CN102725049A - 使水蒸气从富二氧化碳烟气中冷凝的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

气体净化系统可操作成从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气。所述气体净化系统包括烟气冷凝器(12)，其可操作成通过使所述富二氧化碳烟气与循环冷却液接触而使水从在所述锅炉中产生的所述富二氧化碳烟气的至少一部分中冷凝，由此产生与离开所述锅炉的富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气。所述气体净化系统包括热泵(100)，其可操作成在第一温度下从所述冷却液吸收热量且在高于所述第一温度的第二温度下释放热量到吸热器(124)。

Description

使水蒸气从富二氧化碳烟气中冷凝的方法和系统
发明领域
本发明涉及从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气的方法。
本发明还涉及气体净化系统，其可操作成从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气。
发明背景
在于诸如发电站的燃烧成套设备中诸如煤炭、石油、泥煤、废物等燃料的燃烧中产生热工艺气体，该工艺气体含有二氧化碳CO2以及其他组分。随着环境要求的提高，已经开发了用于从该工艺气体中除去二氧化碳的各种方法。一种这样的方法为所谓的氧-燃料方法。在氧-燃料方法中，燃料，诸如上述燃料之一，在贫氮气体存在下燃烧。将由氧源提供的氧气供给到锅炉，在其中氧气使燃料氧化。在氧-燃料燃烧过程中，产生富二氧化碳烟气，其二氧化碳内含物可在单独单元中压缩并处置以降低二氧化碳向大气的排放。
氧-燃料锅炉的实例描述于US 2007/0243119中。US 2007/0243119的氧-燃料锅炉产生称为烟气的工艺气体。烟气在其中使冷液体试剂循环的湿式洗涤器中处理。该冷液体试剂引起烟气冷却以使烟气的水内含物的一部分冷凝。
发明概述
本发明的一个目的在于提供使水蒸气从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中冷凝的方法，所述方法与现有技术方法相比较在水蒸气冷凝效率和/或操作成本方面更有效。
该目的通过从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气的方法实现，所述方法包括：
将在所述锅炉中产生的所述富二氧化碳烟气的至少一部分送到烟气冷凝器；
在所述烟气冷凝器中通过使所述富二氧化碳烟气与循环冷却液接触来冷却所述富二氧化碳烟气以使水从所述富二氧化碳烟气中冷凝，由此产生与离开所述锅炉的所述富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气；和
利用热泵以在第一温度下从所述冷却液吸收热量且在高于所述第一温度的第二温度下释放热量到吸热器。
该方法的一个优势在于控制所述烟气冷凝器的操作变得更加容易，使得所述净化的富二氧化碳烟气中适当低的水蒸气浓度可在进入所述烟气冷凝器的所述富二氧化碳烟气的变化条件方面和所述吸热器的变化条件方面二者的变化条件下实现。另外，在所述烟气冷凝器中得到低冷却温度变得更容易。
根据一个实施方案，测量与离开所述烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数，且将其与该参数的设定点相比较。通过测量该参数，可以确定是否已经实现了在净化的富二氧化碳烟气中适当低的水蒸气浓度。
根据一个实施方案，所述热泵的操作基于与离开所述烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数的测量值与该参数的设定点之间的比较来控制。该实施方案的一个优势在于可控制热泵的操作以补偿在锅炉、烟气冷凝器、吸热器或影响在烟气冷凝器中水蒸气的冷凝的任何其他装置的操作中的变化。
根据一个实施方案，使所述富二氧化碳烟气在所述烟气冷凝器中与所述冷却液直接接触。该实施方案的一个优势(其可以例如填充塔或喷雾塔的形式体现)在于所述冷却液有效冷却所述富二氧化碳烟气且所述冷却液也可在冷却所述气体的同时从所述富二氧化碳烟气中除去诸如二氧化硫的一些污染物。
根据一个实施方案，所述富二氧化碳烟气在所述烟气冷凝器中借助于冷却液间接冷却。通过可在管-冷却器型冷凝器中进行的间接冷却，冷却液不被富二氧化碳烟气中的任何组分污染。这使得可以利用各种类型的冷却液，包括各种含烃的冷却液，它们非常适合在冷凝器中冷却富二氧化碳烟气，但其不应该与富二氧化碳烟气混合。
根据一个实施方案，在所述烟气冷凝器中间接冷却所述富二氧化碳烟气的冷却液也用作所述热泵的冷却介质。该实施方案的一个优势在于需要较少的设备，因为所述烟气冷凝器起到冷却所述富二氧化碳烟气的作用且起到使所述热泵的冷却介质蒸发的蒸发器作用，在该实施方案中，所述热泵的冷却介质与所述冷凝器的冷却液为同一种物质。另一优势在于能量效率变得具有吸引力，因为在烟气冷凝器与热泵之间不需要中间传热回路。
根据一个实施方案，所述冷却液在0-35℃的温度下、优选在0-20℃的温度下供给到所述烟气冷凝器。该实施方案的一个优势在于所述净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度变得极低，这意味着离开所述烟气冷凝器且传去处置的气体几乎仅含二氧化碳。
本发明的另一目的在于提供可操作成从富二氧化碳烟气中除去水蒸气的气体净化系统，所述气体净化系统比现有技术的气体净化系统更有效。
该目的借助于可操作成从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气的气体净化系统实现，所述气体净化系统包括烟气冷凝器，其可操作成通过使所述富二氧化碳烟气与循环冷却液接触而使水从在所述锅炉中产生的所述富二氧化碳烟气的至少一部分中冷凝，由此产生与离开所述锅炉的富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气，所述气体净化系统还包括热泵，其可操作成在第一温度下从所述冷却液吸收热量且在高于所述第一温度的第二温度下释放热量到吸热器。
该气体净化系统的一个优势在于其在从富二氧化碳烟气中除去水蒸气方面非常有效。
根据一个实施方案，所述气体净化系统还包括传感器，其可操作成测量与离开所述烟气冷凝器的所述净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数；和控制装置，其可操作成鉴于所述参数的测量值与所述参数的设定点的比较控制热泵的操作。该实施方案的一个优势在于可控制所述烟气冷凝器以始终有效地工作，以使得离开所述烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气始终具有恒定且低的水蒸气浓度。
根据一个实施方案，所述吸热器包括冷却塔。冷却塔的一个优势在于可以使许多热量消散到环境空气中。多亏了热泵，在炎热的夏天也可以实现作为在冷却塔中冷却的传热介质与环境空气的温度之间的温差的大驱动力。
根据一个实施方案，所述吸热器包括锅炉。该实施方案的一个优势在于所述锅炉具有加热锅炉水的恒定需要，而这与任何环境条件无关。多亏热泵，在烟气冷凝器中吸收的热量可以在高温下传送到锅炉水，使得该热量在加热锅炉水的过程中有价值。作为加热锅炉水的备选或与其组合，在烟气冷凝器中吸收的热量也可用以加热燃烧空气和/或燃烧氧气。
根据一个实施方案，所述热泵包括串联配置的至少两级热泵。该实施方案的一个优势在于热量可在诸如高于120℃的极高温度水平下传送到吸热器。另一优势在于在所述烟气冷凝器中冷却所述富二氧化碳烟气的冷却液可被冷却到诸如低于5℃的温度的极低温度。
根据一个实施方案，所述热泵为选自包括氨-水吸收式热泵和二氧化碳热泵的热泵的类型的热泵。这些热泵的一个优势在于它们将烟气冷凝器的冷却液有效地大规模冷却到低温且在高温下释放热量到吸热器。
根据一个实施方案，所述烟气冷凝器为间接冷却冷凝器，所述烟气冷凝器可操作成起到热泵蒸发器的作用，其中使得在所述热泵中循环的冷却介质蒸发。
本发明的其他目的和特征将自本说明书和权利要求书显而易见。
附图简述
现将参考附图更加详细地描述本发明，其中：
图1为根据一个实施方案的锅炉系统的示意侧视图；
图2为烟气冷凝器的示意侧视图；
图3为示意侧视图且说明与图2的烟气冷凝器集成的热泵；
图4为示意侧视图且说明根据一个备选的实施方案与烟气冷凝器集成的两级热泵。
优选实施方案的描述
图1为如自其侧面所见的锅炉系统1的略图。锅炉系统1包括作为主要部件的锅炉2，其在该实施方案中为氧-燃料锅炉；蒸汽涡轮机发电系统，示意性表示为4；以静电沉淀器形式的微粒去除装置6；和气体净化系统8。气体净化系统8包括作为其主要部件的以湿式洗涤器10形式的第一气体净化装置和以烟气冷凝器12形式的第二气体净化装置。
诸如煤炭、石油或泥煤的燃料包含在燃料储罐14中且可经由供给管道16供给到锅炉2。氧气源18可操作成以本身已知的方式提供氧气。氧气源18可为可操作成从空气中分离氧气的空气分离成套设备、氧气分离膜、储槽或用于提供氧气到系统1的任何其他来源。供给管道20可操作成将包含通常90-99.9体积%的氧气O2的所生成的氧气送到锅炉2。导管22可操作成将含有二氧化碳的再循环烟气送到锅炉2。如在图1中所示，供应导管20连接锅炉2上游的导管22，使得氧气与含有二氧化碳的再循环烟气在锅炉2的上游可以变得彼此混合以形成含有通常约20-50体积%的氧气、余量主要为二氧化碳和水蒸气的气体混合物。因为几乎没有空气进入锅炉2，所以几乎没有氮气供给到锅炉2中。在实践操作中，小于3体积%的供给到锅炉2的气体体积为空气，其主要随着空气的渗漏进入锅炉2。锅炉2可操作成在与经由导管22供给的含有二氧化碳的再循环烟气混合的氧气存在下燃烧经由供给管道16供给的燃料。蒸汽管道24可操作成将在锅炉2中由于燃烧生成的蒸汽送到蒸汽涡轮机发电系统4，蒸汽涡轮机发电系统4可操作成产生以电力形式的动力。
导管26可操作成将在锅炉2中产生的富二氧化碳烟气送到静电沉淀器6。“富二氧化碳烟气”是指经由导管26离开锅炉2的烟气将含有至少40体积%的二氧化碳CO2。常常大于50体积%的离开锅炉2的烟气将为二氧化碳。“富二氧化碳烟气”的余量将为约20-50体积%的水蒸气(H2O)、2-7体积%的氧气(O2)，因为在锅炉2中常常优选氧气稍微过量；和总共约0-10体积%的其他气体，主要包括氮气(N2)和氩气(Ar)，因为难以完全避免空气的某些渗漏。
可为本身例如自US 4,502,872已知的类型的静电沉淀器6从富二氧化碳烟气中除去大部分尘粒。作为静电沉淀器的备选物，可利用本身例如自US 4,336,035已知的织物过滤器来除去尘粒。导管28可操作成将富二氧化碳烟气从静电沉淀器6送到气体净化系统8的湿式洗涤器10。
湿式洗涤器10为塔式洗涤器，该类型洗涤器本身例如自EP 0 162 536已知。可操作成除去经由静电沉淀器6来自锅炉2的富二氧化碳烟气的二氧化硫内含物的至少一部分且优选至少80%的湿式洗涤器10包括可操作成使来自湿式洗涤器10的底部的石灰石浆料在浆料循环管路32中循环到配置在湿式洗涤器10的上部的一组浆料喷嘴34的循环泵30。浆料喷嘴34可操作成在湿式洗涤器10中精细地分配石灰石浆料且实现石灰石浆料与经由导管28送到湿式洗涤器10且在湿式洗涤器10内基本垂直向上流动的烟气之间的良好接触。新鲜石灰石CaCO3从包括石灰石储罐36和供给管路38的吸收剂供给装置供给到循环管路32。在湿式洗涤器10中，二氧化硫SO2与石灰石CaCO3反应以形成亚硫酸钙CaSO3，随后使其氧化以形成石膏CaSO4。亚硫酸钙的氧化优选通过在未在图1中示出的外部容器中鼓吹空气或氧气穿过石灰石浆料以避免氧化空气或氧气与富二氧化碳烟气混合来进行。所形成的石膏经由处置管道40从湿式洗涤器10除去且送到示意性表示为42的石膏脱水单元。脱水的石膏可在商业上例如在壁板生产中使用。
作为湿式洗涤器10的备选物，可利用其他装置作为从富二氧化碳烟气中除去二氧化硫的第一气体净化装置。一种这样的备选装置为喷雾干燥器吸收器，其可为本身例如自US 4,755,366已知的类型且包括喷雾干燥器腔室和尘粒去除器。在所述喷雾干燥器腔室内部，使石灰石浆料雾化以与二氧化硫反应且形成收集在喷雾干燥器腔室底部和尘粒去除器中的干燥的静止产物。湿式洗涤器的其他备选物例如包括鼓泡床洗涤器，其实例公开在WO 2005/007274中；和湿润粉尘型洗涤器，其实例公开在WO 2004/026443中。
回到图1，部分净化的富二氧化碳烟气经由将烟气送到气体分配点46的导管44离开湿式洗涤器10。在如对于所述部分净化的富二氧化碳烟气的流动方向所见位于湿式洗涤器10与烟气冷凝器12之间的气体分配点46上，所述部分净化的富二氧化碳烟气被分成两部分，即第一流，其经由导管22再循环回到锅炉2；和第二流，其经由导管48送到冷凝器12。再循环回到锅炉2的第一流通常构成离开湿式洗涤器10的全部部分净化的富二氧化碳烟气流的50-90体积%。再循环到锅炉2的那部分的部分净化的富二氧化碳烟气不送往穿过冷凝器12，这使得可以将冷凝器12设计成较小的气体流速。通常构成离开湿式洗涤器10的全部部分净化的富二氧化碳烟气流的10-50体积%的第二流因此经由导管48送到冷凝器12。冷凝器12提供有循环泵50，循环泵50可操作成使冷却液经由循环管路52在冷凝器12中以一定方式循环，这将在下文更详细地描述。
在烟气冷凝器12中循环的冷却液将所述部分净化的富二氧化碳烟气冷却到低于其关于水蒸气而言的饱和温度的温度，且因此使得从湿式洗涤器10送来的所述部分净化的富二氧化碳烟气的至少一部分水蒸气内含物冷凝。冷凝水经由处置管道54离开冷凝器12。经由管道54离开冷凝器12的一部分冷凝水经由管道56作为补给水送到湿式洗涤器10。另一部分冷凝水经由管道58送到水处理单元60，在其中处理该冷凝水，之后将其在工艺中例如作为锅炉水再次使用或处置掉。净化的富二氧化碳烟气经由导管62离开冷凝器12且送到气体加工单元64，在其中将净化的富二氧化碳烟气压缩以便处置。
图2更详细地说明以烟气冷凝器12形式的第二气体净化装置。冷凝器12包括塔66，其填充有用于提供在来自第一气体净化装置、即来自湿式洗涤器10的所述部分净化的富二氧化碳烟气与借助于在管道52中的泵50在冷凝器12中循环的冷却液之间的良好接触的填充材料68。填充材料68可为所谓的结构化填料类型，其一个实例为Mellapak Plus，自Sulzer Chemtech USA Inc, Tulsa, USA购得；或所谓的不规则填料类型，其一个实例为Jaeger Tri-Pack，自Jaeger Products, Inc, Houston, USA购得。液体分配器70可操作成在填充材料上分配冷却液。在这种情况下，该冷却液主要包含水，使其与烟气直接接触。可例如为自Jaeger Products, Inc, Houston, USA购得的Jaeger LD3型或LD4型的液体分配器70在填充材料68上均匀地分配该液体，而不导致小液滴的过度形成。
所述部分净化的富二氧化碳烟气经由导管48供给到塔66的下端且垂直向上移动穿过塔66，以逆流方式与向下流经填充材料68的冷却液直接接触。在塔66的上端配置除雾器72。除雾器72可操作成自烟气中除去液滴。净化的富二氧化碳烟气随后经由导管62离开冷凝器12。风机74可操作成将净化的富二氧化碳烟气送到在上文参考图1说明的气体加工单元64。
如在图2中所说明，在管道52中配置着第一换热器76。第一换热器76可操作成冷却在管道52中传输的冷却液。第一换热器76形成热泵的一部分，如将在下文参考图3更详细地描述。
回到图2，pH-传感器78可操作成测量在管道52中传送的冷却液的pH。控制单元80可操作成接收来自pH-传感器78的信号。控制单元80可操作成控制碱性物质自碱性物质储罐82的供给。因此，控制单元80可操作成比较借助于pH传感器78测量的pH与pH设定点。当通过pH传感器78测量的pH低于pH设定点时，控制单元80发送信号到以泵84形式的碱供给装置以便使碱性物质经由管道86从储罐82中泵送到管道52以增加冷却液的pH。管道52的液体的pH通常控制到pH 4.5-6.0范围内以实现包括二氧化硫的酸污染气体的有效去除，而不会还除去二氧化碳。储存在储罐82中且用以控制在冷凝器12中循环的冷却液的pH的碱性物质优选在水中具有高溶解度，优选在水中在20℃的温度下具有至少50g/l的溶解度，更优选在20℃下具有至少100g/l的溶解度。合适碱性物质的实例包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、碳酸钠(Na2CO3)和碳酸氢钠(NaHCO3)。最优选的碱性物质常为氢氧化钠(NaOH)。高度可溶性的碱性物质具有当冷却液的温度在第一换热器76中降低时降低结皮形成的危险的优势，如将在下文中更详细地描述。借助于泵50在冷凝器12中循环的冷却液优选为澄清液体，这意味着在循环液中仅包含少量固体。优选在冷凝器12中循环的冷却液中的固体的量小于10g/l，优选小于5g/l。相比之下，在上文中参考图1所公开在湿式洗涤器10中循环的浆料通常可含有50-300g/l的固含量。在冷凝器12中循环的液体中具有低固体浓度的一个优势在于经由管道54离开冷凝器12的冷凝水的再次使用和净化变得比与高浓度的固体粒子混合的冷凝水更容易。
任选可提供气-气换热器88。在图2中以虚线说明的导管90可操作成将来自导管48的所述部分净化的富二氧化碳烟气流的至少一部分送到换热器88，且随后再次返回。在图2中以虚线说明的导管92可操作成将导管62的净化的富二氧化碳烟气流的至少一部分送到换热器88且随后使其回到导管62。气-气换热器88可操作成使离开冷凝器12的气体稍微再次加热，该再次加热减少了离开冷凝器12且送到在图1中所说明的气体加工单元64的液滴的量。
图3说明包括在气体净化系统8中的热泵100。热泵100包括以先前参考图2描述的第一换热器76形式的热泵蒸发器。第一换热器76可操作成冷却借助于烟气冷凝器12的泵50在管道52中循环的冷却液。热泵100还包括以第二换热器102形式的热泵冷凝器。在参考图3描述的实施例中，热泵100为氨-水式热泵，其用作为冷却介质的氨与水的混合物来工作，且因此用气-液混合物工作。因此，热泵100还包括气-液分离器104，其可操作成分离气体与液体；压缩机106，其可操作成压缩气体；和液泵108，其可操作成泵送液体。另外，热泵100包括节流阀110。该一般类型的热泵本身自例如US 5,582,020已知。
管道112可操作成将包括氨与水的气/液混合物的热泵冷却介质从第一换热器76，即热泵蒸发器，送到气-液分离器104。气-液分离器104将冷却介质分离成气体部分和液体部分。压缩机106经由气体管道114将气体部分从气-液分离器104传输到第二换热器102，即热泵冷凝器，同时压缩该气体到合适的压力。液泵108经由液体管道116将液体部分从气-液分离器104传输到第二换热器102，同时使该液体的压力升高到合适的压力。
在热泵冷凝器中，即在第二换热器102中，冷却介质，即在高压下的压缩气体与液体，传递其热量到在管道118中循环的传热介质。由此冷却的热泵冷却介质在管道120中送到节流阀110，在其中使冷却介质膨胀，产生降低的压力。由此膨胀的热泵冷却介质随后经由管道122再次送到第一换热器76以接收更多热量。
通常可为水的传热介质在管道118中循环到以冷却塔124形式的吸热器，在其中该传热介质借助于与在图3中用A表示的环境空气接触来冷却。
温度传感器126提供在第一换热器76下游的管道52中。温度传感器126测量刚好在将冷却液引入冷凝器12之前冷却液的温度。控制装置128可操作成接收来自温度传感器26的信号，该信号指出冷却液的温度。控制装置128另外可操作成比较通过温度传感器126测量的温度与温度设定点。基于该比较，控制装置128可操作成控制压缩机106和液泵108的操作。因此，如果例如借助于温度传感器126测量的温度高于温度设定点，则控制装置128命令压缩机106和/或液泵108分别增加流入气体和液体的动力。因此，例如，压缩机106可增加压缩气体的程度，和/或液泵108可增加增加液体的压力的程度。压缩机106和/或液泵108的这种控制的作用在于由热泵100从管道52中的冷却液传递到管道118中的传热介质的热量增加，引起经由管道52转移到冷凝器12的冷却液的温度降低。因此，控制装置128可可操作成采用控制从冷却液吸收并释放到吸热器124的热量的方式控制热泵100，用这种方式使得经由管道52供给到冷凝器12的冷却液将具有恒定且充分低的温度。借助于传感器126所测量的在管道52中循环的冷却液的温度为与离开烟气冷凝器12的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数。因此，控制在管道52中循环的冷却液的温度意味着控制离开冷凝器12的净化的富二氧化碳烟气的温度和水蒸气浓度。
现将参考非限制性实施例描述热泵100的操作。烟气冷凝器12的要求通常可为如在图2中所说明经由导管62离开烟气冷凝器12的净化的富二氧化碳烟气应当具有0.5-8体积%的水蒸气浓度，优选0.5-3体积%的水蒸气浓度。为了实现这一低水蒸气浓度，将所述部分净化的富二氧化碳烟气在冷凝器12中冷却到低于所述部分净化的富二氧化碳烟气的饱和温度的温度，引起水在冷凝器12内冷凝。如在图1中所示离开湿式洗涤器10的所述部分净化的富二氧化碳烟气通常可具有60-80℃的温度和25-55体积%的水蒸气浓度。在所述第一气体净化装置为如上文中所述的喷雾干燥器吸收器或湿润粉尘型洗涤器的情况下，离开这一第一气体净化装置的所述部分净化的富二氧化碳烟气通常可具有90-120℃的温度和23-54体积%的水蒸气浓度。进入冷凝器12的所述部分净化的富二氧化碳烟气因此通常视所利用的第一气体净化装置的类型而将具有60-120℃的温度和通常23-55体积%的水蒸气浓度。为了能够将该高水蒸气浓度降低到0.5-8体积%的水蒸气浓度，必须将所述部分净化的富二氧化碳烟气冷却到3-40℃的温度以实现水蒸气的充分冷凝。为了实现冷却到该低温，在烟气冷凝器12中循环的冷却液应该在烟气冷凝器12的入口处具有0-35℃的温度。为了能够将水蒸气浓度降低到0.5-3体积%，必须将所述部分净化的富二氧化碳烟气冷却约3-22℃的温度，且在烟气冷凝器12中循环的冷却液应该在烟气冷凝器12的入口处具有0-20℃的温度。
在该实施例中，离开湿式洗涤器10的部分净化的富二氧化碳烟气具有76℃的温度和40体积%的水蒸气浓度。该气体经由导管48进入冷凝器12且冷却到10℃的温度，在经由导管62离开冷凝器12的净化的富二氧化碳烟气中的水蒸气浓度由此从40体积%降至1.3体积%的水蒸气浓度。为了实现该冷却，已经设置控制装置128以控制经由管道52进入冷凝器12的冷却液的温度到7℃的温度。离开冷凝器12的冷却液在上述条件下通常将具有40℃的温度。因此，控制装置128将需要控制热泵100的压缩机106和泵108以将在管道52中循环的冷却液从在第一换热器76的入口处的40℃的温度冷却到在第一换热器76的出口处的7℃的温度。在第一换热器76中的该冷却通常将引起热泵冷凝器，即第二换热器102，将在管道118中循环的传热介质从在第二换热器102的入口处的例如15℃加热到在第二换热器102的出口处的例如50℃的温度。因此，以冷却塔124形式的吸热器将借助于使传热介质与具有例如10℃的温度的环境空气A接触来将在管道118中循环的传热介质从约50℃冷却到约15℃。
从上述实施例应了解，热泵100利用在仅40℃的温度下的离开冷凝器12的冷却液的热量将在管道118中循环的传热介质从15℃加热到50℃。因此，热泵100在第一温度下从冷却液吸收热量，且在高于第一温度的第二温度下释放热量到以冷却塔124形式的吸热器。结果在于在冷却塔124中用于冷却的驱动力变得极高，因为具有50℃的初始温度的传热介质被具有10℃的温度的环境空气冷却。这使得在冷却塔124中的冷却非常有效。此外，热泵100使得可以将在管道52中循环的冷却液从约40℃冷却到约7℃，虽然周围温度事实上高于7℃。
如果环境空气温度将增加到例如30℃的环境空气温度，正如夏季可能发生的一样，则在冷却塔124中用于冷却的驱动力仍将相当高。另外，控制装置128可在环境空气温度为30℃的这种场合且如果需要的话自动命令压缩机106和/或泵108分别增加气体的压缩和/或增加液体的压力，使得在管道118中循环的传热介质加热到例如80℃，由此进一步增加在冷却塔124中用于冷却的驱动力。在管道118中循环的传热介质随后在冷却塔124中将从例如80℃冷却到约35℃。如上所指出，在热泵100在增加的气体和/或液体压缩下操作的情况下，热泵100在30℃的环境温度下仍将能够将在管道52中循环的冷却液从例如40℃的温度冷却到例如7℃的温度。因此，热泵100可操作成提供用于在冷却塔124中冷却传热介质的改善且可控制的驱动力，且由此确保在管道52中循环的冷却液的有效且可控制的冷却，以使得经由导管62离开冷凝器12的净化的富二氧化碳烟气可冷却到例如10℃的所要温度，而与普遍的环境条件无关。
根据一个备选的实施方案，如在图3中所说明，可配置另一换热器130以冷却在管道52中循环的冷却液。可为水的另一传热介质在换热器130与另一冷却塔134之间的管道132中循环，其中传热介质借助于与由A表示的环境空气接触来冷却。如相对于冷却液在管道52中的流动方向所见，另一换热器130配置在第一换热器76的上游，且作为预冷却器操作，其可操作成将在管道52中循环的冷却液从例如40℃的温度冷却到例如20℃的温度。因此，另一冷却塔134充当另一吸热器。提供与热泵100串联的另一换热器130和另一吸热器134以冷却在管道52中循环的循环冷却液。结果在于在管道52中循环的冷却液在到达热泵100的第一换热器76时将具有诸如20℃的相当低的温度。因此，该冷却液仅需要在换热器76中从20℃略微冷却以达到例如7℃的所要温度。这降低了热泵100上的负荷，且甚至可以在诸如冬季的冷天、在环境空气温度可低至例如-10℃时暂时关掉热泵100，仅使用另一换热器130就可足以将在管道52中循环的冷却液冷却到例如7℃。因此，另一换热器130可降低能量消耗和热泵100的损耗。作为另一选择，可将在管道52中循环的传热介质引导到热泵100的冷却塔124，因此省去对于另一冷却塔134的需要。
图4以示意方式说明了连接到管冷却器型冷凝器212的备选的热泵200。具有与图2的相应细节相同功能的在图4中说明的细节已经给出相同的参考数字。冷凝器212具有塔266。多个管268配置在塔266中。所述部分净化的富二氧化碳烟气经由导管48供给到塔266的上端且在管268的内部向下垂直移动穿过塔266。净化的富二氧化碳烟气经由导管62离开塔266的下端。
在图4中说明的热泵200为原则上具有彼此串联配置的两个热泵的两级热泵。热泵200的第一级利用冷凝器212本身作为热泵蒸发器，因此作为第一换热器。热泵200的第一级还包括以第二换热器202形式的热泵冷凝器、压缩机206和节流阀210。两级热泵200的第二级利用第二换热器202作为热泵蒸发器。热泵200的第二级还包括以第三换热器214形式的热泵冷凝器、压缩机216和节流阀218。第三换热器214与管道220连接。管道220传输来自蒸汽涡轮机发电系统4的用过的锅炉水穿过第三换热器214，在其中将用过的锅炉水再次加热，之后使其回到锅炉2。因此，该锅炉水充当在冷凝器212与锅炉2之间传递热量的传热介质，锅炉2本身为该系统中的吸热器。
在热泵200中，热泵的第一级的冷却介质也起到在冷凝器212中冷却所述部分净化的富二氧化碳烟气的冷却液的作用。因此，烟气冷凝器212的冷却液和热泵200的第一级的冷却介质为同一种介质。热泵200的第一级的压缩机206在热泵蒸发器即烟气冷凝器212与以第二换热器202形式的热泵冷凝器之间传输热泵200的第一级的冷却介质。该冷却介质(即冷却液)在塔266内部且在管268的外部传输。但是应了解，该冷却介质可视热泵200的第一级的操作条件而以蒸汽形式、以蒸汽与液体的混合物形式或仅作为液体存在于管268的外部。因此，在冷凝器212中的冷却为间接冷却过程，其中在管268内部传送的烟气借助于与冷却介质间接接触来间接冷却，以蒸汽或液态的该冷却介质与管268的外部接触。挡板270配置在塔266中以改善在冷却介质与管268的外表面之间的接触。
在第二换热器202中，热量从热泵200的第一级传递到热泵200的第二级。热泵200的第二级的压缩机216在热泵蒸发器即第二换热器202与以第三换热器214形式的热泵冷凝器之间传输热泵200的第二级的冷却介质。热泵200的第一级和第二级可利用相同类型的冷却介质，诸如氨-水；或不同的冷却介质。
由于热泵200为两级热泵，所以在使热量释放到吸热器即锅炉水之前，增加在两级中在冷凝器212中吸收的热量的温度，可以将在第三换热器214中的用过的锅炉水从在第三换热器214的入口处的例如25℃的锅炉水温度加热到在第三换热器214的出口处的例如150℃的锅炉水温度。因此，将由于水蒸气在其中冷凝而在冷凝器212中产生的热量传递到锅炉2，由此改善锅炉系统1的能量经济性。
作为在本文中参考图4公开的两级热泵200的备选物，也可以利用其他类型的热泵或热泵的组合以实现锅炉水温度的适当增加。在这方面可使用的一种类型的热泵为本身已知的二氧化碳吸热泵，其实例在US 6,374,630中说明。
温度传感器226提供在冷凝器212下游的导管62中。温度传感器226测量离开冷凝器212的净化的富二氧化碳烟气的温度。提供控制装置228以接收来自温度传感器226的温度信号。控制装置228可操作成比较通过温度传感器226测量的温度与温度设定点。这一温度设定点例如可为10℃的气体温度，其对应于离开冷凝器212的净化的富二氧化碳烟气中的水蒸气浓度为1.3体积%。基于所述比较，控制装置228可操作成控制热泵200的压缩机206和/或压缩机216的操作。因此，如果例如借助于温度传感器226测量的温度为12℃，其比温度设定点高，则控制装置228命令压缩机206和216中的一个或两个增加流入气体的动力。压缩机206和/或压缩机216的这种控制作用在于通过热泵200从冷凝器212传递到管道220中的传热介质的热量增加，引起在冷凝器212中富二氧化碳烟气的冷却程度增加。因此，控制装置228可操作成采用这样的方式控制热泵200，该方式使得经由导管62离开冷凝器212的净化的富二氧化碳烟气具有恒定且低的水蒸气含量。
在一个备选的实施方案中，可提供水蒸气浓度传感器227，控制装置228基于通过传感器227测量的实测水蒸气浓度与可例如为1.3体积%的水蒸气的水蒸气浓度设定点的比较来控制热泵200的操作。
由于所述部分净化的富二氧化碳烟气的冷却，烟气的水蒸气内含物的一部分将在塔266中发生冷凝。通过该冷凝形成的液态水冷凝物将向下流经管268且在塔266的下部停止。如在上文参考图1描述，冷凝物经由传输冷凝物到例如湿式洗涤器10中以作为补给水或处置掉的管道54离开塔266。水在管268内部的冷凝将引起形成水雾，该水雾将捕集所述部分净化的富二氧化碳烟气的二氧化硫内含物的至少一部分。另外，气溶胶粒子可随着该冷凝的作用而生长。因此，经由管道54离开塔266的液体冷凝物将含有一些捕集的二氧化硫和一些捕集的气溶胶。任选地，可使一些液态水冷凝物再循环以再一次穿过管268。这种再循环可借助于在图4中以虚线表示的管道253和未示出的泵实现。在图2中所说明的pH-控制装置类型也可用以控制再循环冷凝物的pH值到pH 4-6.5。该再循环的目的将是通过使流经管268的烟气流与增加量的液体直接接触来增加诸如二氧化硫的污染物的去除。除雾器272配置在塔266的下部以在让净化的富二氧化碳烟气经由导管62离开塔266之前从净化的富二氧化碳烟气中除去冷凝液滴。
根据一个备选的实施方案，热泵200可可操作成释放热量到例如为锅炉2的第一吸热器和与所述第一吸热器2隔开的第二吸热器234。为此，如在图4中所说明，可配置另一换热器230来冷却热泵200的第二级的冷却介质。可为水的另一传热介质在换热器230与具有冷却塔234形式的第二吸热器之间的管道232中循环，其中传热介质借助于与由A表示的环境空气接触来冷却。如对于冷却介质在热泵200的第二级中的流动方向所见，另一换热器230配置在热泵200的第三换热器214的下游且在节流阀218的上游，且作为后冷却器操作，处理在第三换热器214中不能传递到锅炉2的热量。因此，另一换热器230与冷却塔234提供在冷凝器212中循环的冷却液的额外冷却。
应了解在附加权利要求书的范围内可能有上述实施方案的许多变体。
在下文中，已经描述了与离开烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数可为如借助于在图3中所说明的温度传感器126所测量的进入烟气冷凝器的冷却液的温度、如借助于参考图4说明的温度传感器226所测量的离开烟气冷凝器212的净化的富二氧化碳烟气的温度或如借助于参考图4说明的水蒸气浓度传感器227所测量的离开烟气冷凝器212的净化的富二氧化碳烟气的实际水蒸气浓度。还存在可用以直接或间接测量在离开烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气中的水蒸气浓度的其他参数。例如，将可以测量在热泵100、200中循环的冷却介质的温度、在冷却塔上的空气温差、每单位时间离开烟气冷凝器12、212的冷凝水的量等。因此，离开烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度可以多种方式直接和间接地测量。
在上文中，已经描述了控制装置128、228分别借助于控制压缩机106和泵108及压缩机206、216的操作来控制热泵100、200的操作。控制装置128、228将可以仅控制冷却介质传输装置中的一个。因此，控制装置128可控制压缩机106和/或泵108，且控制装置228可控制压缩机206和/或压缩机226。另外，控制装置128、228可以其他方式例如通过控制相应吸热器的操作来分别控制热泵100、200。例如，控制装置128可控制冷却塔124的操作。因此，当在烟气冷凝器12中的冷却需要增加时，控制装置128可命令冷却塔124的风机(出于简洁原因而未在图3中说明)来增加速度以增加热泵100的冷却介质的冷却。
在上文中，已经参考图3描述了该吸热器为冷却塔。应了解也可利用其他类型的吸热器，包括传热介质在其中循环的区域供热系统、湖泊和海域等。
在上文中，已经参考图4描述了该吸热器为锅炉2的锅炉水。应了解在烟气冷凝器212中和在烟气冷凝器12中产生的热量也可用于该工艺的其他部分中。例如，借助于冷凝器12或212产生且借助于热泵100或200转变到较高温度水平的热量可用于加热在氧气源18中产生的氧气，之后将该气体引入锅炉2中。另外，在冷凝器12或212中产生的热量也可用于加热如在上文中参考图1描述的离开湿式洗涤器10且经由导管22传输到锅炉2的再循环的部分净化的富二氧化碳烟气，之后将该再循环的气体引入锅炉2中。更进一步的可能性在于，当再次加热来自气体加工单元64或空气分离成套设备18的各种排出气体时，利用在冷凝器12、212中产生且借助于热泵100、200转变到较高温度水平的热量，之后将这类排出气体释放到大气中。
在上文中，已经描述了用于热泵100的吸热器为冷却塔124，且用于热泵200的吸热器为锅炉2。应了解一个热泵可提供有数个吸热器、相同类型的两个吸热器和不同类型的吸热器。后者的实例参考图4描述，其中热泵200释放热量到锅炉2和冷却塔234两者。吸热器的其他组合也是可能的。例如，将可能提供利用区域供热系统作为第一吸热器且冷却塔作为第二吸热器的热泵。
在上文中，已经描述了第二气体净化装置为具有填料68的冷凝器12，在其中使所述部分净化的富二氧化碳烟气与冷却液直接接触，或具有管268的冷凝器212，在其中所述部分净化的富二氧化碳烟气借助于冷却液间接冷却。应了解，也可利用其他类型的冷凝器，包括开放式喷雾塔，其中冷却液借助于雾化喷嘴雾化，且随后使其与所述部分净化的富二氧化碳烟气直接接触。
总之，气体净化系统8可操作成从在锅炉2中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气。气体净化系统8包括烟气冷凝器12，其可操作成通过使富二氧化碳烟气与循环冷却液接触而使水从在锅炉2中产生的富二氧化碳烟气的至少一部分中冷凝，由此产生与离开锅炉的富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气。气体净化系统8包括热泵100，其可操作成在第一温度下从冷却液吸收热量且在高于第一温度的第二温度下释放热量到吸热器124。
虽然已经参考多个优选的实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是可在不偏离本发明的范围的情况下进行多种改变且可用等效物替代其要素。另外，可在不脱离本发明的必要范围的情况下进行许多修改以适应本发明的教导的特定情形或材料。因此，并非想要将本发明限制于作为预期用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括属于随附权利要求书范围内的所有实施方案。此外，使用术语第一、第二等并不表示任何顺序或重要性，术语第一、第二等而是用以区分一个要素与另一要素。

Claims (16)

1.从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气的方法，所述方法包括：
将在所述锅炉中产生的所述富二氧化碳烟气的至少一部分送到烟气冷凝器；
在所述烟气冷凝器中通过使所述富二氧化碳烟气与循环冷却液接触来冷却所述富二氧化碳烟气以使水从所述富二氧化碳烟气中冷凝，由此产生与离开所述锅炉的所述富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气；和
利用热泵以在第一温度下从所述冷却液吸收热量且在高于所述第一温度的第二温度下释放热量到吸热器。
2.权利要求1的方法，其中测量与离开所述烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数，且将其与所述参数的设定点相比较。
3.权利要求2的方法，其中所述热泵的操作基于与离开所述烟气冷凝器的净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数的测量值与所述参数的设定点之间的比较来控制。
4.权利要求1的方法，其中使所述富二氧化碳烟气在所述烟气冷凝器中与所述冷却液直接接触。
5.权利要求1的方法，其中所述富二氧化碳烟气在所述烟气冷凝器中借助于冷却液间接冷却。
6.权利要求5的方法，其中在所述烟气冷凝器中间接冷却所述富二氧化碳烟气的冷却液也用作所述热泵的冷却介质。
7.权利要求1的方法，其中所述冷却液在0-35℃的温度下、优选在0-20℃的温度下供给到所述烟气冷凝器中。
8.气体净化系统，其可操作成从在锅炉中在含有氧气的气体存在下燃烧燃料产生的富二氧化碳烟气中除去水蒸气，所述气体净化系统包括烟气冷凝器，其可操作成通过使所述富二氧化碳烟气与循环冷却液接触而使水从在所述锅炉中产生的所述富二氧化碳烟气的至少一部分中冷凝，由此产生与离开所述锅炉的所述富二氧化碳烟气相比具有较低水蒸气浓度的净化的富二氧化碳烟气，所述气体净化系统还包括热泵，其可操作成在第一温度下从所述冷却液吸收热量且在高于所述第一温度的第二温度下释放热量到吸热器。
9.权利要求8的气体净化系统，其中所述气体净化系统还包括传感器，其可操作成测量与离开所述烟气冷凝器的所述净化的富二氧化碳烟气的水蒸气浓度有关的参数；和控制装置，其可操作成鉴于所述参数的测量值与所述参数的设定点的比较来控制所述热泵的操作。
10.权利要求8的气体净化系统，其中所述吸热器包括冷却塔。
11.权利要求8的气体净化系统，其中所述吸热器包括所述锅炉。
12.权利要求8的气体净化系统，其中提供与所述热泵串联的另一换热器和吸热器来冷却所述循环冷却液。
13.权利要求8的气体净化系统，其中所述热泵可操作成释放热量到第一吸热器和到与所述第一吸热器隔开的第二吸热器。
14.权利要求8的气体净化系统，其中所述热泵包括串联配置的至少两级热泵。
15.权利要求8的气体净化系统，其中所述热泵为选自包括氨-水吸收式热泵和二氧化碳热泵的热泵的类型的热泵。
16.权利要求8的气体净化系统，其中所述烟气冷凝器为间接冷却冷凝器，所述烟气冷凝器可操作成起到热泵蒸发器的作用，其中使得在所述热泵中循环的冷却介质蒸发。
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