CN101542224A - 从气流中的其他气体捕捉并去除气体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用热声装置用于从气流中选择性俘获和除去气体和蒸汽的方法，包括首先使用至少一个热交换器冷却气流，然后将物流送到热声制冷过程中并在级联过程中除去气体的步骤。本发明同样包括用于在海洋环境中沉积气体例如二氧化碳的装置。

Description

从气流中的其他气体捕捉并去除气体

发明领域

本发明涉及热声斯特林混合式发动机和致冷器(TASHER)领域，它们是在没有运动部件的情况下实现低温的斯特林混合器件。特别是，本发明涉及新的分离方法和设备，用于液化并去除气流中需要或不需要气体，选择性捕获并储藏液化气，然后释放希望的气体返回大气，伴随它们的释放，保存包含在冷却中的能量。

背景技术

一般而言，迄今已经实现了气体液化能够使它们储藏或选择性的去除，但实现气体液化所需的成本限制了该技术的使用，例如这些成本对于去除来自大气的在气候变化领域中重要的温室气体特别关键。

用于液化天然气或甲烷的常规方法是目前基于压缩机的冷却。

由于这种工艺所需要的温度，因此通常使用具有适当中冷的多步压缩机。这种工艺的缺点是不是非常有效，需要多步以及它的维修代价高。

提供冷却的另一个方法是通过热声冷却，潜在地能够使热声冷却效率非常高，因为它没有运动部件，几乎不需要维修，尽管先前对这种方法能否经济地液化气体以致从燃烧得到的废气中除去“温室气体”表露过疑惑。

一个已知的问题是目前的热声制冷系统使用常规的燃烧器，产生远远超过许多国家许可的极限含量水平的NOx。另外，它们使得开发如最希望的用于在TASHER中产生最高效声波的“刀口”热源变得困难。

然而，使用脉冲燃烧的燃烧器相对于目前体系增加了热效率。来自脉冲燃烧体系的废气与进来的燃烧空气热交换，所有的燃烧气体一起冷却除去温室气体。

我们相信使用脉冲燃烧和热声冷却的组合能得到经济和高效的捕捉和储藏用于商业用途的需要的气体，并最终吸收固定和储藏不需要气体的途径。

已知脉冲燃烧能从燃料释放96-98％的有效热，实质上没有释放氮或硫的氧化物，尽管常规的燃烧器或使用电热源通常是更昂贵的而且对于应用而言效率不太高，但对于应用是经济的。

我们相信应用如上所述的技术能克服现有TASHER设备中的缺点，因此提供更经济的气体液化或通常冷却的手段。另外，设备的尺寸是可伸缩的，在处理发电站相当大量废气中这是必要的特征。

封存温室气体是最希望的，但是如果实施地下封存则是困难的和昂贵的。这种工艺要对抗自然规律，因此它需要相当大的力(压力)，因此需要许多的将温室气体泵送地下的能量，随后要不断地监控确保安全。如果该地下洞穴包括有价值的或可能有价值的资源，从经济学的利用看，那么它们也被封存。

更好的解决方案是将液化的温室气体淀积在一定深度和温度的海中，将它们保持为液态，出于更高的安全性，置于淤泥覆盖层下，淤泥将防止它们由于最极端的力或地质的扰动而导致的移动。

甚至可以实现更好的安全性，如果气体包裹在塑料膜中，这同样可以再利用它们，如果这样希望的话。

看起来海面下的方法成本为在陆上空穴中的地质隔离成本的大约25％。

因此，仍然有明显未满足的对用于气体液化和选择处理所有气体或它们中一些的新方法和设备的需要，并以经济成本封存不希望的气体，这仍未证实。

发明内容

本发明的目的是提供相对于现有技术的改进，以能够经济地液化温室气体，同时更经济地液化希望的气体例如甲烷。本发明的另外的目的是提供装置，由此气体一旦被液化，则能被分离以及能封存不希望的气体。本发明另外的目的是，以高效方式实现这些目的，并满足现有的需求。

同样本发明的目的是确定如何收集不需要同收的气体和蒸汽，对于地质时标而言，并持久地处理它们。

本发明是一种使用热声装置从气流中选择俘获和去除气体和蒸汽的方法，包括如下的步骤：

--使用至少一种热交换器冷却气流；

--将物流送入热声制冷过程；

--在级联过程中除去气体。

为了能更容易地理解本发明，我们通过非限制性实施例参考附图描述本发明具体的实施方式。

附图简述

图1显示俘获过程的总体方案；

图2显示结合热声致冷器的装置；

图3显示处置二氧化碳的方法。

具体实施例的描述

在以下的本发明实施方式中，描述用于永久去除二氧化碳的方法的实施例，但本发明不仅局限于该二氧化碳的处理，它们同样可应用于其他的气体。然而，为了方便起见，此处按照其处理二氧化碳的应用进行描述。

去除二氧化碳

在本发明的该实施方式中，要俘获的气体是二氧化碳(CO₂)，在压力下被冷却到液态或固态。该二氧化碳被送到贮藏室。

如果气流包含甲烷，则能被收集利用。

氧和氮能送到大气中，但是在如此放送以前，能作为进气流的热交换介质。

包含二氧化碳的气体总是燃烧过程的最终产品，或是来自气利油井气体的原始的成分。在前者情况下，这些气体通常是热的，在900℃附近。然而，指出本发明可适用于无论气流是热的或不是热的。

图1显示该俘获过程的总体方案。显示热交换器，它的第一热交换器1用来部分冷却进来的包含CO₂的热气流。第二热交换器2，使用一些容易可得到的冷却剂例如环境空气或冷水，用来进一步冷却目前温热的进来的包含二氧化碳的热气流。

第二热交换器2用来从进来的热气流中除去大多数的水，之后进行冷却步骤。该热交换器使用冷却剂例如水或环境空气25。这两种热交换器可能具有脉动流，因此，热交换器需要的尺寸大幅减少，它们的热效率增加。

尽管显示的热交换器的排列不是能使用的惟一的排列，但在本发明的实施方式中优选使用第三热交换器3利用来自制冷系统的最冷的氮和剩余氧物流进一步冷却该进气流。

制冷过程使用热声致冷器体系10。通过外部的脉冲燃烧体系15提供驱动每一个热声致冷器30需要的能量。相对于目前的将热量加入热声驱动器(TAD)41的体系，使用脉冲燃烧能够明显增加热效率，而不招致破坏环境气体例如各种各样的氮氧化物排放量增加的代价。

来自脉冲燃烧体系的废气与进来的燃烧空气热交换，进来的燃烧空气能够使TAD热端的温度保持在与构造材料相应的可能最高的温度下。

在本发明中，当如附图2所示将致冷器连接在一起时，能使用一个或多个热声致冷器30。这种结合方法不仅适用于小孔型脉管致冷器的热声驱动器(TAD)，而且适用于热声斯特林混合式发动机(TASHE)。

这种实际操作是希望的，因为TASHER具有非常大的缺点。然而，可以将TASHER弯曲成为“U”形，由于两个TASHER设备以“U”形结合可产生进一步的优点，优选在冷端结合，热力发动机在顶端。然后调整TASHER减少噪音，并相互协助另外的与它相连的TASHER。通过常规的沿着TASHER放置的扩音器实现调整。

这种方法的基本原理是与两个TAD或TASHER设备形成U形管35，其中接合点36位于小孔坐落的致冷器部件的最冷端。在两个TAD或TASHER设备之间有公用的孔口38。

通过这种装置，每一TAD或TASHER单元驱动另一个单元。当开始时，两个单元自动成为180°异相共振。万一上述情况没有发生，如附图2所示，能通过适当地将调谐封闭的端管放置到每一TAD或TASHER单元中实现相位调整。在每一侧管之内，存在常规的扩音器40，它们在主TAD或TASHER单元壳的共振频率下被驱动，但是在180°异相时向每一扩音器施加电压。

得到的U形管热声驱动器UTAD或UTASHER单元比它们独自总计需要更少的能量驱动它们自己。然而，应当指出具有扩音器的侧臂封闭的端管的位置不是关键的，可以放置在任何适当的位置。

在级联过程中，该制冷过程从进来的热气物流中除去各种各样的气体，例如二氧化碳(26)、SOx(27)和NOx(28)，来自主燃烧过程的氮和剩余氧除外，或在甲烷源例如天然气井、煤矿通风引出竖井或产生甲烷的生物工艺的情况下，甲烷本身是有价值的。

目前剩余的冷的氮和氧气物流用于在第一热交换器中冷却进来的热气物流，而本身被加热而送进20烟囱中。

通过是否需要把甲烷作为气体或甲烷本身要液化，控制甲烷的回收过程。如果仅仅需要甲烷气体，则在第一热交换器中使用此刻冷却的甲烷冷却进来的包含水蒸汽、二氧化碳及其他少量不同的要与甲烷分离的气体的粗甲烷蒸汽。

二氧化碳贮存

二氧化碳(26)此刻在高压下为液态或为固态。

能以许多方式实现长期除去二氧化碳，这基于如下的事实，只要贮藏室温度低于30℃，压力大于7150kPa，二氧化碳仍然为液态。如果二氧化碳要以固态沉积并使它保持为固态，贮藏室温度必须低于-45℃，压力必须大于7150kPa。在贮藏室中可获得的压力越低，将二氧化碳保持在希望状态所需的温度越低。

处理方法(显示于附图3中)都包括使用海洋表面70下的泵装置50将二氧化碳沉积进入到深水基环境中，例如海洋或含水土层。

第一方法51包括在压力下用管道输送液态的二氧化碳到海洋中的一点，该点的深度要足以将该二氧化碳保持在液态，且二氧化碳和海水之间的密度差引起二氧化碳沉到彻底离开排出地点的海底底部。

第二方法52是第一方法的扩展，由此二氧化碳保持在管道55中，直到它到达海底的最大深度。在第一方法中排出点的管道装置可由挠性的高密度薄膜构成，以使二氧化碳利用管道下至海底的最大深度。

第三方法53包括将液态的二氧化碳封入适当的材料中，例如高密度塑料制品，以形成“香肠”56状结构或包装，重质固体物料可以加入到其中以增加密度，远远超过海洋或盐水层的密度，因此任何存在的流动不会载带“香肠”或包装离开预定的降落区域。

该“香肠”或包装能沿着管道以类似油和化学品管线的“管道清洗器”的方式泵送。如在方法51中，该“香肠”状结构或包装沿着管道强制到达排出点，在排出点密度差占优势，该“香肠”或包装移动下至海底。液态的二氧化碳在管道中能作为香肠状结构的润滑剂。

方法52和53能结合，其中挠性塑料管成为非常长的“管道清洗器”或“香肠”，最高达几千米长。一旦填充，密封该管道，并下降到海底，将新的挠性塑料管置于该管道上重新开始填充。

这些封装二氧化碳并保持二氧化碳的方法包括阻遏任何的与周围海洋生物的相互作用，万一在将来需要时使其便于回收。

最后的方法54包括使用在链上的牵引犁57，它包括管道58的开口，该开口与水面上的海船60连接，所述的海船60向下泵送二氧化碳。牵引该牵引犁通过海床上的淤泥，使得二氧化碳沉积在下面59，在那里二氧化碳能保持不受干扰。

固态和液态的二氧化碳淤泥混合物能用于上述处理方法中。

此处描述的本发明提供一种从气流中选择性除去气体的改进方法，尽管我们此处已经描述了本发明的一种具体的实施方式，但应理解在不背离本发明精神和范围的情况下，本发明能有许多变化和改变。

Claims (23)

1.一种使用热声装置从气流中选择俘获和去除气体和蒸汽的方法，包括如下的步骤：

--使用至少一个热交换器冷却气流；

--将物流送入热声致冷过程；

--在级联过程中除去气体。

2.如权利要求1要求的方法，其中要俘获的气体是二氧化碳CO₂，在压力下它被冷却到液态或为固态，使得它能被送到贮藏所。

3.如权利要求1要求的方法，其中该气流包含能被收集使用的甲烷。

4.如权利要求2或3中要求的方法，其中氧和氮能被送到大气中，但是在如此放送以前，能作为进气流的热交换介质。

5.如权利要求4要求的方法，其中NOx和SOx各自被送到贮藏所。

6.如权利要求4要求的方法，其中包含二氧化碳的进来的热气流通过使它通过第一热交换器而部分冷却。

7.如权利要求6要求的方法，其中包含二氧化碳的此刻温热的气流，通入并经过使用一些容易可得的冷却剂例如环境空气或冷水的第二热交换器而被进一步冷却。

8.如权利要求7要求的方法，由此这两种热交换器具有脉动流，因此，热交换器需要的尺寸大幅减少，它们的热效率增加。

9.如在权利要求7或8中要求的方法，其中气流通入并经过至少一个热声致冷器而被冷却。

10.如权利要求9要求的方法，其中使用第三热交换器，利用最冷的来自致冷系统的氮气和剩余氧气流进一步冷却进气流。

11.如权利要求9或10要求的方法，其中当连接在一起时，能使用一个或多个热声致冷器。

12.如权利要求11要求的方法，其中通过将多个TASHER弯曲成为“U”形而实现连接，使得两个或多个TASHER单元以“U”形结合。

13.如权利要求1要求的方法，其中使用沿各TASHER放置的常规的扩音器调整结合的TASHER。

14.如权利要求9-13任何一项要求的方法，其中在级联过程中，该致冷过程从进来的热气流中除去各种各样的气体，来自主燃烧过程的氮气和剩余的氧气除外。

15.如权利要求14要求的方法，其中剩余氮和氧气冷的物流用于在第一热交换器中冷却进来的热气流，同时本身被加热而被送到排放烟囱中。

16.如前述的任何一项的权利要求要求的方法，其中，气流包含甲烷，如果需要甲烷气体，则在第一热交换器中，甲烷当冷却时，被用于冷却进来的包含水蒸汽、二氧化碳及其他少量不同的待与甲烷分离的气体的粗甲烷蒸汽。

17.如在权利要求1-16任何一项要求的方法中，其中除去的二氧化碳在高压下为液态或为固态。

18.如权利要求17要求的方法，其中在压力下除去的二氧化碳作为液态二氧化碳通过管道被输送到海洋中的一点，在那里深度足以将二氧化碳保持在液态，二氧化碳和海水的密度差引起二氧化碳下沉到海底底部。

19.如在权利要求17或18中要求的方法，其中除去的二氧化碳保存在管道中，直到它到达海底的最大深度。

20.如权利要求17要求的方法，其中将除去的二氧化碳包封在适当的材料中，例如高密度塑料制品，以形成“香肠”状结构或包装，可以将重质固体物料加入到其中以增加密度，远远超过海洋或盐水层的密度，使得存在的任何流动都不会载带“香肠”或包装离开预定的下落区域。

21.如权利要求17要求的方法，其中该“香肠”或包装能沿着管道以类似油和化学品管线的“管道清洗器”的方式被泵送。

22.如权利要求17要求的方法，其中将除去的二氧化碳放置在挠性塑料管道中，变成非常长的“管道清洗器”或“香肠”，最高达几千米长，一旦填充完就密封它们并下落到海底。

23.如权利要求17要求的方法，其中除去的二氧化碳从海船的管道向下泵送，通过牵引犁置于下伏的淤泥之下，如此布置使得二氧化碳沉积在底下，在那里二氧化碳能保持不受干扰。

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