CN101522286B - 从气流中分离co2的方法、用于实施该方法的co2分离装置、用于co2分离装置的涡流式喷嘴以及该co2分离装置的应用 - Google Patents
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Abstract
一种从气流，尤其是从用化石燃料工作的燃烧过程的废气流中分离CO2的方法，其特征在于，该气流在第一步骤中被压缩，压缩的气流在第二步骤中被冷却下来，冷却下来的气流在第三步骤中被供入涡流式喷嘴(17’)中，并在涡流式喷嘴(17)中从该气流中分离出CO2，以及在第四步骤中，在涡流式喷嘴(17)中分离的CO2从涡流式喷嘴(17)中排出，以单独地进一步处理。
Description
技术领域
本发明与气候保护技术领域有关。本发明涉及从气流中分离CO2的方法、实施该方法的CO2分离装置、用于此类CO2分离装置的涡流式喷嘴以及CO2分离装置的各种应用。
背景技术
环境意识提高和具有CO2证书的商业引入已导致分离CO2的技术对于商业应用变得愈发引人注意。早先已提出解决方案，其中一些基于化学工艺(例如“MEA涤气”)或者基于物理原理(例如“冻结”)。
此外，现有技术公开了流体的分离方法，该方法通过产生超声涡流来工作。WO-A2-03/029739描述了相应的旋风式流体分离器。US-A1-2003/0145724公开了一种类似的装置。尽管在后面提到的公开文本[0017]段中的一系列应用可能性也指用于从烟道气除去CO2和其他气体的分离器的原理性应用可能性，但关于相应的装置必须如何建造和构造也完全保持开放。
解决CO2问题重要的是：相应的技术方法经济上是合理的，带来低的投资成本，并且对相关的产生CO2的装置(例如发电厂)的效率具有尽可能低的负面作用。
发明描述
本发明的目的是建议一种实践中可有利使用的分离CO2的方法，以及公开包括所需涡流式喷嘴的相关装置及其应用可能性。
该目的通过权利要求1、14、20、27、28、31和32的特征整体而达到。本发明主要在于：从化石燃料燃烧期间作为废气或烟道气形成的气流中分离CO2，该气流在第一步骤中被压缩，压缩的气流在第二步骤中被冷却下来，冷却下来的气流在第三步骤中被供入涡流式喷嘴中，并在涡流式喷嘴中从气流中分离出CO2，以及在第四步骤中，在涡流式喷嘴中分离的CO2从该涡流式喷嘴中排出，以单独地进一步处理。
本发明方法一个方案的特征在于：在第二步骤内，压缩的气流首先在用冷却水工作的换热器中预冷却，并且在换热器中预冷却的气流通过至少一个用压缩机、冷凝器、减压阀和蒸发器工作的制冷循环来进一步冷却。
为了进一步冷却，预冷却的气流特别可通过两个用压缩机、冷凝器、减压阀和蒸发器工作的串联制冷循环进一步冷却。
根据一个优选的改进，为了进一步冷却，预冷却的气流被分别传输通过一个或多个制冷循环的一个或多个蒸发器。
本发明方法另一方案的特征在于，所述气流大约以室温供入压缩，并且压缩后在换热器中再次预冷却大约至室温。
另一改进的特征在于，所述气流通过第一制冷循环仅进一步冷却到这种程度，即在相关的换热器中水没有从气流中冻结出来，并且气流通过第二制冷循环进一步冷却至约-50℃的温度，其中第二制冷循环的蒸发器以一定的时间间隔除冰从而除去冰，并且为了蒸发器除冰，将用冷却水工作的换热器中的气流预冷却中断。
根据本发明方法的另一方案，从涡流式喷嘴中出来的低CO2含量的气流被传输通过第二制冷循环的冷凝器，从而冷却第二制冷循环中的冷却剂。
另一方案的特征在于，在涡流式喷嘴中分离的CO2为了液化被供入液化装置中。
本发明方法另一方案的特征在于，首先将在涡流式喷嘴进口段中的冷却下来的气流设定为绕着涡流式喷嘴的轴旋转，然后使所形成的旋转流的直径变小，然后将直径变小的旋转流传输通过具有恒定直径的涡流式喷嘴的中段，其中CO2富集于涡流式喷嘴的外缘区域，并且在尾段前的中段末端，富集的CO2在位于涡流式喷嘴外周的CO2出口分离出来，其中在涡流式喷嘴的尾段，通过扩大直径来增加流向出气口的气流的压力。
本发明CO2分离装置的一个方案的特征在于，在涡流式喷嘴上游设置的多个冷却装置包括至少一个冷却水流过的换热器和至少一个在换热器之后连接的并用压缩机、冷凝器、减压阀和蒸发器工作的制冷循环。
优选在换热器之后连接两个串联设置的、分别用压缩机、冷凝器、减压阀和蒸发器工作的制冷循环，其中第一制冷循环的冷凝器被冷却水流过，并且第二制冷循环的冷凝器被从涡流式喷嘴流出的低CO2含量的气流流过，其中制冷循环的两个压缩机由共同的发动机所驱动。尤其是涡流式喷嘴之后可连接用于使分离的CO2液化的液化装置。
本发明涡流式喷嘴一个方案的特征在于，为了施加旋转，在进口段设置放射状设置的入口导向叶片，并且该入口导向叶片构造成可调节的。
另一方案的特征在于，在涡流式喷嘴外周上的中段和尾段之间设置CO2-出口。
尤其是在涡流式喷嘴的进口段可以设置措施来加速周围方向的气流，其中，加速措施或者包含同心的环形喷嘴，通过该环形喷嘴将空气沿着与涡流式喷嘴中气流旋转匹配的方向喷入，或者包含绕着涡流式喷嘴的轴旋转的壁段，其旋转速度与涡流式喷嘴中气流的旋转匹配。
从属权利要求给出其它方案。
附图简述
以下借助实施例并结合附图更详细地阐释本发明。附图为：
图1表示根据本发明一个实施例的CO2分离装置的简化流程图；
图2表示根据本发明优选实施例的涡流式喷嘴的三分图2(a)，2(b)和2(c)，轴视图(图2(a))，纵截面(图2(b)和带有不同标示的位置(A，..，E)以解释功能的侧透视图(图2(c))；
图3表示促进流进涡流式喷嘴中的气流涡流的两种可能性的两个分图3(a)和3(b)；
图4表示图1的CO2分离装置在蒸汽发电厂中的应用；
图5表示图1的CO2分离装置在组合发电厂中的应用；
图6表示图1的CO2分离装置在带有废气循环的组合发电厂中的应用；
图7表示图1的CO2分离装置在电力-热耦合装置或在带有内燃机的交通工具中的应用；
图8表示图1的CO2分离装置在建筑物供热中的应用；
图9表示可代替图1的CO2分离装置，其中，在压缩机的下游设置涡流式喷嘴；
图10表示可代替图9的CO2分离装置，其中压缩机在涡流式喷嘴下游设置和涡轮机在涡流式喷嘴上游设置；和
图11表示可代替图10的CO2分离装置，其中涡轮机和压缩机设置在共同的轴上。
本发明的实施方式
本发明涉及从机器或装置的废气或烟道气中分离CO2，该机器或装置以碳(例如炭)或烃类(例如甲烷，甲醇，乙醇等)用作燃料。在所述机器或装置中，燃料氧化，从而形成CO2。在氧化过程中产生的热或者转化成机械能或电能(例如通过发电机)，或者直接用作工艺热或用于加热(例如建筑物)。这种机器或装置可以是烧炭的或烧气或烧油的发电厂(例如燃气轮机)，组合发电厂，固定式柴油机，建筑物供热或车辆发动机等。
本发明的原理在于处理富集有CO2的废气或烟道气，这包括以下步骤：
(1)废气或烟道气通过换热器冷却到环境温度(约20℃-25℃)；
(2)废气或烟道气压缩到大约2-3bar的压力水平；
(3)压缩的废气或烟道气再冷却到环境温度；
(4)废气或烟道气通过制冷循环而aktiv冷却到大约-40℃至-50℃的温度；
(5)冷却的废气或烟道气然后在涡流式喷嘴中通过在涡流中以超音速快速膨胀而这么强地冷却，从而形成固体CO2颗粒；
(6)通过离心作用使CO2在外壁上富集；
(7)富集的CO2从涡流式喷嘴中取出以进一步处理；和
(8)从涡流式喷嘴中出来的余气的寒冷(
)在换热器中被回收，并返回aktiven制冷循环中。
图1表示根据本发明一个实施例的CO2分离装置的简化流程图。在大约25℃的环境温度下，富集CO2的废气通过入口11进入CO2分离装置10中。废气(或烟道气)首先在由发动机12驱动的压缩机13中被压缩，并在此过程中被加热。压缩后，气体通过冷却水工作的换热器被冷却到大约25℃。之后气体进入aktive冷却装置中，该冷却装置包括两个串联的制冷循环CC1和CC2。每个制冷循环CC1，CC2都由蒸发器14或15，压缩机24或25，冷凝器21或26和减压阀22或27构成。
第一制冷循环CC1从第一蒸发器15的废气中取出热量，并将该热量释放给流过第一冷凝器26的冷却水。这样选择第一蒸发器15的出口温度，使得在第一蒸发器15的换热器表面上可以不冻结出水。然后废气流过第二制冷循环CC2的第二蒸发器16。第二蒸发器16使废气的温度降低到大约-50℃。为了减小第二制冷循环CC2的能耗，该循环的冷凝器21设置在涡流式喷嘴17的出口处，以便利用在那出来的余气的寒冷(
)。两个制冷循环CC1和CC2通过压缩机24，25保持运转，在实施例中它们由共同的发动机23驱动。由于第二蒸发器16处低温的原因，废气中的残留水以冰膜形式沉积在那儿的换热器表面上。因此需要除冰过程，其中，以一定的时间间隔减少换热器14中的水冷却或者完全断开。然后温度大约100℃的废气流进蒸发器16中，这导致除冰。除冰需要整个运行使用的大约1％。
离开第二蒸发器16后，废气进入一个(或多个平行工作的)涡流式喷嘴17中，在那里，(如以下进一步解释)通过加速而进一步冷却。该进一步冷却导致CO2从废气中分离出来。从涡流式喷嘴17中取出CO2，然后导入液化装置18中，在那被液化，并被处理以在管线(Pipeline)19中进一步传输。
图1的CO2分离装置10的主要部件是涡流式喷嘴17，在图2中以不同的视图表示。涡流式喷嘴17同轴构造，并沿着轴38延伸。它具有同心设置的内壁29和外壁28，在它们之间形成废气流的环形通道。涡流式喷嘴17分成直径逐渐减小的进口段30，恒定(或者略微增大或减小的)直径的中段32，和直径又快速变宽的尾段34。图2(a)表示轴向观看方向的进口段30，其具有在入口区域设置的放射状起作用的入口导向叶片31。图2(b)表示涡流式喷嘴17的纵截面。
废气(烟道气)从左边进入直径R1的涡流式喷嘴17中。通过可调节形成的入口导向叶片31，压迫废气流绕着轴38旋转移动(图2(c)中的位置A)。然后将废气导入半径较小的段中，该半径由中段区域32的外壁28的半径R2i和内壁29的R2o来确定。由于保持着旋转脉冲，因而旋转速度增加到超声值(图2(c)中的位置B)。随着废气的静态温度下降到大约100K，动能增加(图2(c)中的位置C)。这里涡流式喷嘴轴向方向的平均速度总是在亚音速范围内。
当在给定的分压下静态温度下降到CO2的饱和温度以下时，则在废气中随机形成CO2-冰的微粒(图2(c)中的位置D)。CO2的消升华(Desublimation)热被废气吸收。向废气供入能量导致温度升高，这最终抑制了消升华。不过，通过将喷嘴中间部分的流缓慢导向较小的半径可以控制温度升高。在此情况下，通过消升华而释放的能量以其它动能形式储存。CO2-冰微粒通过旋转移动而向涡流式喷嘴17的外壁28离心。由于旋转速度与半径成反比，因此在外区中的静态温度高于核心流。因此一部分CO2-冰升华回气相。通过尾段34中的流返回较大的半径(气体出口35中的R3；图2(c)中的位置E)，该作用得以强化。
CO2-微粒重新升华的原因在于，在微粒形成时在释放消升华热时损失的总压又被获得。由此限制了涡流式喷嘴17中的总压力损失，与此有关的是在压缩机13中必须消耗的压缩功。
气态CO2一直集中于涡流式喷嘴17的外区，因为其(1)具有比空气高50％的密度，和(2)产生离心的流场力，这大约相当于重力加速的50000倍。浓缩的CO2通过涡流式喷嘴17外壁28上的缝隙取出，并经过CO2-出口33供入液化装置(图1中的18)。将压缩CO2时残留的废气份额分离掉，所得的液体经管线(图1中的19)排出。
在CO2-分离时的主要能耗与压缩机13有关，其升高制冷循环CC1和CC2的蒸发器15，16之前的总压。该升高的总压是为了补偿换热器中以及尤其是涡流式喷嘴17中的压力损失所必需的。由于涡流式喷嘴中的速度主要朝向周围，因此，流的壁摩擦通过速度的方位角分量来控制。为了使壁摩擦最小，可以采用两种途径，例如在图3(a)和图3(b)中所示。
根据图3(a)，在涡流式喷嘴17’情况下，空气通过环状缝隙(环形喷嘴36)，以相应于核心流的涡流角的角度喷入壁中。因此所述流在方位角方向加速，因此减少了总压力损失。缝隙可以数个同心地设置在内壁29和/或外壁28上。通过间隔地排列各个壁元件而产生缝隙。壁元件之间的间隔通过肋条保持，这样设置肋条，使得喷入的空气达到所希望的涡流角。
根据图3(b)，对于涡流式喷嘴17”，对流进行类似的加速可以通过旋转外壁和/或内壁28或29来实现，其中，旋转速度对准核心流的涡流速度。这与半径成反比。由于壁的固体旋转整体上直接正比于半径，因此通过将壁分成单个、独立旋转的壁元件37可以更好协调速度。
两种技术(吹入和旋转)既可用在内壁29上，也可用在外壁28上。虽然附图只说明喷嘴入口区域的原理，但两种技术也可既在外部也在内部用于主要地正中间部分和在最后的尾段34。
涡流式喷嘴17的尾段34起到扩散器作用，将流的速度刹低，然后以该速度离开涡流式喷嘴。该段主要对总压损失负责，其必须由压缩机13获得。该扩散可以通过设置出口导向叶片来增强，该出口导向叶片将残留的涡流转化成静态压力升高。
带有一个或多个根据图2和3的涡流式喷嘴的图1的CO2分离装置10可以以不同方式用于处理废气或烟道气。图4表示CO2分离装置10集成于烧炭的、用汽轮机工作的蒸汽发电厂40中。经燃料供料44提供的炭在锅炉41中燃烧，锅炉包括燃烧室43和蒸汽发生器42。蒸汽发生器为朗肯(Rankine)循环工艺提供高压蒸汽和高温。烟道气以大约200℃离开锅炉41。烟道气在冷却水流过的换热器39中冷却下来，以便将CO2分离装置10入口处的烟道气温度降低到大约25℃。
图5和6表示将CO2分离装置10集成于装备燃气轮机46的组合发电厂50或60中的两种示例性可能性。在图5实施例中，燃气轮机46的压缩机49压缩经空气供料47供入的环境空气，在燃烧室51中通过燃烧烃类(例如天然气，油，合成气等)来加热该环境空气，并在涡轮机52中在驱动压缩机49和发电机48的功率下使热气减压。为了回收在加热100℃以上的涡轮机52的废气中含有的热量，使用经废气管线53后连接的废热蒸汽发生器(HRSG)45，其为朗肯循环工艺产生蒸汽。废气以大约100℃的温度离开废热蒸汽发生器45。在冷却水流过的换热器39中又将该废气冷却下来，从而将CO2分离装置10入口处的烟道气温度降低到大约25℃。
图5的组合发电厂50的变体是图6的组合发电厂60。在此，一部分废气在位于换热器39之后的废气管线54中的分路55处分出去，并经再循环56返回压缩机49的入口。结果，供入CO2分离装置10的废气中的CO2份额增加，而废气整体上减少。因此，CO2分离装置10中的压缩机13的能耗降低。这两种方案也可以应用于带有顺序燃烧的燃气轮机(例如申请人的GT24/GT26型)。
图7表示图1的CO2分离装置10集成于例如装备有内燃机(柴油机)59的电力-热耦合装置64的一个实例，内燃机59经燃料供料61获得燃料。这种装置可以向较大建筑物或住宅群供应热量和电流(Strom)。内燃机59通过环境空气燃烧烃类(例如柴油机-燃料)，并产生机械能或电能。废气在500-800℃高温下离开发动机。由于这种温度下的热量对于家庭供暖而言不是有效的，所以使用动力回路PC，其包括蒸发器58，Leistungs涡轮机63，冷凝器68和泵62。在冷凝器68中释放的热量在此被用于加热目的。废气流过动力回路PC的蒸发器58，并为了加热目的而向后连接的水冷却的换热器57放出更多热量。然后CO2分离装置10入口处的废气温度又是大约25℃。动力回路PC的Leistungs涡轮机63在此可以驱动CO2-分离装置10的压缩机13。图7的装置流程图也可以用于带有内燃机的陆上交通工具或水用交通工具上。
Exergetisch最无效的利用化石燃料的途经是使其简单燃烧以达到加热目的。根据图8，在建筑物供热66情况下，重沸器(Heizkessel)65通过燃料供料67而供应燃料(炭，油，天然气等)。在此情况下，在废气中存在的CO2可以没有能量损失地分开，因为加热提供经动力回路PC驱动CO2分离装置10的压缩机13所需的能量。不将高温热直接用于加热，而将其输入动力回路，部分转化成机械能，然后在较低温度下取出用于加热目的(冷凝器68)。在此情况下，图8的流程图类似于图7的流程图。
同样可想到其它方案：
-根据图10或11，CO2分离装置10b或10c情况下，废气流可以通过涡轮机70减压，从而在涡流式喷嘴17之前进行初始冷却。在涡流式喷嘴中，该流进一步减压，取出CO2，通过后连接的压缩机13将该流再压缩到大气压力。在图10的变体情况下，压缩机13和涡轮机70分开。涡轮机70带动发电机69。在图11的变体中，涡轮机70和压缩机13设置在共同的轴上。
-但废气流也可以根据图9那样直接在涡流式喷嘴17中减压，然后通过在涡流式喷嘴17之后设置的压缩机13再压缩到大气压力。
附图标记列表
10，10a，b，c CO2分离装置
11 入口
12 发动机
13 缩机
14，39 换热器
15，16 蒸发器
17，17’，17” 涡流式喷嘴
18 液化装置
19 管线
20 出口
21，26 冷凝器
22，27 减压阀
23 发动机
24，25 压缩机
28 外壁
29 内壁
30 进口段(入口)
31 入口导向叶片
32 中段
33 CO2-出口
34 尾段
35 气体出口
36 环形喷嘴
37 壁段(旋转的)
38 轴
40 蒸汽发电厂(烧炭的)
41 锅炉
42 蒸汽发生器
43 燃烧室
44，61 燃料供料
45 废热蒸汽发生器
46 燃气轮机
47 空气供料
48 发电机
49 缩机
50，60 组合发电厂
51 燃烧室
52 涡轮机
53，54 废气导管
55 分路
56 循环
57 换热器
58 蒸发器
59 内燃机
61，67 燃料供料
62 减压阀
63 Leistungs涡轮机
64 电力-热耦合装置
65 重沸器
66 建筑物供热
68 冷凝器
69 发电机
70 涡轮机
A，..，E 位置
CC1，CC2 制冷循环
PC 动力回路
Claims (16)
1.从气流中分离CO2的方法，其特征在于，该气流在第一步骤中被压缩，压缩的气流在第二步骤中被冷却下来，冷却下来的气流在第三步骤中被供入具有环形通道(28，29)的涡流式喷嘴(17，17’，17”)中，并在涡流式喷嘴(17，17’，17”)中从该气流中分离出CO2，以及在第四步骤中，在涡流式喷嘴(17，17’，17”)中分离的CO2从涡流式喷嘴(17，17’，17”)中排出，以单独地进一步处理。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法是从用化石燃料工作的燃烧过程的废气流中分离CO2的方法。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，在第二步骤内，压缩的气流首先在用冷却水工作的换热器(14)中预冷却，和/或在第二步骤内，在换热器(14)中预冷却的气流通过至少两个用压缩机(24，25)、冷凝器(21，26)、减压阀(22，27)和蒸发器(15，16)工作的串联制冷循环(CC1，CC2)进一步冷却。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述气流通过第一制冷循环(CC1)仅进一步冷却到这种程度，使得在相关的换热器(15)中水没有从气流中冻结出来，并且气流通过第二制冷循环(CC2)进一步冷却至约-50℃的温度。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，从涡流式喷嘴(17，17’，17”)中出来的低CO2含量的气流被传输通过第二制冷循环(CC2)的冷凝器(21)，从而冷却第二制冷循环(CC2)中的冷却剂。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，首先将在具有环形通道(28，29)的涡流式喷嘴(17，17’，17”)进口段(30)中的冷却下来的气流设定为绕着涡流式喷嘴(17，17’，17”)的轴(38)旋转，然后使所形成的旋转流的直径变小，然后将直径变小的旋转流传输通过具有恒定直径的涡流式喷嘴(17，17’，17”)的中段(32)，其中CO2富集于涡流式喷嘴(17，17’，17”)的外缘区域，并且在尾段(34)前的中段(32)末端，富集的CO2在位于涡流式喷嘴(17，17’，17”)外周的CO2出口(33)分离出来。
7.实施根据权利要求1至6之一的方法的CO2分离装置(10，10a，10b，10c)，其特征在于，CO2分离装置(10)包括气流流过的、具有环形通道(28，29)的涡流式喷嘴(17，17’，17”)，在涡流式喷嘴(17，17’，17”)上游或下游设置的压缩机(13)和多个在涡流式喷嘴(17，17’，17”)上游设置的冷却装置(14，CC1，CC2)，用来冷却来自压缩机(13)的气流。
8.根据权利要求7的CO2分离装置，其特征在于，在涡流式喷嘴(17，17’，17”)上游设置的多个冷却装置(14，CC1，CC2)包括至少一个冷却水流过的换热器(14)和至少一个在换热器(14)之后连接的并用压缩机(24，25)、冷凝器(21，26)、减压阀(22，27)和蒸发器(15，16)工作的制冷循环(CC1，CC2)。
9.根据权利要求8的CO2分离装置，其特征在于，在换热器(14)之后连接两个串联设置的、分别用压缩机(24，25)、冷凝器(21，26)、减压阀(22，27)和蒸发器(15，16)工作的制冷循环(CC1，CC2)。
10.根据权利要求9的CO2分离装置，其特征在于，第一制冷循环(CC1)的冷凝器(26)被冷却水流过，并且第二制冷循环(CC2)的冷凝器(21)被从涡流式喷嘴(17，17’，17”)流出的低CO2含量的气流流过。
11.用于根据权利要求7-10之一的CO2分离装置(10)的、具有环形通道(28，29)的涡流式喷嘴(17，17’，17”)，其特征在于，涡流式喷嘴(17，17’，17”)具有沿着轴(38)串联的进口段(30)，随后的中段(32)和在中段(32)之后的尾段(34)，其中，流进进口段(30)的气流在施加旋转下绕着轴(38)放射状向内流动，在中段(32)，气流在轴向方向进一步流进直径减小的、恒定的环形通道(28，29)，最后在锥状加宽的尾段(34)到达涡流式喷嘴(17，17’，17”)的气体出口(35)。
12.根据权利要求11的涡流式喷嘴，其特征在于，为了施加旋转，在进口段(30)设置放射状设置的入口导向叶片(31)。
13.根据权利要求12的涡流式喷嘴，其特征在于，入口导向叶片(31)构造成可调节的。
14.根据权利要求11-13之一的涡流式喷嘴，其特征在于，在进口段(30)设置措施(36，37)来加速周围方向的气流。
15.根据权利要求14的涡流式喷嘴，其特征在于，所述加速措施包含同心的环形喷嘴(36)，通过该环形喷嘴将空气沿着与涡流式喷嘴(17’)中气流旋转匹配的方向喷入。
16.根据权利要求14的涡流式喷嘴，其特征在于，所述加速措施包含绕着涡流式喷嘴(17”)的轴(38)旋转的壁段(37)，其旋转速度与涡流式喷嘴(17”)中气流的旋转匹配。
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