使用會聚-發(fā)散噴嘴用冷卻進行co2分離的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于從氣流分離二氧化碳(CO2)的方法。所述方法包括在冷卻級中冷卻所述氣流以形成冷卻氣流并且在會聚-發(fā)散噴嘴中冷卻所述冷卻氣流以形成固體CO2和液體CO2之一或兩者。所述方法還包括在所述會聚-發(fā)散噴嘴中從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流。所述方法還包括在所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游的膨脹器中膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流并且將所述冷卻貧CO2氣流的至少一部分循環(huán)到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。本發(fā)明也提供用于從CO2流分離二氧化碳(CO2)的系統(tǒng)。
【專利說明】使用會聚-發(fā)散噴嘴用冷卻進行C02分離的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于從氣流進行二氧化碳(CO2)分離的方法和系統(tǒng)。更特別地，本公開涉及用于固體CO2分離的方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]基于含碳燃料的燃燒的發(fā)電過程典型地產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的C02?？赡芷谕@或以另外方式從氣體混合物分離CO2以防止CO2釋放到環(huán)境中和/或在發(fā)電過程中或在其它過程中使用CO2。
[0003]然而，典型的CO2俘獲過程、例如基于胺的過程可能是能量密集的以及資本密集的。低溫和/或高壓過程也可以用于CO2分離，其中通過凝華CO2以形成固體CO2而實現(xiàn)分離。然而，用于冰凍CO2以形成固體CO2的系統(tǒng)和方法典型地包括旋轉(zhuǎn)式渦輪機?；跍u輪機的分離系統(tǒng)可能遭遇固體CO2淀積在渦輪機葉片上的操作難題，由此導致渦輪機的腐蝕或故障?；跍u輪機的0)2分離系統(tǒng)還可能需要另外的分離系統(tǒng)(例如，旋風分離器)，并且可能由于系統(tǒng)部件的表面的結(jié)霜而具有減小的效率。此外，典型的固體CO2分離系統(tǒng)包括需要外部制冷循環(huán)的一個或多個預冷卻步驟，這可能增加CO2分離系統(tǒng)的成本和占地面積。
[0004]因此，需要用于分離CO2的高效和成本效益高的方法和系統(tǒng)。此外，需要用于分離固體CO2的高效和成本效益高的方法和系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個實施例中，提供一種用于從氣流分離二氧化碳(CO2)的方法。所述方法包括在冷卻級中冷卻所述氣流以形成冷卻氣流。所述方法還包括在會聚-發(fā)散噴嘴中冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者。所述方法還包括在所述會聚-發(fā)散噴嘴中從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流。所述方法還包括在所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游的膨脹器中膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流。所述方法還包括將所述冷卻貧CO2氣流的至少一部分循環(huán)到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
[0006]在另一實施例中，提供一種用于從氣流分離CO2的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括冷卻級，所述冷卻級配置成冷卻所述氣流以形成冷卻氣流。所述系統(tǒng)還包括與熱交換器流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴，其中所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成進一步冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，并且其中所述會聚-發(fā)散噴嘴還配置成從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流。所述系統(tǒng)還包括膨脹器，所述膨脹器位于所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游并且與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通，其中所述膨脹器配置成膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流。所述系統(tǒng)還包括循環(huán)回路，所述循環(huán)回路配置成將所述冷卻貧CO2氣流轉(zhuǎn)移到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
[0007]在又一實施例中，提供一種發(fā)電系統(tǒng)。所述發(fā)電系統(tǒng)包括燃氣發(fā)動機組件，所述燃氣發(fā)動機組件配置成生成包括CO2的氣流；以及與所述燃氣發(fā)動機組件流體連通的CO2分離單元。所述CO2分離單元包括冷卻級，所述冷卻級配置成冷卻所述氣流以形成冷卻氣流。所述CO2分離單元還包括與所述冷卻級流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴，其中所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成進一步冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，并且其中所述會聚-發(fā)散噴嘴還配置成從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流。所述CO2分離單元還包括膨脹器，所述膨脹器位于所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游并且與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通，其中所述膨脹器配置成膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流。所述CO2分離單元還包括循環(huán)回路，所述循環(huán)回路配置成將所述冷卻貧CO2氣流轉(zhuǎn)移到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
[0008]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從以下詳細描述、附圖和附帶的權(quán)利要求將顯而易見本發(fā)明的其它實施例、方面、特征和優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]當參考附圖閱讀以下詳細描述時本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中相似的附圖標記始終表示相似的部分，其中:
[0010]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于從氣流分離CO2的系統(tǒng)的方塊圖。
[0011]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于從氣流分離CO2的系統(tǒng)的方塊圖。
[0012]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于從氣流分離CO2的系統(tǒng)的方塊圖。
[0013]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于從氣流分離CO2的系統(tǒng)的方塊圖。
[0014]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括CO2分離單元的發(fā)電系統(tǒng)的方塊圖。
[0015]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的會聚-發(fā)散噴嘴的示意圖。

【具體實施方式】
[0016]如下面詳細地所述，本發(fā)明的實施例包括適合于從氣流分離CO2的方法和系統(tǒng)。如下面詳細地所述，本發(fā)明的一些實施例包括使用會聚-發(fā)散噴嘴進行CO2分離的方法和系統(tǒng)，所述會聚-發(fā)散噴嘴能夠冷卻氣流以形成液體CO2或固體CO2。會聚-發(fā)散噴嘴還能夠在會聚-發(fā)散噴嘴自身中分離液體CO2或固體CO2的至少一部分，由此生成冷卻貧CO2氣流。本發(fā)明的實施例還包括在將氣流提供給會聚-發(fā)散噴嘴之前使用循環(huán)冷卻貧CO2氣流來預冷卻氣流進行CO2分離的方法和系統(tǒng)。在一些實施例中，與基于膨脹器的CO2分離系統(tǒng)相t匕，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)有利地提供成本效益高和穩(wěn)健的用于CO2分離的方法和系統(tǒng)。
[0017]在以下說明書和權(quán)利要求中，單數(shù)形式“一”和“所述”包括多個指代物，除非上下文明確地另外說明。當在本文中使用時，術(shù)語“或”不意味著是排他的，而是指示存在的引用部件中的至少一個并且包括引用部件的組合可能存在的情況，除非上下文明確地另外說明。
[0018]當在本文在說明書和權(quán)利要求書各處使用時，近似語言可以被應用以修飾可以允許變化而不導致與其相關(guān)的基本功能的變化的任何數(shù)量表示。因此，由一個術(shù)語或多個術(shù)語、例如“大約”和“基本上”修飾的值不限于指定的精確值。在一些情況下，近似語言可以對應于用于測量值的器械的精度。在這里并且在說明書和權(quán)利要求書各處，范圍限制可以組合和/或交換，這樣的范圍被確定并且包括包含在其中的所有子范圍，除非上下文或語言另外說明。
[0019]在一些實施例中，如圖1-5中所示，提供一種用于從氣流10分離二氧化碳(CO2)的方法。當在本文中使用時術(shù)語“氣流”表示氣體混合物，其還可以包括固體和液體組分之一或兩者。在一些實施例中，氣流10是來自燃燒過程、氣化過程、堆填、熔爐、蒸汽發(fā)生器、鍋爐或它們的組合的產(chǎn)物。在一個實施例中，氣流10包括由于燃料的處理發(fā)出的氣體混合物，所述燃料例如天然氣、生物量、汽油、柴油、煤炭、油頁巖、燃料油、焦油砂或它們的組合。在一些實施例中，氣流10包括從燃氣渦輪機發(fā)出的氣體混合物。在一些實施例中，氣流10包括由氣化或重整車間生成的合成氣。在一些實施例中，氣流10包括煙道氣。在特定實施例中，氣流10包括從燃煤或燃天然氣發(fā)電廠發(fā)出的氣體混合物。如隨后詳細地所述，在一些實施例中，氣流10包括從燃氣發(fā)動機、例如內(nèi)燃機發(fā)出的氣體混合物。
[0020]如先前所述，氣流10包括二氧化碳。在一些實施例中，氣流10還包括氮、氧或水蒸氣中的一種或多種。在一些實施例中，氣流10還包括雜質(zhì)或污染物，其例子包括、但不限于氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、硫化氫、未燃燒烴、顆粒物質(zhì)和它們的組合。在一些實施例中，氣流10基本沒有雜質(zhì)或污染物。在一些實施例中，氣流10包括氮、氧和二氧化碳。在一些實施例中，氣流10包括氮和二氧化碳。在一些實施例中，氣流10包括一氧化碳。在一些實施例中，氣流10包括合成氣。
[0021]在一些實施例中，氣流10中的雜質(zhì)或污染物的量小于大約50摩爾百分數(shù)。在一些實施例中，氣流10中的雜質(zhì)或污染物的量在大約10摩爾百分數(shù)到大約20摩爾百分數(shù)的范圍內(nèi)。在一些實施例中，氣流10中的雜質(zhì)或污染物的量小于大約5摩爾百分數(shù)。
[0022]在一些實施例中，方法還可以包括在冷卻級110中冷卻氣流的步驟之前在壓縮器210中壓縮氣流10的步驟，如圖2中所示。在一些其它實施例中，方法不包括在冷卻級110中冷卻氣流的步驟之前在壓縮器210中壓縮氣流的步驟，如圖1中所示。在一些實施例中，氣流10可以處于加壓狀態(tài)并且可以不需要在冷卻和CO2分離步驟之前壓縮氣流的另外的步驟，這可以允許更低的資金成本和更少數(shù)量的系統(tǒng)部件。
[0023]在一些實施例中，如圖1中所示，方法包括在冷卻級110中冷卻氣流10以形成冷卻氣流11。在一些實施例中，方法還可以包括在冷卻級110處接收來自烴處理、燃燒、氣化或類似發(fā)電廠(未顯示)的氣流10。在一些實施例中，在將氣流10提供給冷卻級110之前氣流10還可以受到一個或多個處理步驟(例如，去除水蒸氣、雜質(zhì)等)。
[0024]如圖1中所示，在一些實施例中，冷卻級110可以包括熱交換器110。在一些實施例中，熱交換器可以使用冷卻介質(zhì)進行冷卻。在一些實施例中，熱交換器可以使用循環(huán)冷卻貧0)2氣流15進行冷卻，如下面詳細地所述。在一些實施例中，熱交換器可以部分地使用循環(huán)冷卻貧CO2氣流15進行冷卻并且可以可選地使用冷卻空氣、冷卻水或兩者(未顯示)進一步進行冷卻。在特定實施例中，氣流10在熱交換器中由循環(huán)冷卻貧CO2氣流15主要地冷卻，如圖1中所示。當在本文中使用時術(shù)語“主要地冷卻”表示冷卻級中的熱交換的至少大約百分之80使用循環(huán)冷卻貧CO2氣流15實現(xiàn)。
[0025]應當注意在圖1中，僅僅作為示例性實施例顯示單熱交換器并且在一些實施例中冷卻級110可以配置成包括兩個或更多個熱交換器。熱交換器的實際數(shù)量和它們的單獨配置可以取決于期望的最終結(jié)果而變化。此外，在包括多個熱交換器的實施例中，熱交換器中的至少一個可以配置成使用循環(huán)冷卻貧CO2氣流15冷卻氣流10。在一些實施例中，方法可以包括在多個熱交換器中冷卻氣流10，其中冷卻主要使用循環(huán)冷卻貧CO2氣流實現(xiàn)。在一些實施例中，方法可以包括在多個冷卻級110 (未顯示)中冷卻氣流10以形成冷卻氣流11。
[0026]在一些實施例中，如圖1中所示，方法還包括在會聚-發(fā)散噴嘴120中冷卻冷卻氣流U。如圖1中所示，在一些實施例中，方法還包括將冷卻氣流11從冷卻級110轉(zhuǎn)移到會聚-發(fā)散噴嘴120。當在本文中使用時術(shù)語“會聚-發(fā)散噴嘴”表示具有會聚和發(fā)散區(qū)域的噴嘴，其中噴嘴配置成將氣流加速到亞音速或超音速。如圖1中所示，在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120位于冷卻級110的下游。術(shù)語“會聚-發(fā)散噴嘴”和“噴嘴”在本文中可互換地使用。
[0027]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120的入口 101處的冷卻氣流11的溫度為CO2飽和溫度以下大約5攝氏度。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120的入口 101處的冷卻氣流的壓力在大約4巴到大約8巴的范圍內(nèi)。
[0028]在一些實施例中，方法還包括在會聚-發(fā)散噴嘴120中進一步冷卻(如隨后詳細地所述)冷卻氣流11使得冷卻氣流11中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者。
[0029]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成增加噴嘴中的冷卻氣流11的速度。不受任何理論約束，據(jù)信通過增加會聚-發(fā)散噴嘴中的冷卻氣流11的速度，可以實現(xiàn)靜態(tài)溫度減小，這允許在噴嘴中形成固體C02。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成將噴嘴120中的冷卻氣流11的速度增加到這樣的速度:所述速度使得實現(xiàn)足夠的靜態(tài)溫度減小以導致固體CO2的形成。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會，噴嘴120中的冷卻氣流11的速度可以由噴嘴設計、入口氣體溫度、入口氣體壓力和氣流中的CO2含量中的一個或多個確定。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的代表性會聚-發(fā)散噴嘴在圖6中不出。在一些實施例中，如圖6中所示，會聚-發(fā)散噴嘴120包括會聚部段121、喉部部段122和發(fā)散部段123。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120還包括入口 101、第一出口 102和第二出口 103。如圖6中所示，冷卻氣流11經(jīng)由入口 101進入噴嘴120的會聚部段121。會聚部段121還由入口 101處的直徑Dl限定，如圖6中所示。如圖6中所示，冷卻氣流11的流動被引導到噴嘴120的喉部部段122使得直徑Dl從會聚部段121的入口 101連續(xù)地減小到D2。術(shù)語D2在本文中表不喉部122的第一區(qū)域124的直徑。
[0031]不受任何理論約束，據(jù)信噴嘴的直徑從Dl減小到D2增加冷卻氣流11的動能使得發(fā)生靜態(tài)溫度的相應減小。在一些實施例中，直徑D2被選擇成使得冷卻氣流11被加速到亞音速，取決于噴嘴設計導致在大約20開爾文到大約70開爾文的范圍內(nèi)的靜態(tài)溫度減小。在一些實施例中，靜態(tài)溫度減小在大約20開爾文到大約50開爾文的范圍內(nèi)。在一些實施例中,在區(qū)域124中的冷卻氣流11的靜態(tài)溫度降到CO2的飽和溫度之下，從而導致固體CO2或液體CO2的形成。
[0032]然而，在一些實施例中，CO2固化步驟期間的熔化潛熱的釋放可以導致氣流的溫度增加，這可能限制固體CO2或液體CO2的形成。在一些實施例中，喉部區(qū)域122還可以包括第二區(qū)域125，使得在喉部區(qū)域122中的第二區(qū)域125的直徑D3小于D2，如圖6中所示。不受任何理論約束，據(jù)信通過引導氣流通過具有小于直徑D2的直徑D3的第二區(qū)域125，由于熔化潛熱的釋放生成的另外的能量可以轉(zhuǎn)換成動能。
[0033]在一些實施例中，方法還包括從冷卻氣流11分離形成于會聚-發(fā)散噴嘴120中的固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流12。當在本文中使用時術(shù)語“富CO2流”表示包括液體CO2和固體CO2之一或兩者并且具有的CO2含量大于氣流10的CO2含量的流。應當注意術(shù)語“富CO2流”包括這樣的實施例，其中富CO2流可以包括一種或多種運載氣體。在一些實施例中，富CO2流基本上由CO2組成。當在本文中使用時術(shù)語“基本上由…組成”表示富CO2流包括CO2的至少大約90質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，富CO2流主要由液體CO2組成。當在本文中使用時術(shù)語“主要由液體CO2組成”表示固體CO2的量小于大約2質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，富CCV流主要由固體CO2組成。當在本文中使用時術(shù)語“主要由固體CO2組成”表示液體CO2的量小于大約2質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，固體C02和液體C02之一或兩者可以由于在噴嘴120內(nèi)的高速流生成的導致離心分離的渦流在噴嘴中從氣流分離。
[0034]在一些實施例中，方法包括分離冷卻氣流11中的至少大約90質(zhì)量百分數(shù)的CO2以形成富CO2流12。在一些實施例中，方法包括分離冷卻氣流11中的至少大約95質(zhì)量百分數(shù)的CO2以形成富CO2流12。在一些實施例中，方法包括分離冷卻氣流11中的至少大約99質(zhì)量百分數(shù)的CO2以形成富CO2流12。在一些實施例中，方法包括分離冷卻氣流11中的在大約50質(zhì)量百分數(shù)到大約90質(zhì)量百分數(shù)的范圍內(nèi)的CO2以形成富CO2流12。
[0035]在一些其它實施例中，富CO2流還可以包括一種或多種運載氣體以通過離心力將液體CO2或固體CO2運輸?shù)降谝怀隹?102。在一些實施例中，富CO2流還可以包括氮氣、氧氣或二氧化碳氣體中的一種或多種。在一些實施例中，富CO2流中的CO2量是富CO2流的至少大約50質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，富CO2流中的CO2量是富CO2流的至少大約60質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，富CO2流中的CO2量是富CO2流的至少大約75質(zhì)量百分數(shù)。
[0036]在一些實施例中，富CO2流經(jīng)由第一出口 102從會聚-發(fā)散噴嘴排出，如圖1和6中所示。應當注意第一出口 102的位置可以變化，并且圖1和6僅僅示出代表性實施例。
[0037]在一些實施例中，方法還包括在會聚-發(fā)散噴嘴120中形成貧CO2流13，如圖1中所示。當在本文中使用時術(shù)語“貧CO2流”表示CO2含量低于氣流10中的CO2含量的流。在一些實施例中，如先前所述，冷卻氣流11中的幾乎所有CO2以液體CO2或固體CO2的形式在噴嘴120中分離。在這樣的實施例中，貧CO2流13基本上沒有CO2。在一些其它實施例中，液體CO2或固體CO2的一部分可以不在噴嘴120中分離并且貧CO2流13可以包括未被分離的 C02。
[0038]在一些實施例中，貧CO2流13可以包括一種或多種不可冷凝組分。在一些實施例中，貧CO2流13可以包括一種或多種液體組分。在一些實施例中，貧CO2流13可以包括一種或多種固體組分。在這樣的實施例中，貧CO2流13還可以配置成與液體-氣體和固體-氣體分離器(未顯示)之一或兩者流體連通。在一些實施例中，貧CO2流13可以包括氮、氧或二氧化硫中的一種或多種。在一些實施例中，貧CO2流13還可以包括二氧化碳。在一些實施例中，貧CO2流13可以包括氣體CO2、液體CO2、固體CO2或它們的組合。
[0039]在特定實施例中，貧CCV流基本上沒有CO2。當在本文中使用時術(shù)語“基本上沒有”表示貧CO2流13中的CO2量小于氣流10中的CO2的大約10質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，貧CO2流13中的CO2量小于氣流10中的CO2的大約5質(zhì)量百分數(shù)。在一些實施例中，貧CO2流13中的CO2量小于氣流10中的CO2的大約I質(zhì)量百分數(shù)。
[0040]在一些實施例中，如圖6中所示，貧CO2流在噴嘴120的發(fā)散部段123中膨脹，其中直徑從D3增加到D4。如圖1和6中所示，噴嘴120還包括第二出口 103。在一些實施例中，方法包括經(jīng)由第二出口 103從噴嘴120排出貧CO2流。
[0041]如先前所述，在一些實施例中，噴嘴120配置成將噴嘴中的冷卻氣流11的速度增加到超音速。當在本文中使用時術(shù)語“超音速”表示大于I馬赫的速度。在這樣的實施例中，方法包括在會聚部段121中將冷卻氣流11加速到超音速。方法還包括在發(fā)散部段123中分離富CO2流12和高速貧CO2流13的排出。在這樣的實施例中，噴嘴120可以配置成在超音速狀態(tài)下操作。
[0042]在一些其它實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成將噴嘴中的冷卻氣流11的速度增加到亞音速。當在本文中使用時術(shù)語“亞音速”表示小于I馬赫的速度。在這樣的實施例中，方法包括在會聚部段121中將冷卻氣流11加速到亞音速。方法還包括在發(fā)散部段123中分離富CO2流12和貧CO2流13的排出。在這樣的實施例中，發(fā)散部段13可以用作擴散器使得貧CO2流13以比它離開噴嘴120的速度更低的速度離開噴嘴120。在這樣的實施例中，噴嘴120可以配置成在亞音速狀態(tài)下操作。
[0043]不受任何理論約束，據(jù)信在亞音速狀態(tài)下噴嘴的操作與超音速狀態(tài)相比可以有利地提供更低的流動速度、更低的噴嘴表面腐蝕、來自沖擊波的減小的不穩(wěn)定性和減小的總壓力損失。
[0044]在一些實施例中，方法還包括在會聚-發(fā)散噴嘴120的下游的膨脹器140中膨脹貧0)2氣流13以形成冷卻貧CO2氣流15，如圖1中所示。當在本文中使用時術(shù)語“膨脹器”表示徑流式、軸流式或混流式渦輪機械，氣體或氣體混合物通過所述渦輪機械膨脹以做功。
[0045]在一些實施例中，在膨脹器140中的膨脹步驟之前，貧CO2氣流13可以使用閥130進一步預冷卻以形成預冷卻貧CO2氣流14，如圖3中所示。在這樣的實施例中，方法可以包括將預冷卻貧CO2氣流14轉(zhuǎn)移到膨脹器140。在一些實施例中，閥可以用于在膨脹步驟之前減小貧CO2流13的壓力，使得在膨脹器140的出口處的溫度可以被控制以防止貧CO2流13中的任何殘余CO2的固化。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的閥130的合適例子包括焦耳-湯普森(Joule-Thompson)閥。
[0046]在一些實施例中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的方法和系統(tǒng)允許使用成本效益高的膨脹裝置，例如會聚-發(fā)散噴嘴，與典型地用于CO2固化和分離的渦輪膨脹器相比其允許減小的資金成本和操作風險。
[0047]在一些實施例中，如圖1中所示，方法還包括經(jīng)由循環(huán)回路150將冷卻貧CO2氣流15的至少一部分循環(huán)到冷卻級110。如先前所述，在一些實施例中，氣流10在冷卻級110中由循環(huán)冷卻貧CO2氣流15主要地冷卻。在一些實施例中，方法還包括在與氣流10熱交換的步驟之后在冷卻級110中形成二次貧CO2氣流16，如圖1中所示。
[0048]在一些實施例中，如先前所述，冷卻級110中的氣流10的冷卻可以主要由循環(huán)冷卻貧CO2氣流15實現(xiàn)。在一些實施例中，本發(fā)明的方法通過消除對外部制冷循環(huán)的需要而有利地提供用于CO2分離的成本效益高的方法，因此允許更低的功耗和更簡單的分離系統(tǒng)(更少的部件)。
[0049]在一些實施例中，方法包括在會聚-發(fā)散噴嘴120中冷卻冷卻氣流11以主要形成固體CO2并且從冷卻氣流11分離固體CO2以形成富固體CO2流12。當在本文中使用時術(shù)語“富固體CO2流”表示包括固體CO2的至少大約90質(zhì)量百分數(shù)的流。在一些實施例中，方法還包括經(jīng)由旋風分離器(未顯示)收集富固體CO2流。在一些實施例中，方法還包括將富固體CO2流12的至少一部分轉(zhuǎn)移到液化單元170,如圖4中所示。
[0050]在一些實施例中，液化單元170配置成接收加壓氣體CO2流19和富固體CO2流12。在一些實施例中，加壓氣體CO2流19提供給液化單元170使得流的平衡壓力高于CO2的三相點并且流的平衡溫度略低于CO2的三相點，導致從氣體/固體混合物形成液體。液化單元170的合適例子包括閉鎖式料斗系統(tǒng)。
[0051]在一些實施例中，方法包括在液化單元170中液化富固體CO2流12的至少一部分以形成液體CO2流17。在一些實施例中，方法還包括在加壓單元180中加壓液體CO2流17的至少一部分以形成加壓液體CO2流18。在一些實施例中，方法還包括在加熱單元190中加熱加壓液體0)2流18的至少一部分以形成加壓氣體CO2流19。在一些實施例中，方法還包括將加壓氣體CO2流19的至少一部分循環(huán)到液化單元170。
[0052]在一個實施例中，如圖1-5中所示，提供一種用于從氣流10分離二氧化碳(CO2)的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括冷卻級110，所述冷卻級110配置成冷卻氣流10以形成冷卻氣流11，如圖1中所示。系統(tǒng)100還包括與冷卻級110流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴120。當在本文中使用時術(shù)語“流體連通”表示系統(tǒng)的部件能夠在部件之間接收或轉(zhuǎn)移流體。術(shù)語流體包括氣體、液體或它們的組合。
[0053]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成進一步冷卻冷卻氣流11使得冷卻氣流11中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，如先前詳細地所述。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴還配置成從冷卻氣流11分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流12和貧CO2氣流13，如圖1中所示。
[0054]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成將冷卻氣流11加速到超音速。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成將冷卻氣流11加速到亞音速。術(shù)語超音速和亞音速先前被定義。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的代表性會聚-發(fā)散噴嘴在圖6中不出。在一些實施例中，如圖6中所示，會聚-發(fā)散噴嘴120包括會聚部段121、喉部部段122和發(fā)散部段123。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120還包括入口 101、第一出口 102和第二出口 103。在一些實施例中，入口 101配置成接收冷卻氣流11，第一出口 102配置成排出富CO2流12，并且第二出口 103配置成排出貧CO2氣流13。
[0056]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成基本上形成固體CO2并且從冷卻氣流11分離固體CO2以形成富固體CO2流12。在一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括旋風分離器(未顯示)以收集并且轉(zhuǎn)移富固體CO2流12。
[0057]在會聚-發(fā)散噴嘴120主要形成固體CO2的一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通的液化單元170，如圖4中所示。在一些實施例中，液化單元170配置成液化富固體CO2流12的至少一部分以形成液體CO2流17，如圖4中所示。在一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括配置成形成加壓液體CO2流18和加壓氣體CO2流19的加壓單元180和加熱單元190。在一些實施例中，如圖4中所示，系統(tǒng)100還可以包括循環(huán)回路192，所述循環(huán)回路192配置成將加壓氣體CO2流19的至少一部分循環(huán)到液化單元170。在一些實施例中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的噴嘴120可以消除對進料機泵的需要。
[0058]在一些實施例中，系統(tǒng)100還包括膨脹器140，所述膨脹器140位于會聚-發(fā)散噴嘴120的下游并且與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通。在一些實施例中，膨脹器140配置成膨脹貧CO2氣流13以形成冷卻貧CO2氣流15，如圖1中所示。在一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括閥130，所述閥130位于會聚-發(fā)散噴嘴120的下游和膨脹器140的上游，如圖3中所示。在一些實施例中，閥130與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的閥130的合適例子包括焦耳-湯普森(Joule-Thompson)閥。
[0059]在一些實施例中，系統(tǒng)100還包括循環(huán)回路150，所述循環(huán)回路150配置成將冷卻貧CO2氣流15轉(zhuǎn)移到冷卻級110以便冷卻氣流10，如圖1中所示。
[0060]在一些實施例中，如圖5中所不,提供一種發(fā)電系統(tǒng)300。在一些實施例中，如圖5中所示，發(fā)電系統(tǒng)300包括燃氣發(fā)動機組件200，所述燃氣發(fā)動機組件200配置成生成包括CO2的氣流10。在一些實施例中，燃氣發(fā)動機組件200包括內(nèi)燃機，例如GE Jenbacher發(fā)動機。
[0061]再次參考圖5，示出根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的代表性發(fā)電系統(tǒng)300。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將領(lǐng)會，發(fā)電系統(tǒng)300可以適合于在大規(guī)模設施、例如用于生成經(jīng)由電力網(wǎng)分配到城市或城鎮(zhèn)的電力的發(fā)電廠中或在小規(guī)模裝置、例如車輛發(fā)動機或小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的一部分中使用。也就是說，發(fā)電系統(tǒng)300可以適合于各種應用和/或可以在各種尺寸上縮放。
[0062]在所示的例子中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，發(fā)電系統(tǒng)300包括燃氣發(fā)動機組件200，其中燃氣發(fā)動機組件200不包括典型地用于渦輪膨脹的一個或多個渦輪膨脹器。因此，在這樣的實施例中從燃氣發(fā)動機組件200排出的氣流10可以不需要在提供給CO2分離單元120之前的另外的壓縮步驟，原因是離開燃氣發(fā)動機組件200的氣流10可以已經(jīng)處于壓縮狀態(tài)。
[0063]在一些實施例中，如圖5中所示，燃氣發(fā)動機組件200包括由同步電機212和214提供動力的互連渦輪壓縮器222和224，所述同步電機212和214以與壓縮器相同的速度運轉(zhuǎn)。燃氣發(fā)動機組件還可以包括一個或多個熱交換器或中間冷卻器232和234，如圖5中所示。燃氣發(fā)動機組件200還包括燃氣發(fā)動機240，所述燃氣發(fā)動機240配置成燃燒空氣21和燃料(未顯示)以生成廢氣流24。在一些實施例中，燃氣發(fā)動機組件200可以可選地包括廢熱回收單元250、例如有機朗肯(Rankine)循環(huán),所述廢熱回收單元250配置成從廢氣流24生成另外的電力并且生成進一步受到CO2分離步驟的氣流10，如先前詳細地所述。
[0064]在一些實施例中，如圖5中所示，發(fā)電系統(tǒng)300還包括與燃氣發(fā)動機組件200流體連通的CO2分離單元100。在一些實施例中，CO2分離單元100與廢熱回收單元250流體連通，如圖5中所示。在一些實施例中，CO2分離單元100包括冷卻級110,所述冷卻級100配置成冷卻氣流10以形成冷卻氣流11，如圖5中所示。
[0065]CO2分離單元100還包括與冷卻級110流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴120。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成進一步冷卻冷卻氣流11使得冷卻氣流11中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，如先前詳細地所述。在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120還配置成從冷卻氣流11分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流12和貧CO2氣流13，如圖5中所示。
[0066]在一些實施例中，會聚-發(fā)散噴嘴120配置成基本上形成固體CO2并且從冷卻氣流11分離固體CO2以形成富固體CO2流12。在一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括旋風分離器(未顯示)以收集并且轉(zhuǎn)移富固體CO2流12。在一些實施例中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的CO2分離單元可以消除對進料機泵的需要。
[0067]在一些實施例中，CO2分離單元100還包括膨脹器140，所述膨脹器位于會聚-發(fā)散噴嘴120的下游并且與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通。在一些實施例中，膨脹器140配置成膨脹貧CO2氣流13以形成冷卻貧CO2氣流15，如圖5中所示。在一些實施例中，CO2分離單元100還可以可選地包括閥130，所述閥130位于會聚-發(fā)散噴嘴120的下游和膨脹器140的上游，如圖5中所示。在一些實施例中，閥130可以與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通。根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的閥130的合適例子包括焦耳-湯普森(Joule-Thompson)閥。
[0068]在一些實施例中，CO2分離單元100還包括循環(huán)回路150，所述循環(huán)回路150配置成將冷卻貧CO2氣流15轉(zhuǎn)移到冷卻級110以便冷卻氣流10，如圖5中所示。
[0069]在會聚-發(fā)散噴嘴主要形成固體CO2的一些實施例中，CO2分離單元100還可以包括與會聚-發(fā)散噴嘴120流體連通的液化單元170，如圖5中所示。在一些實施例中，液化單元170配置成液化富固體CO2流12的至少一部分以形成液體CO2流17,如圖5中所示。在一些實施例中，系統(tǒng)100還可以包括配置成形成加壓液體CO2流18和加壓氣體CO2流19的加壓單元180和加熱單元190。在一些實施例中，如圖5中所示，系統(tǒng)100還可以包括循環(huán)回路192，所述循環(huán)回路192配置成將加壓氣體CO2流19的至少一部分循環(huán)到液化單元170。
[0070]該書面描述使用例子來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且也使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它例子。這樣的其它例子旨在屬于權(quán)利要求的范圍內(nèi)，只要它們具有與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者只要它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)區(qū)別的等效結(jié)構(gòu)元件。
【權(quán)利要求】
1.一種用于從氣流分離二氧化碳(CO2)的方法，所述方法包括: (i)在冷卻級中冷卻所述氣流以形成冷卻氣流； (?)在會聚-發(fā)散噴嘴中冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者； (iii)在所述會聚-發(fā)散噴嘴中從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流； (iv)在所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游的膨脹器中膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流；以及 (v)將所述冷卻貧CO2氣流的至少一部分循環(huán)到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括將所述會聚-發(fā)散噴嘴中的冷卻氣體混合物加速到超音速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括將所述會聚-發(fā)散噴嘴中的冷卻氣體混合物加速到亞音速。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣流在所述冷卻級中由所述循環(huán)冷卻貧CO2氣流主要地冷卻。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在步驟(iv)之前使用閥冷卻所述貧CO2氣流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(i)之前所述氣流受到壓縮步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(i)之前所述氣流不受到壓縮步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(ii)包括在所述會聚-發(fā)散噴嘴中冷卻所述氣流以主要形成固體CO2并且步驟(iii)包括從所述冷卻氣流分離所述固體CO2以形成富固體CCV流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括: 在液化單元中液化富固體CO2流的至少一部分以形成液體CO2流， 在加壓單元中加壓所述液體CO2流的至少一部分以形成加壓液體CO2流， 加熱所述加壓液體流的至少一部分以形成加壓氣體CO2流，以及 將所述加壓氣體CO2流的至少一部分循環(huán)到所述液化單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(iii)中分離存在于所述氣流中的至少大約50質(zhì)量百分數(shù)的C02。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述貧CO2氣流基本上沒有co2。
12.一種用于從氣流分離二氧化碳(CO2)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: (a)冷卻級，所述冷卻級配置成冷卻所述氣流以形成冷卻氣流； (b)與所述冷卻級流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴，其中所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成進一步冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，并且其中所述會聚-發(fā)散噴嘴還配置成從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流； (C)膨脹器，所述膨脹器位于所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游并且與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通，其中所述膨脹器配置成膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流；以及 (d)循環(huán)回路，所述循環(huán)回路配置成將所述冷卻貧CO2氣流轉(zhuǎn)移到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成將所述氣流加速到超音速。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成將所述氣流加速到亞音速。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述會聚-發(fā)散噴嘴還包括用于排出所述富CO2流的第一出口和用于排出所述貧CO2氣流的第二出口。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括位于所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游和所述膨脹器的上游的閥，其中所述閥與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成基本上形成固體CO2并且從所述冷卻氣流分離所述固體CO2以形成富固體CO2流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通的液化單元，其中所述液化單元配置成液化所述富固體CO2流的至少一部分以形成液體0)2流。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括: 加壓單元，所述加壓單元配置成形成加壓液體CO2流， 加熱單元，所述加熱單元配置成形成加壓氣體CO2流，以及 循環(huán)單元，所述循環(huán)單元配置成將所述加壓氣體CO2流的至少一部分循環(huán)到所述液化單元。
20.—種發(fā)電系統(tǒng),所述發(fā)電系統(tǒng)包括: (A)燃氣發(fā)動機組件，所述燃氣發(fā)動機組件配置成生成包括二氧化碳(CO2)的氣流；以及 (B)與所述燃氣發(fā)動機組件流體連通的CO2分離單元,所述CO2分離單元包括: (a)冷卻級，所述冷卻級配置成冷卻所述氣流以形成冷卻氣流； (b)與所述冷卻級流體連通的會聚-發(fā)散噴嘴，其中所述會聚-發(fā)散噴嘴配置成進一步冷卻所述冷卻氣流使得所述氣流中的CO2的一部分形成固體CO2和液體CO2之一或兩者，并且其中所述會聚-發(fā)散噴嘴還配置成從所述冷卻氣流分離固體CO2和液體CO2之一或兩者的至少一部分以形成富CO2流和貧CO2氣流； (c)膨脹器，所述膨脹器位于所述會聚-發(fā)散噴嘴的下游并且與所述會聚-發(fā)散噴嘴流體連通，其中所述膨脹器配置成膨脹所述貧CO2氣流以形成冷卻貧CO2氣流；以及 (d)循環(huán)回路，所述循環(huán)回路配置成將所述冷卻貧CO2氣流轉(zhuǎn)移到所述冷卻級以便冷卻所述氣流。
【文檔編號】F25J1/00GK104254382SQ201380021824
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月26日
【發(fā)明者】N.西佩茨, J.M.弗里茨, M.A.岡薩雷斯薩拉扎, R.杜考澤德納澤勒, R.A.施斯勒, V.V.利相斯基, V.米謝拉西 申請人:通用電氣公司