧排放气流404至少部分送至碳捕获步骤405。可以使用可以从排放气流产生浓缩二氧化碳流的任何技术或技术组合，诸如以上所提及的那些来实施该步骤。该步骤将排放气流分离成二氧化碳浓缩流406和二氧化碳贫化的出口气流407。
[0143] 浓缩的二氧化碳产物流406优选地含有大于50、60、70或80vol％的二氧化碳或更多的二氧化碳。该流可以处于气相或液相，并且例如，可以包含纯化的液体二氧化碳。可以将浓缩流输送用于分离，或者以任何其它适合的方式使用或处理。
[0144] 浓缩流通常还将富含水蒸气，其可以通过冷却所述流容易地冷凝。任选地，浓缩流可以送去压缩/低温冷凝或者蒸馏以形成高纯度二氧化碳产物(未显示)。
[0145] 来自捕获步骤的出口气流407仍含有与第一排放气流相比处于较低浓度的二氧化碳。通常，但不是必需地，该浓度对于烧煤锅炉为约10-20vol％的二氧化碳，对于燃气锅炉较低。
[0146] 将出口气流407作为进料通到第一膜分离步骤408，其含有相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜409。
[0147] 从膜中取出二氧化碳贫化的第一残余气流410并将其与第二燃烧排放气流414混合以产生混合的气流415。
[0148] 通过第二燃烧步骤或燃烧区413产生第二燃烧排放气流414。将第二燃料气流411和第二空气或氧气供给气流412引入燃烧步骤413中。优选地，该气流含有与第一残余气流基本类似的二氧化碳浓度。
[0149] 混合的气流415流过第二膜分离步骤416的进料侧。将空气、富氧空气或氧气气流419的第一吹扫气体引入第二膜单元416的渗透侧入口并流过渗透侧，优选地以与进料侧的流动模式至少部分或基本成逆流的流动模式流过。
[0150] 第一吹扫气流带走(获得)优先渗透的二氧化碳，并且从第二膜单元416取出所得渗透物流(第二膜渗透物流)420。将渗透物流420、420a的第一部分与包含空气、富氧空气或氧气的气流421混合以产生第二吹扫气流422，将第二吹扫气流输送穿过第一膜分离单元408的渗透侧。
[0151] 第二吹扫气流422还从该步骤带走了优先渗透的二氧化碳，并且从第一膜单元408取出所得的渗透物流(第一膜渗透物流)423。渗透物流423可以与气流420b合并以产生混合的渗透物流424，所述气流420b是并非作为部分第二吹扫气流输送的第二膜渗透物流的一部分。将混合的渗透物流424与气流402合并以形成至燃烧单元403的空气或氧气进料425。
[0152] 任选地，可以省略气流402，并且可以通过气流424提供全部含氧气流。
[0153] 图4还显示了其中将气流419、气流419a的一部分作为第一吹扫气流送至第二膜单元416的渗透侧，并且将气流419、气流419b的第二部分作为气流421输送以形成部分第二吹扫气流422的选择。
[0154] 在图5中显示了其中将第二膜渗透物流的整个部分作为空气或氧气供给气流的部分送至第一燃烧步骤的实施方式。
[0155] 参照该图，将第一燃料气流501和空气、富氧空气或氧气气流524引入第一燃烧步骤或燃烧区503。气流524由如以下所讨论的包含第一膜渗透物流522和第二膜渗透物流520的混合的渗透物流523以及其它第一空气或氧气供给气流502组成。
[0156] 将第一燃烧排放气流504至少部分送至碳捕获步骤505。可以使用可以从排放气流产生浓缩二氧化碳流的任何技术或技术组合，诸如以上所提及的那些来实施该步骤。该步骤将排放气流分离成二氧化碳浓缩流506和二氧化碳贫化的出口气流507。
[0157] 浓缩的二氧化碳产物流506优选地含有大于50、60、70或80vol％的二氧化碳或更多的二氧化碳。该流可以处于气相或液相，并且例如，可以包含纯化的液体二氧化碳。可以将浓缩流输送用于分离，或者以任何其它适合的方式使用或处理。
[0158] 浓缩流通常还将富含水蒸气，其可以通过冷却所述流容易地冷凝。任选地，浓缩流可以送去压缩/低温冷凝或者蒸馏以形成高纯度二氧化碳产物(未显示)。
[0159] 来自捕获步骤的出口气流507仍含有与第一排放气流相比处于较低浓度的二氧化碳。通常，但不是必需地，该浓度对于烧煤锅炉为约10-20vol％的二氧化碳，对于燃气锅炉较低。
[0160] 将出口气流507作为进料通到第一膜分离步骤508，其含有相对于氮气对二氧化碳选择性可渗透以及相对于氧气对二氧化碳选择性可渗透的膜509。
[0161] 从膜中取出二氧化碳贫化的第一残余气流510并将其与第二燃烧排放气流514混合以产生混合的气流515。
[0162] 通过第二燃烧步骤或燃烧区513产生第二燃烧排放气流514。将第二燃料气流511和第二空气或氧气供给气流512引入燃烧步骤513中。优选地，该气流含有与第一残余气流基本类似的二氧化碳浓度。
[0163] 混合的气流515流过第二膜分离步骤516的进料侧。将空气、富氧空气或氧气气流519的第一吹扫气体引入第二膜单元516的渗透侧入口并流过渗透侧，优选地以与进料侧的流动模式至少部分或基本成逆流的流动模式流过。
[0164] 第一吹扫气流带走(获得)优先渗透的二氧化碳，并且从第二膜单元516取出所得渗透物流(第二膜渗透物流)520。
[0165] 将包含空气、富氧空气或氧气的第二吹扫气流521输送通过第一膜分离单元508的渗透侧。
[0166] 第二吹扫气流521还从该步骤带走了优先渗透的二氧化碳，并且从第一膜单元508取出所得渗透物流(第一膜渗透物流)522，并将其与气流520合并以产生混合的渗透物流523。将气流523与气流502合并以形成至燃烧单元503的空气或氧气进料524。
[0167] 任选地，可以省略气流502，并且可以通过气流523提供全部含氧气流。
[0168] 图5还显示了其中将气流519、气流519a的一部分作为第一吹扫气流送至第二膜单元516的渗透侧，并且将气流519、气流519b的第二部分形成第二吹扫气流521的选择。
[0169] 现将通过具体实施例进一步详细说明本发明。这些实施例旨在进一步阐明本发明，并且不旨在以任何方式限制范围。
[0170] 实施例
[0171] 以下实施例基于两个蒸汽锅炉的使用，每个蒸汽锅炉每小时处理约365kg的甲烷3
(天然气)。每个锅炉每小时产生含有约1吨二氧化碳的5,800m 的排放气体。以下实施例描述了膜分离0.8吨浓缩二氧化碳(或者所排出的40％的总二氧化碳)的能力。所使用的膜的二氧化碳渗透性为2,500gpu，氮气渗透性为100gpu，氧气渗透性为200gpu并且水渗透性为
5,000gpu。
(天然气)。每个锅炉每小时产生含有约1吨二氧化碳的5,800m 的排放气体。以下实施例描述了膜分离0.8吨浓缩二氧化碳(或者所排出的40％的总二氧化碳)的能力。所使用的膜的二氧化碳渗透性为2,500gpu，氮气渗透性为100gpu，氧气渗透性为200gpu并且水渗透性为
5,000gpu。
[0172] 与大部分工业操作中使用的那些相比，在这些计算中使用的锅炉较小。然而，我们基于排放1吨/h的二氧化碳的锅炉进行我们的计算，这是因为它使得容易地转化为具有任何尺寸的较大单元。
[0173] 使用建模程序ChemCad 5.5(ChemStations，Inc.,Houston,TX)实施所有计算，该程序含有MTR工程组开发的用于膜操作的代码。对于计算，所有压缩机和真空泵假定为85％有效的。在每种情况下，实施建模计算以实现从排放气流中40％的二氧化碳捕获(或者0.8吨/小时的二氧化碳)。
[0174] 还假设将膜分离单元用作碳捕获单元。
[0175] 实施例1：没有碳捕获或者基于吹扫的膜分离的燃烧过程(非根据本发明)[0176] 作为比较例，实施计算机计算以确定来自蒸汽锅炉的未处理的排放气体的化学组成。将排放气体在大气压力下冷却至30℃以除去一些水蒸气，然后将其排出到大气中。结果在表1中所示。
[0177] 表1
[0178]
[0179] 一个锅炉排放约1吨/h的二氧化碳(对于两个锅炉，2吨/h的二氧化碳)。冷却的排放气体具有约8.8mol％二氧化碳的浓度。
[0180] 实施例2：根据图1使用基于吹扫的膜分离的燃烧过程(非根据本发明)[0181] 实施计算机计算以确定来自仅一个锅炉的处理气流的组成。由于单独处理锅炉排气，因此需要两个捕获系统，每个锅炉一个。
[0182] 在碳捕获步骤之前，使用鼓风机将排放气流104冷却并从1.0巴绝压加压至1.1巴绝压(bara)以将气体循环通过过程(图中未显示)。
[0183] 表2中显示了计算结果。
[0184] 表2
[0185]
[0186] 所使用的两个锅炉捕获单元之一所需的计算的膜面积和净能量如下：
[0187] 膜面积：4,020m2(对于两个锅炉，8,040m2)
[0188] 能量使用(来自所使用的鼓风机和真空泵)：87.2kW/h每吨所分离的二氧化碳(对于两个锅炉，174.4kW/h每吨所分离的二氧化碳)。
[0189] 可以看出，浓缩的二氧化碳气流106富集二氧化碳至63mol％二氧化碳的浓度(基于干重，75mol％)，而排出气体含有约5mol％二氧化碳(约0.6吨二氧化碳)。
[0190] 实施例3：根据图2使用基于吹扫的膜分离的燃烧过程
[0191] 实施计算以示出如图2中所示使用单一捕获单元对来自两个锅炉的排放气体的处理。表3中显示了计算结果。
[0192] 表3
[0193]
[0194] 与实施例2相比，该方法所需的总膜面积减小了27％，减小至7,250m2每吨所分离的二氧化碳。能量消耗也降低至175kW每吨所分离的二氧化碳。
[0195] 浓缩的二氧化碳气流206富集二氧化碳至54mol％二氧化碳的浓度(基于干重，63mol％)，而排出气体含有约5mol％二氧化碳。
[0196] 实施例4：根据图3使用基于吹扫的膜分离的燃烧过程
[0197] 实施计算以示出使用两个基于吹扫的膜分离步骤对来自两个锅炉的排放气体的处理。表4中显示了计算结果。
[0198] 表4
[0199]
[0200] 仅一个锅炉所需的计算膜面积和净能量如下：
[0201] 膜面积：3,850m2(约4,780m2/吨所分离的二氧化碳)
[0202] 能量使用：206kW/h每吨所分离的二氧化碳
[0203] 浓缩的二氧化碳气流306富集二氧化碳至约64mol％二氧化碳的浓度(基于干重，约75mol％)，而排出气体318含有约5mol％二氧化碳。
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