CN117320796A - 从燃烧发动机排气中回收二氧化碳的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的方法和装置。该方法包括：提供并分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；冷凝该第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；以及分离该冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。

Description

从燃烧发动机排气中回收二氧化碳的方法和装置
本发明涉及一种用于改进从燃烧发动机排气、特别是氧燃料内燃发动机排气中回收或捕获二氧化碳的方法和装置。用于氧燃料内燃发动机排气的合适燃料包括液化氧和液化碳氢化合物燃料(例如，液化天然气)。
对于常规燃烧发动机的标准燃烧，使用的氧化剂是空气，空气包含氧气(～21mol％)和大部分氮气(～78mol％)。氮气(N2)是一种惰性气体，不参与燃烧反应，但是它能降低燃烧温度。由于进气中的N2量，排气通常主要包含N2，其中二氧化碳(CO2)和水为次要成分。这种以N2稀释排出的CO2使得分离以生成用于捕获和储存的纯CO2流(以避免简单地作为温室气体排放到大气中)变得困难。
氧燃料燃烧是使燃料和‘纯’氧气(而不是空气作为主要氧化剂)燃烧的过程。由此产生的排气主要包含二氧化碳和水。水可以很容易地通过环境冷却来去除，因此使用碳捕获和储存(carbon capture and storage，CCS)技术来捕获二氧化碳应该更容易。通常，CCS包含使发动机排气流中的气态二氧化碳液化。
燃料与纯氧气的燃烧还会导致较高的火焰温度，这是现有发动机无法容忍的。为了克服这一问题，可以使部分排气循环并使其与氧气氧化剂混合。由于二氧化碳是排气的主要部分，这包含使至少一部分二氧化碳循环以作为惰性气体，从而在发动机内的燃烧期间执行与以上讨论的氮气在常规燃烧中降低温度相类似的降低温度。由此，二氧化碳捕获和储存(CCS)只需要回收未被循环的剩余二氧化碳。
然而，碳氢化合物燃料的天然来源通常包括一些氮气，这些氮气在液化期间可能无法经济地从天然气中分离出来。由于氧燃料燃烧用的燃料通常是液化碳氢化合物(例如，液化天然气)，液化碳氢化合物中一部分是氮气，因此使用这种燃料导致排气的一部分是氮气。在氧燃料燃烧中用作氧化剂的氧气也可能含有一些对燃烧呈惰性的杂质，例如氮气或氩气。一旦尽可能多的二氧化碳从氮气中去除，氮气就可以作为废气排放到大气中。然而，很大一部分废气仍然是二氧化碳，因此这种方法仍然会导致一定比例的二氧化碳大气排放，这是不期望的。
本发明寻求改进从氧燃料燃烧排气中捕获和储存二氧化碳。
因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的方法，该方法至少包括以下步骤：
(i)提供并分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(ii)冷凝第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；
(iii)分离冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的装置，该装置包括：
(a)排气分离器，该排气分离器用于分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(b)废气冷凝器，该废气分离器用于至少部分冷凝第一废气流并提供部分冷凝的废气流；以及
(c)废气分离器，该废气分离器用于将部分冷凝的废气流分离成第二废气流和第二液化CO2流。
附图说明
现将参考附图仅通过示例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳的方法的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳的方法的示意图；
图3至图11是图2中所示的方法的变体的示意图；
图12是基于图1的从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳的方法的更详细的示意图；以及
图13是图12中所示的方法的示意图，包括了根据本发明的实施例的方法和装置。
具体实施方式
本发明提供了一种从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳的方法。
氧燃料燃烧是使用纯氧气(而不是空气作为主要氧化剂)使燃料燃烧的过程。主要的排出排放物是水和二氧化碳，并且使用环境冷却可以很容易地冷凝并去除水，使废气符合高效的碳捕获技术。
二氧化碳捕获和储存(CCS)对于减少来自发动机的大气二氧化碳排放是一个越来越重要的系统。对于现代的传统发电厂来说，二氧化碳捕获和储存可以显著减少大气二氧化碳排放。发动机排气可以通过一个或多个冷却器和分离器，以便至少去除排气中的为水的那部分(通常为液态水)，并因此浓缩二氧化碳。
在氧燃料燃烧应用中，浓缩的二氧化碳流可以接下来部分用于作为惰性气体回收到发动机中，以改善发动机燃烧控制，包括提供降温功能(就像标准燃烧发动机中使用空气时的氮气)。通常，这是发生的主要循环过程。
同时，预计将从排气中未被用于循环回到发动机的那部分排气中(下文称为‘回收流’)回收尽可能多的碳，因为回收流仍然富含碳。回收流可以通过各种分离、压缩、冷却和脱水步骤进行处理，以便尝试并最大限度地通过使二氧化碳液化以形成液化CO2(LCO2)(作为一种‘有用的产品’)来捕获碳，液化CO2可以方便地使用或存储，而不需要任何大气释放或排放。
在一种特定的布置中，回收流通过‘调节器队列’(包含分水步骤(以进一步降低水含量))，之后通过例如压缩机或风机等增压装置。压缩之后通常是冷却(如后冷却器)，然后可以有专门的脱水过程，以便进一步降低压缩气体的水分含量。这之后可以是冷凝器和分离器，以便提供最终的高度富集的液化CO2流，该液化CO2流至少包括回收流中的大部分二氧化碳。
液化CO2可以被定义为‘捕获的碳’，也就是已经被‘有效回收’的那部分未循环排气。然而，通过回收处理不能液化回收流的一部分。这是因为使用碳氢化合物燃料、特别是甲烷或富甲烷燃料，通常会导致这种燃料含有一定比例的氮气。在天然气源处理以用作燃料期间，从天然气源中去除所有的氮气通常在经济上是不可行的。通常，处理包含将燃料液化，以使其更容易从源头运输到使用地点。
类似地，通过空气分离单元产生的氧化剂(例如，液化氧)也可能导致一部分氧化剂是不可冷凝的惰性气体(例如，氮气和氩气)，这些惰性气体在适合于二氧化碳液化的温度和压力下是不可冷凝的。
由于氮气(以及任何氩气等)在燃烧期间是惰性的，氮气(以及任何氩气等)在燃料和/或氧化剂中的存在将导致其继续存在于排气中。所有传统的非低温冷却器、分离罐(knockout drum)、分离器等不影响排气流中惰性不可冷凝气体的相或存在，使得富二氧化碳的回收流的最终冷却和分离(以提供以上讨论的液化二氧化碳流)导致排出气体，该排出气体包括原始碳氢化合物燃料或氧源流中的那部分惰性不可冷凝气体。
如以上讨论的，可以将部分或全部如此形成的排出气体再循环到燃烧中，但这会导致不可冷凝的惰性气体(氮气、氩气等)在燃烧排气流中的积聚，这导致排气调节过程的效率随着时间的推移而降低，并最终导致氧燃料燃烧系统的故障。
由此，一种可能性是将如此形成的排出气体作为废气释放到大气中。如果废气是100％不可冷凝的惰性气体(即，完全不含二氧化碳)，这不会导致任何温室气体排放。然而，虽然通过本领域中已知的调节过程对二氧化碳的冷却和液化在碳捕获方面是最有效的，但在存在不可冷凝的惰性气体的情况下，还不能达到接近100％的碳捕获效率。因此，总有一定比例的二氧化碳成为来自最终液体二氧化碳分离器的废气的一部分。如果这些废气被排放到大气中，将导致废气中那部分二氧化碳排放到大气中，这将是一种不期望的温室气体排放。
在本发明的一个实施例中，提供了一种从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的方法，该方法至少包括以下步骤：
(i)提供并分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(ii)冷凝第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；以及
(iii)分离冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。
步骤(i)的氧燃料燃烧发动机排气流通常已经经历了初始调节队列或一个或多个过程，以去除排气流中的一部分水，和/或提供具有一部分二氧化碳的循环流再回到燃烧中，以帮助燃烧控制。
本发明要处理的氧燃料燃烧发动机排气流通常也经过进一步的调节，以回收尽可能多的有用产品，调节通常包括进一步的水去除、压缩、冷却、冷凝和分离，以提供有用的底部液化二氧化碳流和顶部‘废’气流，顶部‘废’气流在下文中被定义为“第一废气流”。
在一个实施例中，本发明的方法可选地包括：其中，氧燃料燃烧发动机排气流是被冷却、分离、压缩和脱水的初始氧燃料燃烧发动机排气流的一部分。可选地，将这种初始氧燃料燃烧发动机排气流分成称为循环流的部分和称为回收流的部分。
本发明不受应用于能够提供第一废气流的氧燃料燃烧发动机排气流的一个或多个冷凝过程所需的冷却的性质或提供的限制。
第一废气流通常包括一定比例的氮气和一定比例的气态二氧化碳。
在本发明的方法的步骤(ii)和(iii)中，冷凝第一废气流以提供部分冷凝的废气流，随后分离冷凝的废气流以提供第二废气流和第二液化CO2流。可选地，通过使用燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流中的一个或多个来提供在本发明的方法的步骤(ii)中的第一废气流的至少一部分的冷凝。如果在低于环境温度、优选地低于-50℃的温度下提供，则此种流通常具有可用的冷却功率(cooling duty)。
第一废气流的至少一部分的冷凝温度低于第一废气流的冷凝温度。
可选地，通过针对(against)燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流的直接冷却、或间接冷却、或既直接冷却又间接冷却来执行冷凝第一废气流的至少一部分。
第一废气流的直接冷却可以以本领域中已知的方式通过一个或多个合适的热交换器与燃烧发动机燃料源流进行直接热交换来提供。
第一废气流的间接冷却可以由与燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流进行热交换的一个或多个中间冷却介质、系统或过程来提供。这种中间冷却介质、系统和过程在本领域中是已知的，包括提供中间冷却或制冷剂介质，中间冷却或制冷剂介质能够在燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流的路径中的热交换器之间通过，并且通过第一废气流部分的路径中的一个或多个热交换器。
由此，可选地，第一废气流的至少一部分被由燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流中的一个或多个冷却的冷却介质冷却。
本领域技术人员理解，燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流可以通常基于其源温度和/或压力提供冷却功率，并且在燃烧发动机中使用之前，这种冷却功率可以在许多方法或过程中直接使用、间接使用、或者既直接使用又间接使用，以帮助冷凝第一废气流的至少一部分。
本领域技术人员还理解，根据包括发动机尺寸、燃料源流的预期流动和待冷凝的第一废气流的预期量在内的各种因素，可以使使用来自燃烧发动机燃料源流和/或源流的冷却功率的布置最大化。
通常，燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流中的至少一个是低温燃料源流和/或低温氧化剂源流。本领域已知了各种低温碳氢化合物燃料源流，这些低温碳氢化合物燃料源流通常基于一种或多种液化碳氢化合物气体。
在一个实施例中，燃料是适合于内燃发动机的气体，例如甲烷、或富甲烷的两种或两种以上气体的混合物(通常是碳氢化合物气体)。因此，该方法特别地、但不排他性地适用于用于重型机械的发动机和船舶的发动机，以及例如用于在燃料气体中具有可燃气体元素的工业发电。
一种典型的碳氢化合物低温燃料源流是液化天然气(liquefied natural gas，LNG)。其他合适的燃料源是天然气液体(natural gas liquid，NGL)或液化石油气(liquidpetroleum gas，LPG)，如丙烷或丁烷。本发明不受碳氢化合物燃料源的性质的限制。
对于氧燃料的燃烧，需要氧气源。液化氧作为氧化剂的提供在本领域中是公知的，本文不再进一步讨论。液化氧也具有可用的冷却功率。
可选地，本发明的方法能够从包括了燃气涡轮机的发电装置(power generator)中回收二氧化碳。
可选地，本发明的方法能够提供第二废气流，该第二废气流包含第一废气流中<50％的二氧化碳，可选地包含<75％的第一废气流的二氧化碳。
通过这种方式，本发明显著提高了从排气中、特别是从排气中未被用于再循环回到发动机中的那部分排气(本文称为回收流)中捕获碳的效率。在回收流经第一分离以提供第一液化CO2流和第一废气流之后，现在通过本发明的方法可以从回收流中提供>90％的碳捕获效率。实际上，本发明能够实现从回收流中获得>95％甚至>97％的碳捕获效率。
可选地，本发明的方法能够提供将第二液化CO2流传递到储存器。第二LCO2流可以与第一LCO2流组合。
可选地，本发明的方法能够提供将部分或全部第二液化CO2流循环回到氧燃料燃烧发动机。
可选地，本发明的方法能够提供将部分或全部第二液化CO2流循环到回收流中。
在本发明的一个实施例中，提供了一种从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的方法，该方法至少包括以下步骤：
-将氧燃料燃烧发动机排气流分成循环流和回收流；
-处理回收流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
-冷凝第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；以及
-分离部分冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。
本发明还提供了一种用于从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的装置，该装置包括：
(a)排气分离器，该排气分离器用于分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(b)废气冷凝器，该废气冷凝器用于至少部分冷凝第一废气流并提供部分冷凝的废气流；以及
(c)废气分离器，该废气分离器用于将部分冷凝的废气流分离成第二废气流和第二液化CO2流。
可选地，针对废气冷凝器的冷却由一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流提供。
可选地，针对废气冷凝器的冷却通过针对燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流的直接冷却、或间接冷却、或既直接冷却又间接冷却来进行的。
可选地，发动机燃料源流和/或氧化剂源流是低温燃料源流。
可选地，一种低温燃料源流是液化天然气(LNG)。
可选地，一种低温氧化剂源流是液化氧。
可选地，第一废气流的一部分由具有冷却介质的冷却回路冷却，该冷却介质由一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流冷却。
可选地，从被冷却、分离、压缩和脱水的初始氧燃料燃烧发动机排气流中提供氧燃料燃烧发动机排气流。
可选地，第二废气流包含第一废气流中<50％的二氧化碳，可选地包含<75％的第一废气流的二氧化碳。
可选地，该装置能够从回收流中提供>90％的碳捕获效率，可选地从回收流中提供>95％或>97％的碳捕获效率。
可选地，该装置还包括用于第二液化CO2流的储存器。
可选地，该装置还包括循环环路，该循环环路用于使第二液化CO2流的一部分进入氧燃料燃烧发动机。
可选地，该装置包括：
-分流器(divider)，该分流器用于将氧燃料燃烧发动机排气流分成循环流和回收流；
-一个或多个冷却器、压缩机和分离器，该分离器用于将回收流分离成第一液化CO2流和第一废气流；
-废气冷凝器，该废气冷凝器用于至少部分地冷凝第一废气流并提供部分冷凝的废气流；以及
-废气分离器，该废气分离器将部分冷凝的废气分离成第二废气流和第二液化CO2流。
参照附图，图1示出了对氧燃料燃烧发动机排气流进行某种处理以便能够提供在本发明中可用的氧燃料燃烧发动机排气流的示意图。
图1示出了燃料2(例如，液化天然气(LNG))通过燃料加热器4、以及氧气6源通过氧气加热器8，之后燃料2和氧气6都进入内燃发动机(internal combustion engine，ICE)10。燃料和氧气以本领域已知的方式在ICE 10中燃烧，并提供排气12。排气通过排气冷却器14并到达分水器(water knockout)16，该分水器能够将排气12中的一部分水分离成底部水流17和朝向再循环风机20的顶部气态流18。再循环风机20在再循环环路22周围为气态流18提供动量，使得至少部分由二氧化碳形成的气态流18的至少一部分作为循环流被循环回到ICE 10中，以便作为惰性气体以上述方式执行温度降低功能。
通过单独控制氧、水和二氧化碳的量或比例，再循环环路22中的氧气6和回收的二氧化碳的组合、以及再循环环路22内仍然存在的任何水分或添加的任何额外的水，允许ICE10中的燃烧过程根据特定要求或需要而定制。
图1还示出了分流器24(例如，一个T形件)，该分流器用于根据循环需求量和其他发动机条件，将气态二氧化碳流18分成循环流(通常是主要的)以进入再循环环路22、以及回收流(通常是次要的)以进入液化二氧化碳(LCO2)调节队列。
图1所示的第一回收调节队列的示例包括：另一分水罐26，该另一分水罐用于进一步降低二氧化碳气态流中任何水的比例，之后二氧化碳气态流进入压缩机28；后冷却器30，该后冷却器用于降低压缩流的温度；专用的脱水装置32；以及冷凝器34，之后是分离器36。分离器36以本领域已知的方式提供LCO2流38、以及提供废气流。
冷却器30和脱水装置32可以可选地以本领域公知的方式设置有排水管，并以本领域已知的方式进行控制，主要目的是防止在冷凝器34中形成冰或气体水合物。
通过尽可能地液化回收流中剩余部分的CO2，至少部分地减少了从燃烧发动机向大气的CO2排放。然而，第一废气流中的一种成分是氮气。气态氮通常是轻质碳氢化合物燃料的一部分，作为从碳氢化合物气源中提取原始碳氢化合物气体的成分。在气态燃料液化过程中除去所有氮气以形成在碳氢化合物气体源及其使用之间更易于运输的液化气态燃料在经济上是不可行的。
如上所述，可以将第一废气流的一部分40排放到大气中，以便在图1所示方法中减轻氮气积聚。氮气积聚将是重新使用废气再循环环路42中的至少一些第一废气流以使其返回到气态流18中，之后在循环环路22中使用一定比例的气态流的结果。由于氮气不会被用于冷凝和分离二氧化碳的任何冷凝或分离过程液化，所以氮气将在再循环环路中积聚，该积聚将降低剩余过程的效率。
然而，将第一废气流40释放到大气中也释放了该顶部流中未被冷凝器34和分离器36液化和分离的二氧化碳。向大气释放这样的气体仍然是不期望的，并且也不被认为是最有效的碳捕获。
图2示出了本发明的实施例，其中第一废气流46的至少一部分40由分流器44转移到第二回收过程，以便在废气冷凝器48中至少部分冷凝，之后进入废气分离器50，从而能够提供第二废气流52和第二液化CO2流54。
第二废气流52包含第一废气流40中<50％的二氧化碳，可选地包含<60％、或<65％、或<70％、或<75％、或<80％、或更低的第一废气流40的二氧化碳。
通过这种方式，本发明显著提高了从发动机排气的碳捕获效率。本发明可以从分流器24产生的初始回收流提供>90％的总碳捕获效率。实际上，本发明能够实现从回收流的>92％、或>95％、或>96％、或>97％、或>98％、或>99％的碳捕获效率。根据计算，使用具有1.5mol％氮气的LNG燃料流，本发明可以实现97％的碳捕获效率。取决于LNG燃料的‘质量’，这一比例可能会更高。因此，本发明可以实现接近或高达100％的碳捕获。
图3示出了图2所示的本发明实施例的第一变体，其中，第二LCO2流54通过LCO2加热器56，该加热器能够防止干冰(固体二氧化碳)的形成，干冰(固体二氧化碳)可能是在二氧化碳再循环之前因其膨胀而导致的。
图4示出了图2所示的本发明的方法的实施例的另一变体，其中，第二LCO2流被发送到储存器，可选地发送到与从LCO2分离器36的底部提供的LCO2 38相同的位置或储存器。
图5示出了图4所示的本发明的方法的实施例的变体，其中，泵60能够返回额外回收的二氧化碳，以直接加入来自LCO2分离器36的液化二氧化碳流38。
图6是图3所示的本发明的方法的实施例的变体，其中，废气冷凝器48中所需的冷却功率是由使燃烧发动机燃料源流(该燃烧发动机燃料源流是燃料2)在其通过初始燃料加热器4之后、并且在其通过另一燃料加热器4a并进入ICE 10之前而直接提供的。因此，燃料2用于针对第一废气流40的一部分进行直接冷却。
图7是图3所示的本发明的方法的实施例的变体，其中废气冷凝器48中的冷却是由使燃烧发动机氧化剂源流(该燃烧发动机氧化剂源流是氧气6)通过第一氧气加热器8、之后直接通过废气冷凝器48、之后通过副氧气加热器8a、并且之后再进入内燃发动机10而提供的。
图8是图6所示的本发明的方法的实施例的变体，该变体现在包括热交换回路62，该热交换回路62包括热交换介质(工作流体)，该热交换介质(工作流体)能够在初始燃料加热器4和废气冷凝器48之间传递冷却功率。通过这种方式，废气冷凝器48中的冷却经由第一燃料加热器4从燃料2间接提供。
图9是图7所示的本发明的方法的实施例的变体，其中，在废气冷凝器48和初始氧气加热器8之间设置热交换回路62a，使得从作为氧化剂源流的液化氧气6间接地提供用于废气冷凝器的冷却。
图10是图8和图9所示的本发明的方法的实施例的变体，其中，第三热交换回路64被示出提供对废气冷凝器48的冷却，废气冷凝器的冷却是通过分开初始燃料加热器4和初始氧气加热器8之间的第三冷却回路64中的热交换介质(工作流体)来提供的，从而由燃料源流和氧化剂源流这二者提供一些冷却功率。
图11示出了图2所示的本发明的方法的实施例的另一变体，其中，第二LCO2流54被发送以用于经由再循环环路22进行发动机循环。
图12示出了本发明的另一示例的背景。
在图12中，LNG的燃烧燃料源流(流301)首先通过LNG蒸发器400，在LNG蒸发器400处该流冷却在下文更详细描述的冷交换工作流体(cold exchange working fluid，CEWF)回路410中的冷交换工作流体(CEWF)。该CEWF回路用于防止CO2冷凝器464中的CO2的表面冻结(在下文中更详细地讨论)。在CEWF回路410中，CEWF被控制处在-50℃。在LNG蒸发器400中，LNG被完全蒸发并过热至-60℃(流302)。
该温度对于在燃气发动机中使用来说仍然太低，因此，需要在燃料气体加热器412中进一步加热，该燃料气体加热器将燃料气体加热到+10℃，以形成燃料气体流303。用于该加热的热源是热排气(流101)，该热排气的温度足够高，不需要中间工作流体。
燃料气体流303被发送到燃气发动机(未示出)，其中，发动机的气体阀组单元(gasvalve unit，GVU)控制气体的流动。
类似地，氧气燃料源被提供以作为LOX(液态氧)流401，该流在供给至燃烧发动机之前必须被蒸发。该流首先通过LOX蒸发器406，以经由CEWF回路410提供CO2冷凝器464所需的冷却平衡。较热的O2流402作为-157℃的蒸气-液体混合物离开LOX蒸发器406。为了更好地控制，该流随后由氧气加热器414过热到-140℃(流403)。通过使用控制阀407来调节O2的流动，以维持发动机排气流101中的小目标过量O2，控制阀407使流403膨胀至流404中的排气循环压力0.3巴(表压)(bar(g))。
在燃烧(未示出)之后，来自燃气发动机的燃烧排气流101处于+170℃的温度，并被送到燃料气体加热器412和氧气加热器414以进行冷却，并如以上讨论地为412和414中的热交换提供热源。由于排气向燃料气体和O2提供热量，排气的温度渐渐降低，使得氧气加热器414处于+145℃的温度(流104)。
由于排气流101的一部分必须回收回发动机，因此需要再循环风机416来克服系统压降。与任何压缩一样，风机在吸气温度较低时运行效率更高。因此，使用冷却水将现在较冷的排气(流104)在另一排气冷却器418中进一步冷却至+45℃(流105)。该冷却过程使排气104中的很大一部分水冷凝，此部分水必须从风机洗涤器420中的气体中去除(流114)，之后才进入再循环风机416(流106)。再循环风机416将排气压力提高到0.4巴(表压)，伴随着温度升高到+62℃左右，排气作为排放气体流107。
由于较低的温度对于排气的回收部分的后续压缩和发动机进气这二者来说都是优选的，因此来自再循环风机416的排放气体流107通过水冷循环冷却器422，该水冷循环冷却器将排气温度返回到+45℃作为冷却流109，这再次导致水的一些冷凝。
冷却流109的一部分作为回收流201(下文进一步讨论)被转移到该过程的碳捕获部分，而剩余部分作为第一循环流110被循环回到发动机。来自碳捕获部分(下文进一步讨论)的小的、相对富O2的流217也可以返回到循环，以产生组合的循环流111，该组合的循环流111比流110略冷并且包含稍多的O2。
然后，将先前讨论的供给到流404中的O2引入组合的循环流111，以产生所需的发动机进气成分流112。在流404中添加冷O2会导致排气温度降至+28℃，并有更多的水从流112冷凝出来。该水作为流115从循环分离器(Recycle Knockout)424中移除，而无液体的气体(liquid-free gas)作为流113被送到发动机进气口。
同时，回收流201首先通过吸入洗涤器(Suction Scrubber)450以去除水以作为流226，从而没有液体作为流202进入CO2压缩机452。
在CO2压缩机452中，气体将经历至少两个、也可能是三个(未示出)压缩阶段。在每个压缩阶段之后，气体的压力和温度都会上升。由此，在每个压缩阶段之后，气体被冷却到+45℃(首先在第一压缩阶段之后在中间冷却器454中，然后在最终压缩阶段之后在后冷却器456中)，并且在每次冷却(流227和流228)之后，由阶段间分离罐(interstage knockoutdrum)458和最终排放分离罐(final discharge knockout drum)460分离出水。压缩气体最终作为+45℃和17巴(表压)的压缩流209(但也作为水饱和气体)离开压缩过程。
为了防止在随后的CO2冷凝期间形成任何冰或气体水合物，压缩的气体流109通过干燥剂床462，以吸附流中的水分，从而产生干燥流210。
干燥流210/211通过CO2冷凝器464，在该CO2冷凝器处CEWF回路410中的冷CEWF将压缩的干燥CO2流冷却到-31℃，导致大部分CO2冷凝。由于排气中存在不可冷凝物质(如氮气或过量O2)，后冷凝器流212在这些条件下不能完全冷凝。后冷凝器流212在液化CO2分离器466中被分离，以提供第一LCO2流213和第一废气流215。来自液化CO2分离器466的LCO2产品流213可以作为流225被发送到LCO2储存器，以供后续运输或使用。
可以预期第一废气流215的一部分作为循环流216返回到排气循环。这具有使O2供给最小化的额外益处，因为浪费的O2更少。
然而，第一废气流215现在具有最高百分比的不可冷凝气体，特别是LNG燃料流301的氮含量。将所有不可冷凝气体再返回循环中将导致不可冷凝气体随着时间的推移而积聚，从而导致效率损失，甚至最终导致氧燃料燃烧系统发生故障。
但是第一废气流215也仍然含有大约81mol％的二氧化碳，因此将第一废气流218/219的剩余部分作为废气排出也排出了仍然在第一废气流215中的二氧化碳。
图13示出了将本发明的方法和装置的实施例应用于图12所示的图。
图13示出了流218在第一废气流215的流218的相关部分的汇合部520处转向进入废气冷凝器522(而不是将流218排放)，用于冷凝第一废气流215的那部分218以提供部分冷凝的废气流219。然后，部分冷凝的废气流219进入废气分离器526并被分离，以提供具有显著降低的二氧化碳比例的第二废气流220、以及第二液化二氧化碳流222。
第二LCO2流222可以通过CO2回收加热器532，以防止在穿过阀540膨胀之后、与流204结合之前、在重新进入阶段间分离罐458之前在流224中形成干冰。
技术人员可以看到，第二LCO2流222可以通过图13所示的回路中的其他地方，或者与第一LCO2流213一起存储。
图13示出了由来自冷交换环路410的冷却功率提供的废气冷凝器522，该冷却功率由从第一LNG蒸发器400和第一LOX蒸发器406提供的流542和流544提供。如上所述，从初始LNG燃料流301和初始LOX燃料流401提供在LNG蒸发器400和LOX蒸发器406中的冷却。可以将冷交换环路410提供给废气冷凝器522和CO2冷凝器464，之后朝向交换环路410中的第一LNG蒸发器400和第一LOX蒸发器406再循环。
技术人员可以看到，废气冷凝器522的冷却可以直接由第一LNG蒸发器400和/或第一LOX蒸发器406提供，或者实际上由另一个冷却源提供。
可以计算图13中所示的方法以根据期望的燃料源的量、液化二氧化碳的量、发动机的效率等来实现最佳的冷却功率布置，以便向至少废气冷凝器522提供最佳的可能的冷却功率，从而使向其发送的第一废气流部分218中的CO2冷凝最大化。
仅作为示例，所捕获的‘有用的产品’液化CO2流213、第一废气流215的部分218和第二废气流220的细节和参数如下：
本发明提供了一种方法和装置，该方法和装置特别能够进一步使用可从使用一种或多种燃烧发动机燃料源和/或氧化剂源获得的冷却功率，特别是使用例如液化天然气等低温燃料源流和/或例如液化氧等低温氧化剂源流。
本发明不限于燃烧发动机燃料源的性质，也不限于能够执行从任何氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳的方法的步骤的合适热交换器的顺序或位置，以提供其中的二氧化碳的量减少、优选地完全或基本上最小化的第二废气流。因此，第二废气流可以被释放到大气中，其中氧燃料燃烧发动机排气流中二氧化碳的释放量最小。

Claims (27)

1.一种从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
(i)提供并分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(ii)冷凝所述第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；以及
(iii)分离所述冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
(ii)使用一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流冷凝所述第一废气流的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：
(ii)通过针对燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流的直接冷却、或间接冷却、或既直接冷却又间接冷却来冷凝所述第一废气流的至少一部分。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述发动机燃料源流或氧化剂源流是低温燃料源流或低温氧化剂源流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，一种低温燃料源流是液化天然气(LNG)。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，一种低温氧化剂源流是液化氧。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，所述第一废气流的至少一部分被由一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流冷却的热交换介质(工作流体)冷却。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法用于从发电装置中回收二氧化碳。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述氧燃料燃烧发动机排气流由被冷却、分离、压缩和脱水的初始氧燃料燃烧发动机排气流提供。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二废气流包含所述第一废气流中<50％的二氧化碳，可选地包含<75％的所述第一废气流的二氧化碳。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法能够从氧燃料燃烧发动机排气流的回收流中提供>90％的碳捕获效率，可选地从回收流碳捕获中提供>95％或>97％的碳捕获。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括使所述第二液化CO2流通过至储存器。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，所述方法还包括将部分或全部所述第二液化CO2流循环到所述氧燃料燃烧发动机中。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，所述方法还包括将部分或全部所述第二液化CO2流循环至氧燃料燃烧发动机排气流的回收流中。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-将氧燃料燃烧发动机排气流分成循环流和回收流；
-处理所述回收流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
-冷凝第一废气流的至少一部分，以提供部分冷凝的废气流；以及
-分离所述部分冷凝的废气流，以提供第二废气流和第二液化CO2流。
16.一种用于从氧燃料燃烧发动机排气流中回收二氧化碳(CO2)的装置，所述装置包括：
(a)排气分离器，所述排气分离器用于分离氧燃料燃烧发动机排气流，以提供第一液化CO2流和第一废气流；
(b)废气冷凝器，所述废气冷凝器用于至少部分冷凝所述第一废气流并提供部分冷凝的废气流；以及
(c)废气分离器，所述废气分离器用于将所述部分冷凝的废气流分离成第二废气流和第二液化CO2流。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，针对所述废气冷凝器的冷却由一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流提供。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，针对所述废气冷凝器的冷却是通过针对燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流的直接冷却、或间接冷却、或既直接冷却又间接冷却来进行的。
19.根据权利要求17或18所述的装置，其中，所述发动机燃料源流是低温燃料源流。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，一种低温燃料源流是液化天然气(LNG)。
21.根据权利要求19所述的装置，其中，一种低温氧化剂源流是液化氧。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的装置，其中，所述第一废气流的至少一部分由冷却回路冷却，所述冷却回路包括由一个或多个燃烧发动机燃料源流和/或氧化剂源流冷却的冷却介质。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的装置，所述装置用于从内燃发动机中回收二氧化碳。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的装置，其中，所述氧燃料燃烧发动机排气流由被冷却、分离、压缩和脱水的初始氧燃料燃烧发动机排气流提供。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的装置，其中，所述第二废气流包含所述第一废气流中<50％的二氧化碳，可选地包含<75％的所述第一废气流的二氧化碳。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的装置，所述装置能够从氧燃料燃烧发动机排气流的回收流中提供>90％的碳捕获效率，可选地提供>95％或>97％的碳捕获。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的装置，所述装置还包括用于所述第二液化CO2流的储存器。
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