CN113758040B - 超音速旋流两相膨胀co2捕集、利用与封存系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超音速旋流两相膨胀CO2捕集、利用与封存系统，包括至少一个制冷单元；制冷管路，含碳烟气依次流经首尾相接的多个制冷单元；制冷单元包括冷却器和超音速旋流两相膨胀机，超音速旋流两相膨胀机的出气侧与下一制冷单元的进口侧相接，超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有干冰储罐或者蒸发器。通过上述方式，通过超音速旋流两相膨胀机的膨胀制冷和旋流分离作用，将二氧化碳固定为干冰和作为制冷循环的工质加以利用，不仅可以具有显著的环保效益，而且经济价值明显提高，同时消除了地质封存带来的安全性和可靠性风险。

Description

超音速旋流两相膨胀CO2捕集、利用与封存系统
技术领域
本发明涉及二氧化碳捕集、利用与封存技术领域，尤其涉及一种超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统。
背景技术
二氧化碳捕集、利用与封存(Carbon Dioxide Capture,Utilization andStorage，CCUS)技术作为是一项新兴的、具有大规模减排潜力的技术，有望实现化石能源使用的CO2 近零排放，被认为是进行温室气体深度减排最重要的技术路径之一。开展CCUS技术的研发和储备，将为中国未来温室气体减排提供一种重要的战略性技术选择。
现阶段，捕集主要集中在煤化工行业，其次是火电行业；地质利用与封存以提高石油采收率为主，然而经济成本是制约中国CCUS 技术发展的重要因素。CCUS技术总体上尚处于研发和示范阶段，仍存在制约其发展的突出问题，主要包括:①能耗高；②成本高；③可持续发展综合效益不显著，除实现控制CO2 排放外，没有其他方面的经济、环境效益；④长期的地质封存带来安全性和可靠性风险，封存的CO2若发生泄漏可能危害人体健康、影响当地生态系统，进行 CO2 封存还可能污染地下水，甚至可能诱发地震。
发明内容
本发明实施例提供一种超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，用以解决现有技术中二氧化碳捕集、利用与封存技术存在高能耗、高成本、可持续发展效益不显著以及安全性和可靠性存在风险的技术问题。
本发明实施例提供一种超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，包括：至少一个制冷单元；
制冷管路，含碳烟气依次流经首尾相接的多个所述制冷单元；
所述制冷单元包括冷却器和超音速旋流两相膨胀机，所述超音速旋流两相膨胀机的出气侧与下一所述制冷单元的进口侧相接，所述超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有干冰储罐或者蒸发器。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述制冷单元中还包括压缩机，所述压缩机设于所述冷却器远离所述超音速旋流两相膨胀机的一侧。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述制冷单元的数量为2个。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述制冷单元包括第一制冷单元和第二制冷单元；
所述第一制冷单元包括第一压缩机、第一冷却器和第一超音速旋流两相膨胀机，所述第二制冷单元包括第二压缩机、第二冷却器和第二超音速旋流两相膨胀机，所述第一超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第二压缩机的进口侧相连接，所述第一超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有第一干冰储罐；所述第二超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第一压缩机的进口侧相连接，所述第二超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有第二干冰储罐。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述制冷单元包括第三制冷单元和第四制冷单元；
所述第三制冷单元包括第三压缩机、与所述第三压缩机相连接的第三冷却器以及与所述第三冷却器相连接的第三超音速旋流两相膨胀机，所述第四制冷单元包括第四冷却器、与所述第四冷却器相连接的第四超音速旋流两相膨胀机以及与所述第四超音速旋流两相膨胀机相连接并设于远离所述第四冷却器一侧的第五冷却器。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述第三超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有第三干冰储罐，所述第三超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第四冷却器的进口侧相连接。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述第四超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有所述蒸发器，所述第四超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第五冷却器相连接，气态工质经所述冷却器后与流出所述蒸发器的气态工质汇合并返回至所述第三压缩机的进口侧。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述超音速旋流两相膨胀机包括依次连接的旋流装置、喷管、旋流分离段、排液结构以及扩压器，所述旋流装置远离所述喷管一端对应所述超音速旋流两相膨胀机的进气侧，所述排液结构的排液口对应所述超音速旋流两相膨胀机的出液侧，所述扩压器远离所述旋流分离段一侧对应所述超音速旋流两相膨胀机的出气侧。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述旋流装置用于产生离心力，所述喷管用于等熵膨胀降温降压产生低温效应。
根据本发明一个实施例的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，所述低温效应产生的低温至少低于二氧化碳三相点。
本发明实施例提供的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，通过超音速旋流两相膨胀机的膨胀制冷和旋流分离作用，将二氧化碳固定为干冰和作为制冷循环的工质加以利用，不仅可以具有显著的环保效益，而且经济价值明显提高，同时消除了地质封存带来的安全性和可靠性风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统中制冷单元一实施例的示意图；
图2为图1所示制冷单元中的超音速旋流两相膨胀机的结构示意图；
图3为本发明提供的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统一实施例的示意图；
图4为本发明提供的超音速旋流两相膨胀CO2捕集、利用与封存系统另一实施例的示意图；
附图标记：
10、制冷单元；110、冷却器；120、超音速旋流两相膨胀机；1210、旋流装置；1220、喷管；1230、旋流分离段；1240、排液结构；1250、扩压器；130、干冰储罐；140、蒸发器；150、压缩机；160、第一制冷单元；1610、第一压缩机；1620、第一冷却器；1630、第一超音速旋流两相膨胀机；1640、第一干冰储罐；170、第二制冷单元；1710、第二压缩机；1720、第二冷却器；1730、第二超音速旋流两相膨胀机； 1740、第二干冰储罐；180、第三制冷单元；1810、第三压缩机；1820、第三冷却器；1840、第三超音速旋流两相膨胀机；1850、第三干冰储罐；190、第四制冷单元；1910、第四冷却器；1920、第四超音速旋流两相膨胀机；1930、第五冷却器；
20、制冷管路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1至图4，本发明实施例提供一种超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，包括至少一个制冷单元10，还包括流经多个制冷单元10的制冷管路20，多个制冷单元10首尾相接形成循环。制冷单元10包括冷却器110和超音速旋流两相膨胀机120，超音速旋流两相膨胀机120的出气侧与下一制冷单元10的进口侧相接，超音速旋流两相膨胀机120的出液侧连接有干冰储罐130或者蒸发器140。含碳烟气流经制冷单元10可以进行干冰存储使用，或者也可以作为制冷工质参与制冷利用，不仅可以具有显著的环保效益，而且经济价值明显提高，同时消除了地质封存带来的安全性和可靠性风险。
制冷单元10中还包括压缩机150，压缩机150设于冷却器110 远离超音速旋流两相膨胀机120的一侧。
请参照图3和图4，在本发明可行的实施例中，制冷单元10的数量为2个，以2个为例，但不对此进行限定。制冷单元10包括第一制冷单元160和第二制冷单元170；第一制冷单元160包括第一压缩机1610、第一冷却器1620和第一超音速旋流两相膨胀机1630，第二制冷单元170包括第二压缩机1710、第二冷却器1720和第二超音速旋流两相膨胀机1730，第一超音速旋流两相膨胀机1630的出气侧与第二压缩机1710的进口侧相连接，第一超音速旋流两相膨胀机 1630的出液侧连接有第一干冰储罐1640；第二超音速旋流两相膨胀机1730的出气侧与第一压缩机1610的进口侧相连接，第二超音速旋流两相膨胀机1730的出液侧连接有第二干冰储罐1740。
请参照图2，对于超音速旋流两相膨胀机120，超音速旋流两相膨胀机120包括依次连接的旋流装置1210、喷管1220、旋流分离段 1230、排液结构1240以及扩压器1250，旋流装置1210远离喷管1220 一端对应超音速旋流两相膨胀机120的进气侧，排液结构1240的排液口对应超音速旋流两相膨胀机120的出液侧，扩压器1250远离旋流分离段1230一侧对应超音速旋流两相膨胀机120的出气侧。旋流装置1210用于产生离心力，喷管1220用于等熵膨胀降温降压产生低温效应。低温效应产生的低温至少低于二氧化碳三相点。
请参照图3，系统在运行时，对含有各种固体杂质、水蒸气的发电厂含碳烟气先进行预处理，然后经制冷管路20进行循环，首先通过第一压缩机1610压缩升压升温后经第一冷却器1620降温，含碳烟气进入第一超音速旋流两相膨胀机1630，其中的二氧化碳气体通过旋流装置1210后产生较大的离心力，在喷管1220中等熵膨胀降温降压产生低温效应，温度降低一部分后二氧化碳气体产生凝结成核、生成液滴并进一步生长，当膨胀深度达到二氧化碳三相点以下时，二氧化碳被固定为干冰，固相干冰在旋转产生的切向速度和离心作用下由旋流分离段1230经排液机构排出至第一干冰储罐1640中收集，实现气固分离，剩余气相经扩压器1250减速升温后排至下一级，压力能大部分得以恢复，大大减小了第一超音速旋流两相膨胀机1630进出口的压力损失。
经第一超音速旋流两相膨胀机1630的扩压器1250排出的气相，继续通过第二压缩机1710将损失的压力能进行补充后经第二冷却器 1720降温，含碳烟气进入第二超音速旋流两相膨胀机1730，二氧化碳气体在第二超音速旋流两相膨胀机1730中发生的过程与第一超音速旋流两相膨胀机1630内发生的过程一致，在此不做赘述，经第二超音速旋流两相膨胀机1730的扩压器1250排出的循环烟气与已预处理的发电厂含碳烟气混合，再一次重新进入系统完成循环，固态干冰经排液结构1240排出至第二干冰储罐1740进行存储。
请参照图4，在其他可行的实施例中，制冷单元10包括第三制冷单元180和第四制冷单元190；第三制冷单元180包括第三压缩机 1810、与第三压缩机1810相连接的第三冷却器1820以及与第三冷却器1820相连接的第三超音速旋流两相膨胀机1840，第四制冷单元190 包括第四冷却器1910、与第四冷却器1910相连接的第四超音速旋流两相膨胀机1920以及与第四超音速旋流两相膨胀机1920相连接并设于远离第四冷却器1910一侧的第五冷却器1930。第三超音速旋流两相膨胀机1840的出液侧连接有第三干冰储罐1850，第三超音速旋流两相膨胀机1840的出气侧与第四冷却器1910的进口侧相连接。第四超音速旋流两相膨胀机1920的出液侧连接有蒸发器140，第四超音速旋流两相膨胀机1920的出气侧与第五冷却器1930相连接，气态工质经冷却器110后与流出蒸发器140的气态工质汇合并返回至第三压缩机1810的进口侧。
系统在运行时，已处理的含碳烟气首先通过第三压缩机1810压缩升压升温后经第三冷却器1820进行降温，含碳烟气进入第三超音速旋流两相膨胀机1840中，其中二氧化碳在第三超音速旋流两相膨胀机1840内发生的反应与第一超音速旋流两相膨胀机1630内发生的一致，在此不做赘述。经第三超音速旋流两相膨胀机1840的排液机构产生的固态干冰排出至第三干冰储罐1850，经第三超音速旋流两相膨胀机1840的扩压器1250减速升温后的剩余气相排出至第四冷却器1910内进行降温，含碳烟气进入第四超音速旋流两相膨胀机1920，同理，二氧化碳在第四超音速旋流两相膨胀机1920内发生的反应与第一超音速旋流两相膨胀机1630内发生的一致，只是经第四超音速旋流两相膨胀机1920排出的为低温液体。也即经第四超音速旋流两相膨胀机1920的排液机构排出的低温液态二氧化碳排出至蒸发器 140进行等温等压蒸发，以实现制冷利用。经扩压器1250减速升温升压后经第五冷却器1930进行降温，之后与蒸发器140后的气相混合，二者共同与已处理的发电厂含碳烟气混合，重新回到第三压缩机 1810中，完成循环。
综上，本发明实施例提供的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，通过超音速旋流两相膨胀机120的膨胀制冷和旋流分离作用，将二氧化碳固定为干冰和作为制冷循环的工质加以利用，不仅可以具有显著的环保效益，而且经济价值明显提高，同时消除了地质封存带来的安全性和可靠性风险。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，其特征在于，包括：
至少一个制冷单元；
制冷管路，含碳烟气依次流经首尾相接的多个所述制冷单元；
所述制冷单元包括冷却器和超音速旋流两相膨胀机，所述超音速旋流两相膨胀机的出气侧与下一所述制冷单元的进口侧相接，所述超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有干冰储罐或者蒸发器；
所述制冷单元包括第三制冷单元和第四制冷单元；
所述第三制冷单元包括第三压缩机、与所述第三压缩机相连接的第三冷却器以及与所述第三冷却器相连接的第三超音速旋流两相膨胀机，所述第四制冷单元包括第四冷却器、与所述第四冷却器相连接的第四超音速旋流两相膨胀机以及与所述第四超音速旋流两相膨胀机相连接并设于远离所述第四冷却器一侧的第五冷却器；
所述第三超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有第三干冰储罐，所述第三超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第四冷却器的进口侧相连接；
所述第四超音速旋流两相膨胀机的出液侧连接有所述蒸发器，所述第四超音速旋流两相膨胀机的出气侧与所述第五冷却器相连接，气态工质经所述冷却器后与流出所述蒸发器的气态工质汇合并返回至所述第三压缩机的进口侧。
2.根据权利要求1所述的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，其特征在于，所述超音速旋流两相膨胀机包括依次连接的旋流装置、喷管、旋流分离段、排液结构以及扩压器，所述旋流装置远离所述喷管一端对应所述超音速旋流两相膨胀机的进气侧，所述排液结构的排液口对应所述超音速旋流两相膨胀机的出液侧，所述扩压器远离所述旋流分离段一侧对应所述超音速旋流两相膨胀机的出气侧。
3.根据权利要求2所述的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，其特征在于，所述旋流装置用于产生离心力，所述喷管用于等熵膨胀降温降压产生低温效应。
4.根据权利要求3所述的超音速旋流两相膨胀CO2 捕集、利用与封存系统，其特征在于，所述低温效应产生的低温至少低于二氧化碳三相点。
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