伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统和方法

摘要

本发明公开了富氧燃烧系统和富氧燃烧方法，其包括热集成氨合成。富氧燃烧系统可包括将空气分离成氧流和氮流的空气分离单元。氨合成单元由氢进料和氮流合成氨，以形成粗氨流。氨分离单元使粗氨流凝结，并且使氨与任何未反应的氮和氢分离，以形成纯化氨流。富氧燃烧反应器在来自空气分离单元的氧流的存在下，燃烧来自燃料进料流的燃料，以生成热水或蒸汽。至少一个热集成可存在于富氧燃烧系统中，并且可选自氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者。

权利要求

1.一种伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统，所述富氧燃烧系统包括：空气分离单元，所述空气分离单元将空气进料流分离成氧流和氮流；

氨合成单元，所述氨合成单元由氢进料流和来自所述空气分离单元的所述氮流合成氨，以形成含有所述氨以及任选的未反应的氮和氢的粗氨流；

氨分离单元，所述氨分离单元使在所述氨合成单元中形成的所述粗氨流的至少一部分凝结，并且使所述氨与任何未反应的氮和氢分离，以形成纯化氨流；

富氧燃烧反应器，所述富氧燃烧反应器在来自所述空气分离单元的所述氧流的存在下，燃烧来自燃料进料流的燃料，以产生燃烧热；

烟气处理系统，所述烟气处理系统处理通过所述富氧燃烧反应器中的燃料燃烧形成的烟气；和热集成，热集成包括：

所述氨合成单元与所述富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构；和

所述空气分离单元与所述氨分离单元的分离器热连锁机构，

其中，所述纯化氨流与所述烟气处理系统流体连通，并且在所述氨分离单元中分离的氨的至少一部分用于所述烟气处理系统中，以从所述烟气中去除污染物。

2.根据权利要求1所述的富氧燃烧系统，其中所述氨合成单元与所述富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构包括锅炉回路，所述锅炉回路将来自所述富氧燃烧反应器、在所述富氧燃烧反应器中形成的烟气、已由所述燃烧热加热的热水或蒸汽、或其组合的燃烧热传递到所述氨合成单元；以及所述空气分离单元与所述氨分离单元的分离器热连锁机构包括分离器回路，所述分离器回路将来自所述氨分离单元的热传递到所述空气分离单元。

3.根据权利要求1所述的富氧燃烧系统，其中所述烟气处理系统输出二氧化碳，所述富氧燃烧系统还包括捕获在所述烟气处理系统中生成的二氧化碳的二氧化碳捕获单元。

4.根据权利要求3所述的富氧燃烧系统，所述富氧燃烧系统还包括选自下述的至少一个捕获单元热集成：在所述空气分离单元和所述二氧化碳捕获单元之间的空气分离器捕获单元热连锁机构、在所述氨分离单元和所述二氧化碳捕获单元之间的氨分离器捕获单元热连锁机构或两者。

5.根据权利要求3所述的富氧燃烧系统，所述富氧燃烧系统还包括尿素合成单元，所述尿素合成单元由所述二氧化碳捕获单元中捕获的二氧化碳和所述氨流中的氨合成尿素，以产生尿素流。

6.根据权利要求5所述的富氧燃烧系统，其中所述尿素流与所述烟气处理系统流体连通，并且所述尿素流中的尿素的至少一部分用于从所述烟气处理系统中的烟气中去除污染物。

7.根据权利要求5所述的富氧燃烧系统，所述富氧燃烧系统还包括选自下述的至少一个另外的热集成：在所述空气分离单元和所述二氧化碳捕获单元之间的空气分离器捕获单元热连锁机构、在所述氨分离单元和所述二氧化碳捕获单元之间的氨分离器捕获单元热连锁机构、在所述尿素合成单元和所述富氧燃烧反应器之间的尿素合成热连锁机构、或其组合。

8.一种用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法，所述方法包括：用空气分离单元将空气进料流分离成氧流和氮流；

将所述氧流流动至富氧燃烧反应器；

将所述氮流流动至氨合成单元；

将所述氨合成单元中的氮流与氢进料流合并，以合成氨且形成含有所述氨和任选的未反应的氮或氢的粗氨流；

使所述粗氨流的至少一部分在氨分离单元中凝结；

使所述粗氨流中的氨与所述粗氨流中任何未反应的氮或氢分离，以形成纯化氨流；

将来自燃料流的燃料与所述氧流合并，以形成燃料混合物；

使所述燃料混合物在所述富氧燃烧反应器中燃烧，以生成燃料热；

在所述燃料混合物被燃烧且所述氨被合成的同时，通过热集成传递热能，所述热集成包括所述氨合成单元与所述富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构，以及所述空气分离单元与所述氨分离单元的分离器热连锁机构；和在烟气处理系统中处理通过所述富氧燃烧反应器中的燃料燃烧形成的烟气，以从所述烟气中去除污染物，其中处理所述烟气包括使用所述纯化氨流中的氨的至少一部分，以从所述烟气中去除所述污染物。

9.根据权利要求8所述方法，其中，所述氨合成单元与所述富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构包括锅炉回路，所述锅炉回路将来自在所述富氧燃烧反应器中形成的烟气、已由所述燃烧热加热的热水或蒸汽、或其组合的燃烧热传递到所述氨合成单元；和所述空气分离单元与所述氨分离单元的分离器热连锁机构包括分离器回路，所述分离器回路将来自所述氨分离单元的热传递到所述空气分离单元；和传递所述热能包括在所述燃料混合物被燃烧并且所述氨被合成的同时，使第一热传递流体循环通过所述锅炉回路，并且使第二热传递流体循环通过所述分离器回路。

10.根据权利要求8所述的方法，在所述烟气处理系统中处理所述烟气的输出二氧化碳，所述方法还包括：在二氧化碳捕获单元中捕获所述二氧化碳；

将所述二氧化碳捕获单元中捕获的二氧化碳的至少一部分与所述氨流中的氨合并，以形成尿素反应物混合物；

在尿素合成单元中由所述尿素反应物混合物合成尿素。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述烟气处理系统中处理所述烟气包括使用所述尿素流中的尿素的至少一部分，以从所述烟气中去除所述污染物。

说明书

伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统和方法

技术领域

[0001] 本说明书一般涉及燃烧系统，并且更具体而言涉及富氧燃烧系统和方法，其中富氧燃烧连同热集成氨合成一起进行。

背景技术

[0002] 在限制碳的世界，能源效率和CO2捕获在为可持续未来控制CO2排放中起主要作用。全球日益增长的能源需求与环境保护的推动不断地进行斗争。该问题组合需要系统的不断开发，所述系统不仅是能量效率的，还减少CO2和污染物排放。能量效率系统最通常是系统集成和能流量管理的成果。

[0003] 伴随CO2捕获的富氧燃烧是用纯氧燃烧燃料，同时捕获CO2且避免众多污染物的技术。富氧燃烧使用基本上纯的氧来燃烧燃料，留下基本上无氮的烟气，主要具有CO2和水作为废弃物或烟气。随后能够使烟气冷却以使水凝结且回收CO2流，伴随最低限度能量损失。在氮分子和氧分子的存在下的典型燃烧过程生成氧化氮(NOx)，这是已导致世界各地的排放法规的有害污染物。

[0004] 大多数化石燃料还含有硫化合物，当这些燃料进行燃烧或氧化时，所述硫化合物导致氧化硫(SOx)污染物的形成。在精炼厂流中，在精炼厂中产生的氢可用于例如加氢处理液体燃料且减少硫含量。还存在用于燃烧后SOx去除的几种过程。例如，已发现氨注入烟气流内减少NOx和SOx排放两者。然而，在此类燃烧后过程中，氨必须以能量成本和货币成本两者从分开的源购买或获得。

[0005] 存在燃料燃烧系统的进行中的需要，所述燃料燃烧系统伴随增加的能量效率操作，并且产生更少的温室气体例如CO2和污染物例如NOx和/或SOx的有害排放。

发明内容

[0006] 根据各个实施例，本发明提供了伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统。富氧燃烧系统可包括将空气进料流分离成氧流和氮流的空气分离单元。富氧燃烧系统还可包括氨合成单元，其由氢进料流和来自空气分离单元的氮流合成氨，以形成含有氨以及任选的未反应的氮和氢的粗氨流。富氧燃烧系统还可包括氨分离单元，其使在氨合成单元中形成的粗氨流凝结，并且使氨与任何未反应的氮和氢分离，以形成纯化氨流。富氧燃烧系统还可包括富氧燃烧反应器，其在来自空气分离单元的氧流的存在下，燃烧来自燃料进料流的燃料，以生成燃烧热。在一些实施例中，至少一个热集成存在于富氧燃烧系统中。至少一个热集成可选自氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者。

[0007] 根据进一步的实施例，本发明提供了用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法。该方法可包括用空气分离单元将空气进料流分离成氧流和氮流。氧流可流动至富氧燃烧反应器，并且氮流可流动至氨合成单元。氨合成单元中的氮流可与氢进料流合并，以合成氨且形成含有氨和任选的未反应的氮或氢的粗氨流。粗氨流可在氨分离单元中凝结，以便使粗氨流中的氨与粗氨流中任何未反应的氮或氢分离，且形成纯化氨流。该方法还可包括将来自燃料流的燃料与来自空气分离单元的氧流合并，以形成燃料混合物。燃料混合物可在富氧燃烧反应器中燃烧，以生成燃料热。该方法还可包括在燃料混合物被燃烧且氨被合成的同时，通过至少一个热集成传递热能。至少一个热集成可选自氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者。

[0008] 本文描述的实施例的另外特点和优点将在下文详述中阐述，并且部分根据该说明书对于本领域技术人员是显而易见的，或通过实践本文描述的实施例，包括下文详述、权利要求以及附图而容易认识到。

[0009] 应理解前文一般描述和下文详述均描述了各个实施例，并且预期提供用于理解请求保护的主题的性质和特征的概述或框架。包括附图以提供各个实施例的进一步理解，并且附图并入本说明书内且构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各个实施例，并且连同说明书一起作用于说明请求保护的主题的原理和操作。

附图说明

[0010] 图1是根据本文描述的实施例，伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统的示意图；

[0011] 图2是根据本文描述的实施例，伴随热集成氨合成且包括尿素合成单元的富氧燃烧系统的示意图；和

[0012] 图3是根据本文描述的实施例，伴随热集成氨合成且包括尿素合成单元的富氧燃烧系统的示意图，其中尿素、氨或两者由富氧燃烧系统用于从富氧燃烧反应器中生成的烟气中去除污染物。

具体实施方式

[0013] 现在将参考图1–3描述伴随热集成氨合成的富氧燃烧系统的实施例。根据一些实施例，富氧燃烧系统1、2、3可包括将空气进料流100分离成氧流101和氮流500的空气分离单元10。富氧燃烧系统1、2、3还可包括氨合成单元50，其由氢进料流600和来自空气分离单元10的氮流500合成氨，以形成含有氨以及任选的未反应的氮和氢的粗氨流501。富氧燃烧系统1、2、3还可包括氨分离单元51，其使在氨合成单元50中形成的粗氨流501凝结，并且使氨与任何未反应的氮和氢分离，以形成纯化氨流503。富氧燃烧系统1、2、3还可包括富氧燃烧反应器20，其在来自空气分离单元10的氧流101的存在下，燃烧来自燃料进料流200的燃料，以生成例如可用于加热水且形成热水或蒸汽的燃烧热。在一些实施例中，至少一个热集成存在于富氧燃烧系统中。至少一个热集成可选自氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952，空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951或两者。

[0014] 富氧燃烧系统的一个实施例在图1中提供。空气分离单元10将空气进料流100分离成氧流101和氮流500。空气分离单元10可包括能够将空气的氮和氧组分分离成分开的流例如氧流101和氮流500的任何类型的仪器。例如，空气分离单元10可包括低温蒸馏仪器，空气在其中冷却直至液化，并且选择性蒸馏空气的组分例如氧、氮及其他微量组分例如惰性气体和二氧化碳。一般地，低温蒸馏仪器需要制冷循环，由此热能或热必须从空气中去除且从仪器中剔除掉。不涉及空气液化的其他类别的分离仪器，例如采用变压吸附、真空变压(vacuum-swing)吸附或膜技术的那些，也可用作空气分离单元10。由此类分离仪器使用的过程的热动力学还涉及热的阻隔。离开空气分离单元10的氧流101富含氧，因为它具有比空气的那种更高体积含量的氧，所述空气含有按体积计约21％氧。在一些示例性实施例中，氧流101可含有按体积计大于25％O2、按体积计大于40％O2、按体积计大于50％O2、按体积计大于60％O2、按体积计大于70％O2、或按体积计大于75％O2。在进一步的示例性实施例中，氧流101可为纯氧或基本上纯的氧，例如按体积计80％至100％O2、按体积计90％至100％O2、按体积计95％至100％O2、或按体积计95％至99.9％O2。氧流101的精确氧含量可基于空气分离单元10的操作参数和配置调整，并且还可基于富氧燃烧反应器20的操作需要而选择。任选地，雾化介质可从雾化源800加入在富氧燃烧反应器20处的氧流101中，例如进入富氧燃烧反应器20的室内，所述富氧燃烧反应器20包括用于燃烧燃料的燃烧器。在一个实施例中，雾化介质可包括例如蒸汽或二氧化碳。雾化介质可促进富氧燃烧反应器20中的燃料的更完全和更有效的燃烧。离开空气分离单元10的氮流500可为纯氮或基本上纯的氮，例如按体积计80％至100％N2、按体积计90％至100％N2、按体积计95％至100％N2、或按体积计95％至99.9％N2。

[0015] 氨合成单元50可为任何工业规模仪器或容器，其使用哈伯过程(Haber process)、修改的哈伯过程、或任何其他工业氨合成过程，由氢和氮合成氨。根据哈伯过程，来自氢和氮的氨合成可在高压(例如15MPa至25MPa)和高温(例如300℃至550℃)下在一个或多个催化剂床上进行。氢进料源600的氢可由独立源供应，或可来源于其中使用富氧燃烧系统1的精炼厂的其他部分中的石油相关过程。氢和氮到氨的转换反应是发热的，并且热在反应器床中生成。然而，需要初热以将氮和氢加热至反应温度。来自氢进料源600的氢和来自氮流500的氮穿过氨合成单元50的单次通过通常不导致源气体完全转换为氨。像这样，形成进料至氨分离单元51的粗氨流501。粗氨流501含有氨、未反应的氮和/或氢、以及可存在于氮流
500中潜在少量的来源于空气的其他气体。

[0016] 氨分离单元51使在氨合成单元50中形成的粗氨流501的至少一部分凝结，使氨与粗氨流501中存在的任何未反应的氮和氢或其他气体分离，并且将氨导入纯化氨流503内。在一些实施例中，氨分离单元51仅使粗氨流501中的氨凝结。由于氨合成反应的低转换率，将粗氨流501冷却至氨的沸点(约-33℃)以下，以使液体氨凝结且回收液体氨，由此以气态保留的粗氨流501的氢、氮和/或其他组分可通过再循环线502再循环回到氨合成单元50，以增加总体转换率。为了使氨凝结，需要冷却散热器以从氨分离单元51中的粗氨流501中去除热。在一些实施例中，纯化氨流503可拆分成氨回收流505和氨擦洗流504。氨回收流505中的氨可收集或用于在富氧燃烧系统1外部的任何进一步用途。氨擦洗流504中的氨可用于从烟气中去除污染物，如下文更详细地描述的。在其他实施例中，纯化氨流503可不拆分，且可专门用于通过氨回收流505的收集或专门用于通过氨擦洗流504的烟气擦洗。

[0017] 在来自空气分离单元10的氧流101的存在下，富氧燃烧反应器20燃烧来自燃料进料流200的燃料，以生成燃烧热。富氧燃烧反应器20可为在燃料在纯氧或基本上纯的氧中燃烧时达到的温度下适合于燃烧燃料的任何仪器。在示例性实施例中，燃料可为任何类型的化石燃料，例如天然气，或任何类型的可燃生物质。在富集氧例如具有按体积计大于空气那种(约21体积％)的氧含量的氧流101中、在纯氧中、或在基本上纯的氧中的燃料燃烧通常生成更少的污染物，其中CO2和H2O是烟气的主要组分。此外，因为氮不存在或基本上不存在于燃烧气体中，所以NOx污染物严重降低。在一些实施例中，富氧燃烧反应器20可为锅炉，使得由燃料燃烧生成的燃烧热可用于使流体例如水加热或汽化。热或汽化液体(例如热水或蒸汽)随后可用于传递富氧燃烧系统1外部其他地方的燃烧热，以对发电系统例如涡轮机提供能量，或提供用于富氧燃烧系统1自身的热集成，如下文更详细地讨论的。

[0018] 富氧燃烧系统1还包括至少一个热集成。如上所述，富氧燃烧系统1中的各种操作或产生热或需要热。例如，富氧燃烧反应器20中的燃料燃烧产生大量热。另一方面，氨合成单元50中的氨合成需要热以使氮和氢升高至反应温度。同样地，空气分离单元10中的空气分离可涉及在蒸馏过程期间将来自低于液氮沸点(78K；-195℃)温度的液体空气加温。另一方面，氨从氨分离单元51中的粗氨流501的凝结需要来自粗氨流501的热阻隔，以使粗氨流501的温度降低至氨的沸点(约-33℃)以下。富氧燃烧系统1的至少一个热集成利用富氧燃烧系统1的各个部件的热需要，以允许具有过量热的一个部件对需要另外热的部件提供过量热，或在另一种意义上，允许已经冷却的一个部件帮助另一个热部件变得更冷，或允许已经热的一个部件帮助另一个更冷的部件变得更热。

[0019] 在一些实施例中，富氧燃烧系统1的至少一个热集成可包括氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952。反应器热连锁机构925、952可配置为用于建立氨合成单元50和富氧燃烧反应器20之间的热连通的任何工业上可行机构。特别地，反应器热连锁机构提供了用于将在燃料燃烧期间由富氧燃烧反应器20产生的燃烧热导向氨合成单元50的机构，所述氨合成单元50需要热使来自氮流500的氮和来自氢进料流600的氢达到适合于进行氨合成的温度。在一些实施例中，氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952可为锅炉回路，其将热传递给氨合成单元50。进入锅炉回路内的燃烧热可得自富氧燃烧反应器20自身(例如富氧燃烧反应器20中的室)、在富氧燃烧反应器20中形成的烟气、通过富氧燃烧反应器20加热的任何热水或蒸汽的至少一部分、或其组合。锅炉回路可含有热传递流体例如水，其接受来自富氧燃烧反应器20的热，随后阻隔对氨合成单元50的热。往来锅炉回路的热传递可通过任何实际方式例如通过热交换器散热片或线圈来实现。锅炉回路中的热传递流体可通过任何实际方式例如用泵在锅炉回路内循环。

[0020] 在一些实施例中，富氧燃烧系统1的至少一个热集成可包括空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951。分离器热连锁机构915、951可配置为用于建立空气分离单元10和氨分离单元51之间的热连通的任何工业上可行机构。特别地，分离器热连锁机构提供了在氨从粗氨流501凝结的同时，用于将热从氨分离单元51带走的机构。以这种方式的热传递通过在空气分离单元10中被分离的液化空气的显著更低的温度得到促进。因此，在此类实施例中，空气分离单元10变成氨分离单元51的冷却散热器。在一些实施例中，空气分离单元10和氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951可为分离器回路，其从氨分离单元51中去除热。由此，来自氨分离单元51的热进入分离器回路以在空气分离单元10处被阻隔。分离器回路可含有具有适当低的冰点的热传递流体，由此热传递流体可接受来自氨分离单元51的热且在空气分离单元10处阻隔热。往来分离器回路的热传递可通过任何实际方式例如通过热交换器散热片或线圈来实现。分离器回路中的热传递流体可通过任何实际方式例如用泵在分离器回路内循环。

[0021] 在一些实施例中，富氧燃烧系统1的至少一个热集成可包括如上所述的氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952，以及如上所述的空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951。

[0022] 除空气分离单元10、富氧燃烧反应器20、氨合成单元50和氨分离单元51之外，根据一些实施例的富氧燃烧系统1还可包括烟气处理系统30，其处理通过富氧燃烧反应器20中的燃料燃烧形成的烟气。烟气可通过烟气流102离开富氧燃烧反应器20。取决于在富氧燃烧反应器20中被燃烧的燃料类型，并且还取决于可存在于燃料或氧流101中的杂质类型，烟气流102可含有各种污染物例如颗粒物、NOx和SOx气体、或重金属。这些污染物优选从烟气流中擦洗，以避免其释放到大气或环境内。在一些实施例中，纯化氨流503可与烟气处理系统30流体连通，并且氨分离单元51中分离的氨的至少一部分可用于烟气处理系统30中，以从烟气中去除污染物。为了使用烟气处理系统30中的氨，纯化氨流503可进行拆分以包括氨擦洗流504，其可导向烟气处理系统30。来自氨擦洗流504的氨随后可用于例如选择性催化还原(SCR)或电子束烟气处理(EBFGT)的过程中，以从烟气中去除NOx种类。用于从烟气中去除污染物例如NOx、SOx和重金属的示例系统一般在美国专利号8,323,602和5,695,616以及欧洲专利EP2156878和EP0818232中描述。

[0023] 在烟气处理系统30中处理的烟气可通过经擦洗流103离开烟气处理系统30。经擦洗流103可含有二氧化碳(CO2)、水，并且可能还可含有氮和惰性气体。在此类情况下，CO2在烟气流102中离开富氧燃烧反应器20，并且依次地，烟气处理系统30输出CO2。在一些实施例中，经擦洗流103可简单地排放到大气中。在其他实施例中，经擦洗流103可通过捕获流105导向二氧化碳捕获单元40内。在其他实施例中，经擦洗流可导向反应器再循环流104内，所述反应器再循环流104将经擦洗流103的组分(例如CO2和水)加回到富氧燃烧反应器20内，以使燃料的燃烧温度适度。在其他实施例中，经擦洗流103可这样拆分，使得经擦洗流103的第一部分流动到捕获流105内用于在二氧化碳捕获单元40中的CO2捕获，而经擦洗流103的第二部分流动到反应器再循环流104内。

[0024] 在二氧化碳捕获单元40中，如果存在于富氧燃烧系统1中，则捕获流105可通过例如冷却进行处理，以使捕获流105中的二氧化碳与捕获流105的任何另外组分例如水分离。在示例性实施例中，二氧化碳可以气态被捕获，而水以液态凝结出。二氧化碳随后可从二氧化碳回收流400回收用于在富氧燃烧系统1内部或外部的进一步使用，并且水可从水回收流
300释放或再使用。例如，在一个实施例中，从二氧化碳回收流400回收的二氧化碳可作为雾化介质在富氧燃烧系统1内部再使用，以经由雾化源800引入富氧燃烧反应器20内。在经过二氧化碳捕获单元40后在捕获流105中保留的任何另外气体，通常仅为氮和稀有气体例如氩，可通过系统排气装置499从富氧燃烧系统1排出。应理解图1的富氧燃烧系统1可另外需要安装过程仪器，例如压缩机、循环风机、泵和控制器，所述仪器使用对于本领域普通技术人员应显而易见的配置，即使它们在图1中可能未明确显示。

[0025] 在一些实施例中，当二氧化碳捕获单元40包括在富氧燃烧系统1中时，富氧燃烧系统1还可包括至少一个捕获单元热集成。如上所述，二氧化碳捕获单元40可通过使烟气冷却至低温以凝结来自二氧化碳回收流400的水进行操作。例如，取决于二氧化碳回收流400中的初始CO2浓度、可存在于二氧化碳回收流400中的预期杂质的类型和量、以及待回收且在富氧燃烧系统1内部或外部投入使用的任何CO2的所需纯度，烟气可冷却至例如-30℃至-55℃的温度。像这样，二氧化碳捕获单元40可用作富氧燃烧系统1的其他部件的冷却散热器。在一些示例性实施例中，富氧燃烧系统1可包括在二氧化碳捕获单元40和空气分离单元10之间的空气分离器捕获单元热连锁机构914、941作为捕获单元热集成。在其他示例性实施例中，富氧燃烧系统1可包括在二氧化碳捕获单元40和氨分离单元51之间的氨分离器捕获单元热连锁机构956、965作为捕获单元热集成。在另外其他示例性实施例中，富氧燃烧系统
1可包括空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，以及氨分离器捕获单元热连锁机构956、
965作为捕获单元热集成。

[0026] 当存在时，至少一个捕获单元热集成例如空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，氨分离器捕获单元热连锁机构945、954，或两者可配置为用于建立当适用时二氧化碳捕获单元40和空气分离单元10或氨分离单元51之间的热连通的任何工业上可行机构。特别地，空气分离器捕获单元热连锁机构914、941可提供在空气从空气进料流100凝结的同时，用于将热从空气分离单元10带走的机构。同样地，氨分离器捕获单元热连锁机构945、954可提供在氨从粗氨流501凝结的同时，用于将热从氨分离单元51带走的机构。在空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，以及氨分离器捕获单元热连锁机构945、954两者中，热传递通过在二氧化碳捕获单元40中被凝结的二氧化碳的显著更低温度得到促进。因此，伴随捕获单元热集成，二氧化碳捕获单元40变成空气分离单元10或氨分离单元51的冷却散热器。至少一个捕获单元热集成可配置为可造成所需热传递的任何工业上可行的热传递回路。例如，此类热传递回路可含有具有适当低的冰点的热传递流体。往来热传递回路的热传递可通过任何实际方式例如通过热交换器散热片或线圈来实现。分离器回路中的热传递流体可通过任何实际方式例如用泵在热传递回路内循环。

[0027] 参考图2，上文描述的富氧燃烧系统可另外配置为集成尿素合成富氧燃烧系统2。集成尿素合成富氧燃烧系统2可包括图1的富氧燃烧系统1的部件，并且另外可包括尿素合成单元60。当尿素合成单元60存在时，氨回收流505可这样拆分，使得氨回收流505中的氨的至少一部分通过尿素前体氨流507导入尿素合成单元60内。尿素合成单元60不需要的任何剩余氨可从氨回收流505导向氨回收出口506。尿素前体氨流507随后可在尿素合成单元60中与来自二氧化碳回收流400的CO2合并，以形成可从尿素回收流700中回收的尿素。尿素可使用任何众所周知的过程参数在尿素合成单元60中形成，所述过程参数通常可涉及高温例如150℃至250℃，以及高压例如12MPa至40MPa。在尿素合成期间，通常两摩尔份氨与一摩尔份CO2合并，以形成氨基甲酸铵例如H2N-CO-ONH4，其随后脱水以获得尿素和水。通过该反应形成的尿素可为水性溶液或熔体，所述熔体可经历进一步加工例如成球、造粒、制丸或压紧。应当理解图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2可另外需要安装过程仪器，例如压缩机、循环风机、泵和控制器，所述仪器使用对于本领域普通技术人员应显而易见的配置，即使它们在图2中可能未明确显示。

[0028] 在一些实施例中，集成尿素合成富氧燃烧系统2还可包括空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，氨分离器捕获单元热连锁机构945、954，或两者，如上文就图1的富氧燃烧系统1而言描述的。在进一步的实施例中，含或不含空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，氨分离器捕获单元热连锁机构945、954的集成尿素合成富氧燃烧系统2还可包括尿素合成热集成，例如在尿素合成单元60和富氧燃烧反应器10之间的尿素合成热连锁机构926、
962。尿素合成热连锁机构926、962就位后，来自富氧燃烧反应器10的过量热可用作能源，用于使尿素前体氨流507中的氨和来自二氧化碳回收流400的二氧化碳达到促进或允许其反应以形成尿素的反应温度。由此，在尿素合成单元60处任何考虑的另外加热单元可设计为使用更少的能量，或甚至可完全消除。尿素合成热连锁机构926、962可配置为任何工业上可行热传递回路，其可造成从富氧燃烧反应器10到尿素合成单元60的所需热传递。此类热传递回路可含有具有适当热性质例如沸点的热传递流体。往来热传递回路的热传递可通过任何实际方式例如通过热交换器散热片或线圈来实现。分离器回路中的热传递流体可通过任何实际方式例如用泵在热传递回路内循环。

[0029] 参考图3，上文描述的集成尿素合成富氧燃烧系统2还可配置为尿素烟气处理系统3。尿素烟气处理系统3可包括富氧燃烧系统1和集成尿素合成富氧燃烧系统2的部件，并且另外，尿素回收流700可进行修饰或加入其中。在一个实施例中，尿素回收流700可完全导向尿素擦洗流701，其将尿素加入烟气处理系统30内，用于使用尿素去除污染物的擦洗技术中。在此类实施例中，除来自氨擦洗流504的氨之外或代替来自氨擦洗流504的氨，可使用来自尿素擦洗流701的尿素。即，尿素擦洗流701和氨擦洗流504中的至少一种可与烟气处理系统30流体连通，使得来自纯化氨流503的氨的至少一部分或来自尿素回收流700的尿素的至少一部分或两者，可用于从烟气处理系统30中的烟气中去除污染物。在其他实施例中，尿素回收流700的第一部分可导向尿素擦洗流701，而尿素回收流700的第二部分可导向尿素收集流702，使得烟气处理系统30的操作不需要的任何尿素可用于尿素烟气处理系统3外部的其他目的。应当理解图3的尿素烟气处理系统3可另外需要安装过程仪器，例如压缩机、循环风机、泵和控制器，所述仪器使用对于本领域普通技术人员应显而易见的配置，即使它们在图3中可能未明确显示。

[0030] 在一些实施例中，尿素烟气处理系统3还可包括空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，氨分离器捕获单元热连锁机构945、954，尿素合成热连锁机构926、962，这些中的两种的任何组合，或所有这些，各自如上文就图1的富氧燃烧系统1或图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2而言描述。

[0031] 因此，图1的富氧燃烧系统1、图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2、以及图3的尿素烟气处理系统3的各个实施例已得到描述。这些系统不仅有效利用空气的氮和氧组分以同时给氨合成、富氧燃烧以及任选的尿素合成进料，在一些实施例中，还使用氨和/或尿素来清洁产生于富氧燃烧的烟气。当氨和/或尿素在集成系统中生成时，当它们需要或期望用于擦洗烟气且从烟气中去除污染物时，无需从外源获得氨和/或尿素。另外，通过其至少一个热集成，例如氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者，系统有效利用热能。以这种方式的热集成可消除富氧燃烧系统中关于另外部件的需要，所述另外部件例如使氨凝结的致冷系统或使氢和氮加热用于氨合成的加热器，由此与不含任何热集成的分开的燃烧、氨合成和尿素合成系统相比较，潜在降低根据本文实施例的富氧燃烧系统的总体碳足迹。

[0032] 上文已描述了富氧燃烧系统的几个实施例，现在将描述用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法的各个实施例。在一些实施例中，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法可使用根据上述实施例的图1的富氧燃烧系统1、图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2、或图3的尿素烟气处理系统3执行。

[0033] 就可应用于下文描述的方法实施例的富氧燃烧系统1、2、3的部件而言，一般参考图1–3，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法可包括用空气分离单元10将空气进料流100分离成氧流101和氮流500。氧流101可流动至富氧燃烧反应器20，并且氮流500可流动至氨合成单元50。氨合成单元50中的氮流500可与氢进料流600合并，以合成氨且形成含有氨和任选的未反应的氮或氢的粗氨流501。粗氨流501可在氨分离单元51中凝结，以便使粗氨流501中的氨与粗氨流501中任何未反应的氮或氢分离，且形成纯化氨流503。该方法还可包括将来自燃料进料流200的燃料与来自空气分离单元10的氧流101合并，以形成燃料混合物。燃料混合物可在富氧燃烧反应器20中燃烧，以生成燃料热，其可任选传递用于直接外部使用或传递至水以产生热水或蒸汽。该方法还可包括在燃料混合物被燃烧且氨被合成的同时，通过至少一个热集成传递热能。至少一个热集成可选自氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者。

[0034] 空气进料流100可通过空气分离单元10进行分离，使用可应用于富氧燃烧系统1、2、3中采用的空气分离单元10类型的任何方法。在示例性实施例中，空气进料流100可通过空气分离单元10经由低温蒸馏、变压吸附、真空变压吸附或膜技术进行分离，所有这些技术均在本领域普通技术人员的掌握之内。氧流101可含有纯氧或基本上纯的氧，例如按体积计
80％至100％O2、或按体积计90％至100％O2、或按体积计90％至99％O2。同样地，氮流可含有纯氮或基本上纯的氮，例如按体积计80％至100％N2、或按体积计90％至100％N2、或按体积计90％至99％N2。

[0035] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括将氧流101流动至富氧燃烧反应器20。为了将氧流101流动至富氧燃烧反应器20，氧流101可用例如泵或压缩机进行增压。

[0036] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括将氮流500流动至氨合成单元50。氮流500还可用例如压缩机或其他合适仪器进行增压，用于注入氨合成单元50内。

[0037] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括将氨合成单元50中的氮流500与氢进料流600合并，以合成氨且形成含有氨以及任选的未反应的氮或氢的粗氨流501。合成氨可另外包括将氨合成单元中的氮和氢的混合物的温度升高至反应温度，将氮和氢的混合物增压至反应压力或两者。一般而言，用于氨合成的合适反应压力和反应温度可取决于众多因素，例如氨合成单元50的配置和构造材料，以及可加入氨合成单元50中的任选的任何反应改性剂例如催化剂的存在或不存在。在一个非限制性示例性实施例中，用于氨合成的合适反应温度可为300℃至550℃，并且用于氨合成的合适反应压力可为15MPa至
25MPa。应理解其他反应温度和反应压力可为合适的，并且此类反应温度和反应压力的选择完全在技术人员的掌握之内。

[0038] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括使氨分离单元51中的粗氨流501的至少一部分凝结。在一些实施例中，例如，仅粗氨流501中的氨通过使粗氨流冷却至氨沸点以下例如-33℃以下的温度进行凝结。液化氨随后与未反应的氮或氢分离，以形成纯化氨流503。

[0039] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括将来自燃料进料流200的燃料与氧流101合并，以形成燃料混合物，随后燃烧富氧燃烧反应器20中的燃料混合物，以生成燃烧热。燃料混合物可在富氧燃烧反应器20内部或富氧燃烧反应器20外部形成。

[0040] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括在燃料混合物在富氧燃烧反应器20中燃烧，并且氨在氨合成单元50中合成的同时，通过富氧燃烧系统1、2、3的至少一个热集成来传递热能例如热。至少一个热集成可选自氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952，空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951或两者。

[0041] 在其中至少一个热集成包括反应器热连锁机构925、952的一些实施例中，反应器热连锁机构925、952可配置为锅炉回路，其将来自富氧燃烧反应器20自身(例如富氧燃烧反应器20中的室)、富氧燃烧反应器20中形成的烟气、已通过来自富氧燃烧反应器20的燃烧热加热的热水或蒸汽、或这些中的任意的组合的热传递至氨合成单元50。热能的传递随后可包括在燃料混合物被燃烧并且氨被合成的同时，使热传递流体循环通过锅炉回路。用于锅炉回路的热传递流体可为流体例如气体或液体，例如水或蒸汽。

[0042] 在其中至少一个热集成包括空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951的一些实施例中，分离器热连锁机构915、951可配置为分离器回路，其将来自氨分离单元的热传递给空气分离单元。传递热能随后可包括在燃料混合物被燃烧并且氨被合成的同时，使热传递流体循环通过分离器回路。用于分离器回路的热传递流体可为流体例如具有适当沸点和冰点的气体或液体，以允许热传递流体围绕分离器回路自由循环。

[0043] 在一些实施例中，至少一个热集成可包括氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952，以及空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951两者。如上文描述的实施例中，反应器热连锁机构925、952可配置为锅炉回路，并且分离器热连锁机构915、951可配置为分离器回路。在此类实施例中，热能的传递可包括在燃料混合物被燃烧并且氨被合成的同时，使第一热传递流体循环通过锅炉回路，并且使第二热传递流体循环通过分离器回路。

[0044] 在一些实施例中，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括除氨合成单元50与富氧燃烧反应器20的反应器热连锁机构925、952，空气分离单元10与氨分离单元51的分离器热连锁机构915、951或两者之外，通过富氧燃烧系统1、2、3的至少一个另外的热集成来传递热能例如热。至少一个另外的热集成可包括在空气分离单元10和二氧化碳捕获单元40之间的空气分离器捕获单元热连锁机构914、941，在氨分离单元51和二氧化碳捕获单元40之间的氨分离器捕获单元热连锁机构945、954，在尿素合成单元60和富氧燃烧锅炉20之间的尿素合成热连锁机构926、962，这些中的两种的任何组合，或所有这些，各自如上文就图1的富氧燃烧系统1、图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2、或图3的尿素烟气处理系统3而言描述。在这些热集成的任一个中的热能传递可包括使热传递流体循环通过热传递回路，所述热传递回路充当分别的热连锁机构。

[0045] 用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括在烟气处理系统30中处理通过富氧燃烧反应器20中的燃料燃烧形成的烟气。烟气的处理可包括从烟气中去除污染物，并且还可包括使用在纯化氨流503中，例如来自氨擦洗流504的氨的至少一部分，以从烟气中去除污染物。

[0046] 在一些实施例中，用于处理通过富氧燃烧反应器20中的燃料燃烧形成的烟气的烟气处理系统30输出二氧化碳。在此类实施例中，例如通过使来自烟气处理系统30的经擦洗烟气冷却直至经擦洗烟气中存在的水凝结并且CO2以气态留下时，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括捕获二氧化碳捕获单元40中的二氧化碳。

[0047] 在一些实施例中，捕获二氧化碳捕获单元40中捕获的任何二氧化碳的至少一部分可与纯化氨流503中的氨合并，以形成尿素反应物混合物。该方法随后可包括例如由尿素合成单元60(图2和3)中的尿素反应物混合物合成尿素。该方法还可包括使氨、CO2或尿素反应物混合物增压至例如12MPa至40MPa，并且将氨、CO2或尿素反应物混合物加热至150℃至250℃，以允许尿素合成反应开始或维持。

[0048] 在一些实施例中，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法还可包括处理烟气处理系统30中的烟气，并且处理烟气可包括使用来自纯化氨流503的氨的至少一部分，尿素回收流700中的尿素的至少一部分(参见图3)或两者，以从烟气中去除污染物。在此类实施例中，烟气处理系统30可包括如上所述的技术，用于借助于氨、尿素或两者去除NOx、SOx、颗粒物以及其他杂质。

[0049] 因此，用于执行伴随热集成氨合成的富氧燃烧的方法的各个实施例已得到描述。该方法可使用图1的富氧燃烧系统1、图2的集成尿素合成富氧燃烧系统2、图3的尿素烟气处理系统3、其修饰或其他合适的富氧燃烧系统执行。这些方法不仅有效利用空气的氮和氧组分以同时给氨合成、富氧燃烧以及任选的尿素合成进料，在一些实施例中，还使用氨和/或尿素来清洁产生于富氧燃烧的烟气。当氨和/或尿素在集成系统中生成时，当它们需要或期望用于擦洗烟气且从烟气中去除污染物时，无需从外源获得氨和/或尿素。另外，通过采用根据本文实施例的系统，该方法通过富氧燃烧系统中的至少一个热集成而有效利用热能，所述至少一个热集成例如氨合成单元与富氧燃烧反应器的反应器热连锁机构、空气分离单元与氨分离单元的分离器热连锁机构或两者。以这种方式的热集成可消除富氧燃烧系统中关于另外部件的需要，所述另外部件例如使氨凝结的致冷系统或使氢和氮加热用于氨合成的加热器，由此与不含任何热集成的分开的燃烧、氨合成和尿素合成系统相比较，潜在降低根据本文实施例的富氧燃烧系统的总体碳足迹。

[0050] 对于本领域技术人员应显而易见的是可对本文描述的实施例作出各种修饰和变化，而不背离请求保护的主题的精神和范围。因此，预期说明书涵盖本文描述的各个实施例的修饰和变化，条件是此类修饰和变化在所附权利要求及其等价物的范围内。