CN107750184A - 从移动源的内燃机捕获co2并在热动力生产循环中使用的集成方法 - Google Patents

从移动源的内燃机捕获co2并在热动力生产循环中使用的集成方法 Download PDF

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Abstract

一种用于将由用于驱动车辆的内燃发动机(ICE)中的烃类燃料的燃烧所产生的排放气体流通过捕获车辆上液体吸着剂中的至少一部分CO2、从吸着剂中回收CO2以及压缩CO2以临时储存在车辆上,来减少释放到大气中的CO2的量的方法,其中该方法作为半封闭系统而被操作,其中捕获CO2的液体吸着剂用作工作流体并且在动力生成循环期间保留CO2以产生机械能或功,之后CO2被解吸以作为基本上纯的气流进行增浓作用和回收,并且工作流体被循环用于该方法中。

Description

从移动源的内燃机捕获CO2并在热动力生产循环中使用的集成 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及从内燃机的排放气体流捕获二氧化碳并回收能量,以减少二氧化碳排 放到大气中。
背景技术
[0002] 目前接受的思想是,全球变暖是由于诸如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的温室气体 的排放。目前,全球约四分之一的人为CO2排放估计来自移动源,S卩,由内燃机(ICE)驱动的 汽车、卡车、公共汽车和火车。在可预见的未来,随着预计发展中国家的汽车和卡车拥有量 将会大幅增加,这一比例的贡献可能会迅速增长。目前,交通运输业是原油的主要市场,并 且控制CO2排放既是环境责任,也是理想的目标,以在面对来自替代技术的挑战(例如,由电 动机和蓄电池驱动的汽车)时保持原油市场在交通运输业中的生存能力。
[0003] 来自移动源的二氧化碳管理出现了许多挑战,包括空间和重量限制、无法实现规 模经济以及驱动移动源的ICE运行的动态性质。
[0004] 用于从燃烧气体捕获CO2的现有技术方法主要集中在静止源,诸如发电厂。已经开 发了使用例如胺和胺官能化液体和溶液在从环境温度直至约80°C范围内的温度吸收0)2的 方法。在由I CE驱动的车辆中遇到的高于100 °C,特别是在约130 °C至600 °C的范围内的温度, 胺表现出低的CO2吸收容量。因此,ICE排放气体的高温使得用液体胺溶液直接处理以去除 C〇2是不切实际的。
[0005] 氨水也被用于发电厂,不仅捕获二氧化碳,而且捕获SOx和NOx化合物。该吸收方法 必须在相对低的温度下进行才能有效,因此溶液必须被冷却例如到约27°C。在国际专利申 请WO 2006/022885(2006)中描述了所谓的冷冻氨方法,其公开内容通过引用并入本文。
[0006] 用于静止源或固定源(诸如用于将热能转换成可用的机械动力的发电设施)的公 认的现有技术热力学方法是卡琳娜循环(Kalina Cycle)。卡琳娜循环可以被实施以便增加 从燃料源回收的能量的总体效率。该方法是一个封闭的系统,其利用氨水混合物作为工作 流体来提高系统效率并且在具有循环峰值能量需求周期的不同的操作条件下提供更多的 灵活性。与兰金循环(Rankine cycle)系统相比,由于增加的重量和相关的资本费用,卡琳 娜循环将不适合作为独立的机械能量/功产生系统在移动源上随载使用。
[0007] 历史上,从移动源捕获CO2通常被认为是太昂贵的,因为它涉及分布式系统和规模 逆转经济。该问题的解决方案必须考虑随载车辆空间限制的实际考虑、额外的能量和设备 要求以及车辆运行循环的动态性质,例如,快速加速和减速的间歇周期。
[0008] 解决减少来自移动源的(》2排放问题的一些现有技术方法采用可以经受CO2捕获剂 的再生和再利用的吸着剂材料并且使用从各种随载源回收的废热。静止源所采用的仅使用 氧气的氧气燃烧方法需要氧气-氮气分离步骤,这比从排放气体中分离CO2更耗能,并且如 果在车辆上随载尝试则会更成问题。
[0009]出于描述本发明的目的,“移动源(mobile source)”是指可用于运输货物和/或人 的由一个或多个内燃机或外燃机驱动的各种已知运输工具中的任一种,其产生含有CO2的 热排放气体流。这包括在陆地上行驶的所有类型的机动车辆,以及火车和轮船,其中来自燃 烧的排放气体在排入大气之前被排入容纳管道。
[0010] 如本文所使用的,术语“废热”是典型的内燃机(ICE)产生的热量,其主要包含在热 排放气体(〜300°C至650°C)和热冷却剂(〜90°C至120°C)中。额外的热量通过从发动机机 体及其相关部件以及排放气体通过的其他部件(包括歧管、管道、催化转化器和消声器)的 对流和辐射而被放出和损失。这种热能总共是典型的烃类(HC)燃料燃烧时产生的能量的约 60% 〇
[0011] 如本文所使用的,术语“内部热交换器”是指其中相应的加热和冷却流体源自移动 源的热交换器。
[0012]如本文所使用的,“静止源(stationary source)”是指燃烧含碳燃料并放出C〇2以 产生热量、功、电或它们的组合并且物理上被固定的各种已知工业系统和方法中的任一种。 [0013]如本文所使用的,术语“贫负载量(lean loading)”是指从CO2汽提器的底部出来 的贫吸附/吸收溶液中剩余的CO2的量。根据本领域的既定用法,负载量被定义为每摩尔胺 基或通过吸附或相对吸收来捕获CO2的其他化合物的CO2摩尔。如本文所用,术语“富0)2溶 液”和“贫CO2溶液”与“富负载的CO2溶液”和“贫负载的CO2溶液”是同义的。
[00M]通过利用存在于发动机冷却剂、排放气体流和发动机机体、歧管和其他金属零件 中的废热,已经解决了提高从ICE中的烃类燃料燃烧所回收的能量的效率的问题。
[0015] 合并能量回收系统需要空间、增加的重量和特定的资本支出。然而,如果能量回收 系统提高了燃料转换成机械动力的总体效率、同时减少向大气中排放CO2而且这样做不会 大大地增加燃料消耗,则这种投资可能是值得的。
[0016] 在使用氯氟烃(CFC)制冷剂之前,长期以来的实践是在空调系统中使用CO2作为无 毒且不可燃的制冷剂气体。最近已经提出,为了提高车辆的效率,与运行空调系统反向,利 用来自车辆热排放气体流的热量来生成在车辆上随载使用的附加动力。参见,例如,Chen等 人,Theoretical Research of Carbon Dioxide Power Cycle Application in Automobile Industry to Reduce Vehicle’s Fuel Consumption (用于降低车辆燃料消耗 的二氧化碳动力循环应用于汽车产业的理论研究),Applied Thermal Engineering 25 (2005) 2041-2053。设想的系统是封闭的系统,并且基于CO2的临界压力的中等值。没有来自 排放气体流的CO2的捕获和回收以减少CO2排放到环境中。
[0017] 已经描述了用于动力生成的所谓的热机,其使用来自由在闭环系统中的静止源所 产生的烟气的废热,该闭环系统使用超临界的CO2 (ScCO2)作为工作流体。参见Persichilli 等人,Transforming Waste Heat to Power Through Development of a C〇2~Based Power Cycle (通过发展基于⑶2的动力循环将废热转化成动力),Electric Power Expo 2011 (2011年5月)Rosemont,IL。ScCO2与热烟道气体进行热交换,然后通过将废热转化为机 械轴功的涡轮机来产生电力。同流热交换器(回收装置/废油再生器,recuperator)回收一 部分余热,其余部分通过水冷却的或空气冷却的冷凝器从系统中排出,CO2作为过冷液体从 该冷凝器离开以通至栗入口。再次,这个封闭的系统适合与工业热源集成使用,以提高相关 系统的总体效率。出于直接减少CO2与排放气体一起排放到大气中的目的,不捕获C02。
[0018] 在移动源上随载合并CO2捕获系统以减少CO2排放增加了重量、能量消耗、资本支出 和维护。问题是要提供一个易于运行的紧凑型系统,并保持在可接受的和有竞争力的制造 成本。
[0019] 本发明解决的另一问题是如何提供与能量回收和转换系统结合的有效并高效的 CO2捕获系统以产生压缩随载储存的C02,运行相关系统并驱动移动源配件所需的电能和/或 机械能。
[0020] 相关的问题是如何结合CO2捕获系统和能量回收系统以增加总体效率并减少总体 系统和车辆的部件数量、重量、资本支出和维护。
[0021] 与来自移动源的CO2捕获相关的技术问题包括如何进一步增加随载CO2捕获的效 率,使得运行由烃类燃料驱动的传统I CE将保持对全电动车辆和混合动力车辆具有在经济 上和环保上的竞争力。这些传统问题通过例如在W0/2012/100149、W0/2012/100165、W0/ 2012/100157和W0/2012/100182中所公开的方法和系统而被解决,该方法和系统集成了CO2 捕获、热回收和CO2捕获剂再生和再利用系统,以下简称“多重系统”。然而,在移动应用中利 用多重系统还增加了与车辆运行相关的重量、能量消耗、资本支出和维护。
[0022] 问题仍然在于进一步提高从来自ICE驱动的移动源的热排放气体流有效地随载捕 获 C〇2〇
发明内容
[0023] 本发明广泛地理解一种在由内燃机(ICE)驱动的车辆上随载使用的方法和集成系 统,所述方法和集成系统将动力生成与CO2捕获和随载CO2增浓和储存相结合,从而降低不可 逆性并增加了该方法和运行系统的总体效率,从而将从用于驱动车辆的烃类燃料中回收有 用能量最大化。
[0024] 更具体地说,本发明涉及一种用于从排放气体流中捕获CO2和回收能量以减少来 自各种常规移动应用的CO2排放的方法和系统,其中所捕获的CO2保留在能量产生循环中的 工作流体中以产生功,随后将CO2与工作流体分离、压缩并临时随载储存以最终随载转换或 从移动源回收。本发明的主要方法和系统也适用于来自回收的静止源的CO2的处置,例如, 通过固存(sequestration)。
[0025] 本发明的方法在吸收区中使用吸收CO2的液体(有时在本说明书和权利要求书中 称为“溶液”或“吸着溶液”),通过例如使用膜吸收器与含CO2的排放气体流直接接触或间接 接触,以吸收否则将被排放到大气中的CO2的全部或一部分。
[0026] 水是一种优选的溶剂,出于经济性、可用性和如果其从支持替换新鲜水的系统中 排出的话没有环境问题的原因,胺和其他CO2吸收剂诸如碳酸氢盐被溶解在该溶剂中以运 行系统。醇可用于捕获C02,并且可用作溶剂或用作溶质。含有例如水作为溶剂和捕获0)2的 悬浮固体吸着剂的胶体溶液也可用于本发明的方法中。加热这种溶液将导致CO2从固体颗 粒上解吸和水汽化以驱动涡轮机。对于本领域技术人员来说将明显的是,CO2吸收剂和吸附 剂以及溶剂的家族可以基于特定的使用条件来选择,该特定的使用条件包括气候、吸着剂 和溶质材料的可用性以及ICE的类型。出于以下描述的目的,选择水作为工作流体。
[0027] 该方法的运行与现有技术系统(诸如卡琳娜循环和吸收系统)的运行类似。然而, 这两个方法都是封闭系统,在卡琳娜循环的情况下用于动力生成,在吸收系统的情况下用 于冷却或加热。
[0028] 如在下面的描述和权利要求书中所使用的,术语“外部热交换器”是指被空气冷却 或水冷却的热交换器,即,关闭能量回路所需要的能量库是该方法或系统外部的。
[0029] 离开吸收器的富CO2溶液经由一个或多个热交换器被加热并传递到由来自ICE的 热排放气体流所加热的锅炉。在锅炉中,CO2从吸着溶液中解吸并且溶液中的至少一部分水 被汽化以形成蒸汽。此后,将蒸气相传递到分离区,在该分离区中,热液体/蒸气分离器产生 具有较高浓度吸收CO2的化合物的现浓缩的吸着溶液的流。
[0030] 然后将来自分离区的CO2/水蒸气流传递到过热区,在那里与直接从ICE传递的热 排放气体流进行热交换,所述ICE的温度在200°C至800°C的范围内。过热的蒸气相在一台或 多台涡轮机中膨胀以生成动力。在多个涡轮机的情况下,采用通过与热排放气体进行热交 换的级间内加热(inter-stage heating)来使含有所捕获的⑶2的工作流体的循环效率最 大化。
[0031] 离开液体/蒸气分离器的贫液体CO2溶液被传递到第一内部热交换器以加热富CO2 溶液并增加循环效率。贫CO2溶液然后在涡轮机中膨胀或通过膨胀阀膨胀,然后在外部热交 换器中通过与环境空气或发动机冷却剂接触将其冷却到所期望的吸收器温度以通至吸收 区。
[0032] 离开涡轮机的CO2/水流被传递到第二内部热交换器以向富CO2的溶液提供热量并 增加循环效率,之后其被通过与环境空气或发动机冷却剂接触而运行的外部热交换器冷却 至CO2/水分离器的温度,自该CO2/水分离器,富CO2气流被回收并且冷凝水作为液体被回收。
[0033] 可将全部或一部分冷凝水与来自分离器的浓缩吸着溶液混合,以将溶液恢复至所 需浓度,然后将其栗至吸收器入口。富CO2气流在具有级间冷却和水脱除的多级CO2压缩机中 进行压缩,以从冷凝器/分离器除去CO2携带的任何水。被压缩的纯CO2被传递到高压罐以临 时随载储存,直到最终处置。对于CO2通过化学变化转换或CO2在高容量保留材料(诸如金属 有机框架(MOF)和共价有机框架(COF))中储存来说,适度压缩或不压缩也可能是可行的。在 从静止的CO2源所捕获的用于永久处置的CO2的情况下,所捕获的CO2可以通过例如地下固存 而被输送到管道中以永久储存。
[0034] 由一个或多个涡轮产生的动力可以用于驱动一个或多个吸附式液体栗和/或CO2 压缩机。任何多余的动力都可以用来为车辆的电池充电或用来驱动随载电器组件。
[0035] 本发明提供了一种高效的方法和系统,其通过在产生机械能和/或电能来满足车 辆上随载的栗和/或CO2压缩机的要求的方法中利用所捕获的CO2作为加热和加压工作流体 中的组分来从排放气体流的废热中回收能量。
[0036] 从以上描述,将理解的是,本发明涉及一种用于将由用于驱动车辆的ICE中的烃类 燃料的燃烧所产生的排放气体流通过用车辆上随载的吸着剂捕获至少一部分C02、从吸着 剂回收CO2以及压缩CO2以临时随载储存在车辆上来减少释放到大气中的CO2的量的方法,所 述方法的特征在于
[0037] a.将来自ICE的热的排放气体流传递通过第一热交换区中的多个热交换器,以将 排放气体流的温度降低至预定温度范围内的值;
[0038] b.在预定温度范围内的温度下在吸收区中使冷却的排放气体流与液体CO2吸着溶 液接触,该溶液包含溶解有与C〇2可逆地结合的至少一种化合物的水,以从排放气体流捕获 至少一部分CO2以提供富CO2溶液;
[0039] c.将富CO2溶液与CO2含量减少的剩余排放气体流分离;
[0040] d.将CO2含量减少的剩余排放气体流排入大气;
[0041] e.加压富CO2溶液并传递其进入用于通过的锅炉来与部分冷却的排放气体流进行 第一热交换关系,以升高其温度来解吸CO2并提供浓缩的贫CO2吸着溶液,并且以从吸着溶液 汽化一部分水来提供汽化的水/CO2混合物;
[0042] f.在第一分离区中将贫CO2吸着溶液与汽化的水/CO2混合物分离;
[0043] g.传递汽化的水/CO2混合物至过热区,其通过过热区与直接来自ICE的热的排放 气体流进行第二热交换关系,以进一步将混合物的温度增加至约400°C ;
[0044] h.传递过热的水/CO2混合物至涡轮机并使混合物膨胀至预定的较低压力值;
[0045] i .传递热膨胀的水/CO2混合物与加压的富CO2溶液进行热交换;
[0046] j.传递水/CO2混合物至冷凝热交换器以降低其温度以将基本上所有的水蒸气冷 凝成液态;
[0047] k.在第二分离区中将冷凝水与CO2分离,并将全部或一部分的冷凝水与吸收区上 游的吸着溶液混合或者将水从车辆排出;
[0048] 1.从第二分离区回收基本上纯的CO2并将其传递到压缩区以使CO2密度增加并排出 任何剩余的水;
[0049] m.回收加压的纯⑶:^并将其传递到随载容器以储存或以进一步加工以通过物理 和/或化学状态改变来减小其体积;
[0050] η.在热交换关系中传递来自第一分离区的加压的贫CO2溶液以增加来自吸收区的 加压的富CO2溶液的温度;
[0051] 〇.将加压的贫CO2溶液引入膨胀装置以产生机械能;
[0052] ρ.将来自膨胀装置的已减压的浓缩贫CO2溶液传递到混合阀,通过该混合阀添加 水以恢复所需浓度的吸着溶液;
[0053] q.在传递贫CO2溶液进入吸收区之前将其冷却至预定温度范围;以及
[0054] r.加压吸收区上游的贫CO2吸着溶液。
[0055] 如本领域普通技术人员将理解的,上述步骤(g)中过热汽化的水/CO2混合物的温 度可以从400°C变化,并将取决于系统的最佳运行条件。CO2的体积减少可以通过将其保持 在液态、固态或超临界状态来实现。同样如上所述,在该方法的实践中可以采用除了水之外 的溶剂。
附图说明
[0056] 下面将参照附图进一步描述本发明,附图中相同或相似的元件用相同的数字表 示,并且附图中:
[0057] 图1是本发明的方法在基本循环中的实施方案的示意图,其中在动力产生循环中 捕获和压缩CO2;
[0058] 图2示意性地例示了包括可选的再加热步骤的本发明的实施方案;
[0059] 图3示意性地例示了本发明的实施方案,其中涡轮机出口处的压力降低到低于大 气压(真空)以增加膨胀动力回收;
[0060] 图4示意性地例示了本发明的第四实施方案,其中附加的内部热交换器从排放气 体流中提取热量;以及
[0061] 图5是针对与图2中所描述的方法类似的方法的Aspen模拟的屏幕截图。
具体实施方式
[0062] 如上所述,本发明的方法作为半封闭系统运行,该系统从ICE的排放气体流中捕获 CO2并利用含有CO2的工作流体在动力生成循环中产生机械能或功。该方法可用于有利于从 由内燃机(ICE)所驱动的移动源中捕获CO2。
[0063] 参照图1中示意性例示的本发明的实施方案,描绘了该方法的简化循环,其中在动 力产生循环中捕获并压缩CO2。
[0064] 通过栗(10)将诸如含水碳酸钾(aqueous potassium carbonate)的贫负载⑶2吸 收溶液(以下称为“溶液”)作为流(102)转移到吸收单元(20)以在大气压或接近大气压下从 排放气体流捕获CO2。
[0065] CO2吸收单元(20)可以是直接接触液/气柱(诸如填充柱)或间接接触膜吸收设备 (诸如气液膜接触器)。为了方便起见,下面的描述将涉及本发明的方法在直接接触吸收单 元中的实践。然而,如本领域普通技术人员将理解的,可以采用具有基本上相同的效果的间 接吸收器。
[0066] 离开ICE的热排放气体流(901)通过过热器(31)而被第一次冷却,并作为降温流 (902)进入锅炉(30)。离开锅炉(30)的排放气体流(903)在热交换器(36)中进一步被冷却到 30°C和100°C之间的预定温度,并且冷却流(904)进入吸收单元(20),在该吸收单元中0)2在 30°C和100°C之间的温度下被经由流(102)进入吸收器(20)的已冷却的贫⑶2负载溶液吸 收。
[0067] 剩余的排放气体(905)在CO2捕获后离开吸收器(20)并被排入大气中。
[0068] 富CO2溶液经由流(200)离开吸收器(20),并通过栗(11)被加压至系统的高压值, 例如达到4MPa,并且作为流(201)传递至第一内部热交换器(34),在该第一内部热交换器该 流被离开涡轮机(51)的CO2/水流(403)加热约100°C,这将在下面进一步详细描述。
[0069] 加压的富CO2溶液(202)离开内部热交换器(34)并穿过第二内部热交换器(33)以 进一步加热。第二内部热交换器(33)被高压贫CO2溶液(300)加热。然后高压富CO2溶液(203) 进入锅炉(30)。
[0070] 高压富⑶2溶液(203)在锅炉(30)中部分地汽化,所述锅炉被过热器(31)下游的热 排放气体流(902)加热,所述过热器紧邻ICE的排歧管;CO2和水由于它们的较低的正常沸点 而被汽化。
[0071] 高压富⑶2液体/气体混合物(205)在例如约210°C的已增加的温度下离开锅炉 (30),并进入液体/蒸气分离器(40),该液体/蒸气分离器将气态CO2/水混合物从剩余的高 压贫CO2溶液(300)中分离出来。
[0072] 高压贫CO2溶液(300)离开液体/蒸气分离器(40),进入内部热交换器(33),并作为 流(301)传递至膨胀装置(50),例如涡轮机或节流阀,在作为流(302)传递到液体集管(100) 之前该流在该膨胀装置被膨胀到较低的压力。膨胀装置(50)从废热中回收用于系统的动力 P,并向栗(1 〇)和(11)提供机械能。
[0073] 离开液体/蒸气分离器(40)的CO2/水汽混合物(401)穿过被排放气体流(901)加热 的过热器(31)并在大约400°C的温度下作为过热流(402)离开,并在涡轮机(51)中膨胀以产 生动力,在大约大气压下作为流(403)离开。
[0074] 根据需要,来自涡轮机(51)的动力P被应用于运行系统中的栗、应用于压缩CO2和/ 或应用于运行方法设施。
[0075] 离开涡轮机(51)的低压⑶2/水作为流(403)穿过内部热交换器(34)并且经由流 (406) 离开到另一个热交换器(37),在那里进一步被冷却到大约40°C以冷凝水。在经由流 (407) 离开热交换器(37)之后,低压CO2/水传递到分离器(41),在那里冷凝水从CO2气体中分 离出来。离开分离器(41)的冷凝水流(500)由具有一些溶解的CO2的水组成,其全部或一部 分可作为流(502)传递到液体集管(100);任何过量的水都可以从该系统作为流(501)而被 排出。
[0076] 在将液体溶液(100)供给到供给⑶2吸收器(20)的栗(10)的吸入管线(101)之前, 该液体溶液在热交换器(35)中进一步被冷却至期望的CO2吸收温度。
[0077] 主要由CO2组成的汽流(600)从分离器(41)传递到压缩区(60),在该压缩区将其压 缩以产生高纯度CO2流(601)。高纯度0)2流(601)可以在移动应用中传递到随载储存器和在 静止CO2源或固定CO2源的情况下传递到储存器和/或管道。任何剩余的水通过中间冷却和相 分离而被冷凝并作为水流(700)从该系统排出。
[0078] 冷凝水(700)的全部或一部分(704)可以可选地经由三通阀(702)返回到环(100) 或返回到栗吸入管线(101),以控制该方法中贫吸收溶液的水含量并防止盐沉淀。新鲜的补 充水也可单独或与冷凝水流(700)结合用于此目的。可替换地,冷凝水(700)可以从该系统 排出(706)。
[0079] 在图2中示意性地例示的本发明的另一实施方案中,提供了可选的再加热步骤,其 中在工作流体的第一次膨胀之后将离开的汽流再加热以增加总体循环效率。
[0080] 在此实施方案中,热排放气体流(900)通过热交换器(32)进入该系统,在该热交换 器中在例如IMpa下中压CO2/水混合物(403)被再加热到约400°C并作为加热的流(404)离 开。
[0081] 来自热交换器(32)的冷却排放气体流(901)进入过热器(31),并且遵循与图1中所 述相同的路径。
[0082] 来自过热器(31)的过热CO2/水流(402)在涡轮机(51)中膨胀至约IMPa的中压并作 为流(403)离开。流(403)传递到热交换器(32)以通过进入的排放气体流(900)而被再加热 到约400°C的温度,然后作为流(404)传递到涡轮机(52)。膨胀的低压流(405)在近似大气压 下离开涡轮机(52),并传递到内部热交换器(34)以与高压富CO2溶液流(201)交换热量,并 作为流(406)离开。
[0083] 流(406)的方法步骤与以上结合图1的实施方案所描述的步骤相同。
[0084] 再加热步骤之后是进一步的膨胀步骤,以减少该系统中的不可逆性并增加总体系 统效率。图1的方法的其他方面也适用于图2的实施方案,所述其他方面包括使用冷凝流 (700),该冷凝流可以作为补充水经由管线(100)或(101)被注回到环中以控制该方法中的 水含量并且防止盐沉淀。
[0085] 在图3中示意性地例示的本发明的第三实施方案中,涡轮机出口处的压力被降低 到低于大气压,例如,降低到真空,以增加膨胀动力回收。
[0086] 可以实现这个优点,是由于环境温度下的CO2水饱和压力小于大气压,从而允许从 流体膨胀中回收更高的动力,并增加本发明方法的净功率和效率。
[0087] 图3中的方法与上面结合图1所描述的第一实施方案类似,不同的是,离开涡轮机 (51)的流(403)的出口压力被降低到即20kPa的绝对压力,并且栗(12)被添加到方法中以对 液体流(500)加压至接近大气压。
[0088] 离开过热器(31)的过热⑶2/水流(402)在涡轮机(51)中膨胀到20kPa以回收膨胀 能量。CO2/水流经由流(403)离开涡轮机进入内部热交换器(34),并且CO2水流作为流(406) 离开。
[0089] CO2/水流(406)在热交换器(37)中进一步冷却以通过将水冷凝来实现所需的0)2分 离。离开热交换器(37)的流(407)传递到至分离器(41),在该分离器中富0)2流(600)在真空 (例如,20kPa)下被回收,并在多级压缩机(60)中被压缩至所需的出口压力以及加压流 (601)并且被传递以储存或进一步处理。
[0090] 主要由水组成的冷凝流(500)由栗(12)加压至液体集管线(100)压力(例如, IOOkPa)以完成循环。离开栗(12)的流(510)经由流(502)全部或部分地被输送以添加至流 (100),过量的作为流(501)从该系统排出。
[0091] 通过将涡轮机(52)的出口压力减少到例如20kPa,可以将相同的真空冷凝原理应 用于再加热配置,以回收额外的工作能量并增加该方法的效率。
[0092] 在图4中示意性地例示的本发明的第四实施方案中,排放气体流(903)在一个步骤 中与高压富CO2溶液流(202)进行热交换而被进一步冷却以增加总体循环效率、捕获更多的 CO2或为相同的CO2捕获率提供更多的动力。
[0093] 图4中的方法与上面结合图3所述的实施方案类似,不同的是,在排放气体管线上 的热交换器(30)和外部热交换器(36)之间以及在高压富CO2溶液上的热交换器(34)和热交 换器(33)之间包括另外的内部热交换器(39)。
[0094] 离开热交换器(30)的排放气体在流(903)中加热离开热交换器(34)的高压富CO2 溶液流(202)。较冷的排放气体流(934)离开热交换器(39)进入热交换器(36)并继续如图3 中所述的方法。
[0095] 离开热交换器(34)的高压富CO2溶液流(202)在热交换器(39)中被热排放气体加 热,之后经由流(222)进入热交换器(33)以进一步加热。之后,高压富CO2溶液经历与该方法 的图3中所述相同的步骤。
[0096] 在又一实施方案中,可以将热交换器(39)集成在如图2中所述的系统的再加热配 置中或者集成在如上所述的并在本发明的图1中表示的上述大气压出口配置中。
[0097] 从上述方法和系统的描述中对于本领域普通技术人员而言明显的是,循环到三个 热交换器(例如,33、34和39)的流体可以根据该方法的运行特性和要求而变化。例如,可以 调节热力学特性以便从涡轮机(50、51、52)获得额外的动力,如下面进一步讨论的。
[0098] 如上文结合前述实施方案所描述的,可将全部或部分水流(700)注回到管线(100) 或(101)中的环内,以控制在该方法中所用的溶液的水含量以及防止盐沉淀。新鲜的补充水 也可单独或与来自流(700)的水结合用于此目的。
[0099] 应该注意的是,图4中所示的方法还包括如之前在图2中所示的再加热步骤以进一 步增加方法效率。
[0100] 可以运行根据本发明的方法以实现预定的CO2捕获目标,例如25%,或以产生预定 的所需量的动力。
[0101] 在CO2捕获应用中,CO2压缩是系统的主要能量密集组分,并且在一个或多个⑶:^压 缩步骤中净功率输出是由涡轮机所产生的净功率减去由栗所消耗的功率。
[0102] 由于栗对于系统的运行是不可或缺的,所以在满足栗的运行要求方面可以有很少 的变化或没有变化;然而,CO2压缩的程度可以变化,并取决于CO2捕获率和/或随载储存能 力。
[0103] 在没有CO2捕获率要求的功率导向运行模式中,可以根据所需的净功率输出例如 通过减少CO2捕获率来调节速率,以减少CO2压缩功率要求,从而增加该系统的净功率输出。
[0104] 可替换地,如果CO2捕获率例如在给定的范围内是固定的或者不小于预定值,那么 该系统应当以所需的CO2捕获流速运行,而在净功率产生上没有自由度。
[0105] 整个系统中的压力和温度的选择指示了生产循环的参数和潜在的CO2捕获率。例 如,可以将过热和再加热用于增加功率输出并降低该系统中的不可逆性。结果是,过热和再 加热不会影响CO2捕获率,但会影响所产生的净功率。
[0106] 确实影响CO2捕获率的重要参数是离开热交换器(30)并进入分离器(40)的流 (205)的温度和压力,因为此流的条件将确定有多少CO2和水进入分离器(40)中的汽相内。
[0107] 热交换器(37)出口处的温度和压力以及分离器(41)的运行温度和压力与实际的 CO2捕获率有关,因为分离器(41)的温度和压力控制了液相和汽相之比。因此,可以通过控 制这些装置(37、41)中的温度和压力来调节该系统的运行以实现所需的动力生产和/或CO2 捕获水平和排放减少。
[0108] 除了排放气体流的热量之外,根据本发明的方法还可以使用一种或多种不同的能 量来源,诸如发动机冷却剂能量、太阳能或可回收热能的任何其他可获得的形式,以支持热 交换器(30)和/或(31)和/或(32)和/或(39)的运行以最大化动力生产。
[0109] 在该方法中可以使用诸如动能、机械能和/或电能的可回收能量来增加涡轮机的 输出和/或运行CO2压缩机。在全电动或混合动力车辆上使用的能量回收系统和装置也可以 在由ICE驱动的车辆上使用,以直接或通过蓄电池或其他装置提供电动力。
[0110] 用环境流或外部流来冷却流所用的方法中的任何冷却装置,例如,空气冷却式热 交换器(36),可以由能量回收装置(例如,热电装置)或者捕获并将热量转化为能量同时将 工作流体流冷却到所需的温度的其他装置代替,并且所回收的能量可以在该方法中被利 用。例如,作为在热交换器中将排放气体流从200Γ冷却到60°C的代替,可以利用热电装置 将流(903)冷却到所需的温度同时从所回收的能量产生电力。
[0111] 本发明的方法也可以通过改变栗的位置或者用喷射器替换栗来改变。还可能的 是,取决于吸收器(20)的类型,即封闭型、膜吸收器或其他类型,以将栗(10)和栗(11)组合 在单个栗中,该单个栗在吸收单元(20)的上游或者优选地在下游栗(11)的位置中,以在较 低的溶液压力下进行吸收。
[0112] 本发明的方法还可以采用对于CO2和水分离的各种方法,诸如膜或其他分离手段。
[0113] 在根据本发明的方法中所使用的CO2吸收溶液可以是含有盐和/或胺和/或通过物 理或化学方法捕获CO2的其他分子的基于水的溶液。在本发明的方法中所使用的CO2吸着溶 液可以选自以下:
[0114] a.含有盐和/或胺和/或物理地或化学地吸收CO2的其他分子的基于溶剂的溶液;
[0115] b.基于溶剂的或基于水的载体,在该载体中分散有固体CO2吸附颗粒,CO2在低温下 被该颗粒吸收并在高温下从该颗粒解吸,颗粒被再生成和再循环,并且液体载体也优选地 在低温下物理地或化学地吸附或吸收CO2并在高温下解吸CO2以减少流速和接触器尺寸;
[0116] c.在适当条件下可逆地吸收和/或吸附CO2并解吸CO2的胶体流体或晶体流体;以及
[0117] d.吸收液体和吸附液体的混合物。
[0118] 从以上描述和实例可以理解的是,本发明的方法广泛地理解了集成系统中的⑶2 捕获的结合,其减少了不可逆性,从而增加了处理和运行系统的总体效率。
[0119] 除了在移动应用中所增加的效率和废热回收之外,本发明的方法包括与分开的热 回收和CO2回收系统相比需要减少部件数量的优点。该集成系统节省了在随载移动源上的 空间和重量,并减少了资本支出和运营维护成本。
[0120] 图5是代表与图2中所描绘的方法相似的本发明的实施方案的Aspen Plus Simulation流程(flowsheet)的屏幕截图。
[0121] 实施例
[0122] 实践用于移动应用的本发明方法的根据图3所例示的实施方案的最佳方式的方法 将在此实施例中进一步详细描述。贫碳酸钾CO2吸收水溶液由栗(10)加压并作为流(102)被 引入吸收单元(20)以从冷却的排放气体流中捕获CO2tXO2吸收单元(20)可以是在大气压或 接近大气压下运行的直接接触式液-气柱或间接接触式膜吸收装置。
[0123] 热排放气体流(901)在穿过过热器(31)和锅炉(30)时被冷却。离开锅炉(30)的排 放气体流(903)根据环境条件在热交换器(36)中进一步被冷却到30°C和100°C之间的预定 温度,并且冷却的排放气体流(904)进入吸收单元(20)以完成吸收,在该吸收单元CO2被贫 CO2溶液(102)吸收。
[0124] 减少CO2含量的排放气体流(905)的剩余部分离开吸收器(20)并被排入大气中。在 替代实施方案中,烟道气流(905)在其排入大气之前可被再加热以例如膨胀其体积。流 (905)的再加热可以使用来自进入热交换器(36)的流(903)的热量来完成。在此实施方案 中,热交换器36可以被内部热交换器代替,或者系统可以在热交换器(36)的上游加入内部 热交换器,其中流(903)向流(905)提供热量。
[0125] 富⑶2溶液(200)离开吸收器(20),并由栗(11)加压至系统的高压值,例如达到 4MPa,并且作为加压流(201)传递到第一内部热交换器(34),在那里被离开涡轮机(51)的 CO2/水流(403)加热,这将在下面进一步详细描述。
[0126] 经加热的高压富⑶2溶液(202)离开第一内部热交换器(34)并穿过第二内部热交 换器(33)以进行额外的加热。第二内部热交换器(33)被先前已经回收CO2的热高压贫CO2溶 液(300)加热。然后高压富CO2溶液(203)进入锅炉(30)。
[0127] 加压的富CO2溶液(203)在被热排放气体流(902)加热的锅炉(30)中部分地汽化; 被吸收的CO2的一部分被解吸,并且一些水由于它们的正常沸点较低而被汽化。随着碳酸钾 浓度的增加,溶液的沸点也升高,使得溶液保持可流动的液态。
[0128] 高压富⑶2溶液(205)在约210°C的温度下从锅炉传递并进入液体/蒸气分离器 (40),该液体/蒸气分离器将CO2/水气态混合物从剩余的加压贫CO2溶液中分离出来。
[0129] 加压的贫CO2溶液(300)离开液体/蒸气分离器(40),穿过内部热交换器(33),然后 作为流(301)进入膨胀装置(50),例如涡轮机或节流阀,在该膨胀装置中将其膨胀至较低压 力,之后作为流(302)传递至较低压方法液体集管或导管(100)。
[0130] 膨胀装置(50)可以是节流阀或涡轮机,其回收运行栗(10)、(11)以及如图4中的 (12)所需的功率P。膨胀装置(50)优选地直接连结到高压栗(11)的轴。可替换地,可以回收 电动力以对传送电力的电池进行充电以运转栗。在另一实施方案中,一个或多个栗可以被 连接到来自涡轮机的公共运转轴。
[0131] 离开液体/蒸气分离器(40)的CO2/水蒸气混合物(401)穿过被热排放气体流(901) 而加热的过热器(31),并作为过热的CO2/水混合物(402)在约400°C的温度下离开。流(402) 在涡轮机(51)中膨胀至该系统的真空压力值,例如20kPa,并且产生功率P,该功率P根据需 要施加以运行系统中的栗、以压缩CO2和以运行该方法设施
[0132] 低压⑶2/水混合物作为流(403)离开涡轮机(51)进入内部热交换器(34),然后作 为流(406)至热交换器(37)。
[0133] CO2/水流(406)被冷却以将水冷凝以实现所需的CO2和水的分离。流(407)离开热交 换器(37)并传递至分离器(41),在该分离器中在真空度例如20kPa下回收富(》2流(600)。
[0134] 蒸气流(600)主要由CO2组成,并传递到压缩区(60),在压缩区其被压缩以提供压 缩的高纯度CO2流(601)。高纯度0)2流(601)可以被传递到移动应用中的随载储存器,并最终 经由管道到永久性地下或其他储存器。任何剩余的水通过中间冷却和相分离而被冷凝,并 作为废水流(700)从该系统排出。
[0135] 来自分离器(41)的冷凝流(500)主要由具有一些溶解的CO2的水构成,并且由栗 (12)加压以在约IOOkPa的压力下引入到液体集管管线(100)中。离开栗(12)的流(510)全部 或部分作为流(502)被传递到吸着溶液流(100),任何过量的作为流(501)从该系统排出。
[0136] 吸附溶液流(100)在热交换器(35)中进一步被冷却至预定的⑶2吸收温度,然后传 递到栗(10)的吸入管线(101)用于引入到CO2吸收器(20)。
[0137] 涉及减少CO2排放的现有技术的系统中没有考虑将来自排放气体流的CO2用作能量 回收系统中的工作流体。
[0138] 实施例
[0139] 使用Aspen Technology程序模型代替工作台测试(bench testing)来准备计算机 分析/模拟。该模型一般对应于图1中所描绘的示意性布置。计算是基于25%的CO2捕获率, 在设备上没有压降。
[0140] 应该理解的是,结果是指示性的,尽管仍然存在一些不确定性,但结果为指定的条 件提供了有用的数据。下面的表格包括上面描述的用于图5中所呈现的Aspen Simulation 的各种流的特性。
[0141] 表
[0142] (基于Aspen Simulation)
Figure CN107750184AD00151
[0144] 虽然上面和附图中已经描述了本发明的各种示例性实施方案,但是从这些实例和 描述中,对于本领域的普通技术人员来说进一步的修改将是明显的。本发明的范围应参照 下面的权利要求书来确定。

Claims (13)

  1. I. 一种用于将由用于驱动车辆的内燃机(ICE)中的烃类燃料的燃烧所产生的排放气体 流通过用车辆上随载的吸着剂捕获至少一部分C02、从所述吸着剂回收CO2以及压缩CO2以临 时随载储存在车辆上来减少释放到大气中的CO2的量的方法,所述方法的特征在于 a. 将来自ICE的热的排放气体流传递通过第一热交换区中的多个热交换器,以将所述 排放气体流的温度降低至预定温度范围内的值; b. 在预定温度范围内的温度下在吸收区中使冷却的所述排放气体流与液体CO2吸着溶 液接触,所述溶液包含溶解有与CO2可逆地结合的至少一种化合物的液体溶剂,以从所述排 放气体流捕获至少一部分CO2以提供富CO2溶液; c. 将所述富CO2溶液与CO2含量减少的剩余排放气体流分离; d. 将CO2含量减少的所述剩余排放气体流排入大气; e. 加压所述富CO2溶液并传递其进入用于通过的锅炉来与所述排放气体流进行第一热 交换关系,以升高其温度来解吸CO2并提供浓缩的贫CO2吸着溶液,并且以从所述吸着溶液汽 化一部分溶剂来提供汽化的溶剂/CO2混合物; f. 在第一分离区中将贫CO2吸着溶液与汽化的溶剂/CO2混合物中分离; g. 传递汽化的溶剂/CO2混合物至过热区,其通过过热区与直接来自ICE的所述热的排放 气体流进行第二热交换关系,以进一步增加所述混合物的温度; h. 传递过热的溶剂/CO2混合物至涡轮机并使混合物膨胀至预定的压力值; i .传递热膨胀的溶剂/CO2混合物与步骤(e)的加压的富CO2溶液进行热交换; j. 传递溶剂/CO2混合物至冷凝热交换器以降低其温度以将基本上所有的溶剂蒸气冷凝 成液态; k. 在第二分离区中将冷凝溶剂与CO2分离,并将全部或一部分的冷凝溶剂与吸收区上游 的所述吸着溶液混合或者将所述溶剂从所述车辆排出; l. 从所述第二分离区回收基本上纯的CO2并将其传递到压缩区以压缩CO2并使CO2密度 增加并排出任何剩余的水; m. 回收加压的纯CO2并将其传递到随载容器以储存或以进一步加工以通过改变其物理 状态来减小其体积; η.在热交换关系中传递来自所述第一分离区的加压的贫CO2溶液以增加来自所述吸收 区的加压的富CO2溶液的温度; 〇.将加压的贫CO2溶液引入膨胀装置以产生机械能; P.将来自所述膨胀装置的已减压的浓缩贫CO2溶液传递到混合装置,通过所述混合装置 添加溶剂以恢复所需浓度的所述吸着溶液; q. 在传递贫CO2溶液进入所述吸收区之前将其冷却至所述预定温度范围;以及 r. 加压所述吸收区上游的贫CO2吸着溶液。
  2. 2. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述溶剂是水。
  3. 3. 根据权利要求2所述的方法,其中,步骤(g)中水/CO2混合物的温度的增加在200°至 500°C的范围内。
  4. 4. 根据权利要求1所述的方法,其中,来自所述吸收区的所述富CO2溶液被传递至栗的进 入口以将其压力增加至预定系统压力。
  5. 5. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一热交换区包括传递在所述排放气体流的 所述预定温度下的冷却流体进入所述吸收区的最终热交换器。
  6. 6. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述涡轮机和/或所述膨胀装置的机械能输出被 直接用于转动一个或多个栗和/或一个或多个CO2压缩机。
  7. 7. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述涡轮机和/或膨胀装置的机械能输出被用于 生成电力,所述电力被用于驱动栗和或压缩机电机和/或为车辆上随载的蓄电池充电。
  8. 8. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述吸着溶液由选自由以下组成的组中的一种或 多种化合物制备:水、胺官能化分子、碱金属碳酸盐和碳酸氢盐、碱土金属碳酸盐、碱金属和 碱土金属氧化物、氨水和碳酸铵、醇、聚醚、酰胺化合物、分子筛、M0F、C0F。
  9. 9. 根据权利要求8所述的方法,其中,聚醚是聚乙二醇的二甲醚。
  10. 10. 根据权利要求8所述的方法,其中,吸收CO2的酰胺化合物是N-甲基-2-吡咯烷酮。
  11. 11. 根据权利要求8所述的方法,其中,所述溶剂是甲醇。
  12. 12. 根据权利要求8所述的方法,其中,吸收CO2的胺是单乙醇胺。
  13. 13. 根据权利要求8所述的方法,其中,所述吸收CO2的碳酸盐是碳酸钾。
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