DE112021003754T5

DE112021003754T5 - Kohlenstoffabscheidungssysteme

Info

Publication number: DE112021003754T5
Application number: DE112021003754.4T
Authority: DE
Inventors: Paul M. Dunn
Original assignee: Enhanced Energy Group LLC
Current assignee: Enhanced Energy Group LLC
Priority date: 2020-09-10
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2023-05-11
Also published as: GB2613512A; US11931685B2; GB202303725D0; CA3192313A1; WO2022055797A1; CN116368289A; US20240189757A1; JP2023540710A; US20220072470A1; US20240189759A1

Abstract

Ein System zur Abscheidung von Kohlenstoff kann eine Vielzahl von CO2-Thermowechseladsorptions- (TSA) Betten umfassen. Die Vielzahl von CO2-TSA-Betten kann mindestens ein erstes TSA-Bett, ein zweites TSA-Bett und ein drittes TSA-Bett umfassen, die dafür konfiguriert sind, CO2innerhalb eines Abscheidungstemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO2in einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidungstemperaturbereichs zu regenerieren. Das Kohlenstoffabscheidungssystem kann eine Vielzahl von Ventilen und zugehörigen Strömungswegen umfassen, die dafür konfiguriert sind, ein Umschalten der Betriebsmodi jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu ermöglichen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/076,521 , eingereicht am 10. September 2020, und der nicht-vorläufigen US-Anmeldung Nr. 17/464,199 , eingereicht am 1. September 2021, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme in vollem Umfang in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
BEREICH
Diese Offenbarung bezieht sich auf Kohlenstoffabscheidungssysteme (z. B. für halbgeschlossene Motorensysteme).
HINTERGRUND
Bestimmte bestehende Technologien zur Kohlenstoffabscheidung nutzen Druckwechseladsorptionsbetten zur Abscheidung von Kohlendioxid aus einer Abgasströmung. Herkömmliche Systeme erfordern mehrere Stufen, um Kohlendioxid in geeigneter Reinheit zu erzeugen, was den Energiebedarf erhöht, um die Strömung durch das System zu treiben, wodurch die Effizienz des Gesamtsystems verringert wird.
Solche konventionellen Verfahren und Systeme wurden im Allgemeinen als zufriedenstellend für den vorgesehenen Zweck angesehen. Es besteht jedoch nach wie vor ein Bedarf an verbesserten Kohlenstoffabscheidungssystemen. Die vorliegende Offenbarung bietet eine Lösung für diesen Bedarf.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem eine Vielzahl von CO₂-Thermowechseladsorptions- (TSA) Betten umfassen. Die Vielzahl von CO₂-TSA-Betten kann mindestens ein erstes TSA-Bett, ein zweites TSA-Bett und ein drittes TSA-Bett umfassen, die dafür konfiguriert sind, CO₂ innerhalb eines Abscheidungstemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ in einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidungstemperaturbereichs zu regenerieren. Das Kohlenstoffabscheidungssystem kann eine Vielzahl von Ventilen und zugehörigen Strömungswegen umfassen, die dafür konfiguriert sind, ein Umschalten der Betriebsmodi jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu ermöglichen.
Das Kohlenstoffabscheidungssystem kann ein Steuermodul umfassen, das dafür konfiguriert ist, die Vielzahl von Ventilen zu steuern, um einen kontinuierlichen Betrieb bereitzustellen, so dass gleichzeitig mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem Abscheidungsmodus betrieben wird, um CO₂ aus einer Abgasströmung zu entfernen und eine Stickstoffströmung abzugeben, mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem erwärmten Regenerationsmodus verwendet wird, um CO₂ in eine Produktionsströmung freizusetzen, und mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem Kühlmodus betrieben wird, um durch eine Kühlströmung gekühlt zu werden.
Das Kohlenstoffabscheidungssystem kann dafür konfiguriert sein, an ein Motorensystem mit halbgeschlossenem Kreislauf angeschlossen zu werden, um Motorabgase aufzunehmen. Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein System mit halbgeschlossenem Kreislauf (z. B. ein Kolben- oder Turbinenmotor) jede geeignete Ausführungsform eines hierin offenbarten Kohlenstoffabscheidungssystems enthalten.
Das Kohlenstoffabscheidungssystem kann ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem enthalten, das selektiv mit jedem TSA-Bett verbunden und dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung im Regenerationsmodus durch ein entsprechendes TSA-Bett zu zirkulieren, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren und die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem kann eine Wärmequelle enthalten, die dafür konfiguriert ist, der Produktionsströmung ausreichend Wärme zuzuführen, um das jeweilige TSA-Bett, das im Regenerationsmodus betrieben wird, auf einen Regenerationstemperaturbereich zu erhitzen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem kann eine Antriebsquelle enthalten, die dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung innerhalb des Zirkulators zu bewegen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem kann in Fluidverbindung mit einem CO₂-Ausgangsteilsystem stehen.
Die Wärmequelle kann ein Abwärmetauscher sein, der dafür konfiguriert ist, in thermischer Verbindung mit der Abgasströmung stromabwärts des Motors zu stehen. Die Antriebsquelle kann ein Verdichter sein, der mit einer Turbine verbunden ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Abwärmetauscher in Fluidverbindung zwischen dem Kompressor und der Turbine stehen, so dass die Abwärme die Turbine zum Antrieb des Kompressors antreibt.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Kohlenstoffabscheidungssystem einen Strömungserzeuger (z. B. ein Gebläse, einen Kompressor oder einen Ventilator) umfassen, der dafür konfiguriert ist, die Abgasströmung anzutreiben, damit er durch das Kohlenstoffabscheidungssystem zu einem entsprechenden TSA-Bett fließt, das im Abscheidungsmodus betrieben wird. In bestimmten Ausführungsformen kann das Kohlenstoffabscheidungssystem ein Dehydrierungs-Teilsystem stromabwärts des Strömungserzeugers und stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten umfassen, um Wasser stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Abscheidungsmodus betrieben werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Dehydrierungsteilsystem mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs und zugehörige Ventile umfassen. Das Steuermodul kann dafür konfiguriert sein, die mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs so zu betreiben, dass beispielsweise ein erstes Dehydrierungs-TSA in einem Wassereinfangmodus betrieben werden kann, um trockenes Abgas an mindestens einen der Vielzahl von CO₂-TSAs auszugeben, und ein zweites Dehydrierungs-TSA in einem Wasserregenerationsmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs, die erwärmt wurden, oder in einem Kühlmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs, die gekühlt wurden, betrieben werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das Teilsystem für die Dehydrierung in jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten integriert werden, um Wasser und CO₂ am selben Ort zu entfernen.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Stickstoffrezirkulationssystem einen Stickstoffströmungsförderer aufweisen, der dafür konfiguriert ist, den von einem jeweiligen TSA-Bett im Abscheidungsmodus abgegebenen Stickstoff zu rezirkulieren, um die Kühlwirkung des ersten, zweiten und dritten TSA-Betts zu erhöhen, wenn es im Kühlmodus betrieben wird. In bestimmten Ausführungsformen kann das System ein Dehydrierungsteilsystem stromabwärts von mindestens dem ersten, zweiten und dritten TSA-Bett umfassen (wenn es im Produktionsmodus betrieben wird), um Wasser stromabwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Produktionsmodus betrieben werden.
Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem Folgendes enthalten: ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidungstemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidungstemperaturbereichs zu regenerieren, und ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem, das selektiv mit dem TSA-Bett verbunden und dafür konfiguriert ist, eine erwärmte Produktionsströmung durch ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett zirkulieren zu lassen, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren und die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem kann jede geeignete Ausführungsform eines Produktionsstromzirkulators sein, z. B. wie oben offenbart.
Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein Verfahren die Rückführung einer erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung zu einem CO₂-TSA-Bett umfassen, um die CO₂-Konzentration in einem Produktionsmodus des CO₂-TSA-Betts zu erhöhen. Das Verfahren kann die Verwendung von Motorabwärme zur Erwärmung der erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung und zur Bereitstellung von Antriebskraft für die erwärmte CO₂-reiche Produktionsströmung umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren die Rückführung von Stickstoff zur Kühlung des TSA-Betts in einem Kühlmodus umfassen. Das Verfahren kann jedes andere geeignete Verfahren und/oder jeden anderen Abschnitt davon umfassen.
Diese und andere Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden für Fachleute aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen leichter ersichtlich.
Figurenliste
Damit Fachleute auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört, leicht verstehen können, wie die Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung ohne überflüssige Experimente hergestellt und verwendet werden können, werden deren Ausführungsformen im Folgenden unter Bezugnahme auf bestimmte Figuren ausführlich beschrieben, wobei Folgendes gilt:

1 zeigt typische Molekularsieb-Isothermen für H₂O und CO₂;
1A ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorensystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Druckwechseladsorptionssystems zur Kohlenstoffabscheidung gemäß dieser Offenbarung, wobei ein mehrstufiges Druckwechseladsorptionsverfahren verwendet wird;
1B zeigt eine Ausführungsform von Ventilzeitsteuerungsdiagrammen für die in 1A gezeigte Ausführungsform für jeden der Adsorptions-, Regenerations- / Produktions- und Kühlprozesse, wobei ein TSA-Diagramm für eine Zwei-Bett-Dehydrierung und ein Diagramm für ein Drei-Druckwechseladsorptions- (PSA) Bett für CO₂ gezeigt ist;
2 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorensystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, das unter Verwendung eines CO₂-Thermowechseladsorptions- (TSA) Prozesses und eines CO₂-Rückführungssystems gezeigt wird;
2A zeigt eine Ausführungsform eines TSA-Molekularsieb-Adsorptions-, Regenerations- / Produktions- (Wärme-) und Kühlprozesses, der z. B. gleichzeitig mit drei TSAs durchgeführt wird;
2B zeigt eine Ausführungsform von Ventilzeitsteuerungsdiagrammen für die in 2 gezeigte Ausführungsform für jeden der in 2A gezeigten Adsorptions-, Regenerations- / Produktions- und Kühlprozesse, wobei ein Zwei-Bett-TSA-Dehydrierungsdiagramm und ein TSA-Drei-Bett-Diagramm für CO₂ gezeigt ist;
3 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, wobei CO₂-TSA-Betten mit mehrschichtigen Behältern zur Dehydrierung und CO₂-Abscheidung verwendet werden;
4 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten mit N₂-Rückführung zur verbesserten Kühlung;
5 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten mit einem Gasturbostart und CO₂-Rückführung zum Motorsystem mit halbgeschlossenem Kreislauf (z. B. zum Auspuff);
6 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten mit einem mechanischen CO₂-Gebläse und zusätzlicher CO₂-Erwärmung;
7 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten mit Luftkühlung und CO₂-Abscheidung durch direkte Luft;
8 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten und eines direkt befeuerten CO₂-Turbos für das CO₂-Rückführungssystem;
9 ist ein Systemdiagramm einer Ausführungsform eines Motorsystems mit halbgeschlossenem Kreislauf und einer Ausführungsform eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung, dargestellt unter Verwendung von CO₂-TSA-Betten und einem brennerverstärkten Wärmetauscher für das CO₂-Rückführungssystem;
10 ist eine Ausführungsform einer CO₂-TSA-Bett-Anordnung (z. B. für ein 1-MW-Kolbenmotorsystem) des Systems, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist.
11A ist eine Seitenansicht einer CO₂-TSA-Bett-Anordnung der Ausführungsform von 3, die eine beispielhafte mechanische Anordnung von drei getrennten TSA-Schichten zeigt;
11B ist eine orthogonale Seitenansicht der Ausführungsform von 11A;
11C ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 11A;
12 ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Behälters mit einer Innenauskleidung und Isolierung;
13 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA mit integrierten Dehydrierungs-TSA-Medien, z. B. für die Ausführungsform von 3, und zeigt den Behälter, die Auskleidungen und die Ablenkblechanordnung;
13A zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht der Ausführungsform von 13, die in die Ausführungsform von 10 integriert ist;
13B zeigt eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Ausführungsform von 13A;
13C zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht der Ausführungsform von 13B;
13D zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines variablen perforierten Ablenkblechs;
13E zeigt ein schematisches Diagramm der Ausführungsform von 13, in dem eine Ausführungsform einer Ablenkblechanordnung dargestellt ist;
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Einzelbehälters mit getrennten Kammern;
14A zeigt eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 14, bei der die oberen Komponenten entfernt sind;
14B zeigt eine perspektivische schematische Ansicht der Ausführungsform von 14A, die mit integrierten Rohrleitungen dargestellt ist;
14C zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform von 14B, wobei die oberen und unteren Kanäle transparent dargestellt sind, so dass die Lage der Dämpfer sichtbar ist;
14D zeigt eine Ansicht der Ausführungsform von 14C von oben;
15A zeigt eine Draufsicht auf einen großen CO₂-TSA-Behälter, der für eine 20-MW-Gasturbine mit halbgeschlossenem Kreislauf ausgelegt ist (z. B. mit Abmessungen von 28' Tiefe x 6,5');
15B zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform von 15A;
16 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines großen CO₂-TSA-Behälters, der an einer Ausführungsform von Rohrleitungen und/oder Ventilen für eine gestapelte Anordnung angebracht ist;
17 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer gestapelten Anordnung von vier der Ausführungsformen von 16;
18A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines großen CO₂-TSA-Behälters, der an einer Ausführungsform von Leitungen und/oder Ventilen für eine horizontale Anordnung angebracht ist;
18B zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform von 18A;
19 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Behälters und eines modularen Konstruktionsverfahrens für eine horizontale Anordnung;
19A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer modularen Anordnung einer Vielzahl der Ausführungsform von 19;
20 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer modularen CO₂-TSA-Konstruktion mit einem oder mehreren vertikalen Kanälen zwischen den Modulen;
20A zeigt schematisch die Strömungsrichtungen für verschiedene Betriebsarten der Ausführungsform von 20; und
20B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vielzahl der in 20 gezeigten Ausführungsformen, die miteinander verbunden sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun auf die Zeichnungen verwiesen, in denen gleiche Bezugsziffern ähnliche strukturelle Merkmale oder Aspekte der vorliegenden Offenbarung kennzeichnen. Zur Erläuterung und Veranschaulichung, aber nicht zur Einschränkung, ist in 1 eine typische Molekularsieb-Isotherme für Wasser und CO₂ dargestellt. Andere Ausführungsformen und/oder Aspekte dieser Offenbarung sind in 1A bis 20B gezeigt.
Ausführungsformen können die Kohlenstoffabscheidung mittels CO₂-Turbo-Thermowechseladsorption (TSA) für ein Motorensystem mit halbgeschlossenem Kreislauf ermöglichen. Die Ausführungsformen umfassen ein verbessertes Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung, das im Allgemeinen für verteilte Energieanwendungen, z. B. im Bereich von 0,5 bis 25 MW, geeignet ist. Die Ausführungsformen können ein CO₂-Rezirkulationsverfahren mit Thermowechseladsorption (TSA) verwenden, das für halbgeschlossene Kreislaufsysteme geeignet ist, aber auch für jede andere geeignete CO₂-Rohstoffquelle eingesetzt werden kann. Jede geeignete Anwendung für eine oder mehrere Ausführungsformen dieser Offenbarung wird hier in Betracht gezogen.
Das Verfahren kann Abwärme aus Abgasen oder zusätzliche Wärme als Teil dieses Prozesses nutzen und diese Wärme ferner zum mechanischen Antrieb von mit dem Prozess verbundenen Komponenten verwenden. Dadurch kann eine erhebliche Verringerung der Hilfslasten bei der Kohlenstoffabscheidung erreicht werden. Außerdem werden mehrere mechanische Ausführungen der CO₂-TSA-Behälter und -Anordnungen offengelegt, die die Kosten für Bau, Installation und Betrieb erheblich senken können.
Ausführungsformen eines Systems mit halbgeschlossenem Kreislauf können den Motor mit einer künstlichen Atmosphäre betreiben, die durch eine Kombination aus Luft, gekühlter Abgasrückführung und variabler Sauerstoffeinspritzung (Luftanreicherung), einschließlich keiner von diesen, erzeugt wird, um den Roh-CO₂-Gehalt im Motorabgas zu erhöhen. Bei bestimmten Ausführungsformen können Kombinationen von Molekularsieben (z. B. Druckwechseladsorption (PSA) und/oder TSAs) und Phasentrennung eingesetzt werden, um das CO₂ so weit zu reinigen, dass es für die Sequestrierung oder eine andere Verwendung geeignet ist. Für Molekularsiebverfahren können bestimmte Systeme Thermowechsel-, Druckwechsel- oder Vakuumdruckwechselverfahren oder Kombinationen davon einsetzen. Bei einigen Modellen kann auch die Abwärme des Systems und die Abwärme für den Betrieb geeigneter Komponenten genutzt werden, um die verfügbare Abwärme mit den Anforderungen des Gasreinigungsprozesses zu kombinieren, was zu einer höheren Nettoleistung und einem höheren Wirkungsgrad für den Benutzer führen kann.
Unabhängig davon, ob die Kohlenstoffabscheidung auf Absorptions- oder Adsorptionsbasis erfolgt, gibt es sowohl elektrische und/oder mechanische Lasten für Pumpen, Gebläse, Ventilatoren und Kühler als auch thermische Lasten (die oft Dampf erfordern), um die Medien oder die Absorptionsflüssigkeit zur Freisetzung des CO₂ zu erhitzen. Die thermischen Lasten können in der Regel über komplexe Wärmetauscher bewältigt werden, da die Wärmequelle (z. B. Dampf, Thermoöl) möglicherweise nicht mit dem direkten Kontakt mit den Medien oder dem Absorptionsmittel kompatibel ist. Obwohl Dampf und andere Phasenwechsel-Wärmequellen kompakt sein können und es kommerzielle Produkte zur Dampferzeugung gibt (z. B. Abgasdampferzeuger), wird die Verdampfungswärme des Wassers selbst oft nicht vollständig zurückgewonnen, was solche Ansätze weniger effizient macht.
Der CO₂-Gehalt in der Atmosphäre ist gestiegen, und dieser Anstieg hängt mit der rasanten Entwicklung des 20. Jahrhunderts zusammen, die sich bis heute fortsetzt, wobei die Werte von etwa 300 ppm in den 1950er Jahren auf heute über 400 ppm gestiegen sind. Während herkömmliche Techniken zur Kohlenstoffabscheidung in stationären Kraftwerken eingesetzt werden können, eignen sich kleinere dezentrale Kraftwerke, Kompressorstationen und netzunabhängige Stromversorgungen oft nicht für herkömmliche Lösungen.
Der Wunsch und die Verfahren zur Monetarisierung von CO₂-Emissionen sind zwar recht neu, doch sollten auch andere Schadstoffe wie NOx, SOx, CO und HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) reduziert werden. Wenn ein System alle Schadstoffe und nicht nur einen oder zwei reduzieren könnte, würde ein zusätzlicher Wert geschaffen werden. Molekularsiebe haben gegenüber anderen Verfahren den Vorteil, dass sie so konstruiert werden können, dass sie alle Schadstoffe abfangen und so ein im Wesentlichen emissionsfreies Energiesystem schaffen, jedoch benötigen Molekularsiebe oft viele Stufen und weisen daher hohe Hilfslasten auf.
Ausführungsformen dieser Offenbarung nutzen das Molekularsieb-Adsorptionsverfahren. Molekularsiebe sind keramikähnliche Medien, die in verschiedenen physikalischen Größen (z. B. Pulver bis ¼'' rund) erhältlich sind und basierend auf der Zusammensetzung und Kristallstruktur der Medien in der Lage sind, bestimmte Spezies zu adsorbieren oder nicht zu adsorbieren, hauptsächlich basierend auf der Größe des Moleküls. Ein 3A-Sieb adsorbiert zum Beispiel Wasser (H₂O), Ammoniak (NH3) und nur wenig anderes. Moleküle wie CO₂, O₂, N₂ und Argon würden das Sieb passieren. Das 3A-Sieb (und Tonerde) werden in der Regel in Dehydrierungsprozessen verwendet. Das 5A-Sieb absorbiert alle Spezies des 3A-Siebs, adsorbiert aber auch CO₂ und die meisten Schadstoffe (CO, HC, NOx), während O₂, N₂ und Argon größtenteils durchgelassen werden. Das 13X-Sieb fängt größere Moleküle ein, lässt aber weiterhin O₂, N₂ und Argon passieren. Molekularsiebe adsorbieren die gewünschte Spezies, wenn sie kalt sind und/oder wenn der Partialdruck dieser Spezies hoch ist. Die Molekularsiebe geben die gewünschte Spezies frei, wenn die Temperatur erhöht und/oder der Druck gesenkt wird.
Die Ausführungsformen können die Kosten für die Kohlenstoffabscheidung in kleinen, dezentralen Anwendungen, z. B. zwischen etwa 0,5 MW und 25 MW pro Motor, senken. Ausführungsformen können die Verwendung von Hochleistungsmolekularsieben in einem Thermowechseladsorptions- (TSA) Verfahren ermöglichen, ohne die Reinheit des CO₂ zu verdünnen oder die Abscheidungseffizienz zu verringern. Ausführungsformen können die mit der Kohlenstoffabscheidung verbundenen elektrischen und/oder mechanischen Belastungen erheblich reduzieren. Ausführungsformen können den Stand der Technik bei der Konstruktion von TSA-„Behältern“ verbessern, um die Kosten zu senken und die mit Leckagen verbundenen Leistungsprobleme zu minimieren. Außerdem können sie andere Schadstoffe wie NOx, SOx, CO und HC verringern. Darüber hinaus können Ausführungsformen eine Lösung bieten, die sich für den Neubau oder eine Nachrüstung zu den niedrigsten Kosten eignet.
Die Ausführungsformen können mit den verdünnten CO₂-Strömen (z. B. 3-11 % CO₂ nach Masse) betrieben werden, die in verteilten Kraftwerken vorkommen, z. B. in Gasturbinen, Kolbenmotoren mit magerer Verbrennung (Funken- oder Kompressionszündung) und Kolbenmotoren mit fetter Verbrennung. Jede andere Quelle wird hier in Betracht gezogen. In Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsformen kann ein halbgeschlossenes Kreislauf-(Semi-Closed Cycle, SCC) System, das auf hohem Niveau eine gekühlte Abgasrückführung mit Sauerstoffniveaumanagement umfassen kann, zur Erhöhung der CO₂-Konzentration am Motorauspuff verwendet werden. Bei Verwendung eines Kohlenstoffabscheidungssystems gemäß dieser Offenbarung kann dieses gekühlte Abgas gekühlt werden, um die Entfernung von Wasser zu unterstützen, und kann dann mit CO₂ und Schadstoffabscheidung auf Molekularsieben dehydriert werden. Wenn die Kapazität der Siebe nahezu erschöpft ist, werden sie regeneriert, wobei das abgeschiedene CO₂ und andere Schadstoffe mit Hilfe von heißem CO₂ ausgetrieben werden. Dieses heiße CO₂ kann über einen Turbolader und eine Wärmequelle, z. B. die Abwärme des Motors, erzeugt werden. Die Rezirkulation innerhalb des Abscheidungsprozesses und die Regeneration können eine für die Sequestrierung ausreichende CO₂-Konzentration in einer einzigen Stufe ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen kann das CO₂-TSA-Verfahren mit niedrigem Druck durchgeführt werden, so dass die Druckbehälter, die die TSA-Medien aufnehmen, nur für wenige Pfund pro Quadratzoll ausgelegt sein müssen und folglich keine schwere Konstruktion aufweisen müssen. Die Ausführungsformen ermöglichen Behälteranordnungen, die ferner Platz, Kosten und Installationszeit reduzieren.
1 zeigt eine Reihe von Beispiel-Isothermen für ein bestimmtes Molekularsieb. Die Y-Achse (vertikal) zeigt die prozentuale Massenbeladung des Siebs mit Wasser oder CO₂ in Abhängigkeit von Partialdruck und Temperatur. Wenn der Druck erhöht oder die Temperatur gesenkt wird, adsorbieren die Medien mehr Wasser oder mehr CO₂. Umgekehrt geben die Medien Wasser oder CO₂ ab, wenn der Druck verringert oder die Temperatur erhöht wird. Aus 1 ist auch ersichtlich, dass dieses Sieb bei der gleichen Partialdruck-Temperatur-Kombination eine sehr unterschiedliche Ladekapazität für Wasser im Vergleich zu CO₂ aufweist. Die Medien weisen auch eine unterschiedliche Affinität für Wasser im Vergleich zu CO₂ auf. Aufgrund all dieser Faktoren ist es möglich, dieselben Medien zu verwenden, um sowohl Wasser als auch CO₂ abzuscheiden und diese Spezies an verschiedenen Stellen des Prozesses abzutreiben. Grundsätzlich ist die Kapazität für Wasser bei gleichem Partialdruck in bestimmten Ausführungsformen größer als die von CO₂. Bei 100 hPa und nominell 95 bis 100 °C beträgt die Kapazität für Wasser beispielsweise mehr als 20 %, für CO₂ jedoch nur etwa 5 %. Allerdings sind die Partialdrücke dieser Komponenten im Abgas sehr unterschiedlich: 10 % CO₂ bei 1 bar (1000 hPa) entsprächen einem Partialdruck von 100 hPa, aber die typische Wasserdampfbelastung von weniger als 1 % beträgt nur etwa 10 hPa. Wird das Abgas gekühlt, ist der Wasserpartialdruck niedriger als 10 hPa, da mehr kondensiert, und gleichzeitig steigt die Kapazität für CO₂ (z. B. bei 25 °C und 100 hPa beträgt die CO₂-Kapazität etwa 15 %).
1A zeigt ein vereinfachtes Prozessflussdiagramm (PFD) für ein auf einem Molekularsieb basierendes Kohlenstoffabscheidungssystem 100, das auf ein Motorensystem mit halbgeschlossenem Kreislauf 99 angewendet wird. Die obere Hälfte von 1 zeigt eine Ausführungsform des halbgeschlossenen Kreislaufs (SCC) 99, bestehend aus gekühlter Abgasrückführung und Sauerstoffanreicherung, wie sie bei einem Gasturbinentriebwerk angewandt wird (es wird jedoch jedes geeignete Triebwerk in Betracht gezogen). Im Allgemeinen kann die CO₂-Konzentration der Abgase mit Hilfe der SCC-Technik von etwa 3 % auf etwa 6 % bis 21 % (z. B. etwa das 2 bis 7-fache der Konzentration) erhöht werden. Ein Teil der nicht rezirkulierten Abgasströmung, z. B. etwa 20 bis 50 % bei der Gasturbinenanwendung, kann über die Schraube der Stufe 1 (z. B. einen Kompressor 101) in den Abscheidungsprozess gelangen, der in bestimmten Ausführungsformen auf etwa 50 bis 100 psig komprimiert werden kann. Der Schraubenauslass kann gekühlt werden (z. B. im Kühler 103), wodurch Wasser entfernt wird (z. B. durch Kondensation aus dem Gas in einem Wassersammler / Ableiter). Anschließend kann das Roh-CO₂ in einem Dehydrierungsteilsystem 107 entwässert werden (z. B. in einem TSA-Verfahren, z. B. mit Aluminiumoxid als Medium), in diesem Fall mit zwei TSA-Betten, TSA1 und TSA2. Es sind Einrichtungen vorhanden, z. B. Ventile und Leitungen wie dargestellt, um das Bett, das nicht am H₂O-Abscheidungsprozess teilnimmt, mit dem Abgas der nächsten Stufe (meist trockener Stickstoff) zu heizen und zu kühlen. Die Betten PS1, PS2 und PS3 stellen ein Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA) mit drei Behältern dar, bei dem ein herkömmliches CO₂-Abscheidungsmedium wie 5A oder 13X (oder ein anderes für die CO₂-Abscheidung geeignetes Material) verwendet wird. Das CO₂ wird während des Druckentlastungsprozesses freigesetzt, und es hat sich gezeigt, dass die CO₂-Reinheit am Ausgang dieser ersten Stufe für die meisten Anwendungen nicht ausreicht, es sei denn, die Reinheit des Roh-CO₂ ist recht hoch (z. B. mehr als 25 %), was mit dem SCC möglich ist. Daher kann eine zweite PSA-Anordnung 109 mit den Betten PS4 und PS5 und einer zweiten Stufe 2-Schraube (einem zweiten Verdichter 111) verwendet werden, um eine brauchbare Reinheit zu erreichen. Schließlich kann ein dritter Schraubenkompressor (z. B. der dritte Kompressor 113) als erste Stufe des CO₂-Kompressionssystems verwendet werden.
In 1A ist eine Ausführungsform von Ventilen (z. B. Ein/Aus-Klappen), Leitungen, Leitungsverbindungen, Strömungsmaschinen und anderen Komponenten für die Ausführungsform des Kohlenstoffabscheidungssystems 100 dargestellt. 1B zeigt Zeitsteuerungsdiagramme für die gezeigten Ventile, die mit den gezeigten Leitungsverbindungen angeordnet sind, um das Kohlenstoffabscheidungssystem 100 (z. B. das primäre Kohlenstoffabscheidungsteilsystem 102, die zweite Stufe 113) in verschiedenen Betriebsarten (z. B. Abscheidung, Produktion / Regeneration und/oder Kühlung) über die gezeigten Leitungen zu betreiben (eine Ausführungsform der Zeitsteuerung für das Dehydrierungsteilsystem 107 ist in 2B gezeigt).
Das System 100 kann ein Steuermodul 115 enthalten, das dafür konfiguriert ist, die gezeigten Ventile gemäß dem Zeitsteuerungsdiagramm in 1B zu steuern. Jede andere geeignete Ventilsteuerung oder jedes andere geeignete Verfahren wird hier in Erwägung gezogen. Das Steuermodul 115 (und jedes andere hier offengelegte Steuermodul) kann jede geeignete Hardware (z. B. eine speicherprogrammierbare Steuerung) und/oder Softwaremodul(e) enthalten, die so konfiguriert sind, dass sie jede geeignete hier offengelegte Funktion ausführen.
Solche Ausführungsformen eines Systems funktionieren, sind gebaut worden und haben eine vernünftige Wirtschaftlichkeit und damit vernünftige Kosten für die CO₂-Abscheidung. Allerdings ist die Leistung der Schraube (oder des Gebläses) beträchtlich (z. B. aufgrund der hohen Kompression, die für den Betrieb von PSAs erforderlich ist), und zweitens bindet der Prozess der Druckbeaufschlagung und Druckentlastung dieser Medien, die CO₂ einfangen, auch Stoffe wie N₂ (wenn auch mit einer viel geringeren Rate), und folglich sind mindestens zwei Stufen erforderlich, um eine kommerzielle CO₂-Reinheit zu erreichen (z. B. etwa 95 bis 99 % oder mehr). Darüber hinaus ist der SCC-Prozess in der gezeigten Ausführungsform vollständig mit den Anforderungen an die Abgaskühlung belastet, und abgesehen von den TSA1- und TSA2-Belastungen (die relativ gering sind) wird der größte Teil der verfügbaren Abwärme des Motors häufig verschwendet. Da dieser Prozess im Allgemeinen mit einem Druck von mehr als 15 psig betrieben wird, müssen alle in 1A gezeigten Behälter abschließend nach dem ASME-Code oder gleichwertigen Vorschriften (Druckvorrichtungenrichtlinie) zertifiziert sein, was die Kosten erheblich erhöht. Solche Behälter sind aufgrund der hohen Sicherheitsfaktoren, die in den Codes gefordert werden, schwer. Aufgrund ihrer Schwere eignen sie sich nicht für schnelle thermische Zyklen, so dass die TSA1- und TSA2-Behälter für Zykluszeiten ausgelegt sind, die in vielen Stunden gemessen werden und nicht in einigen Minuten, wie es bei bestimmten Ausführungsformen der Fall ist.
Bei Ausführungsformen, die das PSA-System aus 1A verwenden, kann eine beträchtliche Pferdestärke zum Antrieb der Abscheideströmung eingesetzt werden (z. B. 20 % der Motorleistung). Die Ausführungsform von 1A kann dafür konfiguriert werden, ein TSA im Dehydrierungsmodus und eines im Regenerationsmodus zu betreiben, wodurch der Prozess kontinuierlich ablaufen kann. Wie dargestellt, sind T1D und T2D die Trockengasauslassventile, die stromaufwärts eines Kühlers P2T liegen. Dorthin fließt der Auslassströmung aus dem aufnehmenden TSA (z. B. das entwässerte Gas). Das Auslassgas kann zu etwa 90 % aus N₂ und zu etwa 10 % aus CO₂ bestehen. Diese Strömung fließt in das jeweilige PSA (PS1, PS2 oder PS3), das im Abscheidungsmodus betrieben wird (je nachdem, ob P1in, P2in oder P3in geöffnet ist). Die gezeigte Anordnung ermöglicht die Abscheidung von CO₂, die Produktion von CO₂ und die Reinigung von NOx aus den PSAs.
Die gezeigten Ausführungsformen der TSA-Spülventile leiten N₂ zum Heizen und Kühlen in die H₂O-TSA-Betten (je nach geöffnetem Pfad basierend auf T1H, T2H (heiß für die Regeneration) oder T1C, T2C (kalt für die TSA-Bettkühlung)). Die Ventile P2H und P2X können geöffnet werden, um heißes N₂ aus der Heizerleitung abzulassen. In einem Teil der N₂-Leitung 119 kann sich ein Heizer 117 befinden. Die Strömung kann zu den Heißreinigungsventilen (P1H, P2H, P3H) gedrosselt werden (z. B. mit Rohren unterschiedlicher Größe), damit ein kleinerer Teil der Strömung in den Heißreinigungsmodus umgeleitet wird (z. B. zum Spülen von NOx), während weiterhin Wasser in dem regenerierenden TSA erzeugt/gespült werden kann.
Bei der Ausführungsform von 1A können die Betten nacheinander verwendet werden, bis sie mit CO₂ gesättigt sind (z. B. PS1 mit offenem P1), woraufhin das Steuermodul 115 die Ventile betätigen kann, um die Strömung von PS1 auf ein anderes, nicht gesättigtes PSA umzuschalten. Wenn die Betten umgeschaltet werden, kann das gesättigte Bett vom Trockengaseinlass aus geschlossen werden (z. B. durch Schließen von P1in, wenn PS1 das gesättigte Bett ist) (hier ist P2T dargestellt). Dann kann ein Ausgangsventil (z. B. P1D) geöffnet werden, und das adsorbierte CO₂ wird aufgrund des gespeicherten Drucks freigesetzt, der zum Verdichter 111 der zweiten Stufe (z. B. etwa 1/5 der Leistung des Verdichters 101 der ersten Stufe) und zur zweiten Stufe 109 gelangt.
Wie aus den Zeitsteuerungsdiagrammen hervorgeht, können die PSAs so betrieben werden, dass die Zustände im Minutenbereich wechseln. Das TSA-Bett kann so betrieben werden, dass die Zustände in der Größenordnung von Stunden wechseln. Die Ausführungsformen können einen Kühler 121 stromabwärts der Schraube der Stufe 2 (Verdichter 111) umfassen. Die zweite Druckwechselstufe kann eine CO₂-Reinheit von beispielsweise 95 % bis 98 % ermöglichen. Wie gezeigt, kann jede PSA-Stufe einen Gegendruckregler (Back Pressure Regulator, BPR) (z. B. ein Überdruckventil mit 50 bis 60 psi oder ein gesteuertes Ventil) zum Ablassen von N₂ enthalten.
Bezugnehmend auf 2 kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem 200 gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung eine Vielzahl von CO₂-Thermowechseladsorptionsbetten (TSA) 223 umfassen. Die Vielzahl von CO₂-TSA-Betten kann mindestens ein erstes TSA-Bett (z. B. Bett TS3), ein zweites TSA-Bett (z. B. Bett TS4) und ein drittes TSA-Bett (z. B. TS5) umfassen, die dafür konfiguriert sind, CO₂ innerhalb eines Abscheidungstemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ in einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidungstemperaturbereichs zu regenerieren. Das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 kann eine Vielzahl von Ventilen (z. B. T3in, T4in, T5in, T3D, T4D, T5D, T3T, T4T, T5T, T3C, T4C, T5C, T3H, T4H, T5H, T3X, T4X, T5X und BPR) und zugehörige Strömungswege (Leitungen und Verbindungen wie dargestellt, z. B., Überbrückungsleitungen, die als gekrümmte Leitungen über sich kreuzenden Leitungen dargestellt sind), die so konfiguriert sind, dass sie ein Umschalten der Betriebsmodi jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten ermöglichen.
Zusätzlich bezugnehmend auf 2A und 2B kann das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 ein Steuermodul 215 umfassen, das dafür konfiguriert ist, die Vielzahl von Ventilen zu steuern, um einen kontinuierlichen Betrieb bereitzustellen, so dass gleichzeitig mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten (z. B., TS3 in 2A) in einem Abscheidungsmodus betrieben wird, um CO₂ aus einer Abgasströmung zu entfernen und eine Stickstoffströmung abzugeben, mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten (z. B., TS4 in 2A) in einem erwärmten Regenerationsmodus verwendet wird, um CO₂ in eine Produktionsströmung freizusetzen, und mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten (z. B., TS5 in 2A) in einem Kühlmodus betrieben wird, um durch einen Kühlströmung gekühlt zu werden.
2B zeigt eine Ausführungsform von Zeitsteuerungsdiagrammen sowohl für den Dehydrierungsprozess unter Verwendung von zwei TSA-Betten als auch für den Abscheidungsprozess unter Verwendung von mindestens drei TSA-Betten. Das Steuermodul 215 kann dafür konfiguriert sein, die Vielzahl von Ventilen zu steuern, wie in 2B gezeigt.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform von 1A kann das Kohlenstoffabscheidungssystem 200, wie in 2 gezeigt, dafür konfiguriert sein, mit einem halbgeschlossenen Motorensystem 99 verbunden zu werden, um dessen Abgase aufzunehmen. Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein System mit halbgeschlossenem Kreislauf (z. B. ein Kolben- oder Turbinenmotor) jede geeignete Ausführungsform eines hierin offenbarten Kohlenstoffabscheidungssystems (z. B. das System 200) enthalten.
Das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 kann ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem 225 umfassen, das selektiv (über eine Schleifenleitung 229 und Ventile T3H, T4H, T5H, T3D, T4D, T5D) mit jedem TSA-Bett (z. B. Betten TS3, TS4 und TS5) verbunden und dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung (CO₂-reiche Strömung) im Regenerationsmodus durch ein entsprechendes TSA-Bett (z. B. TS4 in 2B) zirkulieren zu lassen, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren und die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem 225 kann eine Wärmequelle (z. B. einen Wärmetauscher 227, der mit einer Abgasleitung 231 des Systems 99 verbunden ist) umfassen, die dafür konfiguriert ist, der Produktionsströmung ausreichend Wärme zuzuführen, um das jeweilige im Regenerationsmodus betriebene TSA-Bett auf einen Regenerationstemperaturbereich zu erwärmen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem 225 kann eine Antriebsquelle (z. B. einen Kompressor 233) umfassen, die dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung innerhalb des Zirkulatorteilsystems 225 zu bewegen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem 225 kann in Fluidverbindung mit einem CO₂-Ausgabeteilsystem 235 stehen (z. B. alle geeigneten Komponenten, die zur Ausgabe der Produktionsströmung an ein CO₂-Kompressionssystem konfiguriert sind).
Wie in 2 gezeigt, kann die Wärmequelle ein Abwärmetauscher 227 sein, der dafür konfiguriert ist, in thermischer Verbindung mit der Abgasströmung stromabwärts des Motors zu stehen. Die Antriebsquelle kann ein Verdichter 233 sein, der mit einer Turbine 237 verbunden ist. In bestimmten Ausführungsformen kann der Abwärmetauscher 227 in Fluidverbindung zwischen dem Verdichter 233 und der Turbine 237 stehen, so dass die Abwärme die Turbine 237 antreibt, um den Verdichter 233 anzutreiben.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 einen Strömungserzeuger 201 (z. B. ein Gebläse, einen Kompressor oder ein Gebläse, eine Schraube oder eine andere Vorrichtung, z. B. mit geringerer Leistung im Vergleich zum Kompressor von 1A) umfassen, der dafür konfiguriert ist, der Abgasströmung eine Antriebsströmung zu liefern, damit sie durch das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 zu einem entsprechenden TSA-Bett fließt, das im Abscheidungsmodus betrieben wird (z. B. TS3 in 2A). In bestimmten Ausführungsformen kann das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 ähnlich wie in 1A ein Dehydrierungsteilsystem 107 stromabwärts des Strömungserzeugers 201 und stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten umfassen, um Wasser (z. B. Wasserdampf und/oder Dampf) stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Abscheidungsmodus (z. B. TS3) betrieben werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Dehydrierungsteilsystem 107 mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs (z. B. TSA1 und TSA2) und zugehörige Ventile (z. B. T1in, T2in, T1D, T2D, T1H, T2H, T1C, T2C, T1X, T2X) umfassen, die wie gezeigt angeordnet sind. Das Steuermodul 215 kann dafür konfiguriert sein, die mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs so zu betreiben, dass ein erstes Dehydrierungs-TSA (z. B. TSA1) in einem Wasserabscheidungsmodus betrieben werden kann, um trockenes Abgas (das Abgas, dem Wasserdampf entzogen wurde) an mindestens eines der Vielzahl von CO₂-TSAs 223 (z. B. über den Kühler P2T und das entsprechende Einlassventil T3in für das TS3-Bett) abzugeben. Das Steuermodul 215 kann dafür konfiguriert sein, ein zweites Dehydrierungs-TSA (z. B. TSA2) in einem Wasserregenerationsmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs 223 (z. B. dem Strömungauslass von TS3 in 2A), die erwärmt wurde (z. B. über den Heizer 117), oder in einem Kühlmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs, die gekühlt wurde, zu betreiben.
Wie in der Ausführungsform eines Systems 200 in 2 gezeigt, kann das Kohlenstoffabscheidungssystem 200 TSA-Betten anstelle von PSA-Betten und einen heißen CO₂-Strömung verwenden, um CO₂ aus den TSA-Betten zu spülen. Bei einer solchen Ausführungsform kann ein Gebläse oder ein Ventilator für den Strömungserzeuger 201 verwendet werden, da das System mit einem viel niedrigeren Druck betrieben werden kann, z. B. mit etwa 3 psi anstelle von etwa 60 psi bei bestimmten Ausführungsformen, die PSAs verwenden.
Wie gezeigt, kann die TSA-Anordnung für die Wasserentfernung/Dehydrierung ähnlich oder gleich sein wie in 1A gezeigt. Die Abwärme des Motors kann der Produktionsströmung Wärme zuführen, die einen Turbo antreiben kann, der wiederum den Kompressor bzw. das Gebläse antreibt, um die Produktionsströmung anzutreiben. Ausführungsformen, die TSA verwenden, funktionieren anders als eine PSA-Anordnung wie in 1A. Bei der TSA-Ausführungsform wird Wärme verwendet, um CO₂ aus dem Medien freizusetzen. Das erzeugte CO₂ kann dann in einem Zirkulationssystem umgewälzt werden, das dem Gas Wärme hinzufügt, z. B. unter Verwendung von Motorwärme, die ohnehin verschwendet wird, und das dann zur gegenüberliegenden Seite eines entsprechenden TSA führt, aus dem das CO₂ freigesetzt wurde, um das TSA mit heißem CO₂ zu versorgen und das TSA weiter aufzuheizen, damit noch mehr CO₂ freigesetzt wird. Diese Rückführung erhöht die Reinheit des CO₂ im Produktionsstrom. Wie in 2 dargestellt, ist keine zweite PSA-Stufe oder ein anderes Abscheidungssystem erforderlich.
In bestimmten Ausführungsformen, die sich auf das Kohlenstoffabscheidungssystem 300 der 3 beziehen, kann das (nicht näher dargestellte) Teilsystem zur Dehydrierung in jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten (jeweils TS3, TS4, TS5) integriert werden, um Wasser und CO₂ am selben Ort zu entfernen. Beispielsweise kann jedes TSA-Bett H₂O-Molekularsiebmedien enthalten, die z. B. zwischen den CO₂-Molekularsiebmedien liegen, so dass jedes TSA-Bett sowohl Wasser als auch CO₂ abscheiden kann.
Wie dargestellt, sind die TSAs zur Wasserabscheidung physisch mit den TSAs zur Kohlenstoffabscheidung integriert. Dadurch entfällt die separate Wasserabscheidungsstufe, wie in 1A und 2 gezeigt. Diese physikalische Vermischung kann auf beliebige Weise erfolgen (z. B. homogen, in Schichten oder in jeder geeigneten Geometrie). Bei solchen Ausführungsformen können z. B. alle Ventile und Leitungen der Dehydrierungs-TSA entfernt werden. Eventuelles Restwasser kann bei der Kohlenstoffentfernung oder danach entfernt werden, da TSA-Medien mit dem Wassergehalt im Abgas umgehen können, während PSAs bei Wassergehalt nicht richtig funktionieren. PSA-Medien funktionieren möglicherweise nicht ordnungsgemäß, wenn der Wassergehalt nicht stromaufwärts entfernt wird. Wie dargestellt, können ein oder mehrere Kühler 303 und Kondensatoren/Abscheider 305 an der Produktionsauslassleitung angeordnet werden. Jede geeignete Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 315 ist hierin vorgesehen.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 4 kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem 400 in bestimmten Ausführungsformen ein Stickstoffrezirkulationssystem 441 umfassen, das einen Stickstoffströmungsbeweger 443 (z. B. ein Gebläse, einen Ventilator, eine Schraube usw.) aufweisen kann, der dafür konfiguriert ist, den von einem jeweiligen TSA-Bett (z. B. TS3 in 2A) im Abscheidungsmodus abgegebenen Stickstoff zu rezirkulieren, um die Kühlwirkung (durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der N₂-Strömung) auf das erste, zweite und dritte TSA-Bett zu erhöhen, wenn es im Kühlmodus betrieben wird. Der Stickstoffkreislauf 445 kann einen Kühler 447 enthalten, der zur weiteren Kühlung der Strömung dient. Die Auslassventile T3X, T4X und T5X können mit der Stickstoffschleife in Fluidverbindung stehen, damit Stickstoff, der andernfalls entweichen würde (z. B. wenn das TSA-Kühlstapelventil geöffnet ist), in der Stickstoffschleife 445 zirkulieren kann.
In bestimmten Ausführungsformen kann das System 400 ein Dehydrierungsteilsystem 407 stromabwärts von mindestens dem ersten, zweiten und dritten TSA-Bett enthalten (wenn es im Produktionsmodus betrieben wird), um Wasser stromabwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Produktionsmodus betrieben werden. So kann beispielsweise ein sekundäres PSA-System zur Dehydrierung eingesetzt werden. Um bei den kombinierten H₂O/CO₂-TSA_S die richtige Zeitplanung für jeden Modus zu unterstützen, kann ein Gebläse, das N₂ einbläst, die Strömung schneller bewegen und die Kühlung verbessern. Die Nettoströmung von N₂ kann zum Kühlstapelventil abgeleitet werden, wenn sie nicht zurückgeführt wird.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform kann das CO₂-Kompressor-/Turbinensystem auch ein Ventil 449 und einen Thermostat (z. B. verbunden mit dem Steuermodul 415) aufweisen, die dafür konfiguriert sind, das rezirkulierte CO₂-Gas nicht unnötig heiß werden zu lassen, um den Kühlbedarf zu verringern. Es wird in Betracht gezogen, dass dieses und/oder das Stickstoffrückführungssystem 441 in jeder hier offengelegten Ausführungsform implementiert werden kann. Jede geeignete Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 415 ist hierin vorgesehen.
Bezugnehmend auf 5 kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem 500 eine CO₂-Zapfstelle 551 umfassen, um die CO₂-Konzentration im Abgas z. B. geringfügig zu erhöhen, um die Konzentration am Einlass des Systems 500 zu verbessern, was die Funktion und das Timing der TSAs sowie die endgültige Konzentration am Ausgang verbessern kann. Wie in 5 gezeigt, kann das System 500 auch ein Anfahrventil 553 (z. B. ein Rückschlagventil oder ein anderes geeignetes Ventil) enthalten, das sich öffnet, wenn der Verdichter zu drehen beginnt. Bestimmte Ausführungsformen können auch ein Ventil 555 aufweisen, um den CO₂-Kompressor mit einer Startmotivströmung zu versorgen. Sobald der Kompressor zu drehen beginnt und eine ausreichende Strömung bzw. einen ausreichenden Druck entwickelt, kann sich das Ventil 555 schließen und das Ventil 553 öffnen.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform kann ansonsten der Ausführungsform von 3 ähneln, jedoch mit einem CO₂-Rückführungskompressor, der über eine Gaseinspritzung gestartet wird, und einer CO₂-Zapfstelle zum Auspuff, um das CO₂ ferner zu konzentrieren. Jede geeignete Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 515 ist hierin vorgesehen.
Wie in 6 gezeigt, kann das System 600 einen zusätzlichen Heizer 657 enthalten, um sicherzustellen, dass die rezirkulierte CO₂-Strömung für die TSA-Regeneration ausreichend heiß ist. Außerdem ist diese Ausführungsform mit einem Gebläse 659 (z. B. teilweise elektrisch angetrieben oder anderweitig) anstelle eines durch Motorwärme angetriebenen Turbos (oder in bestimmten Ausführungsformen zusätzlich dazu) dargestellt. Diese Ausführungsform ist auch mit einem Stickstoffrückführungssystem ähnlich der Ausführungsform von 4 dargestellt. Jede geeignete Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 615 ist hierin vorgesehen.
Wie in 7 gezeigt, kann das System 700 anstelle eines N₂-Rückführungssystems ein Luftgebläse 761 aufweisen. Dadurch kann ein großer Wärmetauscher eingespart und der vorhandene Kühler zur Kühlung und Kondensation von Wasser aus der Luft verwendet werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die CO₂-Abscheidung auch direkt aus der Luft erfolgen kann. Die für das Luftgebläse erforderliche Leistung kann geringer sein, und der Kühler in der kalten Stickstoffleitung kann entfallen. Bei der dargestellten Kühlerlast handelt es sich nicht um eine zusätzliche Wärmetauscherquelle, sondern um den vorhandenen Kühler, der die Nutzung eines kleinen Wärmetauschers für die Luft ermöglicht. Nach dem Kühler fällt das Wasser aus dem Gas, und es kann überwiegend trockene Luft abgegeben werden. Die Luft kann sich mit dem N₂ im System vermischen (das von dem einfangenden TSA abgegeben wird) und die Mischung im Wesentlichen zu einer trockenen N₂-Strömung machen.
Ausführungsformen wie die in 7 ermöglichen eine direkte Luftkühlung und eine direkte Kohlenstoffabscheidung aus der Luft, die Verwendung des Kühlers zur Verringerung der Wasseradsorptionslast und ein SCC-Quench-System in Gegenströmung. Jede geeignete Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 715 ist hierin vorgesehen.
Bezugnehmend auf 8 kann in dieser Ausführungsform eines Systems 800 Kraftstoff verbrannt werden, um heißes CO₂ unter Verwendung einer vorhandenen Sauerstoffversorgung des SCC zu erzeugen. Durch die Verwendung von O₂ als Oxidationsmittel wird die unerwünschte Einführung von N₂ vermieden. Solche Ausführungsformen können z. B. bei der Nachrüstung von Nutzen sein. Bei dieser Ausführungsform kann die Heizungsströmung erwärmt werden, ohne dass dem Motor Wärme entnommen wird oder ein elektrischer Heizer verwendet wird, wie dies bei früheren Ausführungsformen der Fall war.
Das System 800 verwendet einen befeuerten CO₂-Turbo, bei dem die Wärmequelle ein Sauerstoffbrenner 863 ist. Der Brenner 863 kann z. B. nur in thermischer Verbindung mit dem Kreislauf der Produktionsströmung stehen, und die Verbrennungsprodukte des Brenners können an den Motor oder das Motorabgas abgegeben werden, damit das System 800 sie mit dem Abgas verarbeiten kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das Abgas des Sauerstoffbrenners 863 beispielsweise in Fluidverbindung mit dem Kreislauf (z. B. der Turbine) stehen. Jede geeignete ähnliche Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 815 ist hierin vorgesehen.
Bezugnehmend auf 9 kann ein System 900 einen konventionellen Brenner 965 umfassen, um dem Abgaswärmetauscher 227 aus 2 beispielsweise Wärme hinzuzufügen. Außerdem ermöglicht die gezeigte Ausführungsform die direkte Entlüftung von N₂-Gas aus der Abscheidung und auch von Luft aus der Kühlung, falls gewünscht (z. B. über die Ventile T3TX, T4TX, T5TX). Die in 9 gezeigte Ausführungsform enthält keine N₂-Rückführung wie in 7.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein brennerverstärkter CO₂-Turbowärmetauscher verwendet werden. Das Brennerabgas kann z. B. zu etwa 11 % aus CO₂ bestehen, das mit SCC-Abgas gemischt ist. Jede geeignete ähnliche Komponente einer geeigneten Ausführungsform (z. B. wie oben beschrieben) und/oder jede geeignete Steuerung der Ventile (z. B. ähnlich einer oder mehrerer oben beschriebener Ausführungsformen) durch das Steuermodul 915 ist hierin vorgesehen. Alle geeigneten Kombinationen aus allen geeigneten Teilen aller geeigneten Ausführungsformen sind hierin vorgesehen.
Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein Kohlenstoffabscheidungssystem Folgendes enthalten: ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidungstemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidungstemperaturbereichs zu regenerieren, und ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem, das selektiv mit dem TSA-Bett verbunden und dafür konfiguriert ist, eine erwärmte Produktionsströmung durch ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett zirkulieren zu lassen, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren und die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen. Das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem kann jede geeignete Ausführungsform eines Produktionsstromzirkulators sein, z. B. wie oben offenbart.
Gemäß mindestens einem Aspekt dieser Offenbarung kann ein Verfahren die Rückführung einer erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung zu einem CO₂-TSA-Bett umfassen, um die CO₂-Konzentration in einem Produktionsmodus des CO₂-TSA-Betts zu erhöhen. Das Verfahren kann die Verwendung von Motorabwärme zur Erwärmung der erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung und zur Bereitstellung von Antriebskraft für die erwärmte CO₂-reiche Produktionsströmung umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren die Rückführung von Stickstoff zur Kühlung des TSA-Betts in einem Kühlmodus umfassen. Das Verfahren kann jedes andere geeignete Verfahren und/oder jeden anderen Abschnitt davon umfassen.
10 ist eine Ausführungsform einer CO₂-TSA-Bett-Anordnung (z. B. für ein 1-MW-Kolbenmotorsystem) des Systems, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist. 11A ist eine Seitenansicht einer CO₂-TSA-Bett-Anordnung der Ausführungsform von 3, die eine beispielhafte mechanische Anordnung von drei getrennten TSA-Schichten zeigt. 11B ist eine orthogonale Seitenansicht der Ausführungsform von 11A. 11C ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 11A. 11A bis 11C zeigen eine Ausführungsform von geschichteten TSA-Behältern. Die oberen Sammler können für den Einlass von heißem CO₂ (vor der Regeneration), den Auslass von trockenem N₂ (nach der Adsorption) und den Einlass von trockenem N₂ (zur Kühlung) vorgesehen sein. Die unteren Sammler können für den Abgaseinlass (für die Adsorption), den CO₂-Auslass (nach der Regeneration) und den N₂-Auslass (nach der Kühlung) vorgesehen sein.
12 ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Behälters mit einer Innenauskleidung und Isolierung. 12 zeigt ein einzelnes Gefäß mit abgenommenem Deckel. Das Gefäß kann ein innen isolierter „Druckbehälter“ mit einer dünnwandigen Auskleidung aus rostfreiem Stahl, einem Molekularsiebmedium, eine innere Hülle und einer Isolierung sein. Ein Isolierspalt kann den Wärmeaustausch mit dem Stahlbehälter verhindern.
13 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA mit integrierten Dehydrierungs-TSA-Medien, z. B. für die Ausführungsform von 3, und zeigt den Behälter, die Auskleidungen und die Ablenkblechanordnung. Die äußere Hülle, die Isolierung und die innere Auskleidung sind in 13 nicht zu sehen. Wie dargestellt, kann die „Sandwich“-Struktur einen oberen Flansch, ein perforiertes Ablenkblech, ein Schutz-/Dehydrierungsmedium, ein CO₂-Abscheidungsmedium, ein weiteres Schutz-/Dehydrierungsmedium, ein Medienträgerschirm, ein perforiertes Ablenkblech und einen unteren Flansch umfassen.
13A zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht der Ausführungsform von 13, die in die Ausführungsform von 10 integriert ist. Wie gezeigt, kann die Ausführungsform einer Sandwichstruktur, z. B. wie in 13 dargestellt, ein zu etwa 40 % offenes Blech, ein H₂O-Adsorptionsmolekularsieb, ein CO₂-Adsorptionsmolekularsieb, ein weiteres H2O-Adsorptionsmolekularsieb, Trägermedien und Schirme sowie ein weiteres Blech mit etwa 40 % offener Fläche umfassen. Jede andere geeignete Anordnung und Größe wird hier in Betracht gezogen.
13B zeigt eine perspektivische Teilquerschnittsansicht der Ausführungsform von 13A. Wie angedeutet, kann die Struktur eine Hochtemperaturisolierung innerhalb der oberen Abdeckung, eine Hochtemperaturisolierung (zum Ausfüllen des Luftspalts) in einem radialen Spalt und eine Isolierung innerhalb einer unteren Abdeckung enthalten. 13C zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht der Ausführungsform von 13B. CO₂ und trockenes N₂ können von oben zugeführt werden. Rohe Abgase können von unten zugeführt werden.
13D zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines variablen perforierten Ablenkblechs. Gezeigt ist ein Beispiel für ein variables perforiertes Blech mit einem Blech mit offener Fläche von etwa 40 %, einem Außenring mit einem Blech mit offener Fläche von 33 % und vorstehenden Auslass-/Einlassflächen von etwa 37,5 % eines Blechs mit offener Fläche, zentriert auf den Rohrvorsprung.
13E zeigt ein schematisches Diagramm der Ausführungsform von 13, in dem eine Ausführungsform einer Ablenkblechanordnung dargestellt ist. 13E zeigt ein Beispiel für ein gestapeltes Ablenkblech mit Plenumräumen für eine einfache Diffusion und umgekehrt zu geschalteten Einlass- und Auslassstellen.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Einzelbehälters mit getrennten Kammern. 14A zeigt eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 14, bei der die oberen Komponenten entfernt sind. 14B zeigt eine perspektivische schematische Ansicht der Ausführungsform von 14A, die mit integrierten Rohrleitungen dargestellt ist. 14C zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform von 14B, wobei die oberen und unteren Kanäle transparent dargestellt sind, so dass die Lage der Dämpfer sichtbar ist. 14D zeigt eine Ansicht der Ausführungsform von 14C von oben.
Wie gezeigt, können bestimmte Ausführungsformen anstelle von drei zylindrischen Behältern auch einen großen Behälter mit Ablenkblechen aufweisen. Die Ventile, die nicht dargestellt sind, können direkt am Flansch, an dem sich die Rohre treffen, angebracht werden. Die Ausführungsformen können mehrere Kammern in einem einzigen Behälter vorsehen. Durch den Einsatz der TSAs können bei den Ausführungsformen keine nennenswerten Druck- oder Druckunterschiede entstehen, und eine flache Bauweise ist mit minimaler Verstärkung möglich. Geringfügige Leckagen zwischen den Kammern beeinträchtigen den Prozess nicht wesentlich. Die Produktion erfolgt bei etwas höherem Druck als der Rest des Prozesses, und es sind keine speziellen Hochtemperatur- oder komplexen Dichtungen erforderlich.
Bei der Ausführungsform von 14B bis 14D entfällt die komplexe Verrohrung, und die gesamte Anordnung passt in einen ISO-Container (z. B. zur Erleichterung des Transports). Aufgrund des geringen Drucks müssen die Kanäle nicht perfekt abgedichtet sein, und undichte Stellen beeinträchtigen die Leistung nicht nennenswert. Es können billigere Metalle und Materialien verwendet werden.
Die Ausführungsformen können sehr groß sein und stellen Herausforderungen bei der Herstellung und dem Transport dar. Mit den folgenden Ausführungsformen können diese Probleme gelöst werden. 15A zeigt eine Draufsicht auf einen großen CO₂-TSA-Behälter, der für eine 20-MW-Gasturbine mit halbgeschlossenem Kreislauf ausgelegt ist (z. B. mit Abmessungen von 28' Tiefe x 6,5'). 15A zeigt einen Beispiel-Adsorber für eine 20-MW-Gasturbine mit halbgeschlossenem Kreislauf, der sehr groß ist und große Komponenten erfordert (z. B. Rohrleitungen mit einem Äquivalent von etwa 60" D). 15B zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform von 15A. Es können vier Behälter verwendet werden, einer für die Adsorption, einer für die Regeneration und zwei für die Kühlung. Dabei sind alle geeigneten Abmessungen denkbar.
16 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines großen CO₂-TSA-Behälters, der an einer Ausführungsform von Rohrleitungen und/oder Ventilen für eine gestapelte Anordnung angebracht ist. 16 zeigt ein einzelnes TSA mit drei etwa 84" x 84" großen Klappen oben und unten sowie Übergängen zu einem etwa 60" großen quadratischen Kanal.
17 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer gestapelten Anordnung von vier der TSA-Ausführungsformen von 16. 17 veranschaulicht eine Struktur, die vertikal aufgebaut ist, um ein effizientes Sandwiching von Kanälen zu ermöglichen. Wie dargestellt, dienen sechs Verteiler und vierundzwanzig (24) Ventile als Betten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Gesamtsystem eine Größe von etwa 50' Tiefe x 50' Höhe aufweisen und etwa 300 oder mehr Tonnen an Medien in der Luft enthalten.
18A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines großen CO₂-TSA-Behälters, der an einer Ausführungsform von Leitungen und/oder Ventilen für eine horizontale Anordnung angebracht ist. 18B zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform von 18A. 18A und 18B veranschaulichen eine alternative horizontale Anordnung der oberen und unteren Leitungen. In bestimmten Ausführungsformen könnten beispielsweise vier Gefäße in einem Raum von 120' x 30' untergebracht werden.
19 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines CO₂-TSA-Behälters und eines modularen Konstruktionsverfahrens für eine horizontale Anordnung. 19A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer modularen Anordnung einer Vielzahl der Ausführungsform von 19. Die Ausführungsform von 19 kann einen Durchmesser von 28' umfassen, der den Maßen 22' × 30' entspricht. Solche Ausführungsformen können in zwei 11' × 30' Modulen geliefert werden. Die Dichtungen zwischen den Modulen befinden sich außerhalb der Isolierung (z. B. bei niedrigen Temperaturen). Solche Ausführungsformen haben Kanäle und Ventile auf beiden Seiten des Mediens.
20 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer modularen CO₂-TSA-Konstruktion mit einem oder mehreren vertikalen Kanälen zwischen den Modulen. 20A zeigt schematisch die Strömungsrichtungen für verschiedene Betriebsarten der Ausführungsform von 20. 20B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vielzahl der in 20 gezeigten Ausführungsformen, die miteinander verbunden sind.
In bestimmten Ausführungsformen, z. B. wie in der Ausführungsform von 20, können die Kanäle auf einer einzigen Seite (z. B. oben) angeordnet sein. Wie gezeigt, befinden sich bei einem einzigen TSA sechs Strömungswege auf einer Oberseite. Solche Ausführungsformen bieten eine noch weiter verbesserte Verpackung, da sich alle Kanäle auf einer Seite befinden. Die Ausführungsformen können beispielsweise eine ähnliche SandwichStruktur wie die obigen zylindrischen Ausführungsformen aufweisen.
Eine größere Oberfläche kann alle Kanäle auf einer Seite ermöglichen, mit einem vertikalen Transferkanal nach unten, wie dargestellt. In bestimmten Ausführungsformen kann der vertikale Kanal zwischen CO₂-TSA-Modulpaaren liegen. Wie in 20A gezeigt, kann eine von oben nach unten gerichtete Bettströmung zur Kühlung und Regeneration höhere Strömungsraten und eine von unten nach oben gerichtete Bettströmung zur Adsorption niedrigere Strömungsraten liefern.
20B zeigt vier aneinander befestigte Modulpaare. Aufgrund des Formfaktors können solche Ausführungsformen auf einem Fundament aufgebaut und auch in herkömmlichen Schiffscontainern transportiert werden. Die vier gezeigten Behälter können alternativ auch in einem einzigen Betonfundament untergebracht werden. Bei solchen Ausführungsformen ist kein Zugang zur Unterseite der Behälter erforderlich.
Zusätzliche nicht-einschränkende Beschreibung bestimmter Ausführungsformen
2 zeigt eine Ausführungsform bestimmter Ausführungsformen dieser Offenbarung, die CO₂-TSA für das SCC, und wird hier im Detail besprochen. Wie bei jedem Motor muss der Kraftstoff verbrannt werden, wozu ein Oxidationsmittel erforderlich ist, bei dem es sich im Allgemeinen um Luft handelt. Bei dem in 2 gezeigten Motor (Turbine oder Kolben) wird das Arbeitsmedium aus dem Ansaugpuffertank, das ein Gemisch aus Luft, Sauerstoff und gekühltem Abgas ist, eingeleitet. Die gemischte Sauerstoffkonzentration im Ansaugpuffertank ist variabel, liegt aber im Allgemeinen im Bereich von 12 bis 22 % O₂. Der Motor verbrennt den Kraftstoff in dieser künstlichen Atmosphäre, um ein heißes Abgas zu erzeugen, das dann durch die Katalysatoren (falls vorhanden) und die zusätzliche Verbrennung (falls vorhanden) direkt in den Abgaswärmetauscher, CO₂-HX, fließt. Dieser Wärmetauscher kühlt die Abgase teilweise ab, in der Regel auf etwa 400 F, wo sie dann mit kälterem Wasser gemischt werden, wodurch die Abgase abgeschreckt werden, in der Regel auf etwa 100 F. Dadurch wird das meiste Wasser aus den Verbrennungsprodukten kondensiert, und dieses Wasser wird in einem herkömmlichen Gas-Flüssigkeits-Abscheider entfernt. Das Wasser sammelt sich in einem Lagertank an, sofern es nicht anderweitig verwendet oder entsorgt wird - häufig wird dieses kondensierte Wasser als Zusatzwasser in einem Kühlturm verwendet, wodurch das Problem der Wasserentsorgung entfällt oder verringert wird. Die abgekühlten Abgase, denen nun das meiste Wasser entzogen wurde, werden in den Puffertank oder in die TSA-Schraube bzw. das TSA-Gebläse zurückgeführt. Die Strömungsrate an dieser TSA-Schraube / diesem TSA-Gebläse, die/das im Allgemeinen drehzahlvariabel ist oder andere Verfahren zur Strömungsregulierung umfasst, bestimmt indirekt den Grad der Abgasrückführung - da die Strömungsrate des Motors im Wesentlichen festgelegt ist, wird alles, was nicht durch das Abscheidungssystem entfernt wird, zurückgeführt, und der Rest des Motorbedarfs wird durch Luft und/oder Sauerstoff gedeckt. Stromabwärts der Schraube / des Gebläses befindet sich der Rest des CO₂-TSA-Abscheidungssystems. Unmittelbar nach der Schraube befindet sich ein Wärmetauscher/Kühler, der in der Regel auf 35 bis 50 Grad Celsius kühlt, wodurch mehr Wasser kondensiert und die Belastung der nachfolgenden Molekularsiebe verringert wird.
Der erste Schritt des Prozesses ist die Dehydrierung, in der Regel durch eine Mischung aus Aluminiumoxid und 3A-Sieb in den Adsorptionsbehältern TSA1 und TSA2. Dabei handelt es sich um ein Batch-Verfahren: während ein Behälter Wasser adsorbiert, ist der andere außer Betrieb und wird entweder erhitzt oder gekühlt; die Ventile T1In und T2In steuern, welcher Behälter das gekühlte Abgas erhält. Zu Diskussionszwecken wird angenommen, dass TSA1 entwässert, dann ist das Ventil T1In geöffnet, und das Abgas fließt durch TSA1 und aus dem Ventil T1D durch einen weiteren Kühler P2T zu einem der drei Abscheidungsbehälter TS3, TS4 oder TS5. Am Einlass der Abscheidebehälter TSA enthält das Abgas im Wesentlichen kein Wasser, typischerweise 5 bis 20 % CO₂, 0 bis 10 % O₂, und der Rest ist inert (Stickstoff, mit etwas Argon).
Unter der Annahme, dass TS3 zu diesem Zeitpunkt CO₂ adsorbiert, wird das Ventil T3In geöffnet, während T4In und T5In geschlossen sind. Das nun von CO₂ und Wasser befreite Abgas strömt aus TS3 über T3T, das offen ist, während T4T und T5T geschlossen sind. Dieses relativ kühle, trockene Gas, hauptsächlich N₂, wird zu mehreren Stellen geleitet. Wenn alle nachgeschalteten Ventile geschlossen sind oder der Gegendruck aus irgendeinem Grund vorübergehend hoch ist, wird das überschüssige Gas über die CO₂-TSA-Entlüftung, die vom Gegendruckregler BPR gesteuert wird, in die Luft abgeleitet. Im Allgemeinen ist der Druck niedriger als der Sollwert und der BPR bleibt geschlossen. Ein Teil dieses trockenen N₂-Gases wird je nach Zykluszeit entweder zum Heizen von TSA1 oder TSA2 (je nachdem, welches Gas gerade kein Wasser adsorbiert, in diesem Beispiel TSA2) oder zum Kühlen von TSA2 verwendet. Wenn der Auslegungspunkt beispielsweise 8 Stunden für die Wasseradsorption in TSA1 und TSA2 beträgt, dann würde TSA1 8 Stunden lang adsorbieren, und parallel dazu würde TSA2 zunächst durch Öffnen von T2H und T2X unter Verwendung des erhitzten trockenen N₂ etwa 4 Stunden lang regeneriert (erhitzt) und dann durch Öffnen von T2C gekühlt, während T2H geschlossen wird (T2X bleibt geöffnet). Nach 8 Stunden kehrt sich dieser Prozess um, wobei TSA2 die Aufgabe der Dehydrierung und Adsorption übernimmt und TSA1 durch Kombinationen der Ventile T1H, T1C und T1X erwärmt und dann gekühlt wird. Die Zykluszeit für die Wasseradsorption beträgt in der Regel mehrere Stunden, im Allgemeinen zwischen 3 und 12 Stunden.
In den meisten Fällen ist eine Größenordnung mehr CO₂ im Abgas als Wasser im Abgas, und die Kapazität für CO₂ pro Gewichtseinheit des Molekularsiebs ist geringer als die von Wasser, so dass die Zykluszeiten für die CO₂-Adsorptionsfunktion in den Betten TS3, TS4 und TS5 in Minuten und nicht in Stunden gemessen werden. Wie hier beschrieben, wird angenommen, dass TS3 CO₂ adsorbiert, dass T3In und T3T offen sind und dass ein Teil des trockenen N₂, der optional über einen Kühler weiter gekühlt wird, durch T4C oder T5C strömen kann, um diese Betten zu kühlen, und über T4X oder T5X austritt. Es wird darauf hingewiesen, dass die für die Kühlung benötigte Gasmenge möglicherweise nicht vollständig durch die von TS3 kommende Strömungsrate gedeckt werden kann, und es wird später in dieser Offenbarung erörtert, wie die Strömung durch Rezirkulation erhöht oder die benötigte Strömung verringert werden kann.
Nach Abschluss des CO₂-Adsorptionszyklus muss das abgeschiedene CO₂ freigesetzt werden, was in einem TSA-Verfahren meist durch Erhitzen geschieht. In bestimmten Ausführungsformen dieser Offenbarung erfolgt diese Erwärmung durch ein heißes Gasgemisch, bei dem es sich hauptsächlich um CO₂ handelt, das in diesem Beispiel über das Ventil T3H in das Bett TS3 geleitet wird. Die Zufuhr von heißem CO₂ hat im Allgemeinen eine Temperatur von 600 bis 800 Grad F, wobei 650 Grad F der häufigste Auslegungspunkt ist. Das Gas strömt abwärts durch die Medien im Behälter TS3, wobei es die Medien allmählich erwärmt und mehr CO₂ austreibt; dieses warme CO₂ strömt über das Ventil T3D zu einem Kühler, und ein Teil des Gases spaltet sich ab und strömt durch einen Abscheider (der theoretisch nicht benötigt wird, da es sich um trockenes Gas handelt, und in Wirklichkeit dazu dient, das Volumen zur Verbesserung der Steuerung hinzuzufügen) zu einem Schraubenkompressor und stromabwärts zum Rest der CO₂-Kompressions- oder Verwendungssysteme. Die Strömungsrate an dieser CO₂-Schraube, die im Allgemeinen ebenfalls mit variabler Geschwindigkeit arbeitet, bestimmt indirekt den Druck im Behälter TS3 während des Desorptionsprozesses.
Die erforderliche Desorptionsströmungsrate ist sowohl in Bezug auf die Masse als auch auf das Volumen viel höher als die Strömungsrate des Rohabgases. Aufgrund der höheren Temperatur ist auch der Druckabfall durch das Bett höher, bis zu 10 psi, im Vergleich zu 1 bis 2 psi bei der Adsorption, was zu einer hohen elektrischen Belastung führt. Bei der Erfindung wird das CO₂-Produkt rezirkuliert, um diese höheren Strömungsraten zu unterstützen, und, was noch wichtiger ist, die Energie für die Rezirkulation wird über einen „CO₂-Turbo“ erzeugt, wobei die für den Betrieb dieses Turboladers und die Beheizung des Bettes selbst erforderliche Wärme aus dem Abgas des Motors stammt. Wie in 2 dargestellt, gelangt ein Teil des CO₂-Produkts nach dem Durchlaufen des T3D und des Kühlers in den Kompressor des Turboladers, der in der Regel auf 15 bis 25 psi verstärkt wird, wodurch die Temperatur auf mindestens 300 Grad Celsius ansteigt, wo es dann in den CO₂-HX eintritt und auf eine Temperatur nahe der Rohabgastemperatur erhitzt wird, in der Regel 800 bis 900 Grad Celsius. Dieses heiße CO₂ wird dann auf der Expanderseite des Turboladers entspannt, wodurch das für die Regeneration erforderliche CO₂ mit einer Temperatur von mehr als 600 Grad Celsius entsteht, und zwar bei einem Druck, der hoch genug ist, um die Strömung durch das Bett zu unterstützen, da der Druckanstieg auf der Kompressorseite, wie bei einem Turbolader üblich, den Druckabfall auf der Expanderseite deutlich übersteigt.
Am Ende des Regenerationsprozesses verbleibt praktisch kein CO₂ und natürlich auch fast kein Wasser im TS3-Bett. Das Medium ist heiß, typischerweise mit einer Durchschnittstemperatur von etwa 500 Grad F. Das Medium muss gekühlt werden, um es für den Beginn des nächsten Adsorptionszyklus vorzubereiten; dies geschieht durch Öffnen der Ventile T3C und T3X und Schließen von T3In, T3T, T3H und T3D. Der Abkühlungsprozess muss die Medientemperatur nicht vollständig auf die Umgebungstemperatur zurückführen. Wie in 1 dargestellt, bieten alle Temperaturen unter 100 °C (212 °F) eine gewisse Kapazität für die anfängliche Adsorption von CO₂, wobei Temperaturen nahe oder unter 50 °C (122 °F) vorzuziehen sind. Die Kühlung des Bettes wird bis zu einem gewissen Grad parallel zum Adsorptionsprozess fortgesetzt, da der Rohabgasstrom mit einer Temperatur von nominal 10 °C (50 °F) bereitgestellt wird.
Die Richtung der Strömungsraten und die Abfolge der Vorgänge für den TSA-Prozess sind in 2A allgemein dargestellt. Ein Beispiel für den zeitlichen Ablauf des Prozesses für die TSA-Dehydrierung bei Verwendung eines Zweibett-TSA und die TSA-Aufnahme bei Verwendung eines Dreibett-TSA ist in 2B zusammengefasst. Bei ähnlich großen Betten ist der Dehydrierungsprozess mit mehreren Stunden pro Bett wesentlich langsamer als der Abscheidungsprozess, der theoretisch sehr schnell durchgeführt werden könnte, in der Praxis aber in Intervallen von 10 bis 30 Minuten erfolgt.
Varianten bestimmter Ausführungsformen dieser Offenbarung und bevorzugte Verfahrensausführungsformen werden nun besprochen. Die Ausführungsformen von 3 bis 9 können diese grundlegenden Prozessvarianten abdecken, obwohl je nach den Besonderheiten des Motors und anderen Prozessanforderungen oft unterschiedliche Kombinationen dieser Varianten verwendet werden.
Wie in 1A dargestellt, wird nach dem heutigen Stand der Technik ein TSA-Verfahren zur Dehydrierung eingesetzt, während zur Abscheidung mehrere Stufen der Vakuumdruckwechseladsorption (Vacuum Pressure Swing Adsorption, VPSA) oder PSA-Verfahren verwendet werden (VPSA ist technisch gesehen eine Untergruppe von PSA, wird aber in der Industrie häufig als Begriff verwendet). In bestimmten Ausführungsformen dieser Offenbarung wird, wie in der Beschreibung von 2, 2A und 2B erörtert, derselbe Grundprozess (TSA) sowohl für die Dehydrierung als auch für die Abtrennung verwendet, mit nominell denselben Abtrennungs- und Regenerationstemperaturen, obwohl sich bei ähnlich großen Behältern die Zykluszeiten dieser Prozesse unterscheiden.
In 3 wird gezeigt, dass in bestimmten Ausführungsformen der TSA-Prozess sowohl für die Dehydrierung als auch für die Abtrennung verwendet wird und dass es möglich ist, diese Funktionen in einem einzigen Behälter zu kombinieren. Dieses Gefäß könnte entweder Schichten verschiedener Medien aufweisen, um zu steuern, wo die Funktionen stattfinden, es könnte Mischungen von Medien aufweisen oder ein einziges Medium aufweisen, da, wie in 1 dargestellt, bestimmte Medien sowohl CO₂ als auch H2O abscheiden können.
In 3 wird der grundlegende Prozess von 2 wiederholt, wobei die Behälter TSA1 und TSA2 und die zugehörigen Ventile T1In, T2In, T1X, T2X, T1C, T2C, T1H, T2H, T1D und T2D sowie der Zwischenprozesskühler P2T wegfallen.
3 zeigt den gesamten Prozess, der mit den achtzehn Ventilen der Familie T3 bis T5 verbunden ist. Die Menge der Dehydrierungsmedien ist nun viel geringer als die der Abscheidungsmedien, da die kürzere Abscheidungszykluszeit immer noch gilt. Da die Abscheidungsmedien eine gewisse Dehydrierungskapazität haben, könnten die Dehydrierungsschichten auch weggelassen werden, was jedoch in den meisten Fällen nicht praktikabel ist, da typische Abscheidungsmedien mehr kosten als Aluminiumoxid oder 3A. Der Zeitplan für den Abscheidungsprozess aus 2A wird beibehalten, obwohl die zusätzliche Aufgabe entweder etwas größere Behälter oder etwas kürzere Prozesszeiten erfordert.

In bestimmten Ausführungsformen ist die Gasströmungsrate für die Abscheidung und die Regeneration nicht gleich, was durch Rückführung des CO₂ zur Regeneration ausgeglichen wird. Obwohl durch den Wechsel von 2 zu 3 eine erhebliche Verringerung der Investitionsgüter und der Anzahl der Ventile erreicht wird, sind die Kühlungsanforderungen von 3 in einigen Fällen schlechter als die von 2, da das Dehydrierungsmedium bei dem schnelleren Zyklus ebenfalls gekühlt werden muss. Es ist möglich, ein System mit nur zwei Behältern zu konstruieren, solange die Heiz- und Kühlzeiten auf einem Behälter parallel zu den Adsorptionszeiten auf dem anderen durchgeführt werden können. Dies entspricht dem Zeitplan für die Dehydrierung mit zwei Behältern in 2B. Es ist auch möglich, in die andere Richtung zu gehen, mit vier oder fünf oder sogar sechs Behältern, so dass die verfügbare Zeit für die Kühlung und/oder Aufheizung länger ist als die Zeit für die Aufnahme. Diese grundlegenden Optionen sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1

CO₂ TSA Anzahl der Betten (Kammern)	Prozesszeit für die Adsorption	Verfügbare Zeit für die Erwärmung (Regeneration)	Verfügbare Zeit für die Kühlung
2	X	0,5 X	0,5 X
3	X	X	X
4	X	1,5 X	1,5 X
5	X	2X	2X
6	X	2,5 X	2,5 X

Es ist auch möglich, ungleiche Zeiten für das Kühlen und Heizen zu haben, z. B. könnte ein Vierbett-Design eine Zykluszeit von X für die Adsorption, X für die Regeneration und 2X für die Kühlung haben, oder umgekehrt, oder Werte dazwischen, solange der Zyklus letztendlich synchronisiert und wiederholt werden kann.
3 führt zu erheblichen Einsparungen und Vereinfachungen im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik des Molekularsieb-Abscheidungssystems für den halbgeschlossenen Kreislauf (SCC). Die Abtrennung und Dehydrierung in 3 würde auch ohne die Abgasrückführung des SCC funktionieren, aber ein Verfahren zur CO₂-Konzentration vor dem Molekularsieb-Abscheidungsprozess reduziert die Anzahl der Stufen, die erforderlich sind, um eine kommerzielle Qualität oder Sequestrationsqualität des CO₂ zu erreichen, und ermöglicht letztlich ein einstufiges Abscheidungssystem für Sequestrationsanwendungen, wenn die Bohrung richtig ausgelegt ist.
In 4 werden alle Komponenten von 3 mit den zugehörigen Prozessen und Zeitabläufen wiederholt, mit einigen zusätzlichen Komponenten, die vor allem die Kühlung und die erforderlichen CO₂-Spezifikationen für Nicht-Sequestrations- oder Pipeline-Anwendungen betreffen. Die Verwendung eines N₂-Rezirkulationsgebläses mit einem Kühler ist eine Alternative zu zusätzlichen Behältern oder kann in Kombination mit zusätzlichen Behältern verwendet werden, um eine angemessene Kühlung in der verfügbaren Zeit zu ermöglichen. Es gibt auch ein Bypass-Ventil um das CO₂-HX. Dadurch können sowohl die Strömungsrate als auch die Temperatur während des Regenerationszyklus reduziert werden. Sobald genügend Wärme im Behälter und in den oberen Schichten des Mediums vorhanden ist und das CO₂ aus dem Medium verdrängt wurde, können Strömungsrate und Temperatur reduziert werden. Die Wärmewelle setzt sich im Behälter fort, wobei das Medium als thermischer Regenerator wirkt, so dass die unteren Schichten des Mediums erwärmt werden, während die obere Schicht des Mediums abkühlt.
In 4 sind der CO₂-Schraube neue Komponenten nachgeschaltet, darunter zwei PSA-Behälter mit den zugehörigen Ventilen P1In, P2In, P1D, P2D, P1X und P2X. Der Betrieb dieses PSA-Prozesses ist konventionell, aber durch die Verwendung eines Mediums wie Aluminiumoxid oder 3A wird die abschließende Dehydrierung mit einer viel niedrigeren Gesamtströmungsrate und mit viel kleineren Behältern als TSA1 und TSA2 durchgeführt, und für Anwendungen, die einen sehr niedrigen Taupunkt erfordern (wie z. B. zwischenstaatliche CO₂-Pipelines), ermöglicht dieses zusätzliche PSA, dass bestimmte Ausführungsformen dieser Offenbarung immer noch diese Pipeline-Spezifikationen erfüllen. Wie PSA-Fachleuten bekannt sein dürfte, wird bei geöffneten Ventilen P1In, P1D und P2X und geschlossenen Ventilen das Gefäß stromabwärts von P1In Wasser adsorbieren, während das Gefäß stromabwärts von P2In Wasser entlüftet, und bei umgekehrten Ventilstellungen wird das Gegenteil der Fall sein.
5 enthält einige der gleichen Verbesserungen wie 4, mit einigen zusätzlichen Komponenten, die das Hochfahren des Systems erleichtern und ein zusätzliches Verfahren zur Konzentration von CO₂ vor der TSA bieten. Wie in 5 dargestellt, muss der CO₂-Turbo im Gegensatz zum Turbolader eines herkömmlichen Motors normalerweise gestartet werden. Der CO₂-Turbo könnte physisch ein elektrisch angetriebener „Verdichter“ mit einem Kompressor und einem Expander sein, der typischerweise auf einem gemeinsamen Großzahnrad sitzt, und wenn er gestartet wird, würde die Motorleistung gegen Null gehen (oder sogar negativ werden und wie ein Generator wirken). Wäre der CO₂-Turbo eher ein Turbolader für einen Motor, bei dem Verdichter und Turbine physisch auf einer gemeinsamen Welle ohne externen Antrieb oder Abtrieb verbunden sind, dann müsste diese Welle durch irgendetwas in Gang gesetzt werden. Um den Start zu erreichen, wird das unter höherem Druck stehende CO₂ (oder welches Gas auch immer zu diesem Zeitpunkt im Prozess vorhanden ist) komprimiert und über Rückschlagventile oder automatische Ventile in den CO₂-Turboexpander geleitet, der dem Verdichter nachgeschaltet, aber dem CO₂-HX vorgeschaltet ist, um das Hochfahren der Turbine mechanisch in Gang zu setzen; sobald der CO₂-Turboexpander mit dem heißen Gas in Kontakt kommt, startet er schnell, öffnet das dem CO₂-Turboverdichter nachgeschaltete Rückschlagventil und schließt das andere (wenn es nicht automatisiert ist). 5 enthält auch ein zusätzliches Merkmal, da die Strömungsrate durch den Regenerationsprozess in der Regel viel höher ist als die des rohen Motorabgases (in der Regel doppelt so hoch), und da es sich bei dieser Strömung um hochreines CO₂ (>> 90 % CO₂) handelt, während das Motorabgas, selbst mit SCC, einen viel geringeren CO₂-Reinheitsgrad aufweist (manchmal < 10 % CO₂), hat eine sehr kleine Anzapfströmung als Teil des CO₂-Regenerationsdurchflusses einen erheblichen Einfluss auf den Reinheitsgrad des in den Kreislauf eintretenden rohen CO₂. Diese Rückführung des CO₂ TSA ist ein weiteres Verfahren zur Konzentration von Abgas-CO₂, analog zum SCC, jedoch ohne CO₂-Rückführung zum Einlass des Motors; letzteres erfordert manchmal eine größere Sauerstoffanlage oder andere Motormodifikationen, die mit bestimmten Motortypen nicht kompatibel sind, insbesondere bei Nachrüstungsprojekten oder bei Neuinstallationen mit Standardangeboten, -leistungen und -steuerungen der Motorhersteller, die nicht für das SCC optimiert sind.
6 stellt eine weitere Verbesserung der grundlegenden Erfindung von 3 dar. Bei sehr effizienten Motoren, insbesondere bei hocheffizienten Magerverbrennungs-Kolbenmotoren, reicht die Abgaswärme nicht aus, um den CO₂-TSA-CO₂-Turbo-Betrieb vollständig zu unterstützen. In anderen Fällen ist zwar ausreichend Wärme vorhanden, aber der Kunde hat sich entschieden, diese Wärme in seinem eigenen Prozess zu nutzen, so dass weniger von der gesamten Abgaswärme zur Verfügung steht. In einem extremen Beispiel (wie in 6 dargestellt) steht nichts davon zur Verfügung, und der CO₂-Turbo wurde durch ein elektrisch betriebenes Gebläse und der CO₂-HX durch einen elektrischen Heizer ersetzt. Der Rest des Prozesses bleibt gleich. In der Praxis würden der CO₂-HX und der CO₂-Turbo in Form eines (elektrisch unterstützten) Verdichters vorhanden sein, jedoch mit zusätzlicher Wärme- und Stromzufuhr durch den Motor des Verdichters und einem kleinen Heizer stromabwärts des CO₂-HX der 3, jedoch stromaufwärts des CO₂-Expanders oder der T#H-Ventile.
7 zeigt einige der bereits in 4 bis 6 besprochenen Erweiterungen mit einigen neuen Merkmalen. Insbesondere wurde das N₂-Rückführungsgebläse von 4 durch ein Luftgebläse oder einen Ventilator und einen Kühler ersetzt, um so viel Wasser wie möglich abzuscheiden (Taupunkt etwa 40 Grad F oder 1 % Wasser). Zusätzlich zum trockenen N₂ wird Luft für den Kühlprozess verwendet. Wie bereits erörtert, fließt N₂ von den T#T-Ventilen zu den T#C-Ventilen (siehe 2B), doch wird diese Strömungsrate nun vor den T#C-Ventilen durch die teilweise entwässerte Luft erhöht. Dadurch entfällt der N₂-Rücklaufkühler, der eine große Komponente darstellt, und es ergeben sich zusätzliche Vorteile. Durch die direkte Luftkühlung in der CO₂-TSA werden die Betten effektiver und schneller gekühlt, da die Luft eine niedrigere Temperatur hat als das zurückfließende N₂. Außerdem wird den Betten eine kleine Menge CO₂ aus der Luft entzogen. Diese Menge beträgt in der Regel 1 bis 2 % des gesamten abgeschiedenen CO₂, reicht aber aus, um das gesamte System kohlenstoffnegativ (nicht emittierend) zu machen, da das CO₂-TSA bei richtiger Auslegung bereits in der Lage war, mehr als 99 % des CO₂ abzuscheiden.
Eine weitere Verbesserung von 7, die eher für Gasturbinen als für Kolbenmotoren gilt, ist die Verwendung eines Gegenströmung-Direktkontaktkühlers innerhalb des SCC. Dadurch wird die für das Quenchen erforderliche Kaltwasserströmungsrate erheblich reduziert, aber der Gegendruck erhöht. Turbinentriebwerke vertragen diesen Gegendruck besser als Kolbentriebwerke und würden andernfalls sehr hohe Wasserströmungsraten benötigen, um die Abschreckung zu erreichen.
Eine letzte Verbesserung von 7, die ebenfalls eher für Gasturbinen- als für Kolbenmotoren gilt, ist der Einsatz einer Adsorptionskühler im Vergleich zu einem mechanischen Kühler, um den größeren Kühlbedarf zu decken, der mit der teilweisen Dehydrierung der Luft und anderen Kühllasten in diesem Zyklus verbunden ist. Es ist anzumerken, dass 7 die abschließende Dehydrierung PSA von 4 oder 5 beibehält, da die Verwendung von direkter Luftkühlung zu einem höheren Wasseranteil im CO₂-Produkt führt, was in den meisten Anwendungen eine abschließende Dehydrierung erfordert.
8 zeigt eine weitere Variante bestimmter Ausführungsformen dieser Offenbarung, die wiederum für Kolbenmotoren mit begrenzter Abgaswärme oder für Turbinenmotoren gilt, bei denen die gesamte oder der größte Teil der Wärme bereits anderweitig genutzt wird. Die Figur zeigt eine kleine Brennkammer zwischen dem CO₂-Turbokompressor und dem Expander, die den Turbolader im Grunde in einen kleinen Generator für heißes CO₂ verwandelt. Da die Feuerungsmenge zum Erreichen der gewünschten Temperatur sehr gering ist und die entstehenden Gemische bei Luftoxidation nicht brennbar wären, und da dies bereits auf der Produktseite des Abscheidungsprozesses liegt, wird dieser Mini-Gasgenerator mit Sauerstoff befeuert. Die Verbrennungsprodukte sind CO₂ und Wasser, und da das CO₂ heiß ist, wird es schließlich durch die Medien fließen und dem abgeschiedenen CO₂ hinzugefügt werden. Das Verbrennungswasser wird durch das abschließende PSA entfernt, wie in 7 dargestellt. Dieser Ansatz ist nur in SCC-Implementierungen praktikabel, die bereits eine hochreine Sauerstoffquelle verwenden, da die Wirtschaftlichkeit der O₂-Erzeugung für diese kleine Last in den meisten Fällen nicht tragfähig ist.
9 stellt ein häufiger verwendetes und praktisches Verfahren zur Steigerung der verfügbaren Abwärme dar. Wie bei vielen Dampferzeugern mit Wärmerückgewinnung ist es üblich, eine zusätzliche Verbrennung im Abgas der Gasturbine durchzuführen, um die verfügbare Wärme zu erhöhen. Dies ist mit dem SCC kompatibel, aber ein anderes Verfahren zur Erzielung desselben Ergebnisses besteht darin, einen Brenner stromaufwärts der CO₂-HX zu installieren, jedoch parallel statt in Reihe mit der Hauptabgasströmung. Dies ist viel besser mit Nachrüstungsanlagen vereinbar und erzeugt einen konzentrierten CO₂-Strom von etwa 11 %, der dem Rohabgas des SCC stromabwärts des Kundenwärmetauschers, aber stromaufwärts des Quenchsystems zugesetzt werden kann.
Die Diskussion von 10 bis 20 folgt, um die mechanische Umsetzung bestimmter Ausführungsformen zu erläutern.
Die CO₂-TSA-Erfindung und in geringerem Maße auch das SCC selbst werden in Abhängigkeit von der Motoreffizienz und den Besonderheiten der Kundeninstallation unterschiedlich umgesetzt (meist als Ergebnis unterschiedlicher Mengen an verfügbarer Abgasabwärme). Die CO₂-TSA-Erfindung hat auch eine andere mechanische Umsetzung für kleine Systeme, typischerweise für Kolbenmotoren, bei denen die einzelnen Gefäße Teilmengen eines größeren, aber immer noch transportablen/modularen Systems sein können. Im Gegensatz dazu ist es bei sehr viel größeren Systemen und im Allgemeinen bei größeren Gasturbinen aus mechanischen Gründen notwendig, die Ströme in mehrere Ströme aufzuteilen, d. h.
„Doppelauspuff-CO₂ TSA", oder alternativ die Behälterabteile in mehrere Module aufzuteilen, die vor Ort zusammengesetzt werden. Dies ist möglich, da die drei Funktionen des CO₂-TSA-Prozesses - Adsorption, Regeneration und Kühlung - im Wesentlichen alle bei demselben Druck ablaufen, wobei die Regeneration bei einem etwas höheren Druck erfolgt. Da die Drücke ähnlich sind und alle Drücke niedrig sind, sind die strukturellen Anforderungen minimal. Noch wichtiger ist, dass die Regeneration (CO₂-Erzeugung) bei etwas höherem Druck stattfindet, so dass jegliche Leckage von der Produktseite (Regeneration) zurück in die Prozessseiten (Adsorption oder Kühlung) gelangt, kein CO₂ verloren geht und keine Produktverunreinigung als Folge der Leckage entsteht. Was in den Figuren als Rohrleitungen/Kanäle erscheint, können in Wirklichkeit Ablenkbleche oder Platten innerhalb größerer Strukturen sein, ohne dass man sich um die Dichtheit zwischen den Prozessen der CO₂-TSA-Erfindung sorgen muss.
10 stellt eine typische allgemeine Anordnung für bestimmte Ausführungsformen dieser Offenbarung auf einem kleinen, nominell 1-MW-Kolbenmotor-Generator. Wie üblich ist der Motor innerhalb eines Gehäuses montiert, das in diesem Fall das SCC-Rückführungssystem und die Abgasabkühlung enthält. An der Vorderseite des Gehäuses sind drei Kühler angebracht, einer für das SCC-Quenchwasser, einer für das Nachkühlerwasser und einer für das Mantelwasser. Die CO₂-HX-Anlage befindet sich oben auf dem Gehäuse, und der Rest der Anlage besteht aus einem elektrisch betriebenen CO₂-Gebläse, einem N₂-Rezirkulationsgebläse und Wärmetauschern. Die CO₂-TSA-Behälter TS3, TS4 und TS5 sind als einzelne runde Druckbehälter in Leichtbauweise (in den meisten Fällen aus Edelstahl) dargestellt.
11 zeigt Einzelheiten zu den oberen Sammlern für:den heißen CO₂-Eingang (vor der Regeneration), den trockenen N₂-Ausgang (nach der Adsorption), den trockenen N₂-Eingang (zur Kühlung). 11 enthält auch Details zu den unteren Sammlern für:den Abgaseinlass (für die Adsorption), den CO₂-Auslass (nach der Regeneration) und den N₂-Auslass (nach der Kühlung). Alle vorgenannten Angaben beziehen sich auf den Ansatz mit geschichteten Behältern, bei dem der Dehydrierungs- und Abscheidungsprozess in einem einzigen Behälter abläuft.
12 zeigt Details eines Schlüssels für bestimmte Ausführungsformen dieser Offenbarung. Die Medien befinden sich in sehr dünnwandigen rostfreien Auskleidungen, die von den Gefäßwänden und dem Deckel isoliert sind. Auf diese Weise müssen nur die Medien und ein sehr kleiner Teil der stützenden Metallinnenauskleidung ihre Temperatur für den Prozess ändern. Neue Entwicklungen im Bereich der dünnen Hochleistungs-Aerogel-Isolierung, insbesondere die von Aspen Aerogels, ermöglichen diese Konstruktion.
13 und die Unterteile zeigen verschiedene Ansichten des Querschnitts eines einzelnen Behälters, zum Beispiel TS3. Dargestellt ist die relative Beladung der Dehydrierungsschichten (im Allgemeinen mit 3A oder Aluminiumoxid) über und unter den Abscheidungsmedien (im Allgemeinen 5A oder 13X). Es ist wichtig, über eine gute Strömungsverteilung durch die Medien und einen geringen Druckabfall zu verfügen. Beide Ziele werden mit einem relativ kurzen Aspektverhältnis erreicht - die Höhe der Medien ist in der Regel viel geringer als der Durchmesser des Behälters. Die Kanäle sind ebenfalls überdimensioniert, um einen geringen Druckverlust und niedrige Geschwindigkeiten zu erreichen, und es werden Ablenkbleche verwendet, um die Verteilung der Strömung von den Kanälen zu den Betten zu unterstützen. Computational Fluid Dynamic- (CFD) Modellierungen haben gezeigt, dass die typischen Keramikkugeln, die häufig als Strömungsverteiler in Molekularsiebbehältern verwendet werden, durch Ablenkbleche weitgehend, wenn nicht sogar vollständig, eliminiert werden können. Das Leitmedium ist häufig auch grober (größer) als das Abscheidungsmedium, um die Verteilung weiter zu unterstützen.
10 bis 13 zeigen drei unabhängige TSA-Behälter, alle zylindrisch, mit flachen Deckeln. Es gibt auch andere Gefäßkonfigurationen, wie z. B. halbelliptische Köpfe, halbkugelförmige Köpfe oder sogar kugelförmige Gefäße, die verwendet werden können und häufig bei der Konstruktion von Druckbehältern zum Einsatz kommen und auch im Rahmen der Erfindung verwendet werden könnten. Die Art der Konstruktion mit sehr niedrigen Drücken und mit ähnlichen Drücken in den drei verschiedenen Prozessen ermöglicht ungewöhnliche Konstruktionen für einen „Druckbehälter“. Module oder Kammern mit flachen Seiten, einschließlich sechseckiger oder rechteckiger/quadratischer Querschnitte, könnten in einer einzigen größeren „Druck“-Struktur untergebracht werden. Die größten Lasten in dieser erfindungsgemäßen Behälterkonstruktion werden häufig nicht durch den Gasdruck, sondern durch das Gewicht der Medien in Verbindung mit dem Druckabfall der Medien verursacht.
14 zeigt ein alternatives Verpackungsverfahren für TS3, TS4 und TS5, wobei dieses Verfahren auch mit einer geringeren oder größeren Anzahl von TSA-Abteilen verwendet werden könnte. 14 zeigt einen einzelnen Behälter mit rechteckigem Querschnitt und drei Fächern, der in Bezug auf die Medienbeladung und den Querschnitt der Konstruktion mit drei Behältern aus 11 entspricht. 14A zeigt eine Innenansicht mit abgenommenem Deckel, in der die drei unabhängigen Kammern zu sehen sind, mit der gleichen grundlegenden Innenauskleidung und innen isolierten Konstruktion wie bei den Behältern mit rundem Querschnitt in 12 und 13. Zugstangen oder interne Strukturen im Inneren der Medien würden die dünne Wand gegen das Gewicht der Medien abstützen. 14B entspricht in Bezug auf die Konstruktion des Behälters 14 und 14A, jedoch werden die oberen und unteren Rohre für N₂, CO₂ und Abgas durch Kanäle und interne Dämpfer ersetzt, die sich alle innerhalb der größeren Druckgrenze/Struktur befinden, obwohl während des Betriebs immer noch ein gewisser Druckunterschied zwischen den drei Prozessen besteht. Wie bereits erwähnt, wird ein gewisses Maß an Leckagen aus dem Regenerationsprozess in die anderen Prozesse den Betrieb nicht wesentlich beeinträchtigen, und diese Kanäle, wie in 14B gezeigt, könnten tatsächlich durch das Anbringen von Platten innerhalb der größeren Struktur geschaffen werden. Diese Platten könnten sogar Zugangsöffnungen oder Handlöcher enthalten, um den Zugang zu internen Mechanismen wie Klappen, Klappenantrieben und Gestängen zu ermöglichen.
15A bis 20B zeigen verschiedene mechanische Implementierungsansätze für bestimmte Ausführungsformen dieser Offenbarung in Verbindung mit größeren Systemen. Die in 15 bis 20 gezeigten Größen entsprechen einer Gasturbinenanlage mit 15 bis 25 MW. Größere Systeme haben andere mechanische Herausforderungen und Implementierungslösungen als die kleineren Systeme, die in 10 bis 14 erörtert werden. Insbesondere die folgenden technischen Probleme dominieren in größeren Systemen: elektrische Lasten für Gebläse (große Querschnitte minimieren den Druckabfall und damit die Leistung), Wasser im Vergleich zu CO₂-Adsorption / Auswirkungen auf die Medien (Adsorptionskältemaschine zur Unterstützung der Wasserentfernung vor der TSA), großer Durchmesser / Querschnitt der Rohrleitungen, Länge / Volumen / Druckabfall in den Rohrleitungen, Strömungsverteilung in Behältern mit großem Querschnitt (erfordert noch niedrigere Geschwindigkeiten in den Rohrleitungen), Gesamtaufstellfläche und Größe der Komponenten für den Transport.
15A und 15B zeigen eine Außenansicht eines einzelnen TSA-Behälters in Verbindung mit einer 20-MW-Gasturbine, wie sie in bestimmten Ausführungsformen dieser Offenbarung eingesetzt wird. Das Beispiel-TSA für eine 20-MW-Gasturbine mit SCC hat eine Größe von 28' T x 6,5' Höhe, einschließlich Ablenkblechen und aller Medien. Die Rohrleitungen müssen ein Äquivalent von etwa 60" Tiefe oder größer sein. Es sind vier Behälter erforderlich, wobei im Batch-Verfahren 1 Behälter für die Adsorption, 1 Behälter für die Regeneration und 2 Behälter für die Kühlung verwendet werden. Es wäre möglich, einen Behälter mit kleinerem Durchmesser, aber höherer Höhe und gleicher Medienbeladung zu konstruieren, aber die kleinere Grundfläche würde zu einem höheren Druckabfall im Bett und damit zu einem höheren Bedarf an N₂/Luft und TSA-Schraubenantrieb führen.
Um die Geschwindigkeiten so niedrig wie möglich zu halten und eine gleichmäßige Verteilung über den großen Durchmesser des Behälters zu erreichen, ist in 16 ein Beispiel für eine mechanische Konstruktion mit drei 84" x84"-Dämpfern oben und drei 84"x84"-Dämpfern unten dargestellt, mit Übergängen von den 84"-Quadratdämpfern zu 60"-Quadratkanälen. Für verschiedene TSA-Anforderungen können andere Abmessungen gelten, und die 15A bis 20B sind als Beispiele für Ausführungsformen gedacht.
Der Platzbedarf für vier Behälter mit 28' Tiefe und die gesamte Verrohrung wäre für manche Anlagen eine Herausforderung. Auch die Länge der Rohrleitungen und der damit verbundene Druckabfall zwischen den Behältern und Gebläsen könnte erheblich sein. 17 zeigt eine Lösung: ein Stapel von 4 CO₂-TSA-Behältern mit 6 Verteilern und 24 Ventilen zur Versorgung der Betten. Das Gesamtsystem hat eine Größe von etwa 50' Tiefe x 50' Höhe, was eine enorme Verringerung des Platzbedarfs bedeutet; obwohl die Behälter für ihre Größe recht leicht sind, befinden sich über 300 Tonnen Medien in der Luft, was eine sorgfältige Konstruktion erfordert, insbesondere in erdbebengefährdeten Gebieten.
18 zeigt die Anordnung eines einzelnen TSA-Behälters mit 28' Tiefe, wenn die vier Behälter nicht vertikal, sondern horizontal angeordnet werden. In diesem Fall werden weiterhin die quadratischen 84"-Klappen verwendet, aber durch die rechteckigen Kanäle oben und unten entstehen Abschnitte, die leichter vorgefertigt und zur Baustelle transportiert werden können. Bei dieser alternativen Anordnung mit oberen und unteren Kanälen würden 4 Behälter in einen 120' x 30' großen Raum passen, obwohl die Behälterkomponenten immer noch groß sind und wahrscheinlich vor Ort hergestellt werden müssen.
19 befasst sich mit den Problemen des großen Behälterdurchmessers und der Möglichkeit, diesen direkt an den Aufstellungsort zu transportieren. Anstelle eines TSA von 28' Tiefe wird ein rechteckiger TSA von 22' x 30', der einer Tiefe von 28' entspricht, verwendet. Dieser rechteckige Behälter kann in zwei 11' x 30'-Modulen versandt werden, wobei die Dichtungen zwischen den Modulen außerhalb der Isolierung (bei niedrigen Temperaturen) liegen und keine speziellen Dichtungen oder Abdichtungen erforderlich sind. Eine Verschraubung von Metall auf Metall mit Dichtungsmasse wäre mehr als ausreichend. 19A zeigt, wie vier dieser Behälter mit einer Tiefe äquivalent zu 28' mit jeweils zwei modularen Fächern vor Ort zusammenpassen würden. Die Grundfläche beträgt immer noch ca. 30' x ca. 100', was besser ist, und das Gewicht ist im Wesentlichen unverändert, aber die Kosten sind niedriger, ebenso wie die Installation der internen Isolierung.
Die Verwendung von zwei Modulen für jeden TSA-Behälter bietet ebenfalls eine Chance. 20 zeigt die Verwendung eines zentralen vertikalen Kanals, obwohl ein vertikaler Kanal auch auf einer oder beiden Seiten verwendet werden könnte, so dass sich alle Ventile und Kanäle auf einer Seite befinden. Wie in 20 dargestellt, befinden sich die Kanäle alle oben, aber es ist genauso gut möglich, alle Kanäle unten anzuordnen. In der bevorzugten Ausführungsform befindet sich der vertikale Kanal zwischen den CO₂-TSA-Modulpaaren.
20A ist ein Querschnitt durch einen der TSA-Behälter mit zwei Modulen und einem vertikalen Kanal und zeigt, wie die Strömungen für die drei Prozesse Adsorption, Regeneration und Kühlung verlaufen würden.
20B zeigt den Aufbau von vier TSA-Behältern unter Verwendung der Modulbauweise und vertikaler Kanäle. Die vier abgebildeten Behälter könnten alternativ auch in einem einzigen Betonfundament untergebracht werden, da kein Zugang zur Unterseite der Behälter erforderlich ist und das Gewicht erheblich ist. Diese Art der Konstruktion würde auch dazu beitragen, dass keine internen Verstärkungen der Medienkammern erforderlich sind, und würde das Laden der Medien vor Ort erheblich erleichtern.
Varianten bestimmter Ausführungsformen dieser Offenbarung, die eine unterschiedliche Anzahl von Behältern, eine unterschiedliche Anzahl von Kammern, unterschiedlich große Kanäle, unterschiedlich große Ventile und Klappen umfassen, würden basierend auf spezifischen Projektanforderungen und Installationsbeschränkungen implementiert werden.
Die Ausführungsformen können Folgendes umfassen: ein CO₂-TSA-System, z. B. für SCC oder jede andere geeignete Verwendung, TSAs sowohl für die Dehydrierung als auch für die Abscheidung, zwei- oder mehrschichtige TSAs, Dehydrierung und Abscheidung im selben Behälter (z. B. in den gleichen Medien oder mit geschichteten Medien), mehrschichtige TSAs mit N₂-Rezirkulationsgebläse, eine abschließende Dehydrierung über das PSA-Verfahren, ein CO₂-Turbo-Start über Gasinjektion, eine CO₂-Zapfstelle zum Auspuff, um das CO₂ weiter zu konzentrieren, ein elektrisch angetriebenes CO₂-Gebläse, ein teilelektrisch angetriebenes CO₂-Gebläse (Kompander), eine separate Wärmequelle für CO₂, direkte Luftkühlung (Abscheidung), Verwendung eines Kühlers zur Verringerung der Wasseradsorptionslast, ein Gegenströmungs-SCC-Quench-System, ein befeuerter CO₂-Turbo, ein mit einem Brenner verstärkter CO₂-Turbo-Wärmetauscher, ein mit SCC-Abgas gemischtes Brennerabgas-CO₂, geschichtete TSA-Behälter, obere Sammler (für den Einlass von heißem CO₂ (vor der Regeneration), den Auslass von trockenem N₂ (nach der Adsorption), den Einlass von trockenem N₂ (zur Kühlung)); untere Sammler (für den Abgaseinlass (zur Adsorption)), für den CO₂-Auslass (nach der Regeneration), für den N₂-Auslass (nach der Kühlung)), einen intern isolierten „Druckbehälter“, eine dünnwandige Auskleidung aus Edelstahl, schützende dehydrierende Medien oben und/oder unten, perforierte Ablenkbleche mit variabler Fläche anstelle von Keramikkugeln im TSA zur Strömungsverteilung, gestapelte Ablenkbleche im TSA, mehrere Kammern in einem einzigen Behälter, kein signifikanter Druck oder keine signifikanten Druckunterschiede, Möglichkeit einer flachen Bauweise mit minimaler Verstärkung, geringfügige Leckagen zwischen den Kammern haben keine nennenswerten Auswirkungen auf den Prozess, Produktion bei etwas höherem Druck als im übrigen Prozess, so dass keine Verunreinigungen in das CO₂-Produkt gelangen können, es sind keine speziellen Hochtemperatur- oder komplexen Dichtungen erforderlich, Rohrleitungen / Ablenkbleche für N₂, CO₂, usw. die in die modulare Behälterstruktur integriert sind, vertikal gestapelte SCC-CO₂-TSA-Behälter, obere und untere Kanäle für große Behälter, große Behälter, die mit kleineren modularen Behältern gebildet werden, interne vertikale Kanäle für große modulare Behälter, vertikale Kanäle zwischen modularen Behälterkomponenten, Dämpfer in den Kanälen, Kanäle, die über Ablenkbleche innerhalb einer einzigen Struktur gebildet werden, vertikale interne Kanäle, die alle Ventile an der Oberseite ermöglichen, und/oder eine obere Kanalanordnung mit vertikalen internen Kanälen, die eine TSA-Konstruktion „in einem Erdschwimmbad“ ermöglicht.
Jedes geeignete Steuermodul kann jedes geeignete Hardware- und/oder Software-Modul umfassen, das zur Ausführung der zugehörigen Funktionen konfiguriert ist. Während oben bestimmte Ausführungsformen in Bezug auf die Steuerung von Ventilen offengelegt wurden, sind hier beispielsweise auch andere geeignete Steuerschemata und die Reihenfolge/Zeitsteuerung von Steuerventilen in Betracht zu ziehen. Während Ausführungsformen mit bestimmten Konstruktionen gezeigt werden, sind auch alle anderen geeigneten Konstruktionen und mit allen geeigneten Abmessungen und Formen für Ausführungsformen hier in Betracht zu ziehen.
Wie Fachleuten ersichtlich ist, können Aspekte der vorliegenden Offenbarung als System, Verfahren oder Computerprogrammprodukt verkörpert werden. Dementsprechend können Aspekte dieser Offenbarung die Form einer reinen Hardware-Variante, einer reinen Software-Variante (einschließlich Firmware, residenter Software, Mikrocode usw.) oder einer Variante annehmen, die Software- und Hardware-Aspekte kombiniert, wobei alle diese Möglichkeiten hier als „Schaltung“, „Modul" oder „System“ bezeichnet werden können. Eine „Schaltung“, ein „Modul“ oder ein „System“ kann einen oder mehrere Teile einer oder mehrerer separater physischer Hardware- und/oder Software-Komponenten umfassen, die zusammen die offengelegte Funktion der „Schaltung“ des „Moduls“ oder des „Systems“ ausführen können, oder eine „Schaltung“ ein „Modul“ oder ein „System“ kann eine einzige in sich geschlossene Einheit (z. B. aus Hardware und/oder Software) sein. Darüber hinaus können Aspekte dieser Offenbarung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien mit darauf verkörpertem computerlesbarem Programmcode verkörpert ist.
Jede Kombination von einem oder mehreren computerlesbaren Medien kann verwendet werden. Das computerlesbare Medium kann ein computerlesbares Signalmedium oder ein computerlesbares Speichermedium sein. Bei einem computerlesbaren Speichermedium kann es sich beispielsweise, aber nicht ausschließlich, um ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, eine Vorrichtung oder eine beliebige geeignete Kombination der vorgenannten Medien handeln. Zu den spezifischeren Beispielen (eine nicht erschöpfende Liste) für das computerlesbare Speichermedium gehören: eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (RAM), ein Festwertspeicher (ROM), ein löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EPROM oder Flash-Speicher), eine optische Faser, ein tragbarer Compact-Disc-Festwertspeicher (CD-ROM), eine optische Vorrichtung, eine magnetische Vorrichtung oder eine beliebige geeignete Kombination der vorgenannten Elemente. Im Zusammenhang mit diesem Dokument kann ein computerlesbares Speichermedium jedes greifbare Medien sein, das ein Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Befehlsausführungssystem, einer Vorrichtung oder einer Einrichtung enthalten oder speichern kann.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein verbreitetes Datensignal mit darin verkörpertem computerlesbarem Programmcode enthalten, beispielsweise im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle. Ein solches übertragenes Signal kann eine beliebige Form annehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf elektromagnetische, optische oder eine geeignete Kombination davon. Ein computerlesbares Signalmedium kann ein beliebiges computerlesbares Medien sein, das kein computerlesbares Speichermedium ist und das ein Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Befehlsausführungssystem, einer Vorrichtung oder einer Einrichtung übermitteln, verbreiten oder transportieren kann.
Programmcode, der auf einem computerlesbaren Medium verkörpert ist, kann über jedes geeignete Medium übertragen werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf drahtlose, drahtgebundene, optische Faserkabel, RF usw., oder jede geeignete Kombination der vorgenannten Möglichkeiten.
Der Computerprogrammcode zur Ausführung von Operationen für Aspekte dieser Offenbarung kann in einer beliebigen Kombination aus einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben werden, einschließlich einer objektorientierten Programmiersprache wie Java, Smalltalk, C++ oder ähnlichen und konventionellen prozeduralen Programmiersprachen wie der Programmiersprache „C“ oder ähnlichen Programmiersprachen. Der Programmcode kann vollständig auf dem Computer des Benutzers, teilweise auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Software-Paket, teilweise auf dem Computer des Benutzers und teilweise auf einem entfernten Computer oder vollständig auf dem entfernten Computer oder Server ausgeführt werden. Im letztgenannten Fall kann der entfernte Computer mit dem Computer des Benutzers über ein beliebiges Netzwerk verbunden sein, einschließlich eines lokalen Netzwerks (LAN) oder eines Weitverkehrsnetzwerks (WAN), oder die Verbindung kann zu einem externen Computer hergestellt werden (z. B. über das Internet mit Hilfe eines Internet Service Providers).
Aspekte dieser Offenbarung können oben unter Bezugnahme auf Flussdiagrammabbildungen und/oder Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß den Ausführungsformen dieser Offenbarung beschrieben werden. Es versteht sich, dass jeder Block von Flussdiagrammdarstellungen und/oder Blockdiagrammen und Kombinationen von Blöcken in Flussdiagrammdarstellungen und/oder Blockdiagrammen durch Computerprogrammanweisungen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können einem Prozessor eines Allzweckcomputers, eines Spezialcomputers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, so dass die Anweisungen, die über den Prozessor des Computers oder einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zur Implementierung der in einem oder mehreren Flussdiagramm- und/oder Blockdiagrammblöcken angegebenen Funktionen/Aktionen schaffen.
Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert werden, das einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung oder andere Vorrichtungen anweisen kann, in einer bestimmten Weise zu funktionieren, so dass die in dem computerlesbaren Medien gespeicherten Anweisungen ein Erzeugnis erzeugen, das Anweisungen enthält, die die in dem einen oder den mehreren Flussdiagramm- und/oder Blockdiagrammblöcken angegebene Funktion/Aktion implementieren.
Die Computerprogrammanweisungen können auch auf einen Computer, eine andere programmierbare Datenverarbeitungseinrichtung oder andere Vorrichtungen geladen werden, um eine Reihe von Betriebsschritten zu veranlassen, die auf dem Computer, einer anderen programmierbaren Einrichtung oder anderen Vorrichtungen ausgeführt werden, um einen computerimplementierten Prozess zu erzeugen, so dass die Anweisungen, die auf dem Computer oder einer anderen programmierbaren Einrichtung ausgeführt werden, Prozesse zur Implementierung der hierin angegebenen Funktionen/Aktionen bereitstellen.
Fachleuten ist ersichtlich, dass alle hier offengelegten numerischen Werte exakte Werte oder Werte innerhalb eines Bereichs sein können. Ferner kann jeder Näherungswert (z. B. „etwa“, „ungefähr“, „um“), der in dieser Offenbarung verwendet wird, den angegebenen Wert innerhalb eines Bereichs bedeuten. In bestimmten Ausführungsformen kann der Bereich beispielsweise innerhalb von (plus oder minus) 20 % oder innerhalb von 10 % oder innerhalb von 5 % oder innerhalb von 2 % oder innerhalb eines anderen geeigneten Prozentsatzes oder einer anderen Zahl liegen, wie sie von Fachleuten geschätzt wird (z. B. für bekannte Toleranzgrenzen oder Fehlerbereiche).
Die hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Artikel „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ werden hier verwendet, um sich auf einen oder mehrere (d. h. mindestens einen) der grammatikalischen Gegenstände des Artikels zu beziehen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. So bedeutet beispielsweise „ein Element“ ein einzelnes Element oder mehr als ein Element.
Der Ausdruck „und/oder“, wie er hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird, sollte so verstanden werden, dass er „entweder eines oder beide“ der so verbundenen Elemente bedeutet, d. h. Elemente, die in einigen Fällen konjunktiv und in anderen Fällen disjunktiv vorhanden sind. Mehrere Elemente, die mit „und/oder“ aufgeführt sind, sollten auf die gleiche Weise ausgelegt werden, d. h. „ein oder mehrere“ der so verbundenen Elemente. Optional können auch andere Elemente als die durch die „und/oder“-Klausel spezifisch identifizierten Elemente vorhanden sein, unabhängig davon, ob sie mit den spezifisch identifizierten Elementen verwandt oder nicht verwandt sind. So kann, als nicht einschränkendes Beispiel, ein Verweis auf „A und/oder B“, wenn er in Verbindung mit einer offenen Formulierung wie „umfassend“ verwendet wird, sich in einer Ausführungsform nur auf A beziehen (optional einschließlich anderer Elemente als B); in einer anderen Ausführungsform nur auf B beziehen (optional einschließlich anderer Elemente als A); in einer weiteren Ausführungsform sowohl auf A als auch auf B beziehen (optional einschließlich anderer Elemente); usw.
Wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, sollte „oder“ die gleiche Bedeutung haben wie „und/oder“, wie oben definiert. Wenn beispielsweise Elemente in einer Liste voneinander getrennt werden, sind „oder“ oder „und/oder“ so auszulegen, dass sie alles umfassen, d. h., dass mindestens eines, aber auch mehr als eines einer Anzahl oder Liste von Elementen und optional zusätzliche nicht aufgeführte Elemente eingeschlossen sind. Nur eindeutig gegenteilige Ausdrücke wie „nur eines von“ oder „genau eines von“ oder, wenn in den Ansprüchen verwendet, „bestehend aus“, beziehen sich auf die Einbeziehung von genau einem Element einer Anzahl oder Liste von Elementen. Im Allgemeinen ist der Begriff „oder“, wie er hier verwendet wird, nur dann als Hinweis auf ausschließende Alternativen (d. h. „das eine oder das andere, aber nicht beides“) zu verstehen, wenn ihm Ausschließlichkeitsbegriffe wie „entweder“, „eines von“, „nur eines von“ oder „genau eines von“ vorausgehen.
Jede geeignete Kombination und alle geeigneten Kombinationen beliebiger offengelegter Ausführungsformen und/oder jeder geeignete Abschnitt und alle geeigneten Abschnitte davon werden hierin in Betracht gezogen, wie es Fachleuten im Hinblick auf diese Offenbarung ersichtlich ist.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie sie oben beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt sind, stellen eine Verbesserung auf dem Gebiet der Technik dar, auf das sie sich beziehen. Obwohl in der vorliegenden Offenbarung auf bestimmte Ausführungsformen Bezug genommen wird, ist es Fachleuten ersichtlich, dass Änderungen und/oder Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63076521 [0001]
US 17464199 [0001]

Claims

Kohlenstoffabscheidungssystem, umfassend: eine Vielzahl von CO₂-Thermowechseladsorptionsbetten (TSA-Betten), die mindestens umfassen: ein erstes TSA-Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidetemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidetemperaturbereichs zu regenerieren; ein zweites TSA-Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidetemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidetemperaturbereichs zu regenerieren; ein drittes TSA-Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidetemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidetemperaturbereichs zu regenerieren; eine Vielzahl von Ventilen und zugehörigen Strömungswegen, die dafür konfiguriert sind, ein Umschalten der Betriebsmodi jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu ermöglichen; und ein Steuermodul, das dafür konfiguriert ist, die Vielzahl von Ventilen zu steuern, um einen kontinuierlichen Betrieb bereitzustellen, so dass gleichzeitig mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem Abscheidungsmodus betrieben wird, um CO₂ aus einer Abgasströmung zu entfernen und eine Stickstoffströmung abzugeben, mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem erwärmten Regenerationsmodus verwendet wird, um CO₂ in eine Produktionsströmung freizusetzen, und mindestens eines der Vielzahl von TSA-Betten in einem Kühlmodus betrieben wird, um durch eine Kühlströmung gekühlt zu werden.
System nach Anspruch 1, wobei das Kohlenstoffabscheidungssystem dafür konfiguriert ist, mit einem Motorensystem mit halbgeschlossenem Kreislauf verbunden zu werden, um Motorabgase von diesem aufzunehmen.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem umfasst, das selektiv mit jedem TSA-Bett verbunden und dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung im Regenerationsmodus durch ein entsprechendes TSA-Bett zu zirkulieren, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren und die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen.
System nach Anspruch 3, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem eine Wärmequelle enthält, die dafür konfiguriert ist, der Produktionsströmung ausreichend Wärme zuzuführen, um das jeweilige TSA-Bett, das im Regenerationsmodus betrieben wird, auf einen Regenerationstemperaturbereich zu erhitzen.
System nach Anspruch 4, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem eine Antriebsquelle umfasst, die dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung innerhalb des Zirkulators zu bewegen.
System nach Anspruch 5, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem in Fluidverbindung mit einem CO₂-Ausgabeteilsystem steht.
System nach Anspruch 5, wobei die Wärmequelle ein Abwärmetauscher ist, der dafür konfiguriert ist, in thermischer Verbindung mit der Abgasströmung stromabwärts des Motors zu stehen, und wobei die Antriebsquelle ein mit einer Turbine verbundener Kompressor ist, wobei der Abwärmetauscher in Fluidverbindung zwischen dem Kompressor und der Turbine steht, so dass die Abwärme die Turbine zum Antrieb des Kompressors antreibt.
System nach Anspruch 1, das ferner einen Strömungserzeuger umfasst, der dafür konfiguriert ist, der Abgasströmung eine Antriebsströmung zuzuführen, die durch das Kohlenstoffabscheidungssystem zu einem entsprechenden TSA-Bett fließt, das im Abscheidungsmodus betrieben wird.
System nach Anspruch 8, das ferner ein Dehydrierungsteilsystem stromabwärts des Strömungserzeugers und stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten umfasst, um Wasser stromaufwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Abscheidungsmodus betrieben werden.
System nach Anspruch 9, wobei das Dehydrierungsteilsystem mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs und zugehörige Ventile umfasst, wobei das Steuermodul dafür konfiguriert ist, die mindestens zwei Dehydrierungs-TSAs so zu betreiben, dass ein erster Dehydrierungs-TSA in einem Wassereinfangmodus betrieben wird, um trockenes Abgas an mindestens einen der Vielzahl von CO₂-TSAs auszugeben, und ein zweiter Dehydrierungs-TSA in einem Wasserregenerationsmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs, die erwärmt wurden, oder in einem Kühlmodus unter Verwendung der Stickstoffströmung aus der Vielzahl von CO₂-TSAs, die gekühlt wurden, betrieben wird.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Dehydrierungsteilsystem umfasst, das in jedes der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten integriert ist, um Wasser und CO₂ am selben Ort zu entfernen.
System nach Anspruch 11, das ferner ein Stickstoffrezirkulationssystem mit einem Stickstoffströmungsförderer umfasst, der dafür konfiguriert ist, den von einem jeweiligen TSA-Bett im Abscheidungsmodus abgegebenen Stickstoff zu rezirkulieren, um die Kühlwirkung des ersten, zweiten und dritten TSA-Betts zu erhöhen, wenn es im Kühlmodus betrieben wird.
System nach Anspruch 12, das ferner ein Dehydrierungsteilsystem stromabwärts von mindestens dem ersten, zweiten und dritten TSA-Bett umfasst, wenn es im Produktionsmodus betrieben wird, um Wasser stromabwärts von mindestens einem der ersten, zweiten und dritten TSA-Betten zu entfernen, die im Produktionsmodus betrieben werden.
Kohlenstoffabscheidungssystem, umfassend: ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett, das dafür konfiguriert ist, CO₂ innerhalb eines Abscheidetemperaturbereichs abzuscheiden und das abgeschiedene CO₂ bei einem Regenerationstemperaturbereich oberhalb des Abscheidetemperaturbereichs zu regenerieren; und ein Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem, das selektiv mit dem TSA-Bett verbunden und dafür konfiguriert ist, eine erhitzte Produktionsströmung durch ein Thermowechseladsorptions- (TSA) Bett zu zirkulieren, um zusätzliches CO₂ aus dem TSA-Bett zu regenerieren, um die CO₂-Konzentration in der Produktionsströmung zu erhöhen.
System nach Anspruch 14, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem eine Wärmequelle enthält, die dafür konfiguriert ist, der Produktionsströmung ausreichend Wärme zuzuführen, um das TSA auf einen Regenerationstemperaturbereich zu erhitzen.
System nach Anspruch 15, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem eine Antriebsquelle umfasst, die dafür konfiguriert ist, die Produktionsströmung innerhalb des Zirkulators zu bewegen.
System nach Anspruch 16, wobei das Produktionsstrom-Zirkulatorteilsystem in Fluidverbindung mit einem CO₂-Ausgabeteilsystem steht.
Verfahren, umfassend: Rezirkulieren einer erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung zu einem CO₂-TSA-Bett, um die CO₂-Konzentration in einem Produktionsmodus des CO₂-TSA-Betts zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner die Verwendung von Motorabwärme zur Erwärmung der erwärmten CO₂-reichen Produktionsströmung und zur Bereitstellung von Antriebskraft für die erwärmte CO₂-reiche Produktionsströmung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner die Rückführung von Stickstoff zur Kühlung des TSA-Betts in einem Kühlmodus umfasst.