本发明涉及基于膜的气体分离工艺，具体涉及将二氧化碳再循环成气态形式的烟道气的循环工艺，其中回收的二氧化碳可以运输使用或部分包含，集中。
许多燃烧过程会产生二氧化碳污染的烟气，这些烟气会导致全球变暖和环境破坏。这些气流稀薄、低压且难以处理；因此，这种气体不能经济地运输到可以使用二氧化碳的地方。
为了使运输更可行，可以分离和浓缩二氧化碳以生产 90-100% 的纯二氧化碳。虽然这种浓缩的二氧化碳可以很容易地运输，但浓缩二氧化碳所需的分离过程仍然很昂贵。因此，仍然需要更好的治疗选择。
通过膜分离气体是一项成熟的技术。在工业环境中，通常在进料侧和渗透侧之间施加全压差，通常压缩进料流或将膜的渗透侧保持在部分真空下。
在文献中已知跨膜渗透的驱动力可以通过使清除气体穿过膜的渗透物侧来提供，从而将该侧所需渗透物的分压降低至低于其在渗透物上的分压的水平边..电源侧。在这种情况下，膜两侧的总压力可能相同，渗透侧的总压力可能大于进料侧的总压力，或者可能存在额外的驱动力来维持总进料压力。总渗透压。
吹扫气体的使用最常被提议与空气分离相关，以使空气富含氮气或氧气，或脱水。教导使用渗透物侧吹扫气体以促进空气分离的专利的例子包括美国专利No. 5, 278, 88。 5,240,471； 5,500,036；和 6,478,852。教导在脱水过程中使用吹扫气体的专利示例包括 4,931,070； 4,981,498 和 5,641,337。
它在例如美国专利号 5,681,433 和 5,843,209 中也是已知和教导的。
在 2010 年 6 月 2 日提交的共同拥有和共同未决专利申请序列号 12/734,941 中教导了使用包括以吹扫模式操作的膜分离步骤来处理烟气以去除二氧化碳的方法。
尽管有上述创新，但捕获和封存二氧化碳以防止其释放到大气中或至少将其延迟多年的问题仍然很难以节能和成本高效的方式解决。经常提出的解决方案基于以基本上纯的形式回收二氧化碳，例如通过使含有二氧化碳的流经受低温蒸馏或胺吸附，然后液化。虽然这些解决方案可能对某些应用有用，但仍然需要一种相对简单、低能量的解决方案来处理二氧化碳流，从而避免产生高纯度流。
本发明是一种基于膜的气体分离工艺，用于以部分浓缩的形式分离和回收燃烧过程中排放的二氧化碳，然后输送二氧化碳并以密闭方式使用或储存，无需以高纯度浓缩。
燃烧废气流或烟道气通常被称为烟道气，并且大量产生于所有工业部门的熔炉、熔炉、锅炉和加热器。特别是，发电厂会产生大量烟气。一个中等规模的 100 兆瓦燃煤发电厂可以产生超过 300 MMscfd 的烟道气。
燃烧废气的主要成分通常是氮气、二氧化碳和水蒸气。可能存在的其他成分，通常只有微量，包括氧气、氢气、SOX， 不是X和未燃烧的碳氢化合物。烟道气中二氧化碳的浓度通常高达约 20%（体积）。
除了气态成分外，烟道气还含有飞灰和烟灰形式的悬浮颗粒。在将气体送上烟囱之前，通常会通过几个过滤步骤去除这种物质。此处假设如果需要的话，烟道气在进行本发明的方法之前已经以这种方式处理过。
本发明的方法涉及处理烟道或烟道气以除去二氧化碳。在优选实施例中，废气中的二氧化碳含量降低至仅5体积％或更少，更优选3体积％或更少，或什至2体积％或更少。将这种助焊剂排放到环境中比未经处理的废气排放危害小得多。
本发明的方法还包括增加燃烧阶段和膜分离阶段之间的气流回路中二氧化碳的浓度。然后可以将一部分富含二氧化碳的气体从该回路中取出并运输到使用或包含它的目的地，最好是在环境友好的环境中，而无需液化气体或以其他方式产生高纯度流.友好的位置。良性。执行。一个优选的选择是将气体输送到通过光合作用将二氧化碳转化为氧气的操作或设施，例如藻类养殖场。第二个首选方案是使用天然气来提高石油采收率。第三个优选方案是使用气体来提高煤层中甲烷的回收率。第四种优选方案是使用气体将钙和镁沉淀到海水中以固定二氧化碳并可能生产水泥和骨料。第五个首选方案是将气体注入地下含水层或盐水层以封存二氧化碳，从而减少其对全球变暖的潜在贡献。
从中提取废气的燃烧过程可以是任何类型的。燃料可以是煤、石油或天然气等化石燃料，也可以来自任何其他来源，例如垃圾填埋气、合成气、生物质或其他可燃废物。燃料可以通过与空气、富氧空气或纯氧混合来燃烧。
燃烧过程产生废气、余气或烟气，送至膜分离装置处理。该装置包含的膜可以选择性地渗透二氧化碳而不是氮气和二氧化碳而不是氧气。优选地，膜在工艺操作条件下提供至少约300gpu、更优选至少约500gpu、最优选至少约1000gpu的二氧化碳渗透率。在该方法的操作条件下，二氧化碳/氮气的选择性至少约为 10，或更优选 20，也是理想的。
废气流过膜的进料侧，空气、富氧空气或氧气的吹扫气流过渗透侧，为跨膜渗透提供至少部分驱动力。优选进料气体流过进料侧膜的方向和吹扫气体流过渗透侧膜的方向基本上彼此逆流。或者，相对流动方向可以基本上是错流的，或者不太优选地是顺流的。
通过在进料侧的总压力高于渗透侧的总压力下操作膜单元，可以增强该过程，从而增加渗透的跨膜驱动力。优选在约1.5巴和约5巴之间，例如2巴的压力下轻微压缩进料流。
扫描电流优先收集渗透的二氧化碳。然后将合并的清扫/渗透流从膜单元中取出并返回到燃烧室以形成用于燃烧阶段的至少一部分空气、富氧空气或氧气进料。
膜分离步骤可以使用一个或多个单独的膜组件进行。可以使用能够在渗透扫描条件下操作的任何模块。优选地，模块是中空纤维模块、板框模块或螺旋缠绕模块的形式。所有三种类型的模块都是已知的，它们的配置和扫描操作，包括逆流扫描模式，在文献中都有描述。
该工艺可使用一个膜组件，但在大多数情况下，分离将使用串联和/或并联流动排列布置的多个膜组件，如本领域所熟知的。可以使用任何数量的膜组件。
来自膜分离步骤的废气流形成处理过的废气，优选含有小于约5体积％的二氧化碳，如上所述。该电流通常但不一定会排放到环境中。显着降低原始废气中的二氧化碳含量显着降低了流排放对环境的影响。
富二氧化碳渗透气流从膜分离阶段返回燃烧阶段，在燃烧室和膜分离单元之间形成气流回路，烟气从燃烧器流出用于膜分离通道，气体从膜分离通道渗透。膜分离阶段流回燃烧阶段。
回路中的二氧化碳浓度增加到比没有膜分离步骤的常规燃烧步骤的烟气中的浓度高得多的水平。通常，与来自燃烧通道的废气中发现的二氧化碳浓度相比，环路中的二氧化碳浓度将增加数倍，例如三倍、四倍、五倍或更多倍。电路配置。例如，天然气联合循环发电厂通常产生含有约 4-5% 体积二氧化碳的烟道气。使用本发明的回路过程，烟道气的二氧化碳浓度通常可以增加到至少约10、20、25或30体积％，或更多。类似地，来自燃油或燃煤发电厂的废气通常含有约 12-15% 体积的二氧化碳，并且可以在燃烧膜中积聚至少 20%、30%、40%、50% 或更多体积的二氧化碳或碳/循环单元。
二氧化碳作为富含二氧化碳的产品、酸洗或净化流从回路中取出。该过程可以配置为调节该流的浓度，使得该流可以气态形式使用，无需高纯度浓缩且无需液化。由于环路包含燃烧步骤并循环氧气和氮气以及二氧化碳，因此环路中的二氧化碳浓度通常低于 60%（体积）并且通常不超过 50%（体积）。换句话说，本发明的方法产生部分浓缩的排放流。
因此，该工艺区别于需要将二氧化碳进一步浓缩至95体积％或更高纯度的工艺。这样的过程通常涉及通过低温蒸馏液化二氧化碳或将二氧化碳吸收在化学或物理吸附剂中，然后使吸附剂再生以产生高纯度二氧化碳产品。本发明的方法不需要这些步骤，因此它通常具有比这些方法低得多的能量消耗。
如果从回路中取出的萃取流需要更高的浓度，这可以使用额外的膜分离步骤来完成，以任何方便的方式操作。
从回路中去除的富含二氧化碳的流在没有液化的情况下使用，优选在分解二氧化碳或以减少或消除其排放到大气中的限制方式储存二氧化碳的过程中使用。代表性但不限于用途包括藻类培养、强化石油采收、强化从煤层和煤矿采收甲烷、用于含水沉淀的二氧化碳矿化以及直接注入含水层、地下、海洋或盐湖。
有几种工艺（例如海带养殖场、强化煤或油床甲烷回收作业）可以利用从烟道气中回收的二氧化碳。然而，由于这种烟气是稀释的，通常含有 5% 到 15% 体积的二氧化碳，将这种气体输送到可以有效利用它的地方在经济上是不可行的。所需的管道直径将非常大，并且推动气体通过管道所需的鼓风机将需要大量能量。
另一种方法是将二氧化碳与烟道气中的氮气和其他成分分离，产生纯度为 95% 的二氧化碳，可以将其加压和液化，以便于运输。不幸的是，分离和加压的成本对于许多最终用途来说是过高的。
根据本发明的优选方法，以非常低的成本生产含有约30至50体积％二氧化碳的气流。该气流可以就地使用或输送到可以有效使用的位置。如果需要输送气体，输送浓缩气体比输送未经处理的常规烟气要经济得多。通常，必须通过管道输送的气体体积会减少五倍或更多。
在许多情况下，这种气体可以在没有更高浓度二氧化碳的情况下用于最终过程；例如，在大多数海藻养殖场、煤层气作业或煤矿中，诸如 Calera 工艺之类的工艺通过海水中钙和镁的水性沉淀转化为水泥骨料和碳酸盐固体来矿化二氧化碳，并且某些形式提高了石油采收率.对于某些工艺，可能需要更高浓度的气体，但与稀释的、未经处理的烟道气相比，从 30-50% 体积的二氧化碳浓度开始更容易。
本发明方法的一个基本实施例包括以下步骤：
(a) 通过燃烧燃料和空气、富氧空气或氧气的混合物进行燃烧步骤，从而产生包含二氧化碳和氮气的废气流；
(b) 提供一种膜，它有一个进料侧和一个渗透侧，并且选择性地透过二氧化碳而不是氮气和二氧化碳而不是氧气；
(c) 进行膜分离步骤，包括，
- (i) 使至少一部分排气流通过供应侧，
- (ii) 使空气、富氧空气或氧气作为清扫流通过渗透侧，
- (iii) 从供应侧抽取不含二氧化碳的排气流，以及
- (iv)从渗透物侧取出包含氧气和二氧化碳的渗透物流；
(d) 将至少一部分渗透物流作为步骤 (a) 中使用的空气、富氧空气或氧气的至少一部分送至步骤 (a)，从而在燃烧和膜之间形成气流回路分离步骤；
(e) 从气流回路中取出富含二氧化碳、部分浓缩的气体产品流；是
See AlsoBridge expansion joints: performance and materialsWHAT DOES ELASTOMER MEAN IN ENGLISH - Study buffAnatomically Approximate Prosthetic Titral Valve Patent Search - ...A Rightid Closed Section with Rotation About an Axis 专利检索 专利检索网(f) 以密闭方式使用、储存或以其他方式处置部分浓缩的气体产品流。
通常，部分浓缩的气体产品流被输送到安全壳操作，在那里它以密闭方式使用、储存或处置。
在本发明的一个实施例中，部分浓缩的气体产品流被输送到通过光合作用分解二氧化碳的操作或设施，通常是藻类养殖场。在本发明的第二个实施方案中，部分浓缩的气体产物流用于强化油采收。在本发明的第三个实施方案中，部分浓缩的气体产物流用于改进煤层或煤矿中的甲烷回收。在本发明的第四个实施方案中，部分浓缩的气态产物流用于生产碳酸盐。在本发明的第五个实施方案中，将部分浓缩的气体产品流注入地下水中。
本发明的主要目的是控制二氧化碳排放到大气中。
本发明的第二个目的是以能量有效的方式使用膜分离来提供二氧化碳含量低于5体积％的可以释放到大气中的废物流。
本发明的又一个目的是产生富含二氧化碳含量的气流，其可以在现场使用或例如通过管道以部分浓缩的形式运输，并且以环境友好的方式使用该气流。
除非另有说明，此处给出的气体百分比均按体积计。
除非另有说明，此处给出的压力均以绝对巴为单位。
术语遏制形式和遏制操作是指以基本上消除、减少或延迟回收的二氧化碳排放到大气中的方式使用、储存或去除二氧化碳的过程。
术语烟道气、废气、烟道气和排放流在本文件中可互换使用。
关于含有二氧化碳的物流，术语“高纯度”是指它们含有至少约95体积％的二氧化碳。
关于含有二氧化碳的物流，术语“部分浓缩”是指含有60体积％或更少的二氧化碳。
本发明是一种从燃烧过程中分离和回收二氧化碳并将回收的二氧化碳引导至密封目的地（例如海带养殖场）或密封过程或步骤（例如回收二氧化碳的改进过程）的方法。油。一般而言，术语封闭目的地、封闭用途和封闭过程是指利用部分浓缩形式的二氧化碳流的任何目的地、用途或过程，其不需要或不产生二氧化碳流。气体形式的高纯度碳。或以液体形式存在，并以基本消除或至少延迟多年将回收的二氧化碳排放到大气中的方式容纳或转化二氧化碳。
本发明的优选实施例的简单流程图显示在
指的是
燃烧步骤可以任何方式进行，仅限于产生烟道气、烟道气或含有二氧化碳的烟道气。这种燃烧过程发生在整个工业化社会。代表性的工艺包括其中燃烧阶段用于向诸如鼓风炉或回转窑，例如石灰窑或水泥窑供热的那些工艺。其他重要的过程是那些燃烧步骤用于产生蒸汽以操作涡轮机或其他设备以执行机械功或产生电能的过程。在又一些工艺中，烟道气本身被用作驱动涡轮机等的能源，并且可以在用于涡轮机之前或之后进行处理。燃烧过程的其他例子是那些用于为炼油厂操作提供热量的过程，例如某些类型的裂化或重整。
用于燃烧步骤的燃料可以是任何可以与氧气一起燃烧的燃料，包括但不限于煤、焦炭、木材、生物质、固体废物、油和其他所有等级和类型的天然和合成液体燃料。以及含有任何种类碳氢化合物的气体，例如天然气、垃圾填埋气、煤矿瓦斯等。
可以以高纯度氧气、富氧空气、普通空气或任何其他合适的含氧混合物的形式供应燃料燃烧所用的氧气。
燃烧排气电流105— 最好含有至少 15% 的体积；更优选至少20体积％；并且，最优选地，至少25体积％的二氧化碳。该流通常至少包含二氧化碳、水蒸气、氮气和氧气，以及上面总结部分提到的其他成分。燃烧排气电流105是可选的，但通常通过电容器路由114哪里有水110从流中删除。脱水废气流106然后通常通过阀门或分离器路由116，并作为进料流传递108到基于一步扫描的膜分离，111.
膜分离装置111包含膜118表现出对二氧化碳的高渗透性以及对二氧化碳相对于氮气的高选择性。可以使用具有合适性能的任何膜。许多聚合物材料，尤其是弹性材料，对二氧化碳具有很高的渗透性。用于从氮气或其他惰性气体中分离二氧化碳的优选膜具有基于聚醚的选择性层。已知这些膜中的几种具有高二氧化碳/氮气选择性，例如30、40、50或更高。选择层的优选代表性材料是 Pebax®，一种聚酰亚胺-聚醚嵌段共聚物材料，在美国专利 No. 4,963,165。我们发现使用 Pebax® 作为选择性聚合物的膜在工艺条件下可以保持 10 或更高的选择性。
膜的形式可以是均质膜、整体不对称膜、多层复合膜、包含一层凝胶或液体或颗粒的膜，或本领域已知的任何其他形式。如果使用弹性体膜，优选的形式是复合膜，它包括用于提高机械强度的微孔背衬层和负责释放性能的橡胶涂层。
膜可以制成平板或纤维，并以任何方便的模块形式封装，包括螺旋缠绕模块、板框模块和封装的中空纤维模块。所有这些类型的膜和模块的制造在本领域中是众所周知的。为了提供清扫气流的逆流流动，模块优选采用中空纤维模块、板框模块或螺旋缠绕模块的形式。
螺旋缠绕组件中的平膜是膜/组件配置的首选。已经设计出各种设计，允许螺旋缠绕组件以逆流模式使用，在渗透侧有或没有清扫。一个代表性的例子在美国专利 No. 5,034,126 给陶氏化学。
步进或膜单元111它可以包含单个膜组件或一组膜组件或一组膜组件。包含一个或一组膜组件的单个单元或阶段适用于许多应用。如果废物流需要进一步净化，它可以被传递到第二组膜组件进行第二个处理步骤。如果渗透流需要更高的浓度，它可以被传递到第二组膜组件进行二级处理。这样的多步或多步过程及其变体对于本领域技术人员来说是熟悉的，他们将理解膜分离步骤可以以多种可能的方式配置，包括单步、多步, 多步排列，或更多，菊花链或级联排列中两个或多个驱动器的复杂配置。
虽然膜组件通常水平排列，但在某些情况下，垂直配置可能更可取，以降低颗粒沉积在膜进料表面上的风险。
膜单元实现的组分分离不仅取决于膜对待分离组分的选择性，还取决于压力比。压力比是指总进料压力/总渗透压力比。在压力驱动过程中，可以从数学上证明组分的富集（即组分的渗透分压与组分的进料分压之比）永远不会大于压力比。无论膜的选择性有多高，这种关系都成立。
此外，压力比和选择性之间的数学关系预测，数值较小的属性将主导分离。因此，如果压力比的数值远大于选择性，那么该过程所能实现的分离将不受压力比的限制，而取决于膜的选择性。另一方面，如果膜选择性在数值上远大于压力比，则压力比将限制分离。在这种情况下，渗透浓度基本上与膜选择性无关，仅由压力比决定。
通过将进料气体压缩至高压或使用真空泵在渗透侧产生较低压力，或两者结合，可实现高压率。然而，选择性越大，实现在数值上可比或大于选择性的压力等级所需的资金和能源成本就越高。
从上文可以看出，使用对待分离组分具有高选择性的膜的压力驱动过程很可能受到压力比的限制。例如，膜选择性可能达到 40、50 或更高的过程（如许多二氧化碳/氮气分离的情况）只有在压力比具有可比性的量级时才能利用高选择性。或者更多。
发明人克服了这个问题，通过用清扫气、电流稀释渗透液，可以更多地利用膜的固有选择性能力101，从而防止渗透侧的浓度累积到阈值水平。
此操作模式可用于压力比为 1，即进料侧和渗透侧之间没有总压差，压力比小于 1，即进料侧总压力高于渗透侧。例如，进料侧，或具有小于 10 或小于 5 的相对适中的压力比。
通过将渗透物中所需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。吹扫气流的使用101在渗透侧保持二氧化碳的低分压，从而提供驱动力。
渗透侧的分压可通过将吹扫流流速调节至所需值来控制。原则上，吹扫气流量与进料气流量的比率可以是提供所需结果的任何值，尽管吹扫气流量与进料气流量的比率很少小于 0.1 或大于 10。高比率（即，高吹扫流速）实现了从进料中最大程度地去除二氧化碳，但是二氧化碳的渗透物流相对较稀（即，离开模块的吹扫气体中二氧化碳含量相对较低）。低比率（即低吹扫流速）在渗透物中实现高浓度的二氧化碳，但从进料中去除相对低水平的二氧化碳。
使用太低的吹扫流速可能无法提供足够的驱动力来实现良好的分离，而使用太高的吹扫流速可能会导致渗透侧出现压降或其他问题，或者可能会对流速产生不利影响。反应容器中的化学计量。 ，仅在分离方面实现了增量改进。通常且优选地，扫描电流流速应在膜进料流速的约50％和200％之间，并且更优选在约80％和120％之间。通常，大约 1:1 的比例是方便和合适的。
膜每一侧的总气压可以相同或不同，并且可以高于或低于大气压。如上所述，如果压力大致相同，则扫描模式操作将提供全部动力。
然而，在大多数情况下，烟道气在大气压下可用，并且所涉及的物流体积如此之大，以至于进料侧的显着压缩或渗透侧的真空不是优选的。然而，轻度压缩，例如大气压至 2 或 3 巴，可能是有用的，并且可以提供相对节能的总二氧化碳捕获和回收过程的一部分，如下面的示例所示。
回到
通过使用送往燃烧室的含氧气流作为吹扫气，膜分离步骤非常有效地进行，并且不会将任何不需要的附加成分引入燃烧区。该过程在对能量敏感的应用中特别有用，因为在处理来自发电厂等的非常大的流时几乎总是这种情况。该方法还特别适用于压力比限制分离。
垃圾流109由膜扫描步骤产生111二氧化碳含量降低到小于约5体积％，更优选小于3体积％；并且，最优选地，小于2体积％。垃圾流109它通常作为处理过的烟气排放到环境中，但也可以通过膜或其他方式进行进一步处理。
如上所述，渗透/吹扫通量，103，将二氧化碳返回到燃烧室，从而形成一个循环，119，在燃烧室和膜单元之间，二氧化碳的浓度可以在其中积累。
回路中二氧化碳的浓度。119比没有膜分离步骤的传统燃烧步骤的烟道气浓度高得多。通常，与来自燃烧通道的废气中发现的二氧化碳浓度相比，环路中的二氧化碳浓度将增加数倍，例如三倍、四倍、五倍或更多倍。电路配置。例如，天然气联合循环发电厂通常产生含有约 4-5% 体积二氧化碳的烟道气。使用本发明的回路过程，烟道气的二氧化碳浓度通常可以增加到至少约10、20、25或30体积％，或更多。类似地，来自燃油或燃煤发电厂的废气通常含有约 12-15% 体积的二氧化碳，并且可以在燃烧膜中积聚至少 20%、30%、40%、50% 或更多体积的二氧化碳或碳/循环单元。
除了再循环二氧化碳外，该回路还将氧气和氮气送入燃烧通道。大多数膜材料对氧气的选择性略高于对氮气的选择性，因此吹扫气流中的一些氧气往往会逆向渗透膜的供应侧并流失到排气流中。因此，燃烧室中的氧气浓度会降低，从而导致不完全燃烧或其他问题的可能性。作为燃烧步骤接受充足氧气供应的指示，我们优选操作该过程以在废气流中提供按体积计至少约3％的氧气浓度。106（基于去除水后的组成）。
在某些燃烧过程中，需要一定体积的过量空气或氮气未燃烧地流过燃烧室，以控制燃烧温度。例如，在使用天然气作为燃料的联合循环电厂中，燃烧阶段的空燃比大约是甲烷燃烧所需化学计量比的两倍，而过量的空气用于冷却。足够的气体不会损坏涡轮叶片或其他工厂设备。
此外，我们发现膜分离步骤可实现的二氧化碳富集程度、废物流中损失的氧气量以及膜面积和过滤要求之间存在权衡。操作膜分离步骤。 .鉴于所有上述考虑因素，我们更愿意运行该工艺以将回路的废气侧的二氧化碳浓度保持在不超过 60%（体积），通常不超过 50%（体积）。
二氧化碳通过阀门或分流器从回路中去除，116，作为部分浓缩的产品，富含二氧化碳，酸洗流或吹扫，107.通常，将连续抽吸流，尽管允许二氧化碳积聚并且抽吸流。107间歇地在本发明的范围内。
作为电流从回路中抽出的气流107通常，但不一定，小于流量中气体流量的一半106.改变作为流量提取的气体的比较比例的影响107并且气体作为电流传递到膜单元108在示例中说明。对于大多数应用，优选的是在气流中流动的气体的体积在大约 10% 和 50% 之间106作为当前被撤回107.
链107被发送到任何目的地、过程或容器使用，以方框表示113在图 1 中。1个— 分解二氧化碳或以限制方式储存二氧化碳，从而减少、消除或延迟其向大气中排放很长时间。代表性但不限于用途包括藻类培养和高级采油（EOR）。
分解或消耗二氧化碳的封闭命运的一个具体例子是可以发生光合作用，从而将二氧化碳转化为糖或其他有机化合物和氧气。这种命运的具体例子是专门的温室和用于种植藻类的设施。海藻养殖，也称为“海藻养殖”，是一种涉及种植各种海藻的水产养殖形式。藻类的商业和工业培养具有多种用途，包括从藻类生产食品配料、食品、肥料、生物塑料、染料和染料、化学原料、药物和燃料。水、二氧化碳、矿物质和光照都是藻类生长的重要因素，不同的藻类有不同的要求。然而，水中的基本反应是二氧化碳 + 光能 = 葡萄糖 + 氧气。在随后的反应中，藻类可以将葡萄糖转化为脂质（在生物柴油生产中）或乙醇（在生物乙醇生产中）。通过将二氧化碳转化为葡萄糖和氧气，生长藻类可以作为一种有效的污染控制手段。
在这种情况下，富含二氧化碳的气流可以简单地导向将使用它的植物或藻类所在的封闭环境。对于此类应用，流中的二氧化碳浓度107优选高达约30体积％。如果从回路中取出时通量仍然太稀，可以在单独的膜分离步骤中对其进行一些额外的浓缩。电流优选地在大约大气压力下供给至海藻养殖场、池塘、温室或类似物，使得不超过一个鼓风机需要将电流从气流环路传送至安全壳目的地。较不优选的是，可以压缩流，以防例如需要通过管道或卡车将其运输到目的地。通过浓缩二氧化碳，提高了藻类转化过程的效率，并将二氧化碳从工厂运输到藻类养殖场的成本降低了两到三倍。
提高石油采收率 (EOR) 是二氧化碳未转化但被封存较长时间的容器使用的一个特定示例。高级采油是增加可从油田中提取的原油量的技术的通用术语。使用高级采油，可以从油藏中提取 30-60% 或更多的原始油，相比之下，如果不使用高级采油，则为 20-40%。强化采油通常通过注气、化学注入、微生物注入或热采来实现。气体回注是目前使用最广泛的提高石油采收率的方法。除了压力的有益效果外，这种方法有时还可以通过降低原油的粘度来帮助采收，因为气体与原油混合。使用的气体包括二氧化碳、天然气或氮气。
通过注入二氧化碳驱油基于二氧化碳和原油混合物的相行为，这在很大程度上取决于储层中原油的温度、压力和成分。这些机制的范围从用于不混溶流体注入（在低压下）的油膨胀和粘度降低到高压应用中的完全混溶驱替。在这些应用中，注入的二氧化碳中有超过二分之一到三分之二随采油一起返回，通常会重新注入油藏，以最大限度地降低运营成本；其余部分通过各种方式被困在油底壳中。
在 EOR 中，注入油田的气体用于帮助油田加压，并作为溶剂降低碳氢化合物的粘度并使石油更具流动性。通常，任何惰性气体都足以加压，而气体的大部分或全部溶剂容量由二氧化碳提供。因此，对于此应用，最优选的是气流中的二氧化碳浓度107至少约30%（体积），如果可能，高达50%（体积）或更多。对提高采收率有用，气体流量107它通常需要压缩才能使用。
该工艺的另一个潜在应用是二氧化碳封存和强化煤层甲烷回收 (ECMR)。在未开发的煤层中封存二氧化碳是减少温室气体排放同时增加煤层中甲烷产量的潜在方法。二氧化碳与氮气一起被压缩并注入碳床。二氧化碳和在较小程度上的氮气置换了吸附在煤颗粒内表面上的甲烷。实验室和现场试验表明，煤表面每吸附两体积的二氧化碳，就会置换大约一体积的甲烷并可以回收。被置换的甲烷（含有二氧化碳、氮气、氧气和水等杂质）可以收集起来，通过管道加工成天然气，然后送回工厂。可选地，该工厂可以使用原始气体或仍含有二氧化碳的最低限度处理的气体作为燃料。该工艺自 1993 年以来一直在圣胡安盆地实施，使用二氧化碳、纯氮气或含有二氧化碳和氮气的原始烟气管道。随着二氧化碳和/或氮气的注入，甲烷产量增加了十倍。类似的过程可用于从不再生产的煤矿中回收甲烷。
这些过程中的主要成本因素之一是将原始烟道气运输到煤层气注入地点的成本。例如，通过将烟道气中的二氧化碳浓缩 30 至 50 体积％，可以显着降低运输成本。
将电厂烟气长期储存在煤层中是最具吸引力的二氧化碳封存选择之一。注入二氧化碳时产生的天然气的增加产量提供收入流，其显着有助于支付分离和运输二氧化碳至注入井的成本。
又一类应用是二氧化碳作为某种形式的化学过程的原料，例如，通过钙和镁的水沉淀法生产水泥和集料。在此过程中，含有二氧化碳的烟气在大型洗涤器中用碱性海水洗涤。海水中的钙、镁等金属与二氧化碳发生反应，以碳酸盐沉淀物的形式被去除。这种吸收/接触是该过程中的主要成本，并且这种成本的大小是送往吸收器的烟道气中二氧化碳浓度的函数。增加烟道气中的二氧化碳浓度降低了将二氧化碳输送到反应器位置的成本并提高了反应过程的效率。例如，加利福尼亚州 Moss Landing 的 Calera 正在开发此类技术。
根据本文包含的教导，其他用途对本领域技术人员而言将是显而易见的。
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为了启动燃烧过程，燃料流202和空气、富氧空气或氧气流204被引入通道或燃烧区212.链204包括扫描电流203以及可选的额外空气或氧气供应流量215.
燃烧排气电流205— 最好含有至少 15% 的体积；更优选至少20体积％；并且，最优选地，至少25体积％的二氧化碳。燃烧排气电流205通常通过电容器路由214哪里有水210从流中删除。脱水废气流206然后通常通过阀门或分离器路由216，并作为进料流传递208到基于一步扫描的膜分离，211.
在这个特定的实施例中，部分208燃烧废气流量206被转发到基于扫描的膜分离步骤211通过压缩机路由220，在那里它被压缩到高达约 5 巴的压力，例如 2 巴，然后被送到膜分离阶段或单元进行处理211.膜分离装置211包含膜218表现出对二氧化碳的高渗透性，以及对二氧化碳相对于氮气的高选择性，如上文中关于本发明的实施例所讨论的
部分208燃烧废气流量206流过膜的供给侧；空气、富氧空气或氧气流的扫气201, 流过渗透侧。吹扫流收集优先渗透的二氧化碳，以及由此产生的渗透流203从膜单元中取出并与电流结合215形成空气或氧气供应204到燃烧室。或者，电流215可以省略，燃烧室的所有含氧进料都可以由渗透流提供203.
垃圾流209由膜扫描步骤产生211二氧化碳含量降低到小于约5体积％，更优选小于3体积％；并且，最优选地，小于2体积％。垃圾流209它通常作为处理过的烟气排放到环境中，但也可以通过膜或其他方式进行进一步处理。
如上所述，渗透/吹扫通量，203，将二氧化碳返回到燃烧室，从而形成一个循环，219，在燃烧室和膜单元之间，二氧化碳的浓度可以在其中积累。
回路中二氧化碳的浓度。219比没有膜分离步骤的传统燃烧步骤的烟道气浓度高得多。通常，与来自燃烧通道的废气中发现的二氧化碳浓度相比，环路中的二氧化碳浓度将增加数倍，例如三倍、四倍、五倍或更多倍。电路配置。例如，天然气联合循环发电厂通常产生含有约 4-5% 体积二氧化碳的烟道气。使用本发明的回路过程，烟道气的二氧化碳浓度通常可以增加到10、20、25或30体积％。同样，来自燃油或燃煤发电厂的废气通常含有约 12-15 vol% 的二氧化碳，并且可能累积高达 20、30、40 或更多 vol% 的二氧化碳。膜/燃烧装置中的碳。圆圈。
二氧化碳通过阀门或分流器从回路中去除，216，作为部分浓缩的产品，富含二氧化碳，酸洗流或吹扫，207.通常，流量将被连续吸入，尽管如上所述，允许二氧化碳积聚并撤回流量207间歇地在本发明的范围内。
作为电流从回路中抽出的气流207通常，但不一定，小于流量中气体流量的一半206.改变作为流量提取的气体的比较比例的影响207并且气体作为电流传递到膜单元208在示例中说明。对于大多数应用，优选的是在气流中流动的气体的体积在大约 10% 和 50% 之间206作为当前被撤回207.
链207被发送到任何目的地、过程或容器使用，以方框表示213在图 1 中。2个— 如上所述，分解二氧化碳或以限制方式储存二氧化碳，从而减少、消除或延迟其向大气中释放很长一段时间。
现在通过以下实施例更详细地描述本发明，这些实施例旨在说明本发明，但不旨在以任何方式限制范围或基本原理。
(a) 膜渗透实验：使用具有聚醚基选择性层的复合膜进行以下计算，其特性如表 1 所示。
(b) 计算方法：所有计算均使用建模程序 ChemCad 5.6（ChemStations, Inc., Houston, TX）进行，其中包含由 MTR 工程组开发的膜操作代码。对于计算，假设所有压缩机和真空泵的效率都是 75%。在每种情况下，进行模型计算以获得从烟道气流中回收 90% 的二氧化碳。
(c) “非膜”示例：进行计算机计算以确定煤燃烧过程中未经处理的烟气的化学成分。计算是假设待处理的烟气来自总功率为 500 兆瓦的燃煤电厂。假设废气在进入膜分离步骤之前被过滤以去除飞灰和其他微粒。
燃烧排气电流304移除然后通过冷却器/冷凝器307哪里有水305从流中删除。所得原始烟道气流的化学成分306所以它是计算出来的。计算结果如表 2 所示。
流中的水蒸气冷凝后，燃烧废气流中的二氧化碳浓度为 11.7%（体积）。以未经处理的形式排放这种气流，每天会向大气中释放 10,000 吨二氧化碳。另一方面，溪流的流量（1,800,000 m3个/h) 太大以至于很难传输电流进行治疗或使用。
进行了一组计算来模拟各种工艺参数对基于吹扫的膜分离步骤的性能的影响及其对燃烧步骤的影响。实施例 2 至 8 的计算是使用中所示的流程图进行的
为了简化计算软件的操作，假设通过膜的渗透侧供应到燃烧室的基本情况气流约为 740 m3个/h (950 kg/h)，相比之下，500 MW 电厂的典型气流约为 180 万立方米3个/h 用于示例 1 中的计算。换言之，示例 2 至 8 的计算规模约为典型燃煤发电厂规模的 1/2400。这会按比例减少膜面积，但不会影响相关流的相对流速或组成。
在这个例子中，假设膜的面积为 400 m2个, 燃烧废气流分流比设置为 1:1 (部分浓缩的产品气体吹扫流: 流向基于扫描的膜分离步骤)。假设使用具有表 1 中渗透特性的膜进行分离。该计算的结果显示在表 3 中。
与“无隔膜”的实施例 1 相比，燃烧废气流（隔膜进料）中的二氧化碳含量，108和部分浓缩的气态产物，107，体积从 11.7% 增加到 19.2%。膜废液中的二氧化碳浓度降低到 2.9%（按体积计），如果将该废液排放到大气中，500 兆瓦的工厂每天会释放约 1,000 吨二氧化碳。将该实施例与实施例1进行比较，可以看出该过程有效捕获了工厂燃烧部分排放的90％的二氧化碳。
然而，还可以看出，使用入口空气作为渗透吹扫流将流向燃烧室的空气中的氧含量从 21% 体积减少到 17.5% 体积。结果，燃烧废气流中的氧含量，108, 按体积减少到 1.6%。排气中的低浓度氧气表明在这些条件下燃烧过程可能会受到影响。
在这组计算中，通过渗透吹扫流进入过程的气流逐渐增加，直到计算显示燃烧室废气流中的氧含量为 3 vol%。这需要将进气量从 950 kg/h 增加到 1035 kg/h。其他所有操作参数，包括分流速率和膜面积，均与实施例2相同。计算结果见表4。
尽管燃烧废气流中的氧含量108燃烧废气流中的二氧化碳含量按体积增加到 3.2%，108，因此部分浓缩的气态产品，107, 比实施例 2 低 17.4 体积%, 处理烟气中的二氧化碳含量,109, 略高，按体积计为 3.1%。
在这组计算中，分流比更改为 1:2，即假定对于作为气体部分浓缩产物从回路中除去的每体积废气，将两体积的废气送至膜分离步骤。膜的面积再次假设为 400 m2个, 以及气流中的气流101这被认为是 950 公斤/小时的基本设计值。计算结果如表5所示。
增加在膜分离步骤中处理的废气的相对体积导致部分浓缩的产物气体中的二氧化碳浓度显着增加。废气中的二氧化碳浓度几乎是实施例 1 的两倍。但是，燃烧废气流中的氧含量，108, 已经下降到一个不受欢迎的低值 (1.6% 体积) 并且处理过的烟道气中的二氧化碳含量相对较高 (6.5% 体积)。
为了补偿如实施例 4 中降低分裂率的不利方面，假设膜面积在 800 m 处加倍2个.如在实施例3中，进行了一系列计算，逐渐增加过程的空气输入以使燃烧室烟道气流的氧浓度回到按体积计3％。这需要将进气流量从 950 kg/h 增加到 1090 kg/h。其他所有操作参数，包括分流比，均与实施例4相同。计算结果见表6。
与实施例4相比，部分浓缩的产物气体的二氧化碳含量，107, 仍然很高 (21.8 vol%)。燃烧废气流中的氧含量，108, 按体积增加到几乎 3%, 并且处理过的烟气中的二氧化碳含量,109，按体积下降到 3.1% 的低得多的水平。该过程实现了约 82% 的二氧化碳回收率。与运输原始烟气的成本相比，将二氧化碳废气运输到室外使用的成本几乎降低了一半。
本例中，分流比改为1:4；也就是说，假设每输送一体积的废气到藻场或高级采油工艺，就有四体积的废气输送到膜分离阶段。膜的面积再次假设为 400 m2个, 以及气流中的气流101这被认为是 950 公斤/小时的基本案例设计值。计算结果如表7所示。
增加在膜分离步骤中处理的废气的相对体积导致部分浓缩的产物气体的二氧化碳含量进一步增加。107, 22.5 体积%;然而，燃烧废气流中的氧含量，108, 低 (1.6 vol %) 和处理过的烟气中的二氧化碳含量,109, 高 (9.1 vol %)。
如在实施例5中，假设增加膜面积和进气量以平衡降低分流率的不太理想的效果。在此示例中，假设膜面积将增加到 1600 m2个和气流，101，假设它会增加到 1,200 公斤/小时。其他参数如实施例6，包括1:4的分流比。计算结果如表8所示。
降低的分流率、增加的膜面积和增加的空气流速的组合导致部分浓缩的产物气体中二氧化碳含量增加。107, 27.7% vol.燃烧废气流中的氧含量，108，按体积计约为3％，并且经处理的烟气的二氧化碳含量按体积计降低至3.3％。该工艺实现了约 75% 的二氧化碳回收率。
如实施例7中那样考虑本发明的方法。唯一的区别是通过渗透物扫描线的进气被认为是在950kg/h的基本情况流速值和额外的50kg/H中。假定 kg/h 的纯氧作为气流直接引入燃烧室115.计算结果如表9所示。
随着补充氧气的加入，部分浓缩的气态产品的二氧化碳含量，107, 按体积上升到 33.5%。燃烧废气流中的氧含量，108, 体积比为 3.0%, 处理烟气中二氧化碳含量,109, 体积比为 3.3%。该工艺实现了约 80% 的二氧化碳回收率。
实施例 9 和 10 的计算是使用中所示的流程图进行的
使用实施例7的结果作为基础进行计算，并再次假设分流比为1:4。迭代计算表明，使用 2 bar 的进料压缩可以将膜面积减少到 500 m2个和气流，201, 减少到 1050 公斤/小时。计算结果如表10所示。
部分浓缩的气态产品的二氧化碳含量，207, 体积比为 32.1%。燃烧废气流中的氧含量，208，按体积计略低于 3%，并且处理过的烟气中的二氧化碳含量，209, 体积比为 2.9%。二氧化碳回收率约为85%。
此示例说明了光压缩和 1:10 的低分流比的综合效果。假设膜面积为 600 m 进行计算2个，以及气流中的进气流速2011,150 公斤/小时。膜面积和空气入口流速的假设大于实施例 9，以平衡较低的分流比。计算结果如表11所示。
部分浓缩的气态产品的二氧化碳含量，207, 按体积上升到 42.4%。燃烧废气流中的氧含量，208, 体积比为 3.2%, 处理烟气中二氧化碳含量,209, 体积比为 3.5%。在这种情况下，二氧化碳的回收率下降到 65% 左右。