CN101511449A - 回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收方法及装置 - Google Patents
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Abstract
该方法包括：利用液化天然气的冷能将废气冷却至规定温度的步骤，向利用上述液化天然气的冷能冷却至规定温度了的微细冰生成器内喷雾水生成微细冰的步骤，将上述微细冰与冷却后的废气导入到气体水合物生成器中、使上述微细冰与废气中的二氧化碳在该气体水合物生成器内反应生成二氧化碳水合物的步骤。
Description
技术领域
本发明涉及利用LNG(液化天然气)的冷能(
熱)在低温下使废气与粒状的冰接触生成二氧化碳水合物，将废气中的二氧化碳(CO2)固定在气体水合物内，从而回收废气中的二氧化碳的二氧化碳分离回收方法以及装置。
背景技术
近年来，从地球环境保护等方面考虑，开发了回收废气中所含的二氧化碳(CO2)的方法。作为这些方法，例如有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法等。
化学吸收法是利用在摄氏40℃～50℃下吸收二氧化碳、在摄氏100℃～120℃下释放二氧化碳的胺吸收液的性质分离回收二氧化碳的方法。物理吸附法是利用若施加压力则吸附二氧化碳、若减压则分离的沸石的性质分离回收二氧化碳的方法。此外，膜分离法是使用多孔质空心纤维膜(膜)对二氧化碳进行膜分离的方法。
但是，化学吸收法或物理吸附法由于必须进行吸收剂或吸附材料的再生，能量消耗大，所以作为用于固定二氧化碳的二氧化碳分离方法，未必合适。
另一方面，膜分离法是基于分子尺寸进行分离的方法，但是燃烧废气中所含的氮气分子与二氧化碳分子的尺寸为同等程度，所以两者的分离困难。此外，回收的二氧化碳的纯度也低。
此外，提出了利用气体水合物的二氧化碳分离方法(例如，日本特开2001-96133号公报、日本特开平5-38429号公报。)。
但是，利用气体水合物的二氧化碳分离方法，在任意一种情况下都难以从如燃气轮机废气那样二氧化碳的含量稀薄的废气生成含有高浓度的二氧化碳的气体水合物。
发明内容
此外，通过气体水合物的研究表明，例如在摄氏-70℃～-100℃的低温下生成的二氧化碳水合物中，浓缩有60％～80％左右的二氧化碳，在实验室规模的实验中也得到确认。
本发明是基于相关的研究和实验结果而提出的，其目的在于，提供提高一般生成速度极慢的低温下的气体水合物生成反应，并通过有效地利用将燃气轮机复合循环发电设备中用作燃料的LNG气化时舍弃的未利用的冷能，能量消耗少的二氧化碳回收方法以及装置。
为了解决上述问题，本发明如下构成。
方案1涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收方法，该方法是将废气中的二氧化碳形成气体水合物并回收的二氧化碳回收方法，包括：利用液化天然气的冷能将上述废气冷却至规定温度的步骤，向利用上述液化天然气的冷能冷却至规定温度了的微细冰生成器内喷雾水生成微细冰的步骤，将上述微细冰与冷却后的废气导入到气体水合物生成器中、使上述微细冰与废气中的二氧化碳在该气体水合物生成器内反应生成二氧化碳水合物的步骤。
根据该二氧化碳回收方法，在低温下，例如摄氏-70℃～-100℃的低温下，使难以形成气体水合物的冰形成微细冰(例如，0.1μm～10μm)，由此可以在较短的时间内气体水合物化至微细冰的芯。结果是可以有效地回收废气、特别是二氧化碳的含量低(例如3％～4％)的燃气轮机废气中的二氧化碳。
此外，根据该方法，回收将LNG气化时舍弃的未利用的冷能，并有效地利用该冷能，由此可以用能量消耗比以往少的新型方法有效地回收二氧化碳水合物。
方案2涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳分离回收方法，其特征在于，在方案1中，使利用液化天然气的冷能冷却至约-70℃～-100℃的废气与粒径为约0.1μm～10μm的微细冰接触生成二氧化碳水合物。
利用该方法，如方案1涉及的发明中所述，即使是二氧化碳含量低的燃气轮机废气中的二氧化碳也可以有效地回收。
此外，利用该方法，回收将LNG气化时舍弃的未利用的冷能，并有效地利用该冷能，由此可以用能量消耗比以往少的新型方法有效地回收二氧化碳水合物。
另一方面，方案3涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，该装置是将废气中的二氧化碳形成气体水合物并回收的二氧化碳回收装置，包括：喷雾嘴、利用液化天然气的冷能使从该喷雾嘴喷雾的微粒状水滴结冰生成微细冰的微细冰生成器、导入上述微细冰和利用液化天然气的冷能冷却了的废气生成二氧化碳水合物的气体水合物生成器。
利用上述发明，与方法的发明同样地，在低温下、例如摄氏-70℃～-100℃的低温下，使难以形成气体水合物的冰形成微细冰，由此可以在较短时间内气体水合物化至微细冰的芯。结果可以有效地回收废气、特别是二氧化碳的含量为3％～4％左右的燃气轮机废气中的二氧化碳。
此外，利用该装置，回收将LNG气化时舍弃的未利用的冷能，并有效地利用该冷能，由此可以用能量消耗比以往少的新型装置有效地回收二氧化碳水合物。
方案4涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，其特征在于，在方案3中，使气体水合物生成器内的废气在上述气体水合物生成器和外部的循环气体冷却器之间循环，并且通过利用液化天然气的冷能的上述循环气体冷却器将上述废气冷却。
利用上述发明，可以将气体水合物生成器内保持在规定的温度，从而可以促进气体水合物生成器内气体水合物的生成。
方案5涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，其特征在于，在方案3中，用利用液化天然气的冷能冷却了的废气除去气体水合物生成器内产生的反应热。
利用上述发明，可以提高废气中的二氧化碳与微细冰的反应，从而可以有效地生成二氧化碳水合物。
方案6涉及的发明是回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，该装置包括：用二氧化碳分离回收后且减压至大气压附近的低温、低压的废气对废气进行预冷的废气预冷器，将用该废气预冷器预冷后的低温废气升压至生成气体水合物所必需的压力的废气压缩机，将用该废气压缩机压缩了的废气用二氧化碳分离回收后的低温、高压废气再冷却的废气再冷却器，使通过上述废气再冷却器升温过的高压废气膨胀至大气压的废气膨胀机，和气体水合物生成装置，并且上述气体水合物生成装置由将生成水加压至反应所必需的压力的生成水泵、将上述废气的一部分加压至生成水的喷雾所必需的辅助气体压力的辅助气体压缩机、导入上述生成水和辅助气体将生成水形成微粒的喷雾嘴、将通过该喷雾嘴形成了微粒的水滴利用液化天然气的冷能冷冻生成微细冰的微细冰生成器、导入上述微细冰和利用液化天然气的冷能冷却了的废气的多个反应容器蜿蜒状连接而成的气体水合物生成器、将上述反应容器通过连通管实质上连接成环状的废气循环回路、将在上述多个反应容器中循环的废气通过液化天然气冷却的循环气体冷却器构成。
利用上述发明，与方法的发明同样地，在低温下、例如摄氏-70℃～-100℃左右的低温下，使难以形成气体水合物的冰形成微细冰，由此可以在较短的时间内气体水合物化至微细冰的芯。结果是可以有效地回收废气、特别是二氧化碳的含量为3％～4％左右的燃气轮机废气中的二氧化碳。
此外，利用上述装置，回收将LNG气化时舍弃的未利用的冷能，并有效地利用该冷能，由此可以用能量消耗比以往少的新型装置有效地回收二氧化碳水合物。
附图说明
[图1]是本发明涉及的二氧化碳分离回收方法的系统流程图。
[图2]是本发明涉及的二氧化碳分离回收装置的结构图。
具体实施方式
以下使用附图对本发明的实施方式进行说明。
该实施方式中，取以燃气轮机复合循环发电设备作为废气发生源的例子，但是不限于该例子。
如图1所示，实施本发明涉及的二氧化碳分离回收方法的设备主要由燃气轮机复合循环发电设备10、废气预冷却器11、废气压缩机12、废气再冷却器13、二氧化碳水合物生成装置(也称为“二氧化碳分离回收装置”)14和废气膨胀机15构成。
图1中，单划线箭头表示二氧化碳分离回收前的废气的流向，双划线箭头表示二氧化碳分离回收后的废气的流向。
从上述燃气轮机复合循环发电设备10排出的废气1a(二氧化碳含量：3％～4％、温度：约100℃、压力：约0.1MPa)通过废气预冷器11预冷至规定的温度。在该废气1a的预冷中，使用从二氧化碳水合物生成装置14排出后、通过废气膨胀机15减压至大气压附近(例如0.1MPa)的二氧化碳分离回收后的低温、低压的废气1e。
用上述废气预冷器11预冷后的低温、低压的废气1c，使用废气压缩机12升压至生成气体水合物所必需的压力(例如，2MPa)。将通过上述废气压缩机12升压过的废气1d导入到废气再冷却器13中，用从二氧化碳水合物生成装置14排出的二氧化碳分离回收后的高压、低温(例如，2MPa、-70℃左右)的废气1b再冷却。
用上述废气再冷却器13再冷却后的高压、低温(例如2MPa、-70℃)的废气1f，与利用LNG的冷能生成的微细冰反应形成二氧化碳水合物c。符号w表示用于制备微细冰的生成水。
结果，废气中的二氧化碳的60％～80％进入到该二氧化碳水合物c中，相应地，从烟囱16排出的废气1g中的二氧化碳的浓度降低。在上述废气再冷却器15中升温了的二氧化碳分离回收后的废气1g从烟囱16释放到大气中。
接着使用图2对本发明涉及的二氧化碳分离回收装置进行说明。
该二氧化碳分离回收装置由燃气轮机复合循环发电设备10、废气预冷却器11、废气压缩机12、废气再冷却器13、二氧化碳水合物生成装置14和废气膨胀机15构成。
而且，上述二氧化碳水合物生成装置14由生成水泵20、辅助气体压缩机21、2流体喷雾嘴22、微细冰生成器23、气体水合物生成器24、废气循环回路25、利用LNG的冷能的循环气体冷却器26构成。
另一方面，将从上述燃气轮机复合循环发电设备10排出的废气1a供给到二氧化碳水合物生成装置14中的废气供给管28，经过废气预冷却器11、废气压缩机12、废气再冷却器13与废气循环回路25连接。
此外，从上述废气供给管28分支的支管29经过辅助气体压缩机21到达微细冰生成器23的2流体喷雾嘴22。此外，与上述废气循环回路25连接的废气排出管30经过废气再冷却器13、废气膨胀机15、废气预冷却器11与未图示的烟囱连接。
此外，上述微细冰生成器23的2流体喷雾嘴22与给水管31连接。进一步地，回收在上述废气预冷却器11内产生的水的水回收管32与上述给水管31连接。
此外，上述燃气轮机复合循环发电设备10由发电机35、吸气压缩机36、废气膨胀机37、燃烧器38和废热锅炉39构成。而且，通过废气膨胀机37驱动发电机35，通过上述发电机17进行发电。
从上述燃气轮机复合循环发电设备10的废气膨胀机37排出的废气通过废热锅炉39热回收后，变成低温、常压(例如，373K(100℃)、0.1MPa)的废气1a，被供给到废气预冷却器11中。
该供给到废气预冷器11中的废气1a，使用二氧化碳分离回收后的低温、低压的废气1e预冷。该废气1e是从二氧化碳水合物生成装置14排出并通过废气膨胀机15减压至大气压附近(例如，0.1MPa)的低温、低压的气体。
将用上述废气预冷却器11预冷(例如，-40℃～-50℃)过的低温废气1c使用废气压缩机12升压至生成气体水合物所必需的压力(例如，2MPa)。
将通过上述废气压缩机12压缩过的废气1d导入到废气再冷却器13中，通过从后述的二氧化碳水合物生成装置14排出的二氧化碳分离回收后的低温、高压(例如，203K(-70℃)、2MPa)的废气1b再冷却。
该低温、高压的废气1b，将用废气压缩机12升压过的废气1d再冷却后，经过废气膨胀机15从未图示的烟囱释放到大气中。此时的释放气体1g的压力例如为0.1MPa左右。
而且，上述发明中，通过上述废气膨胀机15驱动废气压缩机12和发电机17，通过上述发电机17进行发电。
上述二氧化碳水合物生成装置14，如已经说明的，由生成水泵20、辅助气体压缩机21、2流体喷雾嘴22、微细冰生成器23、气体水合物生成器24、废气循环回路25、循环气体冷却器26构成。
用于生成二氧化碳水合物的生成水w，通过生成水泵20加压至反应所必需的压力。另一方面，通过废气再冷却器13再冷却了的废气1f的一部分通过辅助气体压缩机21加压至生成水w的喷雾所必需的辅助气体压力(例如，2.3MPa)。
上述微细冰生成器23在其内部具有2流体喷雾嘴22。该2流体喷雾嘴22从通过辅助气体1h的导入而打开阀的喷嘴孔(未图示)将生成水w喷雾成微粒状。
此外，该微细冰生成器23在其外侧具有冷却夹套27，将从喷雾嘴22喷雾的微粒状的水利用LNG(液化天然气)的冷能瞬间冷冻，生成微细冰(例如，0.1μm～10μm)i。
其中，若微细冰i的粒径超过10μm，则由于气体水合物化至微细冰的芯需要消耗时间，无可非议这是工业上避免的方法。而且，上述冷却夹套27，用利用LNG的冷能冷却至规定温度了的冷能剂a作为冷能剂。
上述气体水合物生成器24由以蜿蜒状配置的多个反应容器41a～41d构成。这些反应容器41a～41d初看是并列排列，但实质上是串联连接。
即，最上段的反应容器41a的左端部(上游端)通过连通管42a与微细冰生成器23的出口连接，最上段的反应容器41a的右端部(下游端)通过连通管42与第2段的反应容器41b的右端部(上游端)连通。此外，该第2段的反应容器41b的左端部(下游端)通过连通管42与第3段的反应容器41c的左端部(上游端)连通。进一步地，该第3段的反应容器41c的右端部(下游端)通过连通管42与第4段(最下段)的反应容器41d的右端部(上游端)连通。而且，最下段的反应容器41d在其左端部(下游端)具有排出管43。
另一方面，上述废气循环回路25沿着上述多个反应容器41a～41d使废气1f循环，用于形成循环回路的配管45的一端与最上段的反应容器41a的左端部连接，另一端与最下段的反应容器41d的右端部连接。进一步地，最上段的反应容器41a与第2段的反应容器41b，其左端部之间通过连通管46a连通，第2段的反应容器41b与第3段反应容器41c，其右端部之间通过连通管46b连通，第3段的反应容器41c与最下段的反应容器41d，其左端部之间通过连通管46c连通。
上述反应容器41a～41d分别具有搅拌机47，搅拌反应容器41a～41d内的微细冰i，促进微细冰i与废气1f的反应。
而且，将从上述燃气轮机复合循环发电设备10排出的废气1a(二氧化碳含量：3％～4％、温度：100℃、压力：0.1MPa)导入到废气预冷器11中，在该废气预冷器11中用低温、低压(例如，0.1MPa)的废气1e进行预冷。
将用上述废气预冷器11预冷后的低温、低压(例如，-40℃～-50℃、0.1MPa)的废气1c，使用废气压缩机12升压至生成气体水合物所必需的压力(例如，2MPa)。将用废气压缩机12升压过的废气1d供给到废气再冷却器13中，在该废气再冷却器13中被从废气水合物生成装置14排出的二氧化碳分离回收后的低温、高压(例如，-70℃、2MPa)的废气1b再冷却。
将用上述废气再冷却器13再冷却过的低温、高压(例如-70℃、2MPa)的废气1f的一部分通过辅助气体压缩机21升压至规定的压力(例如，2.3MPa)。
若将该辅助气体1f供给到2流体喷雾嘴22，则如已经说明的，内置在2流体喷雾嘴22内的阀门打开，将通过生成水泵20加压了的生成水w以微粒状喷雾到微细冰生成器23内。由于微细冰生成器23的内部通过冷却夹套27冷却至规定的温度(例如，-30℃～-50℃)，该微细粒状的水瞬间冷冻变成微细冰i。
该微细冰i被供给到废气水合物生成器24的最上段的反应容器41a的上游端后，边用搅拌机47搅拌边转移到下游端。另一方面，将从废气供给管28供给到回路形成用配管45的高压(例如，2MPa)废气1f通过利用LNG(b)的冷能的循环气体冷却机26冷却至规定的温度(例如，203K(-70℃)～173K(-100℃))后，供给到最上段的反应容器41a的下游端。
上述微细冰i从最上段的反应容器41a朝着最下段的反应容器41d依次转移，最终从设置在最下段的反应容器41d上的排出管43排出到系统外，在以锯齿状通过多个反应容器41a～41d的过程中、与废气1f中所含的二氧化碳反应，形成二氧化碳水合物c。
结果废气中的二氧化碳60％～80％进入到该二氧化碳水合物c中。因此，相应地，从烟囱16排出的废气中的二氧化碳的浓度降低。此外，废气中的二氧化碳与微细冰i反应时产生的反应热通过废气1f的冷能除去。
另一方面，废气1f按照废气循环回路25的路径循环，但是其一部分经过已经说明的废气排出管30释放到大气中。
工业实用性
不限于燃气轮机复合循环发电设备，可以广泛适用于焚烧炉等排出二氧化碳的设备中。
Claims (6)
1.回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收方法，是将废气中的二氧化碳形成气体水合物并回收的二氧化碳回收方法，包括：利用液化天然气的冷能将所述废气冷却至规定温度的步骤，向利用所述液化天然气的冷能冷却至规定温度了的微细冰生成器内喷雾水生成微细冰的步骤，将所述微细冰与冷却后的废气导入到气体水合物生成器中、使所述微细冰与废气中的二氧化碳在该气体水合物生成器内反应生成二氧化碳水合物的步骤。
2.如权利要求1所述的回收废气中的二氧化碳的二氧化碳分离回收方法，其特征在于，使利用液化天然气的冷能冷却至约-70℃～-100℃了的废气与粒径为约0.1μm～10μm的微细冰接触生成二氧化碳水合物。
3.回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，是将废气中的二氧化碳形成气体水合物并回收的二氧化碳回收装置，包括：喷雾嘴、利用液化天然气的冷能使从该喷雾嘴喷雾的微粒状的水滴结冰生成微细冰的微细冰生成器、导入所述微细冰与利用液化天然气的冷能冷却了的废气生成二氧化碳水合物的气体水合物生成器。
4.如权利要求3所述的回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，其特征在于，使气体水合物生成器内的废气在所述气体水合物生成器和外部的循环气体冷却器之间循环，并且通过利用液化天然气的冷能的所述循环气体冷却器将所述废气冷却。
5.如权利要求3所述的回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，其特征在于，使用利用液化天然气的冷能冷却了的废气除去气体水合物生成器内产生的反应热。
6.回收废气中的二氧化碳的二氧化碳回收装置，包括：用二氧化碳分离回收后且减压至大气压附近的低温、低压的废气对废气进行预冷的废气预冷器，将用该废气预冷器预冷后的低温废气升压至生成气体水合物所必需的压力的废气压缩机，将用该废气压缩机压缩过的废气用二氧化碳分离回收后的低温、高压的废气再冷却的废气再冷却器，使通过所述废气再冷却器升温过的高压废气膨胀至大气压的废气膨胀机，和气体水合物生成装置，
并且，所述气体水合物生成装置由将生成水加压至反应所必需的压力的生成水泵、将所述废气的一部分加压至生成水的喷雾所必需的辅助气体压力的辅助气体压缩机、导入所述生成水和辅助气体将生成水形成微粒的喷雾嘴、将通过该喷雾嘴形成了微粒的水滴利用液化天然气的冷能冷冻生成微细冰的微细冰生成器、导入所述微细冰和利用液化天然气的冷能冷却了的废气的多个反应容器蜿蜒状连接而成的气体水合物生成器、将所述反应容器通过连通管实质上连接成环状的废气循环回路、以及将在上述多个反应容器中循环的废气通过液化天然气冷却的循环气体冷却器构成。
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