CN103134268A - 用于二氧化碳分离的膨胀机和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一方面提供了用于从气流中分离二氧化碳的膨胀机。所述膨胀机包括(a)外壳；(b)至少一个设置在外壳内的旋转部件；(c)至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；(d)至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和(e)至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流。所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。所述膨胀机进一步构造成从气流分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。本发明还提供了用于从气流中分离二氧化碳的系统和方法。

Description

用于二氧化碳分离的膨胀机和方法
关于联邦资助研究和开发的声明
本发明在由美国能源部(DOE)授予合同号DE-AR0000101、子合同号DE-0000101的政府支持下进行。政府对本发明可享有一定的权利。
技术领域
本发明涉及用于二氧化碳分离的膨胀机和方法。更具体来讲，本发明涉及用于固体CO2分离的膨胀机和方法。
背景技术
基于含碳燃料燃烧的发电过程通常产生CO2作为副产物。可能期望从气体混合物捕获或者以其他方式分离CO2以防止CO2释放到环境和/或在发电过程或在其它过程中利用CO2。
但是，典型的CO2捕获法(例如基于胺的方法)可能需要大量能量和大量资金。低温和/或高压法也可用于CO2分离，其中分离是通过冷凝CO2以形成液体CO2或固体CO2来实现。但是，由于系统部件的表面起霜，用于冷凝CO2的系统和方法可能需要额外的分离系统，还可能使效率降低。
由此，需要用于分离CO2的高效的系统和方法。此外，需要用于分离固体CO2的高效的系统和方法，从而能够有效运输和/或贮存分离的CO2。
发明内容
本发明包括的实施方案满足了这些及其它需要。一个实施方案是用于从气流中分离二氧化碳的膨胀机。所述膨胀机包括(a)外壳；(b)至少一个设置在外壳内的旋转部件；(c)至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；(d)至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和(d)至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流。所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。所述膨胀机进一步构造成从气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
另一个实施方案是从气流中分离二氧化碳的系统。所述系统包括(i)构造成压缩和冷却气流的压缩阶段和冷却阶段。所述系统进一步包括(iii)与冷却阶段或压缩阶段流体连通的包括膨胀机的膨胀阶段。所述膨胀机包括(a)外壳；(b)至少一个设置于外壳内的旋转部件；(c)至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；(d)至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和(e)至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流。所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。所述膨胀机进一步构造成从气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
另一个实施方案是从气流中分离二氧化碳的方法。所述方法包括(i)提供膨胀机。所述膨胀机包括(a)外壳；(b)至少一个设置于外壳内的旋转部件；(c)至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；(d)至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和(e)至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流。所述方法进一步包括(ii)冷却膨胀机中的气流以便气流中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。所述方法进一步包括(iii)从膨胀机中的气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
附图说明
本领域普通技术人员从以下详述、附图和随附权利要求将明白本发明的其它实施方案、方面、特征和优点。在整个附图中相同符号表示相同部分，其中：
图1是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的膨胀机的示意图；
图2是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的膨胀机的示例性横截面图；
图3是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的多级膨胀机的示例性横截面图；
图4是根据本发明一个实施方案的用于CO2分离的膨胀机和分离通道的示意图；
图5是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的系统的方块图；
图6是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的系统的方块图；
图7是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的系统的方块图；
图8是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的系统的方块图；
图9是根据本发明一个实施方案的用于从气流中分离CO2的系统的方块图；
图10A是根据本发明一个实施方案的加热叶片的示意图；
图10B是根据本发明一个实施方案的加热叶片的示意图；
图10C是根据本发明一个实施方案的在加热叶片中加热气体流动路线的示意图。
具体实施方案
如下文详细讨论，本发明的实施方案包括适用于CO2分离的膨胀机和系统。如下文详细讨论，本发明的实施方案包括集成膨胀机和系统，所述系统包括能够冷却气流以形成液体CO2或固体CO2，且能够进一步在膨胀机其自身中分离至少部分液体CO2或固体CO2的集成膨胀机。本发明的实施方案进一步包括适合用集成膨胀机分离CO2的方法。
在整个说明书和权利要求书中所用的近似语可用于修饰任何定量表达，该表达可允许在不导致与其相关的基本功能改变的情况下变化。因此，由一个或多个术语，比如“约”修饰的数值，不限于指定的精确数值。在一些情况下，近似语可与测定该数值的仪器的精度对应。
在以下说明书和权利要求书中，单数形式也包括复数指代物，除非上下文另外清楚表示。本文所用的术语“或”并不意味着排他性，而是指存在至少一种所提到的组成部分(component)，包括可能存在所提到的组成部分的组合的情况，除非上下文另外清楚表示。
本文所用的术语“可能”和“可(以)”表示一系列场合下的发生可能性；具备指定性质、特征或功能；和/或通过表达一种或多种与被限定的另一个动词相关的能力(ability)、能力(capability)或可能性来限定该动词。因此，使用“可能”和“可(以)”表示修饰的术语似乎合适、能够或适合所提到的能力、功能或用途，尽管需要考虑到在一些情况下修饰的术语可能有时不合适、能够或适合。例如，在一些情况下，可预期某事件或能力，但在其它情况下该事件或能力不能出现——这种差异由术语“可能”和“可(以)”掌握。
在如图1和2所示的一个实施方案中，给出了从气流中分离CO2的膨胀机。本文所用的术语“膨胀机”是指气体或气体混合物通过其中时膨胀以产生功的辐流、轴流或混流涡轮机。
图1表示根据本发明一个实施方案的膨胀机100的简化方块图。图2表示根据本发明一个实施方案的膨胀机100的横截面图。如图2所示，膨胀机100包括外壳114。如图2所示，膨胀机100进一步包括至少一个旋转部件或转子115。在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括至少一个固定部件116。所述固定部件可包括定子或喷嘴。如图2所示，在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括一个或多个密封117。如图2所示，膨胀机100进一步包括一个或多个叶片119/122。在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括一个或多个固定叶片119和一个或多个旋转叶片122，如图2所示。
如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个设置在外壳114中的入口111。在一些实施方案中，入口111构造成接收气流101。在一个实施方案中，气流101包括因燃料处理而放出的气体混合物，所述燃料为例如天然气、生物质、汽油、柴油、煤、油页岩、燃料油、焦油砂及其组合。在一些实施方案中，气流101包括烟道气。在一些实施方案中，气流101包括从燃气涡轮排放出的气体混合物。在一些实施方案中，气流101包括由气化或重整工厂产生的合成气。在特定实施方案中，气流101包括从燃烧煤或天然气发电厂排放的气体混合物。
如前文指出，气流101包括二氧化碳。在一些实施方案中，气流101进一步包括氮气、氧气或水蒸气中的一种或多种。在一些实施方案中，气流101进一步包括杂质或污染物，实例包括但不限于氮的氧化物、硫的氧化物、一氧化碳、硫化氢、未燃烧的烃、颗粒物及其组合。在一些实施方案中，气流101基本不含杂质或污染物。在一些实施方案中，气流101包括氮气、氧气和二氧化碳。在一些实施方案中，气流101包括氮气和二氧化碳。
在一些实施方案中，杂质或污染物在气流101中的量小于约50摩尔百分数。在一些实施方案中，杂质或污染物在气流101中的量小于约20摩尔百分数。在一些实施方案中，杂质或污染物在气流101中的量为约10摩尔百分数至约20摩尔百分数。在一些实施方案中，杂质或污染物在气流101中的量小于约5摩尔百分数。
在一些实施方案中，膨胀机100包括至少一个构造成接收气流101的入口111，如图1和2所示，气流101来自烃处理、燃烧、气化或类似的发电厂(未示出)。在一些其它实施方案中，如图4和5所示，膨胀机100包括至少一个构造成接收来自一个多个冷却和压缩阶段的气流101的入口111。
如前文指出，气流101在膨胀机100中膨胀，随着从膨胀的气流提取功，气流101在膨胀机100内冷却。而且，在一些实施方案中，冷却膨胀机100中的气流101导致在膨胀机100中形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。在一些实施方案中，膨胀机100构造成冷却气流101以便气流101中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。
在一些实施方案中，膨胀机100构造成冷却气流101以便气流101中的部分CO2主要形成液体CO2。本文所用的术语“主要形成液体CO2”指在膨胀机中形成的固体CO2的量小于约2质量百分数。在一些实施方案中，膨胀机100构造成冷却气流101以便气流101中的部分CO2主要形成固体CO2。本文所用的术语“主要形成固体CO2”指在膨胀机中形成的液体CO2的量小于约2质量百分数。
在一些实施方案中，膨胀机100进一步构造成从气流101中分离至少部分在膨胀机100中形成的固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流102。本文所用的术语“富CO2流”是指包括液体CO2和固体CO2中的一种或两种的流体。应注意术语“富CO2流”包括其中富CO2流包括一种或多种载气的实施方案。在一些实施方案中，所述富CO2流进一步包括一种或多种载气以通过离心力将液体CO2或固体CO2运输至第一出口112。在一些实施方案中，所述富CO2流进一步包括一种或多种氮气、氧气或二氧化碳气体。
在一些实施方案中，CO2在富CO2流中的量占富CO2流的至少约50质量百分数。在一些实施方案中，CO2在富CO2流中的量占富CO2流的至少约60质量百分数。在一些实施方案中，CO2在富CO2流中的量占富CO2流的至少约75质量百分数。
在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括多个出口112和113，如图1和2所示。在一些实施方案中，如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出富CO2流102的第一出口112。在一些实施方案中，外壳114包括一个或多个与所述至少一个第一出口112流体连通的分离通道118，如图2所示。在一些实施方案中，将所述一个或多个分离通道118构造成从气流101中分离富CO2流102。在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括涡壳/外壳114，涡壳/外壳114包括构造成排出富CO2流102的所述一个或多个分离通道118，如图2-4所示。在一些实施方案中，所述至少一个第一出口112构造成通过存在于外壳/涡壳114中的分离通道118排出富CO2流，如图2-4所示。如图2和3所示，在一些实施方案中，将第一出口112设置在旋转部件的上游。本文中所用的术语“上游”是指固定部件116与旋转部件115之间的位置。如图4所示，在一些实施方案中，第一出口112设置在外壳114中位于固定部件116与旋转部件115之间。在包括多级膨胀机的实施方案中，如图3所示，第一出口位于至少一个旋转部件的上游。在包括多个第一出口112的实施方案中，第一出口112位于至少一个旋转部件115的上游，如图3所示。
在一些实施方案中，通过将所述一个或多个分离通道118结合在膨胀机外壳114中，可利用膨胀机100内的流动场帮助液体CO2或固体CO2的分离。在一些实施方案中，可设计分离通道118以便液体或固体颗粒因离心力进入，且可通过折流板防止再进入膨胀机流动路线。
如前文指出，在一些实施方案中，可通过一个或多个分离通道118将富CO2流102与气流101分离。这与用于CO2分离系统的典型膨胀机相反，其中膨胀机只包括一个用于冷却气流的出口，不包括集成分离系统。尽管不受任何理论的约束，但还是认为允许从气流101集成分离液体CO2或固体CO2的膨胀机设计不需要用于典型CO2分离系统的额外的分离器。而且，设置在膨胀机100外壳114中的集成分离通道可不需要通常用于CO2分离系统的额外的分离器。
在一些实施方案中，膨胀机100构造成分离至少约50质量百分数的存在于气流101中的CO2。在一些实施方案中，膨胀机100构造成分离至少约70质量百分数的存在于气流101中的CO2。在一些实施方案中，膨胀机100构造成分离至少约90质量百分数的存在于气流101中的CO2。在一些实施方案中，膨胀机100构造成分离至少约95质量百分数的存在于气流101中的CO2。
如前文指出，膨胀机100构造成冷却气流101以形成液体CO2或固体CO2。在特定实施方案中，膨胀机100构造成冷却气流101以便气流101中的部分CO2主要形成固体CO2。本文中所用的术语“主要形成固体CO2”是指在膨胀机100中形成的液体CO2量小于约2质量百分数。
在此类实施方案中，膨胀机100进一步构造成从气流101中分离固体CO2以形成固体富CO2流102。本文中所用的术语“固体富CO2流”是指包括固体CO2的物流。应注意术语“固体富CO2流”包括其中固体富CO2流包括一种或多种载气的实施方案。在一些实施方案中，所述固体富CO2流进一步包括氮气、氧气或二氧化碳气体中的一种或多种。
在一些实施方案中，如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出固体富CO2流102的第一出口112。在一些实施方案中，外壳114包括一个或多个与所述至少一个第一出口112流体连通的分离通道118，如图2所示。在一些实施方案中，将所述一个或多个分离通道118构造成从气流101分离固体富CO2流102。如前文指出，在一些实施方案中，所述固体富CO2流102可包括一种或多种载体气体，并可被离心力连同载气一起运输至第一出口112。
在一些实施方案中，膨胀机100的至少一个部件进一步包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。在一些实施方案中，外壳114、旋转部件115或固定部件116中的一种或多种可包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。在特定实施方案中，膨胀机100中的旋转部件115包括涂层120。在一些实施方案中，涂层120构造成防止固体CO2粘附于旋转部件115的表面121。在一些实施方案中，涂层120包括能够防止固体CO2粘附于旋转部件115的表面121的不粘性材料。
在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括至少一个加热部件。在一些实施方案中，所述加热部件构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面。在一些实施方案中，外壳114、旋转部件115或固定部件116中的一种或多种可包括加热部件以防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面。在特定实施方案中，加热膨胀机100中的固定部件116以防止固体CO2粘附于固定部件116的表面123。
在一些实施方案中，可用电加热元件加热一个或多个固定叶片。图10A示出了本发明的一个实施方案，包括电加热叶片119。如图10所示，叶片119进一步包括设置在叶片119的孔中的加热元件124。在一些实施方案中，可用循环空气或气体加热膨胀机100的一个或多个部件。图10B示出了本发明的一个实施方案，包括被循环气体加热的叶片119。在一些实施方案中叶片119可进一步包括气体流动通道125，比如Z-形通道，如图10C所示。在一些实施方案中，所述气体流动通道可具有任何合适形状，比如U-形、E-形等。图10C进一步示出了在本发明的一些实施方案中，加热叶片119中加热气体的示例性流动路线。
因此，根据本发明一些实施方案，所述膨胀机构造可有利地使得固体CO2在膨胀机本身中从气流中分离，从而不需要额外的分离器。而且，根据本发明一些实施方案的膨胀机构造可有利地防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面，从而提供有效的CO2分离。
如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出贫CO2流103的第二出口113。如图2和3所示，在一些实施方案中，第二出口设置在旋转部件的下游。在包括多级膨胀机的实施方案中，如图3所示，第二出口113可位于至少一个旋转部件114的下游。在一些实施方案中，第二出口113可位于膨胀机100中最后的旋转部件114的下游。本文中所用的术语“贫CO2流”是指其中CO2含量低于气流101中CO2含量的物流。在一些实施方案中，如前文指出，气流101中几乎所有CO2在膨胀机100中以液体CO2或固体CO2的形式分离。在此类实施方案中，所述贫CO2流基本不含CO2。在一些其它实施方案中，部分液体CO2或固体CO2可能不在膨胀机100中分离，贫CO2流103可包括未分离的CO2。
在一些实施方案中，贫CO2流103可包括一种或多种不可冷凝的组分。在一些实施方案中，贫CO2流103可包括一种或多种液体组分。在一些实施方案中，贫CO2流103可包括一种或多种固体组分。在此类实施方案中，贫CO2流103可进一步构造成与液-气和固-气分离器中的一种或两种流体连通。在一些实施方案中，贫CO2流103可包括氮气、氧气或二氧化硫中的一种或多种。在一些实施方案中，贫CO2流103可进一步包括二氧化碳。在一些实施方案中，贫CO2流103可包括气态CO2、液体CO2、固体CO2或其组合。
在特定实施方案中，贫CO2流基本不含CO2。在上下文中所用的术语“基本不含”是指CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约10质量百分数。在一些实施方案中，CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约5质量百分数。在一些实施方案中，CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约1质量百分数。
在一些实施方案中，用于从气流101中分离CO2的膨胀机100可包括单级膨胀机，如图2所示。在一些其它实施方案中，用于从气流101中分离CO2的膨胀机100可包括多级膨胀机100，如图3所示。如图3所示，所述多级膨胀机可包括多个固定部件116和多个旋转部件115。多级膨胀机100可进一步构造成包括多个第一出口112。如图3所示，所述多个第一出口112可配成在多级膨胀机100的不同级排出多个富CO2流102。在一些实施方案中，多级膨胀机100进一步包括至少一个第二出口113，如图3所示。在一些实施方案中，所述多级膨胀机可包括多个第二出口113(未示出)。
在一些实施方案中给出了用于从气流101中分离二氧化碳的系统10，如图5-9所示。在一个实施方案中，系统10包括至少一个构造成接收气流101的冷却阶段200。系统10进一步包括至少一个与所述一个或多个冷却阶段200流体连通的压缩阶段300。在一个实施方案中，构造所述至少一个压缩阶段300和所述至少一个冷却阶段200的组合以在膨胀机100中的气流101膨胀和冷却之前压缩和冷却气流101。
在一些实施方案中，可通过使用如图5和6中300所示的至少一个压缩阶段将气流101压缩至期望的压力。如图6所示，压缩阶段300可进一步包括一个或多个压缩机，比如一些实施方案中的310和320。应注意，图6示出的两个压缩机310和320只作为示例性实施方案，压缩机的实际数目及其各自的构造可根据期望的最终结果而变化。
在一些实施方案中，如图5和6所示，冷却阶段200可进一步包括一个或多个热交换器，比如210和220。应注意，图5和6示出的两个热交换器210和220只作为示例性实施方案，热交换器的实际数目及其各自的构造可根据期望的最终结果而变化。在一些实施方案中，可用冷却介质冷却一个或多个热交换器。在一些实施方案中，可用冷却空气、冷却水或两者冷却一个或多个热交换器。在一些实施方案中，冷却阶段可进一步包括一个或多个中间冷却器(未示出)以冷却气流101，同时基本不影响压力。
还应注意，图5和6中示出的冷却阶段200和压缩阶段300的构造只作为示例性实施方案，实际构造可根据期望的最终结果而变化。例如，在一些其它实施方案中，所述方法可包括在热交换器210中冷却气流101之前在压缩机310中压缩气流101。
如前文指出，至少一个冷却阶段200和至少一个压缩阶段300的组合与包括膨胀机100的至少一个膨胀阶段100流体连通，如前文描述。如前文指出，如图2所示，膨胀机100包括外壳114和至少一个旋转部件或转子115。在一些实施方案中，膨胀机100进一步包括至少一个固定部件116。在一些实施方案中，如图2所示，膨胀机100进一步包括一个或多个密封117。
如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个设置在外壳114中的入口111。在一些实施方案中，入口111构造成接收气流101。在一些实施方案中，膨胀机100构造成冷却气流101以便气流101中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种。
在一些实施方案中，膨胀机100进一步构造成从气流101中分离在膨胀机100中形成的至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流102。在一些实施方案中，如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出富CO2流102的第一出口112。在一些实施方案中，外壳114包括一个或多个与所述至少一个第一出口112流体连通的分离通道118，如图2所示。在一些实施方案中，所述一个或多个分离通道118构造成从气流101中分离富CO2流102。
如图1和2所示，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出贫CO2流103的第二出口113。在一些实施方案中，如前文指出，气流101中几乎全部CO2都在膨胀机100中以液体CO2或固体CO2的形式分离。在此类实施方案中，所述贫CO2流基本不含CO2。术语“基本不含”的含义如前文限定。
在一些其它实施方案中，部分液体CO2或固体CO2在膨胀机100中可能不分离，所述贫CO2流103可包括未分离的CO2。在此类实施方案中，系统10进一步包括至少一个构造成分离贫CO2流103中的部分液体CO2或固体CO2以形成补充富CO2流105和补充贫CO2流106的分离阶段500，如图7所示。
在一些实施方案中，系统10进一步包括构造成接收富CO2流102并增加富CO2流102压力的加压阶段400。在一些实施方案中，加压阶段400构造成液化固体CO2(如果存在)且进一步加压液体CO2以形成加压的富CO2流104。在一些实施方案中，系统10进一步包括构造成使部分加压富CO2流104或补充贫CO2流106循环至所述一个或多个冷却阶段200的循环回路110，如图8和9所示。
在一个实施方案中，提供了用于从气流101分离CO2的方法，如图1-3所示。所述方法包括提供膨胀机100。如前文指出，膨胀机100包括外壳114和至少一个设置在外壳114内的旋转部件115。膨胀机100进一步包括至少一个构造成接收气流101的入口111。膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出富CO2流的第一出口112和至少一个构造成排出贫CO2流103的第二出口113。
所述方法进一步包括冷却膨胀机中的气流101以便气流101中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种，如前文描述。所述方法进一步包括从膨胀机100中的气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流102和贫CO2流103。在一些实施方案中，所述方法进一步包括通过一个或多个分离通道118从膨胀机100中的气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种，如图2和3所示。在一些实施方案中，所述方法进一步包括经第一出口排出富CO2流102和经第二出口排出贫CO2流103，如图1-3所示。
在一些实施方案中，所述方法包括分离至少约50质量百分数的存在于膨胀机100中的气流101中的CO2。在一些实施方案中，所述方法包括分离至少约70质量百分数的存在于膨胀机中的气流101中的CO2。在一些实施方案中，所述方法包括分离至少约90质量百分数的存在于膨胀机中的气流101中的CO2。
在一些实施方案中，所述方法包括冷却膨胀机100中的气流101以主要形成固体CO2，如前文描述。在一些实施方案中，所述方法进一步包括从气流101中分离固体CO2以形成固体富CO2流102。
在一些实施方案中，膨胀机100的至少一个部件进一步包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。在一些实施方案中，外壳114、旋转部件115或固定部件116中的一种或多种可包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。在特定实施方案中，膨胀机100中的旋转部件115包括涂层120。在一些实施方案中，涂层120构造成防止固体CO2粘附于旋转部件115的表面121。在一些实施方案中，涂层120包括能够防止固体CO2粘附于旋转部件115的表面121的不粘性材料。
在一些实施方案中，所述方法进一步包括加热膨胀机100的至少一个部件。在一些实施方案中，加热部件构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面。在一些实施方案中，可加热外壳114、旋转部件115或固定部件116中的一种或多种以防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面。在特定实施方案中，加热膨胀机100中的固定部件116以防止固体CO2粘附于固定部件116的表面123。在一些实施方案中，可通过循环空气或气体加热膨胀机100的一个或多个部件。
因此，根据本发明一些实施方案的分离CO2的方法可有利地使得固体CO2在膨胀机本身中从气流中分离，从而不需要额外的分离器。而且，根据本发明一些实施方案的分离CO2的方法可有利地防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面，从而提供有效的CO2分离。
在一些实施方案中，可将气流101在进入膨胀机100之前压缩和冷却，如前文描述。在一些实施方案中，可通过使用一个或多个压缩阶段将气流101压缩至期望的压力，如图5-9中300所示。在一个实施方案中，可将气流101压缩至在膨胀机100中冷却气流101和形成富CO2流102的期望压力和温度。在一些实施方案中，可将气流101在膨胀机100中的膨胀步骤之前压缩至约4 atm至约10 atm的压力。在特定实施方案中，可将气流101在膨胀机100中的膨胀步骤之前压缩至约4 atm至约8 atm的压力。
在一些实施方案中，可通过使用一个或多个冷却阶段将气流101冷却至期望的温度，如图5-9中200所示。在一些实施方案中，可在膨胀机100中膨胀步骤之前将气流冷却至约-50摄氏度至约-100摄氏度的温度。在特定实施方案中，可在膨胀机100中膨胀步骤之前将气流冷却至约-60摄氏度至约-80摄氏度的温度。
在一些实施方案中，如前文指出，除了二氧化碳以外，气流101进一步还包括一种或多种组分。在一些实施方案中，所述方法进一步包括在膨胀和CO2分离步骤之后产生贫CO2流103。术语“贫CO2流”103是指其中CO2含量低于气流101中CO2含量的气流。在一些实施方案中，所述贫CO2流包括氮气、氧气或二氧化硫中的一种或多种。在一些实施方案中，所述贫CO2流实质上包括氮气。
在一些实施方案中，所述贫CO2流基本不含CO2。在上下文所用的术语“基本不含”是指CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约10质量百分数。在一些实施方案中，CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约5质量百分数。在一些实施方案中，CO2在贫CO2流103中的量小于气流101中CO2的约1质量百分数。
在一些实施方案中，所述贫CO2流进一步包括CO2。在此类实施方案中，所述方法可进一步包括经分离阶段500分离贫CO2流103中存在的CO2以形成补充富CO2流105和补充贫CO2流106的步骤，如图7所示。
在一些实施方案中，所述方法进一步包括用加压阶段400增加富CO2流102的压力，如图5所示。在一些实施方案中，所述方法包括将富CO2流102的压力增加至CO2截存或终端用途的期望压力。在一些实施方案中，所述方法进一步包括在泵送步骤之后产生加压富CO2流104。在一些实施方案中，加压富CO2流104可用于强化油回收、CO2贮存或CO2截存。
在一些实施方案中，所述方法进一步包括使加压富CO2流104循环至一个或多个用于冷却气流的冷却阶段。如图8所示，所述方法进一步包括使加压富CO2流104经循环回路110循环至热交换器220。在一些实施方案中，同流换热(recuperation)步骤可增加膨胀步骤的效率。前述讨论是就单级膨胀机而言。如前文指出，在一些其它实施方案中，系统10和方法可包括多级膨胀机100，前文描述。
根据前文所述，在本文中进一步描述根据本发明一些示例性实施方案的用于从气流中分离CO2的系统和方法。现在来看图5，在一个实施方案中，给出了从气流101分离二氧化碳的系统10。在一个实施方案中，系统10包括与包括压缩机300的第一压缩阶段300流体连通的包括第一热交换器210的冷却阶段200。压缩机300进一步与第二热交换器220流体连通，第二热交换器220与膨胀机100的第一入口111流体连通。如图5所示，将气流101在进入膨胀机100之前冷却和压缩至期望的压力和温度。因此，经入口111进入膨胀机100的气流101的压力和温度可能不同于进入第一热交换器210的气流。
如前文指出，膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出富CO2流102的第一出口。系统10，如图5所示，进一步包括构造成加压或冷凝富CO2流以形成加压富CO2流104的加压阶段400。在一些实施方案中，所述加压富CO2流104可用于强化油回收、CO2贮存或CO2截存。膨胀机100进一步包括至少一个构造成排出贫CO2富流(lean CO2 rich stream)103的第二出口，如前文描述。
现在来看图6，在一个实施方案中，提供了从气流101中分离CO2的方法和系统。所述方法和系统类似于图4说明的系统和方法，增加之处在于压缩阶段300包括两个压缩机310和320。
现在来看图7，在一个实施方案中，提供了从气流101中分离CO2的方法和系统。所述方法和系统类似于图5说明的系统和方法，增加之处在于系统10进一步包括构造成分离贫CO2富流103中存在的任何CO2以形成补充富CO2流105和补充贫CO2富流106的分离阶段500。如图6所示，可将补充富CO2流连同富CO2流102一起在加压阶段400进一步加压。
现在来看图8，在一个实施方案中，提供了从气流101中分离CO2的方法和系统。所述方法和系统类似于图7说明的系统和方法，增加之处在于系统10进一步包括构造成使部分补充贫CO2富流106循环至一个或多个热交换器如热交换器220的循环回路110。在一些实施方案中，冷的补充贫CO2富流106同流换热至热交换器220可导致气流101的额外冷却，导致形成同流换热的补充贫CO2富流107，如图8所示。
现在来看图9，在一个实施方案中，提供了从气流101中分离CO2的方法和系统。所述方法和系统类似于图7说明的系统和方法，增加之处在于系统10进一步包括构造成使部分加压富CO2流104循环至一个或多个热交换器如热交换器220的循环回路110。在一些实施方案中，加压富CO2流104同流换热至热交换器220可导致气流101的额外冷却，导致形成同流换热的加压富CO2流108，如图9所示。
本书面说明书使用实施例公开本发明，包括最佳方式，还使本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制备和使用任何设备或系统和实施任何结合进来的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，可包括本领域技术人员想到的其它实施例。此类其它实施例意欲在权利要求的范围内，如果它们不具有不同于权利要求文字语言的结构元件，或者如果它们包括与权利要求文字语言无实质性差异的等价结构元件。
元件目录
100 膨胀机
101 气流
102 富CO2流
103 贫CO2流
111 入口
112 第一出口
113 第二出口
114 外壳
115 旋转部件
116 固定部件
117 密封
118 分离通道
119 加热叶片
120 涂层
121 旋转部件表面
122 加热元件
123 固定部件表面
200 冷却阶段
210 热交换器
220热交换器
300 压缩阶段
400 加压阶段

Claims (12)

1. 一种用于从气流中分离二氧化碳的膨胀机，其包含：
(a) 外壳；
(b) 至少一个设置在外壳内的旋转部件；
(c) 至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；
(d) 至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和
(e) 至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流；
其中所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种；且
其中所述膨胀机进一步构造成从气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
2. 权利要求1的膨胀机，其中所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中的部分CO2主要形成固体CO2，和
其中所述膨胀机进一步构造成从气流中分离固体CO2以形成固体富CO2流。
3. 权利要求1的膨胀机，其中所述外壳包含一个或多个与第一出口流体连通并且构造成从气流中分离富CO2流的分离通道。
4. 权利要求1的膨胀机，其中所述贫CO2流基本不含CO2。
5. 权利要求2的膨胀机，其中所述膨胀机的至少一个部件进一步包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。
6. 权利要求2的膨胀机，其中所述膨胀机进一步包括至少一个构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的加热部件。
7. 用于从气流中分离二氧化碳的系统，其包括：
(i) 构造成压缩和冷却气流的至少一个压缩阶段和至少一个冷却阶段；
(ii) 与冷却阶段或压缩阶段流体连通的包括至少一个膨胀机的至少一个膨胀阶段，所述膨胀机包括：
(a) 外壳；
(b) 至少一个设置在外壳内的旋转部件；
(c) 至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；
(d) 至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和
(e) 至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流；
其中所述膨胀机构造成冷却气流以便气流中部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种；和
其中所述膨胀机进一步构造成从气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
8. 一种从气流中分离二氧化碳的方法，其包含：
(i) 提供膨胀机，其包含：
(a) 外壳；
(b) 至少一个设置在外壳内的旋转部件；
(c) 至少一个设置在外壳中的入口，其中所述入口构造成接收气流；
(d) 至少一个设置在外壳中的第一出口，其中所述第一出口构造成排出富CO2流；和
(e) 至少一个设置在外壳中的第二出口，其中所述第二出口构造成排出贫CO2流；
(ii) 冷却膨胀机中的气流以便气流中的部分CO2形成固体CO2和液体CO2中的一种或两种；和
(iii) 从膨胀机中的气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种以形成富CO2流和贫CO2流。
9. 权利要求8的方法，其中步骤(i)包括冷却膨胀机中的气流以主要形成固体CO2且步骤(ii)包括从气流中分离固体CO2以形成固体富CO2流。
10. 权利要求8的方法，其中步骤(ii)包括通过一个或多个分离通道从膨胀机中的气流中分离至少部分固体CO2和液体CO2中的一种或两种。
11. 权利要求8的方法，其中所述膨胀机的至少一个部件进一步包括构造成防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面的涂层。
12. 权利要求8的方法，其进一步包括加热膨胀机的至少一个部件以防止固体CO2粘附于膨胀机部件表面。
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