CN102343163A - 使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的低温处理 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的低温处理，其为部分地使用现有的低温冷却装置从大气中分离和去除二氧化碳的连续的低温处理，现有的低温冷却装置是本发明人的获得专利的高温超导风力涡轮发电和储能系统的构件。所提出的系统被包含在长而大的不锈且开口的双壁管形形状的真空或传统隔热的杜瓦瓶内，杜瓦瓶在两个以上单元中从风力涡轮机的钢塔架悬臂式延伸出。主要的内部构件包括较大的滤网栅格、较小的滤网过滤器、低速电动涡轮式风扇和非常重要的一系列设计不同的经涂覆的防霜热交换器，热交换器将流动空气中的二氧化碳冻结成薄片状的干冰形式，所述干冰之后被捕获用于可能的再利用或者地下隔离。

Description

使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的低温处理

技术领域

本发明涉及从大气中分离和去除二氧化碳，更特别地，涉及用于使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的低温处理。

背景技术

一份权威的科学出版物估计，自工业化开始以来大气中已经累积了约5000亿吨二氧化碳。基于目前的趋势，一些预测提出在2050年之前我们可能会看到一万亿吨的总积累。科学界的一些人猜测这可能足以使地球变成危险地带，而这将导致全球气候的重大变化。如果继续的研究进一步确定升高的温度将破坏地球的气候，则作为长期安全性的关键问题，世界各国可能被迫采取措施以积极开始从大气中去除二氧化碳量不断增加的连续积累。

可以看出，至今为止已提出的创新的大气碳捕获技术是非常昂贵的。它们涉及化学溶液和膜的使用，化学溶液和膜捕集二氧化碳分子并随后将它们释放以进行地下深层储存。全球性地捕获二氧化碳的处理需要大量类似于冷却塔的高架结构的新构造，并且其碳捕获处理需要大量的能源。预计到2100年，高架结构的构造和运行开支可能达到预算为每年一万亿美元的成本。

在2007年，本发明人获得了第7,233,079号美国专利(即一种可再生能源发电系统)的授权，并且在2008年获得了第7,397,142号美国专利(即一种改进)的授权。它包括高性能的高温超导风力涡轮机，上述超导风力涡轮机具有在夜间产生并储存在位于涡轮机的高架式柱形结构钢塔架中的高能量密度的高温超导磁储能系统中的低值能量。超导风力涡轮发电机及其超导储能系统都需要低温制冷系统以支持超导工作。其为用于大气碳捕获的新的成本更低的方法提供了基础。

首先，对二氧化碳的相图的观察表明，通过使用机载低温制冷系统的备用容量，二氧化碳分子可以容易地被冻结为“干冰薄片”。其次，结构钢风力涡轮机塔架还具有物理上支撑低温碳捕获装置的能力。第三，SMES储能系统具有昼夜不停地支持包括热交换系统和电动气流分配风扇的附加新设备的能力。

因此，通过有限的附加设备和较小的设计改进，获得专利的超导风力涡轮机和储能装置可以适于以成本更低的方式有效地捕获大气二氧化碳，从而用于随后的商业再利用或者进行可能的地下深层隔离。

本发明人的高性能超导风力涡轮机将不再局限为有效地产生和储存可再生能源，而是另外成为了用于从大气中低温地分离和捕获具有各种再利用潜能的二氧化碳的工具。这种双重作用的改进为人类创造了更安全且更清洁的限制碳排放的可再生能源前景的可能性。

发明内容

本发明涉及部分地使用现有的低温冷却装置从大气中分离和去除二氧化碳的连续而非间歇式的低温处理，现有的低温冷却装置是高温高性能超导风力涡轮发电和储能系统的构件。

现有的构件包括高架式钢结构塔架、发电系统、储能系统、传感器系统和非常重要的具有分子真空泵的低温制冷系统，传感器系统监控天气条件和风速方向并具有对于整个系统反应的控制。

所提出的改进包括附加大气碳捕获装置，大气碳捕获装置由类似于端部开口的杜瓦瓶的大而长的真空或传统隔热且不锈的双壁管构成，其被称为“机舱(nascelle)”。多个机舱在结构上从风力涡轮机的钢塔架上悬臂式延伸出，并在物理上与电气化装置、低温制冷装置以及天气和风力监测和控制装备集成。保护壳的管形形状在协助防止在机舱的内壁上结霜或结冰方面至关重要。所有的内部构件都经过了获得美国专利的防霜涂覆处理。机舱的设计具有在机舱的前后端向上倾斜的设计，在发生恶劣天气条件的情况下该设计与保护所述系统的自动控制且电动操作的门或隔板一起抑制会进入的降水量。

除门或者隔板系统之外，按照由前至后的顺序，内部构件包括较大的滤网栅格、较小的网型永久过滤器、低速电动涡轮式风扇、预冷却系统、一系列不同的低温热交换器、分离水蒸气和二氧化碳的槽状收集系统，以及将捕获的充满水分的水蒸气和由干二氧化碳形成的薄片带到地平面以适当储存的隔热且不锈的管道系统。潮湿的雪花薄片会融化，呈现液态，而二氧化碳的干冰薄片会升华成气态并在室温下被加压以便为了可能的再利用或者隔离而进行最适宜的临时储存。

附图说明

为了说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的形式；应当理解的是本发明并非意在限于所示出的具体布置和机构。

图1是用于实现本发明的装置的主视图，示意性地图示了具有用于从大气中捕获和去除二氧化碳的机舱的大型集成超导风力涡轮机的主要构件的整体布置；

图2是图1的结构的剖视图，详细地图示了低温机舱系统的从大气中捕获和去除一氧化碳的构件；

图3是图示了具有二级热交换器的可选实施例的二氧化碳捕获和去除系统的剖视图；

图4是沿着图2的线4-4所截取的剖视图；

图5是沿着图3的线5-5所截取的剖视图；以及

图6是沿着图2的线6-6所截取的剖视图。

具体实施方式

本发明涉及部分地利用现有的低温冷却装置来分离和捕获大气二氧化碳的连续而非间歇式的低温处理，现有的低温冷却装置是本发明人的高温超导风力涡轮机发电和储能系统(见第7,233,079和7,397,142号美国专利)的构件。用于低温分离和捕获大气二氧化碳的这种新功能的装置是经由对于现有的超导风力发电和储能设备的附加和改进而集成的。由于碳捕获装置将是获得专利的风力涡轮机的物理集成构件，因此有必要描述原始的超导风力涡轮机系统是如何工作的。

首先，数百英尺高的钢结构塔架支撑位于抬高的涡轮机机舱中的涡轮机的高性能电动直接传动式发电机和叶片。风力涡轮机的阵列通常设于高的山脊、开阔的平原、离海海岸或五大湖上，产生并向局域电网供电。风力涡轮机机舱具有旋转360°的能力，从而始终直接面对风向。此外，叶片的间距可以被调整为使得旋转速度最优化。

其次，风力涡轮机的高性能直接传动式发电机使用超导第二代高温涂覆导体，导体由用于转子的钇、钡、氧化铜(YBCO)和实践中使用的定子线圈绕组(1)组成。超导磁储能(SMES)模块线圈仅缠绕在YBCO导体上。

第三，由涡轮发电机在夜间产生的过量的电力被储存在位于高架式支撑钢结构(2)内的柱形储能模块中。

第四，为超导低温冷却涡轮发电机和低温冷却的SMES模块服务的非常重要的低温制冷系统(3)也位于结构塔架内。

第五，风力涡轮机叶片被设计为以大约每小时十七英里的平均速度运动且必须免受风力性能的任何改变，风力性能的改变可能引起由于气流吸纳程序导致的叶片运动的频率调整，所述气流吸纳程序是新的二氧化碳捕获装置的第一阶段。

新的二氧化碳捕获装置本质上包括大型真空的或者传统隔热的水平管状保护壳(机舱)，该保护壳类似于大而长的常规但端部开口的杜瓦瓶(4)。它可以由诸如不锈钢、铝或者纤维增强塑料的不锈材料制成，并被设计为承载各个元件。保护壳的两壁之间的狭小空间可以是真空的以用于隔热目的或者用任何商业上已知的高性能隔热材料填充。如果选择了真空隔热系统，则分子真空泵是风力涡轮机的机载装备的一部分，分子真空泵为支撑风力涡轮机的超导发电机和储能模块的现有的低温制冷系统提供服务。

空气分离保护壳(5)的管形形状是至关重要的，以便防止在管的内壁上形成任何霜或者冰，管的内壁经过了获得美国专利的防霜涂覆或者类似的有效涂覆的处理。保护壳的每个端部向上倾斜以大体上防止降水进入壳体。在发生恶劣天气条件的情况下自动关闭的电动门或隔板(6)位于保护壳的进气口(22)部分和后部排气口(26)的前部。它们以大约45°角变尖，顺从前部和后部的管状配置。可以为监测天气条件并在恶劣天气条件时关闭风力涡轮机的在风力涡轮机上的传感器和控制器分配以下双重任务：为集成的大气碳捕获装置提供服务，以及发出闭合保护壳上的前后门或者隔板系统的信号。

恰好在保护壳内部垂直竖放的是设计为防止可能存在于流动空气中的较大物体进入的滤网栅格(7)。紧接在栅格后面的是一个永久垂直的精细过滤器(8)，其拦截并捕获较小颗粒。环形高压喷水管(9)使用从空气中去除并储存在外部的水，且可用于对滤网栅格和过滤器二者进行定期清洗。所有的三个构件是由不锈材料构成的。

在空气过滤系统数英尺后竖放的是具有涡轮式叶片(10)的大直径环形低速进气风扇；其可以具有轴向或者轮辋式电机。此外，风扇叶片是不锈的而电机是密封且防水的，作为免受空气中外来因素影响的防护。风扇的功能是为在热交换器中的随后处理提供具有最优空气速度的恒定体积的气流。因此，风扇转速是可变的，可以被控制和调整，并被设定为最优的性能。它也可以被倒转(reverse)而用作滤网栅格和过滤器的定期清洗程序的一部分。通常可以从位于邻近的风力涡轮机塔架中的超导磁储能(SMES)系统中得到充足而低值的昼夜不停的电流，其中低成本的电流是在能量需求最小的夜间储存的。

紧接在空气循环涡轮式风扇后面的是预冷却器，预冷却器由连接到保护壳(11)的内壁的内表面上的数排圆形管道回路构成。预冷却管道用于使循环冷却剂在通过一系列热交换器之后回到位于风力涡轮机的结构塔架内的低温制冷系统中，在低温制冷系统中重新设立了用于在整个热交换系统中连续再循环的低温工作温度。这个预冷却环形冷却剂管道为较暖的室温气流在随后暴露在更冷的热交换系统之前提供了有限的初始冷却。

第一级低温热交换器(12)被特别地设计为在特定的温度下将流动空气中的水蒸气初始地冻结以产生雪花状的薄片。第二级低温热交换器(13)在更冷的温度下运行，并被设计为将二氧化碳分子冻结为干冰薄片。目前计算出大气中的二氧化碳分子为大约百万分之390，或相当于稍低于2600分之一。但是，以体积和质量计，上述百分比被分别呈现为更接近大约0.038％和0.59％。

为了确定首次冻结空气中的水蒸气所需的温度，参考了相图，该相图确定水在流动空气中一个大气压下在大约32°F冻结，或者在略微更冷的温度下冻结。因此，这个处理将避免加压的需要，而加压需要以与之相关的能量消耗来压缩。二氧化碳在一个大气压下将会在大约-109°F冻结；但是，文献显示，由于与流动空气相关的动能，需要略微更冷的温度来实现冻结，以便产生二氧化碳干冰薄片。在快速流动的空气中，温度需要降低到-130°F或者更低。高温风力涡轮机低温制冷系统在大约-321°F下在标准的液态氮条件下运行。可以利用诸如氖气、氢气或氦气的其他液化气体来实现更冷的低温制冷温度，但这不是必需的。在低温制冷系统中，在双壁且隔热的端部开口的壳中使用液态氮作为循环冷却剂以最优且受控的速度处理流动空气应当被证明能够充分地冻结空气中的二氧化碳分子，这需要大约-130.3°F的基本冻结温度。空气速度是具有转速可变能力的低速涡轮式电风扇的功能，该电风扇允许在特定的条件下调整最优空气流动速度的能力。

因此，由于存在对两个热交换器中的每一个和预冷却单元所需的三个不同温度水平的需求，对于低温冷却剂的连续循环的路径存在逆过程顺序。冷却剂从风力涡轮机塔架中的低温制冷单元直接循环到第二级热交换器中，首先提供用于在流动空气中冻结二氧化碳干冰薄片的最冷温度，而这要求最冷的温度(-130°F)。随着冷却剂之后继续移动到第一热交换器，存在预期的温度损失，在第一热交换器中空气中的水蒸气在大约32°F下被冻结成雪花薄片。在较暖的冷却剂通过第一级热交换器循环并沿路径回到位于风力涡轮机塔架中的低温制冷系统中之后，预冷却环形最前方管道接收较暖的冷却剂。因此，空气流动过程与冷却剂路径相反。其流动首先通过预冷却器，然后是第一级热交换器，接着流动通过第二级热交换器。

低温热交换器被特别地设计为在第1级中冻结、分离和捕获水蒸气。在第2级中，较冷的二氧化碳热交换器提供了对第1级热交换器的复制，但是提供了冻结二氧化碳所需的较低且较冷的温度。

在每种情形下，雪花或者冰状薄片效果是这样获得的：首先，润湿，其次，变干。两个低温热交换器都由在周向模式(pattern)内水平延伸的一系列金属管道构成，该金属管道支撑一系列紧密隔开的垂直的金属翅片。不锈钢管道系统在-321°F的初始温度下承载并使液态氮循环。铜和铝管道具有优良的热交换特性。因此，由于铜和铝的高热交换特性，所述一系列的垂直翅片可以优选地由铜或铝制成。垂直翅片由使得低温冷却剂循环的水平不锈钢管道系统支撑。为翅片提供物理支撑的管道通过的翅片的大小和间隔应当基于空气流动速度的确定、体积吞吐量要求和吸热能力来优化。翅片都被布置成垂直的构造，从而避免结霜。成水平排的低温管道及第一和第二级热交换器管道构件以向下成大约45°的角度交错排列，类似于下降式阶梯上的竖板。为了保证冻结的水薄片经由重力下降至第一级热交换器下方的收集槽(14)中，充当止挡器(15)的包含一系列非冷却翅片的另一个设备使相对成角度的阶梯向下倾斜，翅片在阶梯上单独地成角度以中断薄片的向前运动而不会干扰气流。这种配置避免了大多数的冻结分子(雪花薄片)在下降到保护壳底部并被收集到向下倾斜且朝向机舱的后端侧倾的不锈钢槽中时与系统的其他部分相接触。

位于第一级热交换器下方且处于保护壳内腹部上的是设计为收集冻结的水蒸气“雪花薄片”的不锈钢半圆形线性槽。其朝向保护壳的后部向下排水，并最终供给到下导管水收集系统(未示出)内。捕获二氧化碳干冰薄片的第二槽(16)位于第二级热交换器和止挡器的下方，提供了两级分离的槽系统。

通过以雪花薄片的形式从流动空气中对水蒸气进行第一级分离和去除，更冷的第二级热交换系统被特别地设计为通过在更冷的温度下将流动的二氧化碳分子转换成“干冰薄片”而冻结和分离它们。

另外一个实施例被设计为提供第二热交换系统，随着空气流动通过第二热交换器(25)，第二热交换系统具有用于空气流动的明显减小的环形开口的体积。第二热交换系统包括具有导圆角端部的中空且水平悬吊的锥形容器，该容器位于保护壳内的中部。该容器沿着第二级热交换器的长度延伸，增加了从前到后的周长。相比之下，保护壳外壁保持恒定的水平尺寸。因此，两个壳之间的空气通道通过如下设计来构造：在其前端具有较大空气流动通道并且随着空气从前端流动到后侧上述空气流动通道以更小且更狭窄的开口沿周长扩展。这产生了设计为通过补偿由空气通过热交换器的集成管道和翅片系统产生的任何空气流动速度的损失而保持流动空气的恒定速度的文丘里效应。

承载液态氮冷却剂的悬吊的螺旋式制冷管道具有从前到后直径和周长增加的螺旋设计，为流动空气产生了逐渐变窄的通道，空气通道是由从前到后直径增加的中空的锥形线性容器产生的，从而使得开口逐渐变窄而协助保持较冷的温度。这也增加了空气流动速度，以当空气通过热交换器的管道和翅片系统时补偿速度的任何可能损失，从而避免使用机械辅助系统。螺旋热交换机构悬吊在双壁真空保护壳的内壁和直径相应增加的悬吊的中空锥形水平容器的外表面之间的中部。任一热交换系统的所有构件都是不锈的并涂覆有特定的物质以防止任何结霜。

为了防止结霜，热交换器的热传递翅片系统在其环绕锥形插管时也围绕冷却剂管道的逐渐增加的螺旋周长而垂直地构造，从而保持空气的流动速度同时进一步减少冷温度损失。并且，为了保证冻结的二氧化碳薄片经由重力下降至第二级热交换器下方的收集槽中，还充当止挡器(17)的另一系列非冷却翅片使相对成角度地下降阶梯向下倾斜，翅片在阶梯上单独地成角度以中断薄片的向前运动而不会显著地干扰气流。

在保护壳的底部，在第一和第二级热交换器和止挡器的下方的是设计成收集由冻结的水蒸气产生的雪花薄片和由冻结的二氧化碳产生的干冰薄片的半圆形隔离槽。在槽设计中，在需要时可以包括小型电吸风机(21、23)和具有向下倾斜的移动式设计的脊线的电动移动式传送带(18、19)，用以保证在下槽中的湿润雪花薄片和在上槽中的干冰薄片二者在不被中断的基础上被有效地移动到隔热的垂直下导管系统中。最终连接到风力涡轮机结构塔架的外部上的隔热不锈钢下导管系统(未示出)将分别分离的雪花薄片和干冰薄片带到地平面上的各个静止或者活动的不锈钢储存容器中。应当注意的是，用于二氧化碳干冰薄片的槽收集系统位于第二级热交换器和止挡器的下方，并位于在第1级热交换器和止挡器的下方开始的雪花薄片收集槽的顶部。这防止了各个薄片的任何可能的混合。还应当注意的是，不锈且良好隔热的下导管管道系统应当防止二氧化碳干冰薄片在进入地平面上的加压储存系统之前升华为气态。

空气，减去水蒸气和二氧化碳分子，现在主要由氮气、氧气和少量的氩气以及微量的其他残余分子组分构成，其在机舱的后部开口排出。当系统运行时，在处理水蒸气和二氧化碳后，从机舱排出的连续流动的废气为任何外部大气带来了阻力以防其从后部进入系统。但是，为了更好地保证这种阻力，可以安装更加有效的设备，其由斗状的一系列水平且弹性的板条(20)构成，板条被排出的流动空气保持为打开，并相对于所述空气的体积、速度和压力成比例地被拉紧(tighten up)。可以在某些喷气式发动机的可变截面排气端找到示例。以与前部入口相同的方式，机舱的后部出口以45°角向上侧倾，具有在发生恶劣天气条件的情况下自动关闭的电动门和隔板，如由在超导风力涡轮机上的传感器系统所确定和控制。整个系统的所有内部构件被涂覆以便于不仅抵抗而且防止结霜或者结冰。参考第5,032,641号美国专利。所有的内部构件缺少任何水平平坦表面，这提供了对于结霜的辅助附加程度的保护。

为了减少低温制冷系统中的能量消耗和损失，另一个实施例可以将液态氮(-321°F)的使用改变为优化的冷温气态氮，其可以在第二级热交换器中保持将大气二氧化碳冻结成干冰薄片所需的比-130°F更冷但是显著小于-321°F的温度。因此，可能需要附加的控制以允许位于邻近的风力涡轮机塔架中的低温制冷系统使得气态氮在-321°F的液化温度以下的最优的温度循环以在整个热交换系统中循环。为了重复，气态冷却剂路径将首先在第二级二氧化碳热交换器中循环，然后移动到第一级热交换器，在第一级热交换器中将水蒸气冻结成雪花薄片。于是冷却剂的路径被确定为在其回到风力涡轮塔架中的集成低温单元之前在整个前期早冷却剂系统中循环。为了重复，空气流动的补偿方向与冷却剂的移动反向，因为在第二级热交换器中需要较低的温度来处理二氧化碳，第二级热交换器在最冷的温度下首先接收冷却剂。

如果目前的国家隔离研究计划证明是成功的，则通过使用这里描述的系统而进行的二氧化碳的大气捕获和处理可以获得显著的“负碳”结果。并且，第一级的从空气中去除并再利用水蒸气与第二级的捕获并再利用二氧化碳一起能够产生用于在受控制的温室环境中的溶液培养农产品的良好的“中碳”处理。而且，在文献中已经广泛地讨论了二氧化碳在合成燃料生产中的使用。

本质上，大气碳捕获机舱相对于风力涡轮机构件特别是低温制冷和储能系统战略性地布置，从而产生最有效的集成。多叶片变速涡轮式电风扇解决了与风速的固有间歇相关的问题，其有能力提供可调且可靠的恒定水平的气流。虽然大多数大型风力涡轮机机舱通常具有旋转360°的能力以便始终直接面对变向风从而使得效率最大，但是碳捕获系统的电动进气风扇提供了非常良好的气流速度的恒定性，从而显著地增加了碳捕获过程的效率。

因此，低温碳捕获机舱紧接在风力涡轮机叶片的水平面下方定位，并从结构钢塔架悬臂式延伸出，从而消除任何可能产生调频干扰的威胁。为了支撑机舱，中空的柱形或者矩形结构钢支撑臂垂直于塔架(24)向外延伸出。支撑臂可以被设计为水平且垂直地支撑多个机舱单元。低温机舱侧的类似端部开口的隔热中空的柱形或者矩形结构支撑臂可以被设计为从内部安装到风力涡轮机塔架延伸出的悬臂式延伸的结构不锈钢臂中或者从外部安装到其上方。两种臂都具有中空内部以为隔热低温管道和隔热电气线路提供空间，这两者都服务于新装置。

本发明可以在不脱离其精神或本质特征的情况下被实现为其他特定的形式，因此应当参考随附的权利要求而不是前述说明书来确定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的装置，包括：

垂直延伸的结构塔架，邻近于所述塔架的顶部安装有高温超导低温冷却发电机，并且所述塔架包括用于驱动所述发电机的多个叶片；

低温制冷系统，其安装在所述塔架上，为所述超导低温冷却发电机提供冷液化气；

水平布置的管形形状的壳，其安装在所述塔架上，所述壳具有第一端部和第二端部并且在每个端部处大致都是开口的；

风扇，其邻近于所述第一端部定位以用于迫使空气通过所述壳；

热交换器，其位于所述壳内并被布置为与通过所述壳的空气相接触；

所述热交换器被所述低温制冷系统冷却至低到足以使得通过所述壳的所述空气中的二氧化碳冻结的温度。

2.根据权利要求1所述的使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的装置，其中所述管形形状的壳大致上被真空护套所围绕。

3.根据权利要求1所述的使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的装置，其中所述管形形状的壳具有上壁和下壁，并且其中在每个端部处上壁延伸超出下壁以防止降水进入所述壳。

4.根据权利要求1所述的使用超导风力涡轮机从大气中分离二氧化碳的装置，进一步包括安装在所述塔架上的多个所述管形形状的壳。

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