CN104246150A - 整合储能和低温碳捕获的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

整合的蓄能和低温碳捕获的系统和方法，向发电厂提供了有效的网格管理和节能碳捕获能力。通过使用非高峰能量压缩天然气形成液化天然气(LNG)并储存LNG用作制冷剂，系统在非高峰需求时段储能。系统在低温碳捕获(CCC)工艺中使用储存的LNG作为制冷剂以在烟气中从轻的气体中隔离二氧化碳。系统通过燃烧由CCC工艺加温的天然气发电在高峰需求时段供应能量。

Description

整合储能和低温碳捕获的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011.10.22提交的美国临时申请号61/627,998，名称为“整合的碳捕获和蓄能”的权益，其通过引用并入本申请。
背景
1.发明领域
本发明涉及整合蓄能和低温碳捕获的系统和方法。更具体地是，本发明提供了储存和管理由发电厂或其他并网源产生的能量和在低温工艺中使用储存的能量捕获来自轻的气体中的二氧化碳和其他可冷凝的蒸汽的方法。
2.相关技术
从其他轻的气体或液体如烟气、氮气或甲烷中分离二氧化碳对于实现二氧化碳的隔离是重要的。来自一般的发电站的工业废气(烟气)通常包括大约4％(体积)至大约6％(体积)的二氧化碳和来自井的原天然气可包括大量CO2。此加工技术可处理这些和类似的包括可冷凝的、去升华的蒸汽的过程。此CO2导致温室效应和全球变暖。因此，对于从工业废气中捕获CO2产生适合于运输至安全储存场所或进一步利用的CO2浓缩流的有效方法有着明确的需求。此外，天然气中的CO2是惰性组分，运输昂贵并且消弱了天然气的效益。这些或类似的包括去升华蒸汽的流可由这些方法和工艺处理。
已经由几个技术从气体流中捕获CO2，其中最常见的包括：吸收，其中CO2选择性地吸收到液体溶剂中；纯氧燃烧(oxyfiring)，其中在燃烧前从空气中分离出氧气，得到基本上纯的CO2排放流；膜，其中通过半透性塑料或陶瓷膜分离CO2；吸附，其中通过吸附在特别设计的固体颗粒表面上来分离CO2；化学循环，其中碳氧化和氧消耗通过循环的中间物典型地是金属氧化物进行物理分离；和低温/高压工艺，其中通过使CO2冷凝实现分离。
在过去，从工业废气中捕集CO2的最经济的技术是用胺溶液洗涤该废气以吸收CO2。这种技术对于小规模工艺和特种工艺已经实现了商业化使用。例如，Flour开发的工艺，称作Econamine FG+，用于此。但是，并未表明在实用规模的发电厂中使用。在所有情况中，计划的工艺效率的降低和工艺成本的增加是高的(根据DOE对发电厂的估计，分别为25-30％和80％)。
另一种类型的工艺是全氧燃烧系统，其使用氧气，通常在空气分离装置(ASU)中产生，代替空气，用于燃烧一次燃料。该氧气常常与惰性气体，如再循环的工业废气混合以使燃烧温度保持在合适的水平。纯氧燃烧工艺产生含有CO2、水和O2作为主要成分的工业废气；CO2浓度通常大于约70体积％。通常需要对该工业废气进行处理以在将CO2送去储存之前从该工业废气中除去空气污染物和不能冷凝的气体(如氮气)。
低温碳捕获(CCC)工艺是出现的从其他气体通过冷凝CO2分离CO2的新方法。传统的制冷工艺不节能因为冷却工业废气到很低的温度，在冷却和压缩上消耗大量的能量。
尽管碳捕获和储存(CCS)对于控制碳排放是相当令人满意的，但是CCS的能量消耗是高的。捕获和压缩CO2可增加烧煤的CCS厂的燃料需求25％-40％。这些和其他的系统成本增加了由21-91％用于特定目的工厂生产的能量的成本。除了CCS技术，如果需要大量的工厂改变或更换，应用CCS技术到现有的工厂将是比较昂贵的，通常情况就是这样。因此，迫切需要用于碳捕获的节能系统。
除了限制二氧化碳的排放，能源工业还面临另一个通常的挑战：管理能量供应与需求以应对能量使用和产生的不断波动。
能量的消耗随着天、周、季节的变化波动。许多电力发电源不能根据能量需求的波动实际地或经济地改变生产负荷。例如，在一天的非峰荷时段将核反应堆闲置而在高峰时段再投入运转是不现实的。燃煤锅炉和所有其他的锅炉型热力发动机是类似的。结果，有极大的兴趣在非高峰时间将超过需要的能量储存并且在高峰时间供应，使能量的浪费最小化。
而且，一些电力发电机如风力汽轮机和太阳能厂产生间歇的电力。这样的间歇的电力在其有效利用上作了折中，由于其不能精确地预料时间或量并且许多其他的系统不能对负荷变化作出尽快的反应，像风和太阳能动力的变化。在储存大量的网格能量上这也引发了极大的兴趣。
各类储能的方法包括：化学的、生物学的、电化学的、电的、机械的和热的方法。其中抽水储存对于储能是最可靠和有效率的机械方法，其中电力在非高峰需求时段用于抽水至水库。在需求高峰时，水驱动发电机涡轮。氢气被提出作为化学法，其中电力用于分裂水分子产生氢气，当需要时，氢在燃料电池中燃烧或反应产生电力。压缩空气储能(CAES)是另一种用于储能的机械方法，其使用非高峰能压缩或部分压缩空气最终用在燃气轮机发电。
这些储能方法对于特别的发电厂可能是不可用或经济上不可行。例如，抽水蓄能要求水和山，而水和山均被高度管制并且通常难以实施。储氢不仅昂贵而且无效率并且储氢需要特别的材料和工艺。CAES要求非常大的、可压缩的储存所以储存压缩空气，由实际可用的含水层、洞穴，或盐丘等制约储存压缩空气。
面临碳排放控制和能量管理的双重任务，能源工业能从提供的能源管理和碳捕获整合方案的系统和方法中受益匪浅。
简要概括
此处描述的系统和方法整合了储能与低温碳捕获(CCC)，能向发电厂提供有效的网格管理和节能碳捕获。储存的能量减少了高峰需求时段由碳捕获工艺制造的附加负荷。一些储存的制冷剂可在涡轮或其他系统中随后燃烧以进一步增加碳捕获期间电厂的输出。CCC工艺弥补了大部分自冷却产品的冷却以冷却输入流，极大地减少了所需要的冷却并增加了工艺效率。CCC还涉及去升华的在稳定状态下操作的热交换器，避免了循环温度的无效率。
根据当前发明的系统和方法在非高峰需求时段使用能量压缩制冷剂以形成在低温储存的液体。感兴趣的材料包括但不限于天然气、乙烷、丙烷、和其他合适的制冷剂。下面讨论的大部分围绕着液化天然气(LNG)作为例子，但是也可使用其他合适的制冷剂。LNG在低温工艺中形成制冷剂的一部分，所述低温工艺冷却包含至少一种可冷凝蒸汽和至少一种轻的气体的工艺物料流，使可冷凝蒸汽去升华并从轻的气体中分离。下面讨论包括的实例为从烟气中分离CO2。当冷却工艺物料流作为制冷剂时，LNG沸腾并回复到气体燃料，其在燃气轮机或其他合适的燃烧器中，在冷却循环结束时燃烧以提供高峰需求时段的能量。
储能的量由通过储存冷却剂完成的冷却决定。由制冷剂在循环结束时燃烧产生的电量使发电厂以在高峰能量需求时段产生的方式受益，但是其不是储存和再生的能量。
在本发明的一个或更多实现中，混合的工艺物料流是基于燃料的锅炉的烟气，包含二氧化碳、氮气、和其他组分。此实施方式为基于燃料的发电厂的能量管理和低温碳捕获(CCC)提供了整合的方案。
适用于实现本发明的CCC工艺包括任何具有外部制冷剂冷却工艺物料流的CCC工艺。在本发明的一个优选实施方式中，CCC工艺应用到改进的、后-燃烧技术中，使基于燃料锅炉的烟气中的CO2去升华，从其余的轻的气体中分离生成的固体，加压固体CO2，熔化CO2并加热轻的气体，并完成CO2与液体CO2的加压。
本发明的一个方面涉及储存电能和从轻的气体或液体(例如，N2)中分离可冷凝蒸汽(例如，CO2)的方法。作为本发明实施方式的方法包括所有或部分下面步骤：(i)在非高峰需求时段使用电力或轴功液化天然气；(ii)在LNG储存槽中储存液化天然气(LNG)为后面用作制冷剂；(iii)在去升华的或传统的热交换器(DHE)中使用LNG作为制冷剂，优选地在能量的高峰需求时段，冷却包含至少一种可冷凝的蒸汽和至少一种轻的气体的混合的工艺物料流，从而使可冷凝的蒸汽去升华并形成固体流；和(iv)从轻的气体中分离固体流。由此程序分离固体的工艺在申请人的共同未决的美国专利申请号13/482,980中讨论，其通过引用并入此处并且描述的CCC工艺实例可用于本发明。下面的讨论集中于将储能整合到CCC工艺中。
在本方法的一个应用中，混合的工艺物料流为包含CO2、N2、和包括汞、砷、镉、铬、镍、其他重金属、碳氢化合物、SO2、NO2、HF、和HCl、和其他可冷凝的杂质的污染物的烟气，所述方法还包含在冷却过程的各阶段和温度下冷凝和提取污染物。
基于燃料的锅炉可产生烟气并提供在非高峰需求时段驱使天然气液化的能量。天然气的液化在低的能量需求或高的能量输出时段还可由间歇式能量源的能量驱动。
为了在高峰需求时段产生能量并消除过高地大的储存对耗费的制冷剂的需求，根据本发明的方法还包含在高峰需求时段在燃气轮机中燃烧天然气作为耗费的制冷剂以发电。在本发明的一个实施方式中，从燃气轮机中出来的排放物进入锅炉获得混合的工艺物料流。排放物有助于蒸汽形成，为简单循环成本提供联合循环效率。其还提供了捕获燃气轮机流出物的CO2的方法。
在另一个实施方式中，来自锅炉的烟气补充空气作为涡轮原料流，增加了汽轮机输出的CO2含量。结合的空气和烟气进口流的氧含量为了涡轮燃烧必需保持充足，烟气主要作为稀释剂控制汽轮机进口温度。
在本发明的一个实施方式中，LNG可在持续运行的外部冷却回路中作为制冷剂提供。该制冷剂的作用在美国专利申请号13/482,980中概述。在该实施方式中，加热的制冷剂在高峰需求时段作为燃料燃烧产生能量。在非高峰需求时段，加热的和未燃烧的制冷剂再循环并储存在低温液化燃料池中，和用以冷凝制冷剂的能量在非高峰需求时段由电力提供。在该实施方式中，天然气制冷剂提供了在高峰和非高峰需求时段的冷却。
在本发明的一个替代实施方式中，LNG作为平行于至少一个外部冷却回路(ECL)的天然气冷却回路(NGCL)的制冷剂提供。在该工艺中，在非高峰需求时段，ECL向CCC工艺提供冷却，和在高峰需求时段NGCL替代或补充外部冷却回路。在高峰需求时段，耗费的天然气在汽轮机中燃烧发电。在该实施方式中，在非高峰需求时段，NGCL中可能的低效率不影响整个工艺。
为了最大化热交换效率，本方法使LNG沸腾，加热它接近环境温度，在DHE的上游将一个或多个逆流热交换器(UHE)中的进来的混合的工艺物料流冷却。
冷却效率可通过以下方式显著提高即得到部分用于冷却工艺物料流的能量，是通过在再生式热交换器中加热可冷凝的蒸汽、轻的气体和液体冷的、分离的物料流至接近环境温度。一种提高冷却效率的方式是在自再生式热交换器(SRHE)中使用这些冷的、分离的物料流冷却暖的、进来的混合的工艺物料流。另一种提高冷却效率的方式是在再生式热交换器(RHE)中在高温端使用这些冷的、分离的物料流冷却制冷剂。为了在加热时保持分离的可冷凝的蒸汽为液态，加压至150bar或其他压力水平，适于可冷凝的蒸汽使用管道或移动运输传送。
为了最大化热交换效率，有利的是使在热交换器中冷却流与暖流的温度曲线相匹配。这可通过选择并结合不同的制冷剂、多段热交换器、控制物料流的流速、调整制冷剂的压力、和类似的工艺控制和工业通用的制冷操作实现。在一些实施方式中，在热交换流中存在相对小的温度差，优选地小于20℃，更优选小于5℃，和最优选小于1℃。
通过促使暖流和冷却流之间的相变温度极为贴近可进一步提高能量效率。通过增压制冷剂可使制冷剂的沸点设定为刚好低于可冷凝的蒸汽的去升华温度。优选地，制冷剂的沸点低于可冷凝的蒸汽的最低的去升华温度的0-20℃。例如，当LNG为制冷剂和可冷凝的蒸汽是CO2时，LNG应加压至约1-30bar，以使其沸点在约-130℃和约-100℃之间，低于对于轻的气体中CO2在15％或以下浓度在1atm下的升华点。
替代地或此外，为了降低LNG的储存压力和节约耗费在加压上尤其是冷却LNG的能量，LNG可加压至大约2-4bars。
本发明的另一方面涉及储能和从轻的气体或液体中分离可冷凝的蒸汽的系统和装置。所述系统包括天然气液化装置，其配置为LNG储存槽储存LNG为后面用作制冷剂。此外，所述系统包括至少一个去升华热交换器(DHE)，该热交换器包含：(a)用于包含至少一种可冷凝的蒸汽和至少一种轻的气体或液体的混合的工艺物料流的进口，(b)包含来自LNG储存槽的LNG的制冷剂，在高峰需求时段供应，和(c)热交换区，其配置为使热从混合的工艺物料流转移到制冷剂，从而导致混合的工艺物料流中的可冷凝的蒸汽去升华。而且，所述系统包括固体分离器，其配置为分离作为来自轻的气体或液体的固体流的去升华的可冷凝的蒸汽。
在本发明的一个或更多实现中，系统包含外面的外部冷却回路(外面的ECL)和里面的外部冷却回路(里面的ECL)。里面的ECL控制与熔化固体CO2相关的热交换。外面的ECL包含LNG作为制冷剂，其可向去升华热交换器提供冷却。
在本发明的一个实施方式中，系统还包含燃气轮机，其配置为燃烧来自DHE下游的外面的ECL耗费的制冷剂发电，优选地在高峰需求时段。
代替在ECL中提供LNG制冷剂，本发明的一种可选择的实施方式在平行于外部冷却剂回路(ECL)的导管中提供LNG制冷剂形成去升华系统，其中ECL在非高峰需求时段向DHE提供去升华冷却并且在高峰时段冷却负荷转向与ECL平行的LNG。
本发明的一个或更多实现整合天然气制冷剂作为唯一的制冷剂至去升华ECL中，形成天然气冷却剂回路(NGCL)允许耗费的制冷剂自DHE下游再循环通过天然液化气装置至LNG储存槽。剩余能量在低能量需求或高能量输出时段用于液化剩余的天然气并储存剩余的至LNG存储中。
该实施方式还包含再生式热交换器(RHE)，其配置为通过将热从天然气转移到分离的可冷凝的蒸汽和/或轻的气体以冷却天然气。自RHE下游的液体泵，其配置为加压液体流至150bar或其他压力水平，以适于可冷凝的蒸汽用管道或移动运输传送。
作为上述和其他特征的结果，当现有的储能和可冷凝的蒸汽分离系统相比，本发明享有所有的或部分的下面优势。系统提供了(1)有效和高效的整合的(煤、天然气、风、太阳能等)能量平台；(2)在非高峰需求时段储能并在高峰电力需求时段恢复该能量的方法，通过负荷转移以减少额外的发电容量的需求；(3)网格管理和储能容量使风、太阳能、和其他间歇式源管理更有效；(4)具有碳捕获的锅炉跟随快速需求变化的能力；(5)在高峰需求时段通过结合LNG与传统锅炉运行的补充发电；(6)通过现有锅炉的杠杆作用，联合循环燃气轮机的效率优势；(7)具有减少的或零高峰电力需求的高效节能低温碳捕获(CCC)能力；(8)对天然气涡轮电厂有效的CCC。
从下面的描述和附加的权利要求，本发明的这些和其他的目标和特征将变得更加明显，或通过对本发明的实践如通过下面的描述可以了解。
附图说明
为了进一步明确本发明的上述和其他的优势和特征，将通过参考具体的实施方式(其在附图中表明)，对本发明提出更具体地描述。应当理解这些附图仅描述了例证的本发明的实施方式并不应认为是限制其范围。本发明将通过附加的特征和细节使用如下附图描述并解释，其中：
图1是框图，表明根据本文描述的一个实施方式，储能和从气体中低温分离可冷凝的蒸汽的方法的各步骤；
图2是示意图，表明根据本文描述的一个实施方式，在储能和在烟气中捕获二氧化碳中涉及的主要组分和步骤；
图3是纯二氧化碳的相图；
图4是从气体中低温分离可冷凝的蒸汽系统的流程图，所述系统具有一个外部冷却回路(ECL)、去升华热交换器(DHE)和再生式热交换器(RHE)；
图5是用于冷却去升华热交换器(DHE)上游的混合工艺物料流的逆流(upstream)热交换器(UHE)单元的示意图；
图6是具有网格储能和低温碳捕获能力的系统的图示，所述系统具有天然气冷却回路(NGCL)、去升华热交换器(DHE)和再生式热交换器(RHE)；
图7是甲烷的压力-温度相图；
图8是用于在烟气中低温捕获二氧化碳并将其从轻的气体和污染物中分离的系统的流程图，所述系统具有两个ECL、两个DHE和两个自-再生式热交换器(SRHE)；
图9是储能和在烟气中捕获二氧化碳的系统的流程图，所述系统整合图8的低温碳捕获系统。
详述
I.介绍
此文中使用的“高峰需求”指的是不但能量需求相对高的时候，而且还是能量供应相对低的时候。在电力系统中具有稳定的电力输出，如煤基电厂供电的系统，高峰需求典型地相应于高能量需求时间。在间歇式发电电力系统中，如风或太阳能发电系统，高峰需求相应于不但是低能量输出时间，也是高能量需求时间。相反地，“非高峰需求”指的是当能量需求相对低的时候，或当能量供应相对高的时候。
术语“高峰时间(peak hours)”、“高峰时间(peak times)”和“高峰需求”在此可交换使用，除非另有说明。
本发明的整合工艺在电力容量的重要部分储能高效并且负荷变化快速。储能选择可通过将负荷转移至非高峰或较便宜的发电时间减少高峰负荷的附加损失。该附加负荷转移与通过燃气轮机在附加负荷减少时发电额外能量的结合可导致高峰需求时段净功率的增加，部分原因是附加负荷大的减少及部分原因是汽轮机发电的增加。仅附加负荷的减少取得储能资格。然而，发电的增加充分有助于网格管理和稳定。快速负荷变化能力提供了主要网格管理能力，其对调节间歇式供应如风和太阳能是必不可少的。
CCC工艺的附加负荷的临时减少和燃气轮机的能量输出的增加的联合效果代表重要的储能和网格管理机构。在任何CCC方法中制冷剂产生是必要的，所以本发明制冷剂产生中涉及的能量抵消了其使用时节省的能量，提供了接近100％效率的储能系统。
除了储能和相关的负荷均衡之外，本发明重要的益处是快速反应。这为具有CCC版储能的燃煤锅炉提供了吸收由间歇式源如风和太阳能或定期负荷跟踪驱动的快速变化的网格分派需求的能力。这样，具有CCC的燃煤锅炉对于有效的风和太阳能使用成为主要促成因素。锅炉负荷随着系统从储存向生产模式转移而变化，但是锅炉负荷的变化相比于锅炉功率输出的变化是小的，因为大部分的变化与附加负荷变化和燃气轮机的发电变化有关。变化的相对小的部分来自与在涡轮中使用涡轮烟气相关的发电循环的锅炉部分的增加，锅炉需仅调整至通过锅炉的烟气流速的该小的变化。在该实施方式中，其中涡轮烟气经过锅炉，该新的工艺还提供了从燃气轮机产生的CO2的有效捕获。
本发明和压缩空气储能(CAES)均提供的是机械方法储能。然而，本发明的储能密度包括汽化潜热和显热在一个大的范围。这远高于压缩空气储能的密度。
在非高峰时段液化和储存任何制冷剂并在高峰时段使用所述制冷剂冷却可减少传统CCC工艺的附加负荷。然而，在此安排上运行传统的CCC工艺需要在高峰时间在低压和高温下储存耗费的制冷剂，并在非高峰时段再生。为了此运行的低压/高温储存槽的尺寸和成本对于任何大量的储能可能是过分地大。本发明的一个或多个实现解决了此问题是通过使用天然气(主要是甲烷)作为制冷剂，其中液化天然气(LNG)冷却工艺物料流并煮沸形成天然气。燃气轮机燃烧天然气(甲烷)，提供额外的动力并消除低压、高温储存的问题。可选的实现可使用本领域已知的替代的制冷剂，包括乙烷、丙烷、和其他本领域已知的合适的制冷剂。
本文公开的CCC工艺涉及从工艺物料流(如电厂的工业废气)分离可冷凝的蒸汽形成固体和分离的轻的气体流。工艺物料流典型地来自烃加工厂、发电厂、或有时是生命保障用CO2敏感气源中。烃加工厂和产生适于本发明使用的流的呼吸气供应系统的实例包括但不限于燃煤发电厂、燃天然气发电厂、燃油燃料发电厂、生物燃料发电厂、石化工艺物料流、在限制或封闭空间如潜艇中的环境空气、天然气纯化流、合成气或来自气化炉的发生炉煤气、来自固定和可能为移动汽油、柴油、或类似发动机的工业废气、和黑色液体燃烧或气化排放物。
尽管本发明用于来自发电厂的工艺物料流(烟气)是特别有利的，本发明还可用于其他工业的工艺物料流，例如但不限于，来自石油精炼、天然气处理的工艺物料流、和生物质工艺物料流。工艺物料流的大部分实例以含有CO2、N2和杂质的工业废气给出，但是本发明遵守同样的基本原则可应用于其他可冷凝的蒸汽和轻的气体或液体。
本发明通常适合各种CCC工艺。本发明不同于传统CCC，因其在非高峰需求时段液化并储存天然气作为制冷剂，并在高峰需求时段使用该制冷剂。热回收的整合使得此工艺较其本来更加有效率。作为具体的说明，如果人想将室温氮气冷却至-180℃并随后用逆流热交换器再加热它，如果假定理想的系统(无摩擦、压力下降、热量损失、和热交换器中无需温度驱动力)，一旦工艺在稳定状态运行即可不需要能量。需要一些能量启动该工艺，但是该理想系统的稳定状态条件不再需要。作为更实际的方案，所有需要的是在循环底部以5-10℃冷却暖流。特别地是不需要将任何流从室温冷却至-180℃，而这在更传统的冷藏系统中是必要的。
本发明，当用于工业废气的低温碳捕获(CCC)时，从固定动力的工业废气产生几乎纯的、加压的CO2流和几乎不含CO2的轻的气体流。与氧燃烧和其他充分记载的替代方案相比，本发明提供改进的效率和降低的投入和运行成本。使用本发明改进的能量效率可通过消除成本和能量密集的蒸馏或相当的纯化步骤，以高压轻的气体或液体的形式储存能量，和/或在处理厂减少耗水量实现。
II.分离可冷凝的蒸汽的方法
本发明的一个方面涉及储存电能和从轻的气体或液体(例如，N2)中分离可冷凝的蒸汽(例如，CO2)的方法。图1提供了根据本发明的一个实施方式的实例方法的概括。方法10包括(i)在非高峰需求时段使用电力液化气态制冷剂11；(ii)在液化的制冷剂储存槽中储存液化的制冷剂用于以后作为制冷剂12；(iii)在能量的高峰需求时段，在传统热交换器(THE)或去升华热交换器(DHE)中使用液化的制冷剂作为制冷剂以冷却包含至少一种可冷凝的蒸汽和至少一种轻的气体的混合的工艺物料流，从而导致可冷凝的蒸汽冷凝或去升华并形成液体或固体流13；和(iv)从轻的气体分离液体或固体流14。
各种气态制冷剂可用于如上所述的本发明。在一个或多个实现中，制冷剂为天然气。在这些实现中，在液化步骤11，天然气被液化。天然气主要包括甲烷(CH4)，其可在用丙烷预冷的混合冷却剂上通过级联循环(丙烷-乙烯-甲烷级联)或冷却循环液化。可选地，烃类的多组分混合物(甲烷-乙烷-丙烷-丁烷-戊烷)和氮气可用作冷却剂液化天然气。而且，合适的液化方法可基于气体分配站、节流的涡流循环、涡轮膨胀循环、带有预冷的节流分离循环、使用来自冶金厂的液氮、压缩膨胀循环、或其他本领域建立的技术。
在储存步骤12，在高峰需求时段，LNG可储存与地面上的池中，或地下存储中用于以后在碳捕获工艺中作为制冷剂。不论在哪种情况下，维持LNG的温度低于其沸点的机构是希望的。也可像在LNG储存中通常应用的，将LNG压缩至2大气压。然而，其可在储存前或储存后压缩以增加其压力以便控制其在工艺物料流中的沸点至接近去升华温度。
包括可冷凝的蒸汽(例如，CO2)和轻的气体的混合的工艺物料流可在步骤13提供，通过导管、泵、阀门、和/或其他适于从处理厂到分离单元如系统400传送气体的硬件。所述方法的一些实施方式中，去升华步骤13中的混合的工艺物料流是来自烃加工、燃烧、气化、或类似工厂的工业废气。工艺物料流典型地包括CO2、N2、和其他组分。在此种情况下，有利地是预冷工艺物料流至环境温度并在去升华步骤120前去除混合的工艺物料流中的水分(未在图1中显示)。预冷可使用水、空气、或其他冷却的工艺物料流通过一个或多个排热热交换器(HRHE)实现。
来自LNG存储的LNG制冷剂用于在传统热交换器(THE)或去升华热交换器(DHE)中冷却混合的工艺物料流，导致可冷凝的蒸汽去升华并形成液体或固体流。由于LNG制冷剂暖起来了，它恢复为天然气，在高峰需求时段其可用于产生电力。
去升华步骤13可由多个热交换器分阶段实现。在去升华步骤13期间和由HRHEs预冷期间的各温度和阶段，杂质和污染物，包括汞、砷、镉、铬、镍、其他重金属、烃类、SO2、NO2、HF、和HCl、和其他可冷凝的杂质可从混合的工艺物料流中去除。杂质去除可通过冷却并冷凝杂质并在去升华可冷凝的蒸汽之前从混合的工艺物料流中去除可冷凝的杂质。碳捕获工业废气的实施方式中，大部分杂质通常在温度低于环境温度时冷凝，但是大于CO2冷凝时的温度。一种或多种杂质可使用带有整合的冷凝器和分离器的热交换器去除，分离器可去除作为测流的冷凝的杂质。可去除的杂质的实例包括但不限于SO2、SO3、NO2、HCl、HF、Ar、Cr、Ca、Ni、或Hg。工业废气随后由至少一种制冷剂冷却达到T1的温度，此时工业废气中的二氧化碳去升华形成去升华的CO2组分和轻的气体或液体组分。一些残留杂质与CO2一起冷凝并且，如果需要，可在后期从CO2分离。
在步骤14，冷凝的或去升华的蒸汽从轻的气体中分离形成液体或固体流和轻的气体流。当混合的工艺物料流冷却时，去升华的二氧化碳将累积到进行冷凝的槽或腔的表面。本发明的一个实施方式中，腔配置为使得固体可使用机械方法从腔的表面去除。本发明的分离方法可实现二氧化碳从工业废气中高的去除率。在一个实施方式中，本发明去除至少约95重量％，更优选至少约98％，最优选至少约99％的二氧化碳。
在一个实施方式中，所述方法包括在稳定状态进行冷凝，其中去升华固体的增加速率大约与去升华固体的去除速率相同。在一个实施方式中，冷凝的蒸汽的去除足以使系统至少连续运行几天、几周、或甚至几个月，而不在系统中过多累积冷凝的固体。
在步骤14中从轻的气体中分离固体流后，分离的固体流随后加压以增加其沸点温度以便可冷凝的蒸汽当其加温再升到环境温度时停留在液相中。这是有利的，因为压缩固体相较压缩可冷凝的蒸汽的液体或气体相花费更少能量。通过在加温和蒸发可冷凝的蒸汽前压缩它，可节省大量的压缩能量。
为了恢复在冷却工艺物料流上耗费的能量，固体流的至少一部分用于冷却已经在步骤13冷却混合的工艺物料流的至少一种制冷剂，从而熔化固体流形成液体流。或者，固体流用于冷却热的、进来的工艺物料流。这是有利的，因为其可提供为冷却耗费的制冷剂天然气或热的、进来的工艺物料流的可恢复的方法，高效地恢复在去升华可冷凝的蒸汽中使用的能量。
同样地，可冷凝的蒸汽在固体融化前和后可用于冷却制冷剂和/或进来的工艺物料流。因为在固体流融化时吸收的能量是大量的，将冷的工艺物料流应用于冷却可导致可冷凝的蒸汽在最初去升华的热的工艺物料流或制冷剂是有利的。
最后，可冷凝的蒸汽的加温的液体流可进一步压缩至适于传送或隔离的温度。
所述方法可使用在低温冷却循环中常见的压缩和膨胀设备进行。本文描述的一些工艺的一个益处是其对上游工艺(如，燃煤发电厂)做小的或不改变即可进行，这使得建造的系统和方法像螺栓紧固的系统一样全规模。
基于工业废气的经验温度曲线，热交换效率的进一步改进可通过匹配制冷剂的沸点温度与CO2去升华温度实现，以在冷却CO2期间最大化热交换的效率。在一个优选的实施方式中，所述方法包括在低于CO2去升华温度(为在1atm下-78.5℃)0-20℃下，如图3的CO2的压力-温度相图所示，蒸发一种或多种制冷剂的至少一部分。
在一个实施方式中，为了匹配LNG制冷剂与CO2的温度曲线，加压LNG以使其沸点温度范围为低于CO2的最低去升华温度0-20℃。本发明实现基于CO2的浓度调整制冷剂的温度曲线，因为温度影响工艺物料流的冷凝和去升华点。
本发明的一个实施方式是整合储能和CCC的方法。图2表明本文中描述的整合储能和CCC的方法的本发明实施方式中根据本发明的一个实施方式涉及储能和烟气中捕获二氧化碳的主要组件和步骤。在该实施方式中，天然气供应210提供用于CCC工艺中的制冷剂源，在非高峰需求时段使用电力将其液化212。液化的天然气在非高峰需求时段储存到LNG储存槽220中并在高峰需求时段在CCC工艺中作为制冷剂提供。
在一个实施方式中，LNG制冷剂在非高峰需求时段再循环至LNG储存槽220中。在该实施方式中，LNG可在高峰和非高峰需求时段作为制冷剂222供应。在CCC工艺中，LNG制冷剂冷却从燃料基锅炉240中出来的烟气232，导致CO2去升华并形成固体CO2流234，其可从轻的气体N2236和污染物中分离。所述CO2可随后被隔离并以液体形式储存于池、含水层、洞穴、或其他合适的储存工具250中。CCC工艺后耗费的制冷剂煮沸并从LNG恢复至NG。为了在高峰时段提供能量，NG238供应给基于NG的发生器260，如燃气轮机，以在高峰需求时段发电264。
在本发明的一个实施方式中，从燃气轮机260出来的排放物262进入基于燃料的锅炉240产生可燃气体323。排放物262有助于蒸汽产生，为简单循环成本提供联合循环效率。其还提供了捕获燃气轮机排放物262的CO2的方法。
III.分离可冷凝的蒸汽的系统
A.系统配置
图4是低温分离系统400的流程图，为了实施储能和CCC系统可对其改进。CCC系统具有里面的外部循环回路(ECL)和外面的ECL。在该双ECL系统中，混合的工艺物料流的冷却在气体制冷剂热交换器(GHE)610和去升华气体制冷剂热交换器D-GHE650中分阶段进行，而制冷剂的冷却在外面的ECL和里面的ECL通过各热交换器分阶段进行。
系统400包括含有至少一种可冷凝的蒸汽(例如CO2)和至少一种轻的气体或液体(例如，N2或CH4)的混合的工艺物料流的源。以这样的方式配置ECL，以便里面的ECL既可冷却混合的工艺物料流602b使其去升华，又可加温分离的工艺物料流使得固体流融化，而外面的ECL提供冷却和恢复补充里面的ECL。
在此和随后的工艺流程图中，在流中温度和工艺的变化出现在各自的热交换器中。实际上，可结合许多这些热交换器和其他工艺元件以提高效率和减少整体面积。特别地，大多数压缩机优选与其下游热交换器结合形成带有级间冷却的多阶段压缩机。同样，许多的热交换器可结合到多流、单一单元或分段单元设计中提供更有效的运行和控制。
绘制的系统400具有为工业气体冷却阶段的单一的GHE610和单一的D-GHE650。实际上，不同尺寸和设计的几个热交换器可用于调节工业气体密度的变化和不同的热交换机构。特别是，该工艺中的几个热交换器涉及相变(去升华、融化、制冷剂冷凝、和制冷剂沸腾)和关联的设计差别。正常的显热系统可在工业中广泛获得。去升华系统是由该机构提交了其他专利的主题并在其中有详细描述。
系统通过在各热交换器中循环加温和冷却ECL制冷剂流而保存能量，从而冷却混合的工艺物料流并回复耗费在冷却上的能量。在下面图4-6和8-9说明了热交换器的流程图，“+”代表在热交换器流的输出端符号，表明由于热交换流的温度上升，和“-”表明流的温度下降。
在本发明的一个实施方式中，所述的至少一种制冷剂包含CF4、乙烷、氮气、氩气、甲烷、确定的市售制冷剂、服从蒙特利尔协议的制冷剂、或上述任何的组合。
系统400的里面的ECL具有两个附加气体热交换器654和656(S-GHE)，使用气相制冷剂流652b和652c的残留冷却能量分别冷却相同的制冷剂652h和652f的更热流。在该实施方式中，里面的ECL包含膨胀装置664直接上游和D-GHE650直接下游的第一S-GHE654，它配置为通过加温气相的里面的ECL制冷剂流652b而冷却冷凝相的里面的ECL制冷剂流652h。同样地，里面的ECL还可包括第一S-GHE654下游和压缩机658上游的第二S-GHE656，它配置为使用未压缩的气态的里面的ECL制冷剂流652c以冷却压缩的气态的里面的ECL制冷剂流652f。
在如图4中实施的系统的一个实施方式中，配置至少部分里面的ECL制冷剂流，以在较低压力下在低于可冷凝的蒸汽的去升华温度0-20℃的温度范围中蒸发和在较高压力下在高于固体流的融化温度0-20℃的温度范围中冷凝。更优选地，这些温度范围为0-5℃，并最优选地，0-1℃。
系统400的里面的ECL包含可恢复的融化热交换器662(R-MHE)，使用冷却并分离的固体流672c冷却制冷剂流652g，产生较652g具有较低熵的冷凝的相制冷剂流652h。制冷剂流652h可进一步冷却，在S-GHE654中由气相的里面的ECL制冷剂流652b冷却下，然后制冷剂652i由膨胀装置664膨胀，导致压力和温度的下降，开始里面的ECL的新的循环。
作为系统400实施的外面的ECL示于图4中，膨胀装置604第一降低了外面的ECL液体制冷剂流612f的压力，导致制冷剂沸腾并蒸发，产生冷的、低压制冷剂流612a。流612a的沸腾可发生在膨胀阀604的外面或热交换器650的里面。尽管在图4中显示的膨胀装置604与GHE610分开，实际上在制冷剂蒸发期间，该装置可热耦合使得热从混合的工艺物料流602a转移到制冷剂。流612a引入DGHE650中，在此它从工艺物料流602b吸收热并导致工艺物料流602b的去升华(单独地或与里面的ECL制冷剂652a结合)。
流612a作为气态流612g自D-GHE650出来，其进入气态的制冷剂热交换器(GHE)610，冷却流602a的可冷凝的蒸汽至温度T1产生冷却的混合的工艺物料流602b。在该冷却阶段，杂质603可从GHE610去除。实际上，一些污染物通过系统传送与CO2一起收集或者成为难以捕捉的颗粒和蒸汽或者因为在CO2去除阶段前它们未完全冷凝。因此，不是所有的杂质以流603从系统出来，尽管它们中的许多将出来。
杂质的分离通过选择合适的温度和压力进行，在所述温度和压力下杂质将冷凝而其他可冷凝的蒸汽(例如，CO2)不冷凝。本领域技术人员熟悉需要冷凝工艺物料流中常见杂质的温度和压力。这些杂质包括但不限于硫和氮的氧化物(SO2,SO3,NO,NO2)、低于冻结温度下的水、卤代的气体(HCl,HgClx)、汞、砷化合物、镉、铬、镍、其他重金属、和其他工业气体和运行、健康、或环境问题常见的杂质。通常，当颗粒或表面的温度在或低于这些化合物的冰冻或露点时，这些化合物去升华或冷凝。当它们以混合物的组分存在时，这些化合物实际的去升华和冰点强烈地依赖于混合物组分，其方式是复杂的但是对于混合物热力学本领域的技术人员是公知的。
气态的制冷剂流612g作为流612b流出GHE610。流612b然后由压缩机614压缩，这减小了体积，增加了气体的压力和温度，而相对于流612b对于流612c保留同样的熵。从压缩产生的热在排热热交换器(HRHE)618中从气态的制冷剂流612c转移到周围的冷却剂(例如，水)，形成较冷的气态制冷剂流612d。然后可恢复的液体-气体热交换器(R-LGHE)620使用液体流672d和轻的气体或液体流674c冷却气态的制冷剂流612d。接下来可恢复的固体-气体热交换器(R-SGHE)622使用固体流672b和轻的气体或液体流674a进一步冷却制冷剂流612e。在优选的实施方式中，由R-LGHE620和R-SGHE622的冷却充分地降低了制冷剂的熵产生冷凝相制冷剂流612f。冷凝相制冷剂流612f然后由膨胀装置624再次膨胀，导致降低的压力和温度，开始外面的ECL的新的循环。
在冷却混合的工艺流期间的各阶段和温度，一种或多种杂质可作为侧流603去除。图4中表明的系统还包含固体分离器607，从轻的气体或液体(例如，N2)分离去升华的可冷凝的蒸汽(e.g.,CO2)，形成固体流672a和轻的气体或液体流674a。配置固体分离器670下游和R-SGHE622上游的固体压缩机680以加压固体流672a，以使当加温回升至环境温度时，可冷凝的蒸汽停留在液相672e中。最终可冷凝的蒸汽的液体流可随后进一步由液体泵690压缩，形成准备传送或隔离的压缩的液体流672f。
本发明根据如下实施方式是有利的，即通过使用UHE500预处理混合的工艺物料流以冷却混合的工艺物料流至接近在GHE610和D-GHE650中制冷剂的温度的温度。图5提供了逆流热交换器(UHE)500的例证，其可预处理混合的工艺物料流，其可包括任何数量的压缩机、热交换器、风扇、泵、导管、阀、传感器、控制器、和其他本领域已知的用于冷却、干燥、加压、和/或纯化工艺物料流的组件。图5所示的结构可将时间分段成任何数量以在温度范围内提供杂质的有效去除，该分段优选以这样的方式发生，使所有的热交换器逆流地发生或可选地与一些或所有交叉流或同流地发生的热交换器一起。
如图5所示，UHE单元500包括多个热交换器504a-c。混合的工艺物料流502在一个或多个冷却工艺中首先使用水和/或空气通常冷却至环境温度。例如，可使用水506使用第一热交换器504a冷却工艺物料流502，产生在环境温度下的艺物料流502a。在第二热交换器504b中，混合的工艺物料流502a在第二热交换器504b中冷却以冷凝任何可存在于工艺物料流502a中的水蒸气，产生干燥的工艺物料流502b。干燥的流可使用吸收床而非在工业中时常见的热冷凝热交换器产生。工艺物料流502a可使用任何合适的冷却剂507冷却。冷却剂507可从冷的轻的气体或液体流674或可冷凝的蒸汽液体流672的任一部分提供或由本领域已知的不可恢复的技术，例如但不限于外部制冷单元、盐溶液技术、或分段冷却技术提供。第三热交换器504c可结合到第二热交换器504b以在工艺物料流502和冷却流507之间分段热交换。热交换器504a-c可包括去除冷凝的水的分离器508a-c。残留水可使用吸收、盐溶液、加压、或其他本领域已知技术去除。
还可配置UHE500去除一种或多种不同类型的杂质。工艺物料流中常见的杂质是由于使用天然产物如煤和石油产生工艺物料流的结果。在一个实施方式中，工艺物料流可包括但不限于汞、NOx、SOx、HCl、残留水分、它们的结合、和任何其他在工业工艺物料流中出现的已知杂质。在一个实施方式中，杂质可作为杂质流508a-c从热交换器504a-c中去除。
现在转向图6，图6A-C表明整合的CCC和储能系统的三个运行阶段的主旨。图6D-F表明整合的系统600，根据本发明的原则通过改装图4中所示的系统400实施，并与图6A-C所示主旨一致。
图6A表明在正常运行模式期间储能组件暂停不用时，整合的CCC和储能系统的主要组件。CCC组件包含燃煤锅炉680，CCC热交换子系统611、和压缩机614。压缩机614压缩来自CCC热交换子系统611耗费的制冷剂612b，并返回再生的制冷剂612a至CCC热交换子系统611。制冷所需要的能量由符号698c表明。CCC热交换子系统611处理来自锅炉680的烟气602a，从富N2流674中分离CO2流672并隔离CO2流672。
CCC组件与那些一般的CCC系统的组件基本相同。在该整合的CCC和储能系统中，CCC组件与天然气供应682、LNG储存槽692、和天然气汽轮机686相连，其在系统的正常运行模式期间是暂停使用的。图6中的虚线表明存在的并且暂停不用的组件和组件之间的连接关系。
图6B显示在非高峰时段，能量储存模式，通过将天然气684引入压缩机614，使整合的CCC和储能系统激活天然气供应682和LNG储存槽692，所述压缩机液化天然气并储存LNG612j在LNG储存槽692中。压缩天然气和储存LNG提供了在非高峰时间的储能机制。当压缩并储存天然气时，整合的系统同时压缩耗费的制冷剂612b并向CCC子系统611提供再生的制冷剂612a。符合698d表明除了由698e符号表明的用于制冷的能量之外的用于压缩天然气的能量。
图6C显示在高峰时段，能量恢复模式，压缩机614停止工作，和来自LNG储存单元692的LNG612k向CCC子系统提供冷却。这减少了高峰时段CCC工艺的附加负荷。同时，天然气612h作为耗费的制冷剂向燃气轮机686提供燃料以产生电力698b。在本发明的一个或多个实现中，汽轮机进口流可包含CO2-负载的锅炉烟气602a，相比于当单独使用空气时，汽轮机出口的CO2含量增加。在再一个实现中，燃气轮机688的排放物进入燃煤锅炉680，对简单循环成本提供联合循环效率。它还提供了燃气轮机排放物的CO2的捕获方法。
整合的CCC和储能系统600示于图6D-E中，提供了网格能量管理能力和CCC功能。在该系统中，CCC组件基于示于图4的两个ECL-回路系统400，和LNG组件整合到CCC组件上的，主旨与图5A-C相似。烟气602a是燃料基发电厂680的排放物，和由天然气制冷剂回路代替CCC工艺的外面的制冷剂回路。CCC子系统与天然气供应682、天然气液化装置690、LNG储存槽692和燃气轮机686相连。整合的系统600与向系统供应能量的电网694相连。整合的系统600通过在非高峰时段压缩并储存天然气而储存来自能量网694的多余的能量。在高峰时段，整合的系统600提供LNG，其向CCC工艺提供或补充冷却。整合的系统600还可使用燃气轮机686燃烧耗费的制冷剂天然气612h而发电。
整合的系统600里面的ECL功能类似于系统400。外面的ECL包含LNG制冷剂并在不同模式下运行不同。如图6D所示的正常的运行模式期间，能量网696为CCC子系统的制冷提供能量，并且天然气组件暂停不用。能量网694从各种源接收能量，例如从燃煤电厂680接收电力698a和从风力发电场696接收电力698c。在正常运行模式下，整合的系统600外面的ECL与两个ECL回路系统400以基本相同的方式操作。
在非高峰时段，如图6E所示的能量储存模式，整合的系统600外面的ECL从天然气供应682引入天然气684，并使用多余的电力698d发动将天然气612i液化的液化装置690。由液化装置690产生的LNG612j储存在LNG储存槽692中用于能量需求高时用作制冷剂。整合的系统600还可同时再生和再循环向CCC工艺提供冷却的NG制冷剂。这向能量网694提供了储能机构。
在高峰时段，如图6F所示的能量恢复模式，整合的系统600外面的ECL停止压缩和液化天然气。反而，它从LNG储存槽692引入为外面的ECL提供冷却的LNG612k。天然气作为耗费的制冷剂在高峰时段不再生。反而，它作为燃料612h向燃气轮机686供应以产生在高峰时段向能量网694供应的能源698b。燃气轮机686的排放物688进入燃煤发电厂680，为简单循环成本提供联合循环效率。它还提供了捕获燃气轮机排放物的CO2的方法。该高峰，能量恢复模式降低了CCC工艺的附加负荷并在高峰时段向能量网694供应额外的能量。
在系统600中，天然气制冷代替外面的ECL的主要制冷，其中同样的液化天然气制冷剂在高峰和非高峰需求时段提供冷却。或者，LNG制冷剂可能在与主要制冷剂回路平行的导管中运行。图8是此系统800结构的示例。该系统具有第一外部冷却回路(ECL)839和第二ECL849，其使用DHE830和840分段去升华冷却。系统800不同于系统400和600，在于冷却工艺物料流耗费的能量通过在自-再生式热交换器(SRHE)810和820中使用冷的、分离的工艺物料流冷却进来的热的、混合的工艺物料流恢复。相反，系统400和600使用冷的、混合的工艺物料流冷却DHE410的制冷剂。
在该实施方式中，混合的烟气802a首先在SRHE810和820中冷却，然后在第一DHE830和第二DHE840中冷却。SRHE提供了在第一DHE830和第二DHE840中恢复耗费在去升华工艺物料流上能量的机构。在固体流中分离的CO2首先在SRHE820中冷却混合的工艺物料流。然后它进入融化的热交换器(MHE)835中冷却第一ECL839的冷凝的制冷剂。在MHE835中融化后，CO2形成液体流856a，其然后在SRHE810中冷却热的、混合的工艺物料流。最后，CO2形成液体流816b由加压器817加压并隔离。
配置第一和第二DHEs以向混合的工艺物料流提供分阶段冷却，导致CO2去升华并形成固体，其通过固体分离器850从轻的气体中分离，此处表明从DHE840清楚地分离。实际上，固体分离机构可内置于DHE如DHE830中。在一个实施方式中，分离的固体CO2由固体压缩机860加压并随后返回至SRHE820和810冷却进来的混合的工艺物料流802a和802b。同样地，冷的分离的轻的气体流851a和854b可用在SRHE820和810中冷却进来的热的、混合的工艺物料流。
第一ECL839和第二ECL830分别向第一DHE830和第二ECL849提供冷却。它们主要的组件和工作原理类似于那些在系统400的ECL中的包括压缩机442、823、844，排热热交换器(HRHE)446、831、832、834、842、846，和膨胀阀448、826、848。此外，第一ECL具有为第一ECL839冷却制冷剂的融化热交换器(MHE)835，通过融化固体CO2流852d形成液体流856a。
现在转向图9，LNG制冷机构可加入到CCC系统800，以在高峰需求时段通过从ECL839和849向LNG制冷剂转换冷负荷而储存能量，消除CCC工艺的附加能量消耗负荷。图9表明作为本发明的实施方式的系统900，其中LNG制冷剂在第一ECL839在第二ECL849中向多个热交换器(840、830、831、832和834)提供冷却可能的例外为融化热交换器835。在系统900中，天然气使用非高峰能量液化，并储存在LNG储存槽880中供以后用，在高峰需求时段为CCC工艺作为制冷剂。这提供了将高峰需求CCC时段的能量消耗从高峰需求转移到非高峰需求，储存非高峰能量并节约高峰能量的机构。LNG提供了在高峰需求时段平行于或替代ECL839和849的冷却，沸腾并恢复为天然气作为耗费的制冷剂，并在高峰需求时段该耗费供应与燃气轮机884发电。燃气轮机884的排放物890可以与烟气802a相同的方式处理。
本发明的系统的一个优势在于它既可以作为螺栓固定的改装技术安装也可作为集成技术安装。螺栓固定的选项使得该技术对于现有的发电设施具有高度的吸引力。在该结构中，对现有的设施需要做最小的改变。在堆积前拦截工业废气并流过该工艺而上游系统不需改变。唯一的主要的要求是对新设备(压缩机和燃气轮机)有足够的面积可用。
B.系统设备
下面讨论的系统设备可用于实施本发明。
1.制冷剂
在作为本发明的实施方式的系统中，NG作为DHE的制冷剂在高峰需求时段应用以低温捕获CO2。一些量的LNG在储存时不可避免地逸出，但是LNG技术已经降低此逸出至很小的量，甚至在船上。剩下的唯一的重大的损失是与为CCC使用天然气而非更优化的制冷剂相关的无效率。天然气在此工艺中可有效地用作制冷剂。然而，它将要求以在比CCC提出的比较典型的制冷剂如乙烷更高的压力下低温工艺高温和低温端运行。甲烷在室温下也高于其临界点，意味着循环中的压缩步骤不能产生液体产品，如上面的系统600的描述中所解释。现有的商业化的LNG工艺可有效地解决此问题，并且与烟气流整合的LNG工艺提供进一步的改善时机。
除冷却CO2使用LNG作为制冷剂外，液化的NG也需要制冷剂，因为如上所述NG不能通过室温下压缩液化。在本发明的一个实施方式中，液化工艺使用丙烷、乙烯和甲烷急剧冷却并液化天然气。在另一实施方式中，烃类(甲烷-乙烷-丙烷-丁烷-戊烷)的多组分混合物和氮气的可用作冷却剂液化天然气。本领域建立的其他的选择和组合也可用于甲烷的液化。
2.压缩机
到目前为止，气体压缩代表工艺中最大的能量损耗步骤和资金损失，包括为了液化天然气而压缩制冷剂。还包括压缩天然气以优化LNG作为制冷剂冷却工艺物料流的温度曲线。实际上，在压缩含有一些酸性元素，特别是SO2的气体中有重大问题。在将NG压缩的实践中，从甲烷中去除杂质将是有利的。
3.逆流热交换器(UHE)
工业废气穿过多流、多段的类似于图4中所示的系统400的UHE，通过在接近工艺末尾与CO2和轻的气体或液体流的热交换冷却，加温这些流回升至接近室温(大约15-20℃)。该多部分热交换器首先冷却气体至接近0℃，降低水在工业废气中的浓度至大约0.7％。
大约10％的初始工业废气是水，并且这其中略高于90％在该热交换器部分作为可用水从清洁的工业废气中恢复，潜在地节约了在现场的整体耗水量。从另一个角度看，以质量为基准，恢复的水的量可接近流量大的燃烧燃料的量。原始工业废气将产生包括酸性组分的水流，其需要进一步处理并且其浓度取决于SOx和NOx含量和其反应形成酸的程度，除了不寻常的条件，该流量的含水量如此高以致超过酸含量，后者作为常规关注提供。
4.自-再生式热交换器(SRHE)
在CO2去升华之前，自-再生式热交换器(SRHE)例如系统800的SRHE810和802可用于进一步冷却进来的混合的工艺物料流，这可降低工业废气的温度至大约-51℃。在这部分，如果在其引入热交换器之前未被去除，残留的水将在热交换器表面去升华并必须使用上面讨论的技术定期去除。此时水的浓度应为大约35ppm。污染物在这部分也可能地去除。如果它们形成平衡产物，NOx、SOx、Hg、HCl和类似产物必须在热交换器的该部分定量地去除(每种留在气体流中的少于1ppb)，生成具有高的腐蚀电位的液体和固体流并非常需要处理。然而，这些在一个相对集中的流的地方可方便地在一个地方清除污染物。而且，它们中的一些时可用作可销售的副产物的形式。
杂质例如金属和酸可在冷凝二氧化碳并将其从工业废气中去除之前通过在期望的温度和压力下冷凝杂质去除。在许多情况下，相比于常规系统污染物可更有效地去除。特别地是，SOx、HCl、NO2和Hg的去除率用所提出的工艺接近100％，而不需要任何额外资金仅小的运行开支。例如，热交换器可包括冷凝分离器以从系统中去除杂质。从系统中去除冷凝的杂质阻止杂质传输到下游并与冷凝的二氧化碳混合，如混合有杂质则随后需要在分离工艺(例如，蒸馏)中从二氧化碳中分离杂质，从而大大增加了系统成本。
所有上述提及的杂质在高于CO2去除的温度和压力下冷凝。在CO2的冰点温度-CO2开始冷凝的点-下冷凝杂质并将其从系统中去除，留在气相中杂质的浓度可降低到百万分之几(取决于压力和含水量)。在一个实施方式中，在纯的冷凝的气体流(包括二氧化碳)中杂质的浓度少于100ppm，更优选少于10ppm，并最优选少于1ppm。因此，不需进行蒸馏，二氧化碳流的纯度可具有上述范围内的纯度。杂质可作为液体或固体从工艺中去除，它们中的大部分具有商业价值。
5.去升华热交换器(DHE)
最后的工业废气的冷却阶段使用DHE(例如，650)尽可能降低工业废气的温度，为大约-120℃至-165℃，根据整体目标去除率有一些变动。
此处使用的去升华热交换器可为本发明前述几个设计包括使用流化床、气泡器、喷淋塔的热交换器的一个。在一个或多个实现中，系统是高效的、稳态系统而不需要分批运行。
6.固体分离器
在SRHE和DHE中的冷却期间，从轻的气体或液体中分离悬浮物中形成的颗粒。最近的实验室试验提供了在模拟和真实的工业气体冷却期间形成的粒度分布的指示。在实验室规模的热交换器出口的颗粒尺寸的现场测定中表明颗粒尺寸大约为600-750微米。
下面的方法为从轻的气体组分中分离冷凝的CO2组分的方法的实例。例如，去除固体CO2的机械机构可为刮掉汽缸、圆筒的壁或其他表面的机械刮刀、活塞、柱塞或其他装置。机械机构可为刮掉管壁和/或移动固体材料在期望方向的螺旋机构。另一实施方式中，机械系统可为刮掉汽缸的相似形状的表面的壁的活塞或类似的柱塞。另一实施方式中，机械系统可刮掉发生去升华表面的外壁。另一实施方式中，机械机构可为袋式过滤器或金属丝网，收集固体CO2并随后由驱动马达间歇地摇动。在可选的实施方式中，固体CO2可使用旋风分离器过滤，根据重量将固体CO2从轻的气体组分中分离。袋式过滤器、摇动袋式过滤器的机构和旋风分离器为本领域已知的。
冷凝相CO2足够软以致机械的束缚和磨损风险较小。上述机械方法的主要不利是在低的温度下活动件运行增加的复杂度。
去除CO2的可选的方法是用垂直的或水平的管流化床热交换器，其具有既可以相对于纯的气体系统增加热流又可以以流体颗粒的形式去升华提供更大的表面面积的优势。在该设计中，工业废气进入流化床的床部分而制冷剂(例如，更冷的工业气体或闭合回路制冷剂)经过热交换器的管的内部。
在一个实施方式中，固体CO2组分在固体二氧化碳颗粒上冷凝。CO2的颗粒提供冷凝的CO2组分在其上收集的表面。在一个实施方式中颗粒可形成轻的气体流经过的过滤器。
最近开发的CO2去除方法涉及在控制融化点的接触流体上收集CO2并随后从流体或流体混合物中分离CO2。该分离可由相当大的取决于压力和温度的液体CO2密度为重要辅助。在许多情况下CO2-流体系统形成两个或更多的液体相。在该结构中，CO2将在低温下在混合物中作为液体冷凝，液体将被加压，并且高压CO2将在高压和可能不同的温度下从液体中分离，典型地在最低温度下分离，其中两种组分形成液体。用于此的具有特别电位的流体包括但不限于甲基环戊烷、甲基环己烷和在最低的CO2分离温度下具有类似或更低的蒸汽压和类似或更低的粘性的液体。
7.固体压缩机
固体加压步骤使固体从轻的气体或液体分离后固体压力增加至至少7bar(或至少为CO2三相点压力)并优选地至70bar。这既可排除固体流中的空腔气体又可使CO2在加热下融化成液体相而不再升华至蒸汽。固体和液体压缩比气体压缩能量消耗的小得多，尤其在这些压力比下。固体压缩和传输技术包括直线的-或锥腔的螺旋系统、螺杆泵、一个或多个串联的压缩柱塞和类似的固体操作装置。CO2是可塑并软的，使其相对易于压缩并排出气体和通过模具或管挤出。
8.可恢复热交换器
在本发明的一些实施方式中，例如系统400和600，在CO2分离后，轻的气体或液体流经过可恢复热交换器(RHE)，回复到接近环境温度。固体流也经过RHE，在RHE中它融化形成液体。系统400和600中的RHE单元作为单一的热交换器表明，但是实际上它可包括多个热交换器以分段冷却并匹配冷流和暖流的温度曲线。
分离的气体和固体流必须保留相互物理隔离以阻止热耦合时的再混合，以避免与经过大温差的热传递相关的熵产生和能量损失。当固体CO2融化时，它将在两种流中停止温度增加(因为它们是热耦合)直到所有固体转变为液体。热交换器相对面的流必须与此温度曲线相平行，理想地与其不同之处在于最大化热交换器的效率仅以小的角度。
本领域技术人员应认识到此处描述的系统示出单一的热交换器和分离的热交换器，但是实际上可为多个热交换器、分段热交换器或结合的热交换器以提高效率。通常，冷的热交换器通常放置在相同的空间或位置和暖的热交换器被一起放置在更暖的空间中。图中热交换器特别的布局是以为了提供清楚的工艺流程的方式画出的，不一定是最有效率的组件的布局或结构。
在不脱离本发明精神和基本特征下本发明可以其他特别形式体现。在所有方面所描述的实施方式应被认为仅仅是说明而非限制。因此，本发明的范围由附上的权利要求表明，而非由上述的说明。权利要求等同的意思和范围内的所有变化均包括在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.储存电和机械能量并从轻的气体或液体中分离可冷凝的蒸汽的方法，包括：
(i)在非高峰需求时段使用电力或机械能液化至少一种气态的制冷剂；
(ii)在液化制冷剂储存槽中储存液化的制冷剂为后面用作制冷剂；
(iii)在能量的高峰需求时段，在传统的热交换器(THE)或去升华热交换器(DHE)中使用液化的制冷剂作为制冷剂，以冷却包含至少一种可冷凝的蒸汽和至少一种轻的气体的混合的工艺物料流，从而使可冷凝的蒸汽冷凝或去升华并形成液体或固体流；和
(iv)从轻的气体中分离液体或固体流。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述气态的制冷剂包含天然气和液化的制冷剂包含液化天然气(LNG)。
3.如权利要求2所述的方法，还包含，液化NG后，加压LNG以使其沸点温度范围为低于可冷凝的蒸汽的最低设计去升华温度0-20℃。
4.如权利要求2所述的方法，还包含，液化天然气后，加压LNG至2-6bars。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种可冷凝的蒸汽包含CO2，和至少一种轻的气体或液体包含N2。
6.如权利要求1所述的方法，还包含在高峰需求时段燃烧制冷剂作为耗费的制冷剂以发电。
7.如权利要求6所述的方法，其中在高峰需求时段所述制冷剂在燃气轮机中燃烧发电。
8.如权利要求7所述的方法，其中燃气轮机的排放物进入燃料基锅炉。
9.如权利要求7所述的方法，其中汽轮机进口流的一部分包含CO2-负载的锅炉烟气，相比于当单独使用空气时，汽轮机出口的CO2含量增加。
10.如权利要求1所述的方法，其中在高峰和非高峰需求时段发生通过将热转移到液化的制冷剂而冷却混合的工艺物料流的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，还包含在非高峰需求时段通过液化并返回天然气至LNG储存槽中而回收耗费但未燃烧的制冷剂/天然气。
12.如权利要求1所述的方法，其中在高峰需求时段发生通过将热转移到液化的制冷剂而冷却混合的工艺物料流的步骤，所述方法还包含在非高峰需求时段使用除LNG外的制冷剂冷却混合的工艺物料流。
13.如权利要求1所述的方法，还包含，液化制冷剂前，在再生式热交换器(RHE)中冷却制冷剂。
14.如权利要求1所述的方法，还包含，液化制冷剂前，通过将热从制冷剂转移到分离的轻的气体而在再生式热交换器(RHE)中冷却制冷剂。
15.如权利要求1所述的方法，还包含，在DHE中冷却混合的工艺物料流前，通过加温分离的可冷凝的蒸汽而将其在自-再生式热交换器(SRHE)中冷却。
16.如权利要求1所述的方法，还包含，在DHE中冷却混合的工艺物料流前，通过加温分离的轻的气体而将其在自-再生式热交换器(SRHE)中冷却。
17.储能和从轻的气体或液体中分离可冷凝的蒸汽的系统，包含：
(i)气态的制冷剂液化装置，配置为在非高峰需求时段使用电力或轴功产生液化天然气(LNG)；
(ii)液化的制冷剂储存槽，配置为储存液化的制冷剂以供后用；
(iii)至少一种传统的热交换器(THE)或去升华热交换器(DHE)，包含：(a)用于包含至少一种可冷凝的蒸汽和至少一种轻的气体或液体的混合的工艺物料流的进口，(b)制冷剂，包含来自液化的制冷剂储存槽的液化的制冷剂，在高峰需求时段供应，和(c)热交换区，配置为使热从混合的工艺物料流转移到制冷剂，从而导致工艺物料流中的可冷凝的蒸汽去升华；和
(iv)固体分离器，配置为从轻的气体或液体的固体流分离去升华的可冷凝的蒸汽。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述系统还包含天然气发电机，配置为燃烧来自THE或DHE下游的耗费的制冷剂发电。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述天然气发电机为燃气轮机。
20.如权利要求17所述的系统，其中所述系统包含至少两个DHE。
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