CN102575895A - 用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统以及用于二氧化碳气体分离的工艺气体设备 - Google Patents

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Abstract

用于具有回热的工艺气体设备的根据本发明的压缩机系统，具有：用于压缩潮湿的工艺气体的压缩机，其具有至少一个压缩机级；和工艺气体冷却单元，其用于冷却工艺气体而连接在压缩机级的下游并且具有通过冷却介质驱动的至少一个第一工艺气体冷却装置和第二工艺气体冷却装置，其中工艺气体冷却装置分别具有单独的、被施加以工艺气体的工艺气体冷却装置罩(工艺气体冷却装置罩具有安置在其中的、被施加以冷却介质的工艺气体冷却装置集合)，在工艺气体侧直接相继连接以及可以通过冷却介质驱动并且设计为使得在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置可以从工艺气体导散预先确定的热流，由此工艺气体在工艺气体冷却装置之间的热力学状态位于露点线的区域中并且可以借助在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置冷却到预先确定的温度。露点线理解为在工艺气体的压力-焓图内的如下线，该线标记工艺气体的其中在工艺气体中湿气凝结的热力学状态。

Description

用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统以及用于二氧化碳气体分离的工艺气体设备
本发明涉及一种用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统以及具有所述压缩机系统的用于二氧化碳气体分离的工艺气体设备。
在化石燃料的燃烧中尤其形成二氧化碳气体作为废气，当二氧化碳气体输出给大气时，其被视为为环境添负担。尤其化石电厂排放可观的量的二氧化碳气体，该量需要被减小。在此已知一种方法，其中从废气中分开、压缩并且在地下储存电厂的二氧化碳气体排放物。为了从废气中分开二氧化碳气体而已知一种二氧化碳气体分离设备，其具有压缩机单元用于压缩二氧化碳气体。压缩机单元具有带有多个压缩机级的压缩机，通过这些压缩机级分级地压缩二氧化碳气体。通常含碳气体是潮湿的，因为在燃烧化石燃料时产生水。
二氧化碳气体的压缩在压缩机中多变地进行并且根据压缩机的压力比引起二氧化碳气体的温度提高。压缩机可以由多个压缩机级构建，其中在各个压缩机级之后借助冷却器冷却二氧化碳气体。由此可以减少用于驱动压缩机所必需的功。
在冷却器中，热量从二氧化碳气体发出到冷却介质。通常将冷却液用作冷却介质，其在冷却液循环中流过冷却器，其中为了调节冷却液而提取这些热量。为了提高二氧化碳气体分离设备的热效率而有利的是，将冷却液所导散的热量在合适的位置上输送给二氧化碳气体分离设备的工艺。例如在二氧化碳气体分离设备中设置具有不同温度水平的两个冷却液循环，其中具有较高温度水平的冷却液循环设置用于将二氧化碳气体直接在从压缩机级中出来之后予以冷却。为了在该冷却液循环中对冷却液进行冷却，例如可以加热工业用水。具有较低温度水平的冷却液循环然后用于将二氧化碳气体进一步冷却到所要求的温度水平，该温度水平例如适于二氧化碳气体进入到下一压缩机级中。
冷却器通常具有被施加以二氧化碳气体的壳体，在其中安置有两个冷却器集合，其中冷却器集合中的一个连接在一个冷却液循环上并且另一个冷却器集合连接在另一冷却液循环上。这两个冷却器集合有利地并排设置在壳体中，其中壳体的直径大。由此由设计决定，冷却器集合不具有共同的横截面，使得冷却器集合的效率优化的设计是复杂的。在冷却含碳气体时通常低于露点，使得水在冷却器中凝结。因此出于抗腐蚀性原因而由不锈钢实施壳体和冷却器集合，由此冷却器的制造成本很高。
此外在冷却器中在热传递面上使用不锈钢是不利的，因为不锈钢的导热能力仅有限制地足够高。
本发明的任务是提供一种用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统和一种具有该压缩机系统的用于二氧化碳气体分离的工艺气体设备，其中工艺气体设备具有高的热效率并且压缩机系统在制造方面成本低廉。
根据本发明用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统，具有用于压缩潮湿的工艺气体的压缩机，该压缩机具有：至少一个压缩机级和工艺气体冷却单元，该工艺气体冷却单元用于冷却工艺气体而连接在压缩机级的下游并且具有通过冷却介质驱动的至少一个第一工艺气体冷却装置和第二工艺气体冷却装置，其中工艺气体冷却装置分别具有独立的、被施加以工艺气体的工艺气体冷却装置罩(该工艺气体冷却装置罩具有安置在其中的、被施加以冷却介质的工艺气体冷却装置集合)，在工艺气体侧直接相继连接以及可以通过冷却介质驱动并且设计为使得可以从在工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置来从工艺气体导散预先确定的热流，由此在工艺气体冷却装置之间的工艺气体的热力学状态位于露点线的区域中，并且借助在下游设置的工艺气体冷却装置可以将工艺气体冷却到预先确定的温度。露点线理解为在用于工艺气体的压力-焓图中的线，该线标记工艺气体的热力学状态，在这些状态中在工艺气体中湿气凝结。
根据本发明，工艺气体冷却装置集合安置在独立的工艺气体冷却装置罩中，使得工艺气体冷却装置彼此在热力学上去耦。由此每个工艺气体冷却装置可以在其材料选择和其几何形状方面有利地单独设计，尤其是在考虑工艺气体冷却装置罩的尽可能小的直径的方面。由此引起工艺气体冷却装置的较小的制造开销和降低的材料投入。
如果例如工艺气体是二氧化碳，因此其作为潮湿的工艺气体是化学腐蚀性的，由此工艺气体冷却装置集合和工艺气体冷却装置罩的材料应选择为抗腐蚀的。尤其可以考虑将不锈钢作为抗腐蚀的材料。然而通过不锈钢实施工艺气体冷却装置导致制造成本提高，使得工艺气体冷却装置的根据本发明的分离是特别有利的。此外可以将不同的材料用于各个工艺气体罩和各个工艺气体冷却装置，这些材料在抗腐蚀性、强度、导热能力和成本方面最优地选择。
此外工艺气体冷却装置能够单独地设计为使得在工艺气体冷却装置集合中出现优化的流量分布，其中工艺气体冷却装置罩中的最狭窄的横截面是大的。由此有利地降低了工艺气体冷却装置中的压力损失。
优选的是，在下游设置的工艺气体冷却装置设置用于导散从工艺气体凝结出的水的冷凝热并且用于将水分离。此外优选的是，工艺气体冷却装置之间的工艺气体的热力学状态刚刚位于露点线之前。工艺气体冷却装置优选在其工艺气体冷却装置罩上借助两个转换管彼此连接，这两个转换管用于平行地将工艺气体从在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置引导至在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置。在此优选的是，转换管的至少其中之一配备有补偿器。
优选的是，工艺气体冷却装置集合的至少其中之一偏心地设置在其工艺气体冷却装置罩中。此外优选的是，工艺气体冷却装置集合的至少其中之一方形地构建并且工艺气体冷却装置罩空心圆柱体形地构建，以及工艺气体冷却装置集合围绕工艺气体冷却装置罩的纵轴倾斜地设置，用于在工艺气体冷却装置罩中的工艺气体流入和/或工艺气体流出。由此有利地实现所涉及的工艺气体冷却装置的入口横截面和出口横截面的扩大，由此降低工艺气体冷却装置中的在工艺气体侧的压力损失。
具有压缩机系统的用于二氧化碳气体分离的根据本发明的工艺气体设备具有第一冷却剂循环，其设置用于驱动在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置，以及第二冷却剂循环，其设置用于驱动在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置，其中工艺气体是潮湿的二氧化碳气体并且第一冷却剂循环可以用于将热量再次馈入到工艺气体设备中。
从压缩机级中出来的工艺气体由在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置冷却。通过该工艺气体直接在从压缩机级中出来之后达到其最高温度的方式，可以有利地在高的温度水平下驱动第一冷却剂循环。由此同样可以在高的温度水平下进行热量的再次馈入，由此热量的再次馈入是有效率的。例如可以将热量的再供应用于加热工业用水循环。
冷却介质优选地为冷却液。在此优选的是，在第一冷却液循环中在到在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置的流入口中，冷却液的温度为40℃，并且在在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置的流出口中，冷却液的温度为120℃至160℃，其中工艺气体在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置的工艺气体入口的温度在140℃至175℃之间。此外在第二冷却液循环中，在到在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置的流入口中，冷却液的温度为24℃，并且在在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置的流出口中，冷却液的温度为32℃，其中工艺气体在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置的工艺气体出口的温度为34℃。
下面借助示意附图阐明根据本发明的压缩机系统和根据本发明的工艺气体冷却装置单元的优选实施形式。其中：
图1示出压缩机系统的实施形式的示意图，
图2示出工艺气体冷却装置的实施形式的透视图，以及
图3示出图2中的工艺气体冷却装置的实施形式的截面图。
如从图1中可见，压缩机系统1具有设置用于压缩工艺气体设备中的工艺气体的压缩机2，其中工艺气体是潮湿的二氧化碳。工艺气体经由压缩机入口3进入到压缩机2中，经受压缩并且以压缩过的方式在压缩机出口4从压缩机2中出来。
压缩机2构成为多级的压缩机并且具有第一至第六压缩机级5至10。为了中间冷却，在第二压缩机级6和第三压缩机级7之间设置有第一工艺气体单元冷却装置单元11，在第四压缩机级8和第五压缩机级9之间设置有第二工艺气体冷却装置单元12，以及在第六压缩机级10的下游和压缩机出口4的上游设置有第三工艺气体冷却装置单元13。因此在每两个压缩机级5、6或7、8或9、10之后设置有相应的工艺气体冷却装置单元11或12或13。
工艺气体冷却装置单元11，12，13分别由两个工艺气体冷却装置14至19形成，其被工艺气体相继流过。工艺气体冷却装置14至19分别具有独立的、被施加以工艺气体的工艺气体冷却装置罩34和安置在其中的、被施加以冷却液的工艺气体冷却装置集合35。在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置14、16、18的工艺气体冷却装置集合35集成在第一冷却液循环28中，并且在工艺气体侧在下游设置的工艺气体冷却装置15、17、19的工艺气体冷却装置集合35集成在第二冷却液循环31中。第一冷却液循环28由流出管道29和流入管道30形成，其中冷却液通过流出管道从工艺气体冷却装置14、16、18的工艺气体冷却装置集合35排出，冷却液通过流入管道引向工艺气体冷却装置14、16、18的工艺气体冷却装置集合35中。第二冷却液循环31由流出管道32和流入管道33形成，其中冷却液通过流出管道从工艺气体冷却装置15、17、19的工艺气体冷却装置集合35排出，冷却液通过所述流入管道引向工艺气体冷却装置15、17、19的工艺气体冷却装置集合35中。第一冷却液循环28中的冷却液温度水平高于第二冷却液循环31中的冷却液温度水平，其中在第一冷却液循环29的流入管道30中冷却液温度是40℃，并且在第二冷却液循环31的流入管道33中冷却液温度是24℃。
在压缩机系统1工作时，工艺气体在第二压缩机级6的出口并且由此在第一工艺气体冷却装置单元11的第一工艺气体冷却装置14的入口20具有175℃的温度，在第四压缩机级8的出口并且由此在第二工艺气体冷却装置单元12的第一工艺气体冷却装置16的入口23上具有149℃的温度，在第六压缩机级10的出口并且由此在第三工艺气体冷却装置单元13的第一工艺气体冷却装置18的入口26具有140℃的温度。与第二工艺气体冷却装置单元12的第一工艺气体冷却装置16和第三工艺气体冷却装置单元13的第一工艺气体冷却装置18一样，第一工艺气体冷却装置单元11的第一工艺气体冷却装置14设计为使得从工艺气体导散热流，由此与在工艺气体冷却装置16、17之间24和在工艺气体冷却装置18、19之间27一样，工艺气体在工艺气体冷却装置14，15之间21的的热力学状态处于露点线区域中。与第二工艺气体冷却装置单元12的第二工艺气体冷却装置17和第三工艺气体冷却装置单元13的第二工艺气体冷却装置19一样，第一工艺气体冷却装置单元11的工艺气体冷却装置15将工艺气体冷却到34℃。在此，冷却液在第一冷却液循环28中在流出管道29中加热到120℃至140℃，并且在第二冷却液循环31中在流出管道32中加热到32℃。
在图2和3中示出了工艺气体冷却装置单元12，代表工艺气体冷却装置单元12、13和14。
工艺气体冷却装置集合35方形地构建并且设置在空心圆柱形的工艺气体冷却装置罩34中。工艺气体冷却装置罩34的纵中轴与工艺气体冷却装置集合35的纵中轴平行错移地设置，使得工艺气体冷却装置集合35偏心地设置在工艺气体冷却装置罩34中。在图2和3中，工艺气体冷却装置罩34以水平放置的方式设置，其中工艺气体冷却装置罩35围绕工艺气体冷却装置罩34的纵轴并由此相对于水平线倾斜地设置。第一工艺气体冷却装置14的工艺气体冷却装置罩34和第二工艺气体冷却装置15的工艺气体冷却装置罩34通过两个转换管36形成，其形成从第一工艺气体冷却装置14到第二工艺气体冷却装置15的在工艺气体侧的转换部位21。转换管36水平地设置以及入口23和出口25垂直延伸地设置。由此工艺气体冷却装置集合35围绕工艺气体冷却装置罩34的纵轴倾斜地设置，用于工艺气体穿过入口23、转换管36和出口25的流动。

Claims (11)

1.一种用于具有回热的工艺气体设备的压缩机系统，具有：用于压缩潮湿的工艺气体的压缩机(2)，该压缩机具有至少一个压缩机级(6)；以及工艺气体冷却单元(11)，该工艺气体冷却单元连接在所述压缩机级(6)的下游用于冷却工艺气体并且具有以冷却介质驱动的至少一个第一工艺气体冷却装置(14)和第二工艺气体冷却装置(15)，其中所述工艺气体冷却装置(14，15)分别具有单独的、被施加以工艺气体的工艺气体冷却装置罩(34)，该工艺气体冷却装置罩具有安置在其中的、被施加以冷却介质的工艺气体冷却装置集合(35)，所述工艺气体冷却装置(14，15)在工艺气体侧直接相继连接，以及能够借助冷却介质驱动并且构建为使得能够从工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置(14)来从工艺气体导散预先确定的热流，由此在所述工艺气体冷却装置(14，15)之间(21)的工艺气体的热力学状态位于露点线的区域中，并且借助在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置能够将工艺气体冷却到预先确定的温度。
2.根据权利要求1所述的压缩机系统，其中所述在下游设置的工艺气体冷却装置(15)设置用于导散从所述工艺气体中凝结的水的冷凝热并且分离这些水。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机系统，其中在所述工艺气体冷却装置(14，15)之间(21)的工艺气体的热力学状态刚刚在露点线之前。
4.根据权利要求1至3之一所述的压缩机系统，其中所述工艺气体冷却装置(14，15)在其工艺气体冷却装置罩(34)上借助两个转换管(36)彼此连接，其中所述两个转换管用于平行地将工艺气体从所述在工艺气体侧在上游设置的工艺气体冷却装置(14)引导至所述在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置(15)。
5.根据权利要求4所述的压缩机系统，其中所述转换管(36)的至少其中之一配备有补偿器。
6.根据权利要求1至5之一所述的压缩机系统，其中工艺气体冷却装置集合(35)中的至少其中之一偏心地设置在其工艺气体冷却装置罩(35)中。
7.根据权利要求1至6之一所述的压缩机系统，其中工艺气体冷却装置集合(35)的至少其中之一方形地构建并且工艺气体冷却装置罩(34)空心圆柱形地构建，以及工艺气体冷却装置集合(35)围绕工艺气体冷却装置罩(34)的纵轴倾斜地设置，用于在工艺气体冷却装置罩(35)中的工艺气体流入和/或工艺气体流出。
8.一种具有根据权利要求1至7之一所述的压缩机系统(1)的用于二氧化碳气体分离的工艺气体设备，具有：第一冷却剂循环(28)，设置用于驱动所述在工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置(14)；以及第二冷却剂循环(32)，设置用于驱动所述在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置(15)，其中工艺气体是潮湿的二氧化碳气体并且第一冷却剂循环(28)能够用于将热量再次馈入到工艺气体设备中。
9.根据权利要求8所述的工艺气体设备，其中冷却介质是冷却液。
10.根据权利要求9所述的工艺气体设备，其中在第一冷却液循环(28)中在到所述在工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置(14)的流入口(30)中，冷却液的温度为40℃，并且在所述在工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置(14)的流出口(29)中，冷却液的温度为120℃至160℃，其中工艺气体在所述在工艺气体侧上游设置的工艺气体冷却装置(14)的工艺气体入口(20)的温度在140℃至175℃之间。
11.根据权利要求9或10所述的工艺气体设备，其中在第二冷却液循环(31)中，在所述到在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置(15)的流入口(32)中，冷却液的温度为24℃，并且在所述在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置(15)的流出口(22)中，冷却液的温度为32℃，其中工艺气体在所述在工艺气体侧下游设置的工艺气体冷却装置(15)的工艺气体出口(22)的温度为34℃。
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