CN107596855A - 一种含二氧化碳的流体的压缩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种为含二氧化碳的流体加压的方法，该方法包括：从用于除去工艺气体中的二氧化碳的单元5获得所述流体；将所述流体压缩至高于二氧化碳临界压力的压力；然后将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体。本发明进一步涉及一种用于为含二氧化碳的流体加压的设备1，该设备包括：用于从用于除去工艺气体中的二氧化碳的单元5获得所述流体的装置4；用于将所述流体加压至高于二氧化碳临界压力的压力的装置6；用于将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体的装置7。

Description

一种含二氧化碳的流体的压缩
本申请是申请日为2012年1月10日，申请号为201280005389.8，发明名称为“一种含二氧化碳的流体的压缩”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种压缩含二氧化碳的流体的方法和一种压缩含二氧化碳的流体的设备，一种用于从工艺气体(process gas)中除去二氧化碳且包含所述设备的系统，和一种包含所述系统的富氧燃烧发电厂。
背景技术
现今世界上所用的大多数能量都源于含碳和氢的燃料的燃烧，包括诸如煤、石油和天然气以及其它有机燃料。这些燃料的燃烧产生含有高浓度二氧化碳的烟气。随着大家对全球变暖问题的日益关注，对于减少二氧化碳向大气中的排放的需求日益加大，所以开发了很多方法用于在烟气排入大气之前除去烟气中的二氧化碳。
在二氧化碳分离之前，可以从烟气中清除其它成分和大气污染物，如微粒、SOX、NOX、汞和水。
在二氧化碳净化和分离之后，得到二氧化碳富含气，其需要加以操作，例如在罐(固定的或在卡车或船上)中储存和运输，通过管道运输和/或注入地下进行长时间的(定形的(definitive))储存和矿化。
为了减少烟气量、和由此的发电厂和气体净化设施的规模，同时为了使二氧化碳的净化和除去更容易，可以在燃烧炉中使用氧气代替空气，产生具有高二氧化碳浓度和低氮气浓度的烟气。氧气可通过借助于空气分离单元(ASU)将空气分离成氧气流和氮气流来获得。
US 5931021公开了将气体加压到超临界压力来液化，和用外部制冷剂冷却到低于该液化气饱和温度的最后预定温度，尔后将该冷却的超临界压力的气体节流到(throttleto)规定的液体的亚临界压力。从而，气体据说被液化而不产生任何闪蒸气体。
GB 2416389公开了运输和储存液体二氧化碳的温度和压力的最佳值：温度低于环境温度，压力高于环境压力但仍为亚临界。GB 2416389专注于如何在适宜的温度和压力下最好地获得液态二氧化碳，得出结论：液体二氧化碳的大批量和在散装运输期望的温度和压力下的生产可以以环境友好和高效的方式实现，即通过在该期望的温度和压力之上的温度和压力生产液体或致密流体二氧化碳，然后在期望的值膨胀它以产生液体二氧化碳。
EP 2092973公开了将来自发电厂的二氧化碳多级压缩至80-90bar，并间歇冷却以得到120-140℃的流体，然后冷却至10-30℃，尔后该流体可被泵加压至400bar。
发明内容
根据本公开的一个方面，本发明提供了一种压缩含二氧化碳的流体的方法，该方法包括：从用于除去工艺气体中的二氧化碳的装置获得所述流体；将所述流体压缩至高于二氧化碳临界压力的压力；然后将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体。
该方法可进一步包括：泵送所述超临界流体。
该方法可进一步包括：从工艺气体中除去二氧化碳以形成二氧化碳富含流体，其为根据本方法得到的含二氧化碳的流体。
根据本公开的另一个方面，提供了一种为含二氧化碳的流体加压的设备，该设备包括：用于从用于除去工艺气体中的二氧化碳的装置获得所述流体的装置；用于将所述流体压缩至高于二氧化碳临界压力的压力的装置；用于将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体的装置。
该设备可进一步包括：用于泵送所述超临界流体的装置。
根据本公开的另一个方面，提供了一种为含二氧化碳的流体加压的设备，该设备包括：从用于除去工艺气体中的二氧化碳的装置获得所述流体的管道；将所述流体加压至高于二氧化碳临界压力的压力的压缩机；和将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体的冷却器。
该设备可进一步包括：泵送所述超临界流体的泵。
根据本公开的另一个方面，提供了一个用于从工艺气体中除去二氧化碳的系统，该系统包括上述设备中的任何一种的设备。
该系统可进一步包括用于从工艺气体中除去二氧化碳以形成二氧化碳富含流体的装置，该流体为可使用上述设备中的任何一种的设备压缩的含二氧化碳的流体。
根据本公开的另一个方面，提供了一种富氧燃烧发电厂，其中该富氧燃烧发电厂包括上述的系统，且该系统被用于从上述发电厂的烟气中除去二氧化碳。
涉及本公开的各个方面中的任何一个的上述和下述讨论，在可适用的部分，也与任何一个其它方面有关。
很惊奇地发现，包含超临界二氧化碳(CO2)的流体可以充分地泵送来加压和运输，因此不需要得到液态二氧化碳来泵送。由于气体的体积大并且有泄漏到大气的危险，处理气态流体可能是不可取的。由于压缩机需要持续不断的冷却，因此最好也减少它们的使用。因此优选泵送。
通过冷却流体至高于二氧化碳的临界温度(31℃)以获得超临界流体，而不是液体，降低了对冷却和冷却剂的需求。可以使用传统的环境冷却剂，和在相对温暖的环境温度下，例如在夏季，且减少了能量需求，提高了整个系统(如发电厂)的效率。
另外，超临界流体有形成单相流体的优势。除了二氧化碳，该流体可以很好地包含其它成分，如Ar，N2，O2，SOX，NOX，H2O，H2和/或CH4。即使从发电厂得到的高度净化的二氧化碳气流也会包含一些杂质。因此，如果冷却流体来形成液体二氧化碳，流体的其它成分可能以气态形式存在，由此形成两相的体系。与两相体系的流体相比，单相体系的流体容易处理得多，两相体系的流体可能会阻碍了泵送和需要更大型的装置来处理该体积更大的流体。
另外，由于可避免两相流体的形成，对含二氧化碳的流体的纯度要求可以降低。
附图说明
下面将参考附图讨论当前优选的实施方案，其中：
图1是一个示意侧视图，说明了包括根据本公开的装置的一种实施方案的发电厂。
图2是一个示意框图，说明了根据本公开的方法的一种实施方案。
具体实施方式
工艺气体可以是任何类型的包含二氧化碳的工艺气体，如来自任何燃烧装置(如加热炉(furnace)、过程加热器、焚烧装置、快装锅炉和电厂锅炉)的烟气。
本公开的设备、系统和发电厂包括连接它们的不同部分设置为允许各个流体根据需要流过设备/系统/发电厂的管道。所述管道可视情况而定包括导管、阀、泵、压缩机、风扇、喷嘴、热交换器等以控制各个流体的流动和性能。
二氧化碳的临界温度为大约31℃，临界压力为大约7.38Mpa。
从工艺气体中除去二氧化碳以得到含二氧化碳的流体可以以任何可能的方式完成，如通过吸收或溶解并随后从胺化溶液或氨化溶液中回收，通过凝华(anti-sublimation)，通过蒸馏和/或通过吸附并随后从固体吸附剂中回收。从工艺气体中除去二氧化碳的单元可利用这些技术中的任意一种或任意其它技术来生产所述含二氧化碳的流体。
可以以任何适合的方式获得所述含二氧化碳的流体，如经由导管，例如从除去工艺气体中二氧化碳的装置到用于压缩所述流体的压缩机的管道。或者，压缩机可能不直接连接到所述除去工艺气体中二氧化碳的装置。所述含二氧化碳的流体可以例如在罐中储存或运输到所述压缩机，和/或储存在所述压缩机处的罐里供以后压缩，或者可以经由适合的导管从所述罐获得。
压缩机或压缩装置可以是能压缩所述含二氧化碳的流体的任何压缩机或类似的东西。压缩可在单个步骤中执行，或在几个连续的步骤中，任选地具有间歇的冷却，通过多个串联设置的压缩机执行。
所述流体被压缩到高于二氧化碳临界压力的压力，即，到高于7.38Mpa，旭到至少7.4Mpa，至少8Mpa，至少9Mpa，至少10Mpa，或至少11Mpa。为了缩减压缩的能量需求和设备成本，可能不期望把流体压缩到高于确保得到超临界流体、优选单相超临界流体所必要的压力。所以，所述含二氧化碳的流体可被压缩到最高20Mpa的压力，如最高15Mpa，最高12Mpa，最高11Mpa或最高10Mpa。所述含二氧化碳的流体可被压缩到7.4-20Mpa的压力，如9-12Mpa或10-11Mpa。
该压缩的流体的冷却可以通过能够冷却该压缩的流体的任何冷却器或类似的冷却装置执行。该冷却装置可以是热交换器。热交换可以是直接的，其中两介质物理接触，或者是间接的，其中两介质分离，例如，通过允许热交换的固体壁。热交换可以例如发生在填充塔、板式塔、板框式换热器或管壳式换热器中。
冷却装置的冷冻剂可以是能够将所述压缩的流体冷却至高于二氧化碳临界温度的温度的任何冷却介质，包括传统的环境冷却剂，例如：环境空气，自来水，海水/湖水或来自冷却塔的水。由于所述压缩的流体被冷却至高于二氧化碳临界温度的温度，所以经常使用环境温度的冷却介质，或温度相对稍低的冷却介质，如来自冷却塔的水。
所述压缩的流体被冷却至高于二氧化碳临界温度的温度，即，冷却到至少31℃(304K)，如到至少35℃或至少40℃。可能期望在保证所述流体保持超临界流体、优选单相超临界流体的形式的前提下，从所述流体中回收尽可能多的热，并仍能够使用环境冷却剂，这是为什么流体可被冷却到最多50℃，如到最多40℃或最多30℃。根据例如设备所在的能够使用容易接近且便宜的环境冷却剂的位置的大气温度，所述压缩的流体可以被冷却到31℃到50℃的范围，如31℃到40℃，35℃到40℃，31℃到35℃，如大约33℃，。
所述超临界流体经过压缩和冷却，可以通过泵或其它的泵送装置成功地泵送。所述超临界流体可以例如被泵送至升高的压力，如为了储存或在管道中运输或输送到地下。为了避免润滑不足造成的损害和/或由于泵送过程中所述超临界流体的压缩性而导致的性能损失，超临界流体的密度适宜地足够高，以至于接近相应的液体流体的密度。超临界流体的密度，例如，在刚冷却后，可以由此为至少600kg/m3，如至少630 kg/m3，至少650 kg/m3，至少670 kg/m3，至少700 kg/m3或至少720 kg/m3。为了缩减能量需求，优选压缩流体至最高800 kg/m3，如最高750 kg/m3或最高700 kg/m3的密度，例如，刚冷却后的密度，。
优选所述含二氧化碳的流体具有高的二氧化碳浓度。例如耗费能量和空间来处理和储存流体中的其它(杂质)成分可能是不可取的。所以，流体优选含有至少80mol-%二氧化碳，如至少85 mol-%，至少90 mol-%，至少92 mol-%，至少94 mol-%，至少96 mol-%或至少98mol-%二氧化碳。另一方面，优选不要使用更多的能量和更贵的设备来提纯所述含二氧化碳的流体至高纯度。所以，在处理不纯的流体和纯化流体的成本之间有一个权衡。如上所讨论的，本公开的方法和设备可提供对杂质的更高容忍度，因为所述流体是超临界的而不是液体。因此所述流体可包含最高99.9mol-%二氧化碳，如最高99 mol-%，最高98 mol-%，最高97mol-%，最高96 mol-%，最高95 mol-%，最高90 mol-%或最高85 mol-% 二氧化碳。所述含二氧化碳的流体可包含至少0.1 mol-%，如至少1 mol-%，至少2 mol-%，至少3 mol-%，至少4mol-%，至少5 mol-%，至少10 mol-%或至少15 mol-%的杂质，如氩(Ar)，氮气(N2)，氧气(O2)，硫氧化物(SOX)，氮氧化物(NOX)，水(H2O)，氢气(H2)，和/或甲烷(CH4)。
下面将参照图1讨论本公开的设备、系统和富氧燃烧发电厂。
用来对所述含二氧化碳的流体加压的设备1可以设置为系统2的一部分，所述系统2用于除去工艺气体中的二氧化碳，其中，所述系统可以设置为富氧燃烧发电厂3的一部分。
设备1包括用于将所述流体压缩至高于二氧化碳临界压力的压力的装置，如压缩机6。压缩机6可以是以上讨论的一种压缩机。压缩机6设置用来经由连接压缩机6和用于除去工艺气体中的二氧化碳的单元5的导管4(例如管道)获得所述含二氧化碳的流体(例如，以气态的形式)，从而所述含二氧化碳的流体(该流体可以为包含通过单元5从所述工艺气体中除去的基本上所有二氧化碳的流体)可以经由导管4从单元5流向或以其它方式传输到压缩机6，如沿导管4的箭头所示。
系统2的用于除去工艺气体中的二氧化碳的单元5，可以设置为通过以上提到的任意一种二氧化碳去除方法或任意其它这样的方法来除去二氧化碳，且可设置为从富氧燃烧发电厂3的烟气中除去二氧化碳。单元5可以设置为通过入口导管12(例如管道)来接收所述烟气，此时所述烟气可以呈任何流体形式而不一定是气体。
回到压缩机6，其可进一步设置为经由导管9(例如管道)与用于冷却所述压缩的流体的装置(如冷却器7)流体连接，其中导管9连接压缩机6和冷却器7，从而被压缩机6压缩的流体可以经由导管9从压缩机6流向或以其它方式传输到冷却器7，如沿导管9的箭头所示。所述冷却器设置为用来产生压缩且冷却的超临界流体。
冷却器7可以是以上讨论的一种冷却器。冷却器7还可以进一步设置为经由导管10(例如管道)与用于泵送所述压缩且冷却的超临界流体的装置(例如泵8)液体连接，其中导管10连接冷却器7和泵8，从而被冷却器7冷却的流体可以经由导管10从冷却器7流向或以其它方式传输到泵8，如沿导管10的箭头所示。
泵8可以是任何能够泵送离开冷却器7的所述超临界的含二氧化碳的流体的泵送装置，用于例如提高所述超临界流体的压力或输送所述超临界流体。泵8可以设置为具有出口导管11(例如管道)，以允许所述超临界流体被泵8泵送离开泵8。出口导管11还可以例如引导所述流体以在发电厂3中进行进一步处理，或引导所述流体输送和/或储存到发电厂3之外。
下面将参照图2讨论本公布的一个具体方法20。
含二氧化碳的工艺气体(例如来自发电厂3的)可在一个单元(例如，单元5)中处理以从所述工艺气体中除去(步骤21)二氧化碳。由此，借助于所述单元由除去的二氧化碳形成含二氧化碳的流体。
然后可以从单元5中获得所述含二氧化碳的流体(步骤22)，来进一步处理，例如通过将其送入用于压缩所述流体的装置，如压缩机6。
可以由压缩机6压缩所述流体，步骤23，使得流体被压缩到高于二氧化碳临界压力的压力，尔后可将所述压缩的流体送入用于冷却所述压缩的流体的装置，如冷却器7。
可以由冷却器7冷却所述流体，步骤24，使得流体被冷却到高于二氧化碳临界温度的温度以产生压缩且冷却的超临界流体，尔后可将所述超临界流体送入用于泵送所述超临界流体的装置，如泵8。
可以泵送所述超临界流体，步骤25，以例如提高所述超临界流体的压力或在发电厂3内部或外部传输所述超临界流体。
尽管已经参考很多实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将可理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出各种变化和可以用等价物可代其要素。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以作出许多改变以使具体的情况或材料适应的本发明的教导。所以，本发明不局限于作为目前预期的实施本发明的最好模式所公开的具体实施方案，本发明将包含所有落入权利要求范围内的实施方案。此外，术语第一、第二等的使用不代表任何顺序或重要性或时间顺序，而只用于区分一个元素和另一个元素。

Claims (6)

1.一种压缩包含二氧化碳的流体的方法(20)，所述方法(20)包括：
从用于除去(21)工艺气体中的二氧化碳的装置(5)获得(22)所述流体；
将所述流体压缩(23)至高于二氧化碳临界压力的压力，所述压力在9-12MPa范围内；和
将所述压缩的流体冷却(24)至高于二氧化碳临界温度的温度以产生超临界流体，其中经压缩(23)和冷却(24)的流体的密度为至少600kg/m3，和
泵送(25)所述超临界流体来加压和运输。
2.权利要求1的方法，其中将所述压缩的流体冷却(24)至35℃-40℃范围内的温度。
3.前面任一权利要求的方法，其中所述流体包含至少80mol-%，如至少92mol-%的二氧化碳。
4.前面任一权利要求的方法，其中所述流体包含最多99.9 mol-%，如最多98 mol-%的二氧化碳。
5.前面任一权利要求的方法，其中所述流体包含至少0.1 mol-%，如至少1 mol-%的杂质，如Ar、N2、O2、SOX、NOX、H2O、H2和/或CH4。
6.前面任一权利要求的方法，其中获得(22)的流体是来自富氧燃烧发电厂(3)的烟气。
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