PL243767B1

PL243767B1 - Method of storing carbon dioxide, especially in food industry

Info

Publication number: PL243767B1
Application number: PL436217A
Authority: PL
Inventors: Piotr Krawczyk; Aleksandra Dzido; Krzysztof Badyda
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2023-10-09
Also published as: PL436217A1

Abstract

Ujawniony jest sposób magazynowania dwutlenku węgla, zwłaszcza w przemyśle spożywczym, w układzie zintegrowanej gospodarki dwutlenku węgla, w którym wlotowy strumień (1) gazowego dwutlenku węgla poddaje się sprężaniu w sprężarce (3), a następnie poddaje się procesowi chłodzenia, przy czym chłodzenie prowadzi się w co najmniej pierwszym obiegu chłodzenia (I) czynnikiem chłodniczym, w którym strumień dwutlenku węgla przepuszcza się przez wejściowy wymiennik ciepła (5) oraz wyjściowy wymiennik ciepła (10), gdzie wejściowy wymiennik ciepła (5) w pierwszym obiegu chłodzenia (I) stanowi wielostrumieniowy wymiennik ciepła. Po etapie chłodzenia strumień dwutlenku węgla kieruje się do zaworu dławiącego (6), w którym część strumienia wykrapla się a następnie prowadzi do separatora (7), w którym zachodzi rozdzielenie fazy ciekłej i gazowej strumienia. Po etapie rozdzielania faz w separatorze (7) faza ciekła dwutlenku węgla magazynowana jest w zbiorniku (8) ciekłego dwutlenku węgla po czym zwiększa się ciśnienie fazy ciekłej w pompie (9) a następnie strumień ten prowadzi się do wyjściowego wymiennika ciepła (10) w pierwszym obiegu chłodzenia (I), w którym fazę ciekłą podgrzewa się i regazyfikuje a następnie podgrzewa utworzony przez to strumień gazowy po czym wprowadza się go do turbiny gazowej (12). Uzyskaną w separatorze (7) fazę gazową dwutlenku węgla zawraca się do wielostrumieniowego wymiennika ciepła (5) a następnie kieruje i podłącza się do wlotowego strumienia (1) gazowego dwutlenku węgla w usytuowanym przed sprężarką (3) mikserze (2).A method for storing carbon dioxide, especially in the food industry, is disclosed in an integrated carbon dioxide management system, in which the inlet stream (1) of gaseous carbon dioxide is compressed in a compressor (3) and then subjected to a cooling process, the cooling being carried out in at least the first cooling circuit (I) with a refrigerant, in which a stream of carbon dioxide is passed through an input heat exchanger (5) and an output heat exchanger (10), where the input heat exchanger (5) in the first cooling circuit (I) is a multi-stream heat exchanger. After the cooling stage, the carbon dioxide stream is directed to the throttle valve (6), where part of the stream condenses and then leads to the separator (7), where the liquid and gas phases of the stream are separated. After the phase separation stage in the separator (7), the liquid carbon dioxide phase is stored in the liquid carbon dioxide tank (8), then the pressure of the liquid phase is increased in the pump (9), and then this stream is led to the output heat exchanger (10) in the first cooling cycle (I), in which the liquid phase is heated and regasified, and then the gas stream created is heated and then fed to the gas turbine (12). The carbon dioxide gas phase obtained in the separator (7) is returned to the multi-stream heat exchanger (5) and then directed and connected to the inlet stream (1) of carbon dioxide gas in the mixer (2) located before the compressor (3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób magazynowania dwutlenku węgla w postaci skroplonej z układem do odzysku energii, przeznaczony zwłaszcza do stosowania w przemyśle spożywczym. W szczególności wynalazek stosowany jest w sektorze produkcji napojów gazowanych, a także w instalacjach, w których konieczne jest krótkoterminowe magazynowanie dwutlenku węgla.The subject of the invention is a method for storing carbon dioxide in liquefied form with an energy recovery system, intended especially for use in the food industry. In particular, the invention is used in the carbonated beverage production sector, as well as in installations where short-term carbon dioxide storage is necessary.

W stanie techniki znane są sposoby i układy do magazynowania energii bądź gazu w skroplonym powietrzu, w których gaz poddaje się sprężaniu, wstępnemu chłodzeniu oraz dławieniu, w wyniku czego część strumienia się wykrapla. Skroplone powietrze jest następnie magazynowane i w odpowiednim czasie regazyfikowane. Stosowana w tym procesie instalacja do magazynowania energii w skroplonym powietrzu z modułem do separacji tlenu przedstawiona została przykładowo w dokumencie PL233789 B1.The state of the art knows methods and systems for storing energy or gas in liquefied air, in which the gas is compressed, pre-cooled and throttled, as a result of which part of the stream condenses. The liquefied air is then stored and regasified at the appropriate time. The installation for storing energy in liquefied air with an oxygen separation module used in this process is presented as an example in document PL233789 B1.

Ze względu na znaczną energochłonność, zwłaszcza w przypadku etapu sprężania gazu, znane są sposoby podwyższenia sprawności układów do magazynowania energii w skroplonym powietrzu poprzez zastosowanie obiegu parowego (przykładowo w dokumencie PL236371 B1) lub modułu parowego (jak na przykład w dokumencie PL236372 B1). Podobnie, stosowanie modułu skraplania i regazyfikacji powietrza w celach magazynowania energii połączonego z układem wytwarzania energii w obiegu parowym przedstawiono w dokumencie US 2015/0113940 A1.Due to the significant energy consumption, especially in the case of the gas compression stage, there are known ways to increase the efficiency of systems for storing energy in liquefied air by using a steam cycle (e.g. in document PL236371 B1) or a steam module (e.g. in document PL236372 B1). Similarly, the use of an air liquefaction and regasification module for energy storage purposes combined with a steam cycle energy generation system is presented in document US 2015/0113940 A1.

Sposób oraz układ do skraplania gazu innego niż powietrze zaprezentowano w dokumencie PL233185 B1. Opisana w tym dokumencie instalacja służy do magazynowania gazu ziemnego w postaci skroplonej i jest dedykowana dla dużych odbiorców tego paliwa w celu optymalizacji pracy ich instalacji ze względu na koszty utrzymania przyłącza gazowego. Ujawnione w dokumencie PL233185 B1 rozwiązanie uwzględnia instalację upłynnienia gazu ze zbiornikiem magazynującym fazy ciekłej i obwodem recyrkulacji fazy gazowej oraz zespół regazyfikacji ciekłego gazu z obwodem regazyfikacji łączącym zbiornik magazynujący z ekspanderem podgrzanego gazu. Instalacja upłynnienia gazu obejmuje co najmniej dwa wielostrumieniowe wymienniki ciepła z oddzielnymi obiegami chłodniczymi.The method and system for liquefying gas other than air are presented in document PL233185 B1. The installation described in this document is used to store natural gas in liquefied form and is dedicated to large consumers of this fuel in order to optimize the operation of their installation due to the costs of maintaining the gas connection. The solution disclosed in document PL233185 B1 includes a gas liquefaction installation with a liquid phase storage tank and a gas phase recirculation circuit, and a liquid gas regasification unit with a regasification circuit connecting the storage tank with the heated gas expander. The gas liquefaction installation includes at least two multi-stream heat exchangers with separate cooling circuits.

Jak opisano na podstawie przytoczonych dokumentów ze stanu techniki - głównym celem ujawnionych w nim sposobów i układów jest magazynowanie energii - w postaci odpowiednio skroplonego powietrza lub gazu ziemnego. Rozwiązania te w praktyce wiążą się ze znacznymi stratami energetycznymi wynikającymi głównie ze sprężania gazu, stanowiącego najbardziej energochłonny etap procesu. Z tego względu w dalszym ciągu dąży się do minimalizacji strat energii procesowej oraz możliwego jej odzysku, zwłaszcza w zakresie różnego rodzaju zastosowań oraz związanych z nim wymogów oraz ograniczeń technologicznych.As described on the basis of the cited prior art documents, the main purpose of the methods and systems disclosed therein is to store energy - in the form of liquefied air or natural gas, respectively. In practice, these solutions are associated with significant energy losses resulting mainly from gas compression, which is the most energy-intensive stage of the process. For this reason, efforts are still made to minimize process energy losses and its possible recovery, especially in the field of various types of applications and related requirements and technological limitations.

W przemyśle spożywczym, szczególnie w sektorze produkcji napojów gazowanych, stosowany jest dwutlenek węgla. Pozyskuje się go często ze spalin silników pracujących na terenie zakładu. Niestety, w praktyce zapotrzebowanie na energię elektryczną konieczną do wytwarzania dwutlenku węgla nie pokrywa się w czasie z faktycznym i aktualnym zapotrzebowaniem na ten gaz, który to konieczny jest w produkcji napojów gazowanych. Zachodzi więc konieczność magazynowania dwutlenku węgla, który w warunkach normalnych jest gazem, a zatem do jego przechowywania konieczne byłoby stosowanie zbiorników o znacznej objętości. W celu zmniejszenia wymiarów instalacji magazynującej praktykowane jest przechowywanie dwutlenku węgla w postaci skroplonej. Obecnie do ochłodzenia i skroplenia dwutlenku węgla stosuje się np. agregaty chłodnicze, jednakże nie zapewniają one w pełni satysfakcjonującego oraz wydajnego obniżenia strat energetycznych procesu.Carbon dioxide is used in the food industry, especially in the carbonated beverage production sector. It is often obtained from the exhaust gases of engines operating at the plant. Unfortunately, in practice, the demand for electricity necessary to produce carbon dioxide does not coincide with the actual and current demand for this gas, which is necessary in the production of carbonated drinks. There is therefore a need to store carbon dioxide, which is a gas under normal conditions, and therefore it would be necessary to use tanks with a significant volume. In order to reduce the dimensions of the storage installation, carbon dioxide is stored in liquefied form. Currently, refrigeration units are used to cool and liquefy carbon dioxide, but they do not provide a fully satisfactory and efficient reduction in energy losses of the process.

W świetle powyższego, u podstaw przedmiotowego wynalazku leży zadanie opracowania nowego sposobu krótkoterminowego magazynowania dwutlenku węgla do zastosowań w przemyśle spożywczym, w którym zapewniona jest możliwość odzysku części energii a przez to zwiększenie sprawności procesu.In the light of the above, the basis of the present invention is the task of developing a new method of short-term storage of carbon dioxide for applications in the food industry, in which it is possible to recover part of the energy and thus increase the efficiency of the process.

Zgodny z wynalazkiem sposób magazynowania dwutlenku węgla, zwłaszcza w przemyśle spożywczym, prowadzi się w układzie zintegrowanej gospodarki dwutlenku węgla, w którym wlotowy strumień gazowego dwutlenku węgla poddaje się sprężaniu w sprężarce, a następnie poddaje się procesowi chłodzenia. Chłodzenie prowadzi się w co najmniej pierwszym obiegu chłodzenia czynnikiem chłodniczym, w którym strumień dwutlenku węgla przepuszcza się przez wejściowy wymiennik ciepła oraz wyjściowy wymiennik ciepła, gdzie wejściowy wymiennik ciepła w pierwszym obiegu chło dzenia stanowi wielostrumieniowy wymiennik ciepła. Po etapie chłodzenia strumień dwutlenku węgla kieruje się do zaworu dławiącego, w którym część strumienia wykrapla się a następnie prowadzi do separatora, w którym zachodzi rozdzielenie fazy ciekłej i gazowej strumienia, po czym faza ciekła jest magazynowana a następnie ogrzewana, regazyfikowana i formowana w wylotowy strumień gazowego dwutlenku węgla. Sposób charakteryzuje się tym, że po etapie rozdzielania faz w separatorze faza ciekła dwutlenku węgla magazynowana jest w zbiorniku ciekłego dwutlenku węgla po czym zwiększa się ciśnienie fazy ciekłej w pompie a następnie strumień ten prowadzi się do wyjściowego wymiennika ciepła w pierwszym obiegu chłodzenia, w którym fazę ciekłą podgrzewa się i regazyfikuje a następnie podgrzewa utworzony strumień gazowy po czym wprowadza się go do turbiny gazowej. Uzyskaną w separatorze fazę gazową dwutlenku węgla zawraca się do wielostrumieniowego wymiennika ciepła a następnie kieruje i podłącza się do wlotowego strumienia gazowego dwutlenku węgla w usytuowanym przed sprężarką mikserze. Ponadto, wlotowy strumień gazowego dwutlenku węgla, po etapie sprężania w sprężarce oraz przed etapem chłodzenia w wielostrumieniowym wymienniku ciepła w pierwszym obiegu chłodzenia chłodzi się wstępnie w co najmniej drugim obiegu chłodzenia czynnikiem chłodniczym, przy czym czynniki chłodnicze w pierwszym obiegu chłodzenia i drugim obiegu chłodzenia są substancjami o innym zakresie temperatury, w którym są cieczą. Drugi obieg chłodzenia obejmuje pierwszy dwustrumieniowy wymiennik ciepła, który zlokalizowany jest przed wielostrumieniowym wymiennikiem ciepła w pierwszym obiegu chłodzenia oraz trzeci wymiennik ciepła, który zlokalizowany jest za wyjściowym wymiennikiem ciepła wymiennikiem ciepła w pierwszym obiegu chłodzenia.The method of storing carbon dioxide according to the invention, especially in the food industry, is carried out in an integrated carbon dioxide management system, in which the inlet stream of gaseous carbon dioxide is compressed in a compressor and then subjected to a cooling process. Cooling is carried out in at least a first refrigerant cooling circuit, in which a stream of carbon dioxide is passed through an input heat exchanger and an output heat exchanger, where the input heat exchanger in the first cooling cycle is a multi-stream heat exchanger. After the cooling stage, the carbon dioxide stream is directed to the throttle valve, where part of the stream condenses and then leads to a separator where the liquid and gaseous phases of the stream are separated, after which the liquid phase is stored and then heated, regasified and formed into an outlet stream. carbon dioxide gas. The method is characterized by the fact that after the phase separation stage in the separator, the liquid phase of carbon dioxide is stored in the liquid carbon dioxide tank, then the pressure of the liquid phase in the pump is increased and then this stream is led to the output heat exchanger in the first cooling cycle, in which the phase the liquid is heated and regasified, and then the created gas stream is heated and then fed to the gas turbine. The carbon dioxide gas phase obtained in the separator is returned to the multi-stream heat exchanger and then directed and connected to the inlet carbon dioxide gas stream in the mixer located before the compressor. Furthermore, the inlet carbon dioxide gas stream, after the compression step in the compressor and before the cooling step in the multi-stream heat exchanger in the first cooling circuit, is pre-cooled in at least a second cooling circuit with a refrigerant, wherein the refrigerants in the first cooling circuit and the second cooling circuit are substances with a different temperature range in which they are liquid. The second cooling circuit includes a first double-stream heat exchanger, which is located upstream of the multi-stream heat exchanger in the first cooling circuit, and a third heat exchanger, which is located after the output heat exchanger - the heat exchanger in the first cooling circuit.

Korzystnie jest również, gdy czynnik chłodniczy w pierwszym obiegu chłodzenia i drugim obiegu chłodzenia magazynowany jest w co najmniej jednym zbiorniku zimnego czynnika chłodniczego oraz co najmniej jednym zbiorniku ciepłego czynnika chłodniczego.It is also advantageous if the refrigerant in the first cooling circuit and the second cooling circuit is stored in at least one cold refrigerant tank and at least one warm refrigerant tank.

Ponadto korzystnie jest, gdy turbina gazowa sprzężona jest z generatorem.Moreover, it is advantageous if the gas turbine is coupled to the generator.

Przedmiotowy sposób magazynowania dwutlenku węgla pozwala na znaczne zwiększenie sprawności energetycznej procesu. Magazynowanie dwutlenku węgla w postaci ciekłej pozwala na stosowanie niewielkiego zbiornika, który pracować może w warunkach niemal bezciśnieniowych. Ponadto, ze względu na stosowanie gazu występującego już pod pewnym ciśnieniem możliwe jest dalsze ograniczenie nakładów energetycznych wymaganych na etapie skraplania. Wprowadzenie turbiny gazowej na wylocie układu umożliwia odzyskanie niemal połowy energii spożytkowanej na sprężanie gazu co również przyczynia się do zwiększenia sprawności całego procesu. Co istotne także, sposób według wynalazku pozwala na wykorzystanie w procesie ciepła odpadowego, które w przedsiębiorstwach przemysłu spożywczego dostępne jest często w postaci strumienia gorących spalin uzyskanych na innych liniach technologicznych i które to, poprzez zawartą w nich energię, zużytkowane może zostać przykładowo do podgrzania strumienia po regazyfikacji oraz przed jego wprowadzeniem do turbiny.This method of storing carbon dioxide allows for a significant increase in the energy efficiency of the process. Storing carbon dioxide in liquid form allows the use of a small tank that can operate in almost pressure-free conditions. Moreover, due to the use of gas already present at a certain pressure, it is possible to further reduce the energy input required at the liquefaction stage. The introduction of a gas turbine at the outlet of the system allows recovery of almost half of the energy used for gas compression, which also contributes to increasing the efficiency of the entire process. Importantly, the method according to the invention allows the use of waste heat in the process, which in food industry enterprises is often available in the form of a stream of hot exhaust gases obtained on other technological lines and which, due to the energy contained in them, can be used, for example, to heat the stream after regasification and before its introduction to the turbine.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony został w przykładzie wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykładowy układ zintegrowanej gospodarki dwutlenkiem węgla stosowany do realizacji sposobu według wynalazku.The subject of the invention is shown in the example embodiment and in the drawing, in which Fig. 1 shows an example of an integrated carbon dioxide management system used to implement the method according to the invention.

Zgodnie z prezentowanym przykładem wykonania wlotowy strumień 1 gazowego dwutlenku węgla jest sprężany w sprężarce 3 a następnie chłodzony dwuetapowo. Pierwsze chłodzenie strumienia dwutlenku węgla polega na przekazaniu części ciepła strumienia do drugiego obiegu chłodzenia II z czynnikiem chłodniczym drugim w pierwszym dwustrumieniowym wymienniku ciepła 4, natomiast chłodzenie drugie ma miejsce w wielostrumieniowym wymienniku ciepła 5 i odbywa się poprzez oddanie ciepła do strumienia gazu recyrkulowanego oraz strumienia czynnika chłodniczego pierwszego w pierwszym obiegu chłodzenia I. Zarówno pierwszy obieg chłodzenia I jak również drugi obieg chłodzenia II posiadają zbiorniki na stosowany w nich czynnik chłodniczy, tj. zbiornik 15 ciepłego czynnika chłodniczego i zbiornik 16 zimnego czynnika chłodniczego w pierwszym obiegu chłodzenia I oraz odpowiednio zbiornik 17 ciepłego czynnika chłodniczego i zbiornik 18 zimnego czynnika chłodniczego w drugim obiegu chłodzenia II.According to the presented embodiment, the inlet carbon dioxide gas stream 1 is compressed in the compressor 3 and then cooled in two stages. The first cooling of the carbon dioxide stream consists in transferring part of the heat of the stream to the second cooling circuit II with the second refrigerant in the first double-stream heat exchanger 4, while the second cooling takes place in the multi-stream heat exchanger 5 and is carried out by transferring heat to the recirculated gas stream and the refrigerant stream. the first cooling circuit in the first cooling circuit I. Both the first cooling circuit I and the second cooling circuit II have tanks for the refrigerant used in them, i.e. tank 15 of the warm refrigerant and tank 16 of the cold refrigerant in the first cooling circuit I and tank 17, respectively warm refrigerant and cold refrigerant tank 18 in the second cooling circuit II.

Sprężony i schłodzony strumień dwutlenku węgla trafia następnie na zawór dławiący 6, gdzie w efekcie występowania zjawiska Joule’a-Thomsona ochładza się a w wyniku wspomnianego spadku temperatury częściowo skrapla. Po rozdzieleniu faz w separatorze 7 faza gazowa strumienia jest kierowana poprzez wielostrumieniowy wymiennik ciepła 5 do miksera 2, gdzie łączy się z wlotowym strumieniem 1 gazowego dwutlenku węgla. Faza ciekła strumienia kierowana jest do i magazynowana w zbiorniku 8 ciekłego dwutlenku węgla. W momencie wystąpienia zapotrzebowania na dwutlenek węgla, strumień ciekłego dwutlenku węgla jest kierowany na pompę 9 w celu podwyższenia ciśnienia a następnie na system wyjściowych wymienników ciepła, w których zachodzi jego ogrzanie i regazyfikacja, tj. drugi wymiennik ciepła 10 w pierwszym obiegu chłodzenia I a następnie trzeci wymiennik ciepła 11 w drugim obiegu chłodzenia II. Część energii włożonej w proces odzyskiwana jest w turbinie gazowej 12, połączonej z generatorem 13, gdzie energia sprężonego gazu może być zamieniona na energię elektryczną. Uzyskany przez to wylotowy strumień 14 dwutlenku węgla w postaci gazowej gotowy jest do przekazania na instalację produkcyjną napojów gazowanych.The compressed and cooled carbon dioxide stream then goes to the throttle valve 6, where it cools down as a result of the Joule-Thomson effect and partially condenses as a result of the above-mentioned temperature drop. After phase separation in the separator 7, the gaseous phase of the stream is directed through the multi-stream heat exchanger 5 to the mixer 2, where it combines with the inlet carbon dioxide gas stream 1. The liquid phase of the stream is directed to and stored in the liquid carbon dioxide tank 8. When there is a demand for carbon dioxide, the stream of liquid carbon dioxide is directed to the pump 9 to increase the pressure and then to the system of output heat exchangers where it is heated and regasified, i.e. the second heat exchanger 10 in the first cooling cycle I and then third heat exchanger 11 in the second cooling circuit II. Part of the energy input into the process is recovered in the gas turbine 12, connected to the generator 13, where the energy of the compressed gas can be converted into electricity. The resulting outlet stream 14 of carbon dioxide in gaseous form is ready for transfer to the carbonated beverage production installation.

Przedmiotowy wynalazek nie ogranicza się tylko do przedstawionych powyżej przykładów wykonania. Możliwe są różne jego modyfikacje i rozwinięcia w ramach załączonych zastrzeżeń patentowych, bez odejścia od istoty wynalazku.The present invention is not limited to the embodiments presented above. Various modifications and developments are possible within the scope of the attached patent claims, without departing from the essence of the invention.

Claims

1. A method of storing carbon dioxide, especially in the food industry, in an integrated carbon dioxide management system, in which the inlet stream (1) of gaseous carbon dioxide is compressed in the compressor (3) and then subjected to a cooling process, with the cooling being carried out in at least the first cooling circuit (I) with a refrigerant, in which a stream of carbon dioxide is passed through an input heat exchanger (5) and an output heat exchanger (10), where the input heat exchanger (5) in the first cooling circuit (I) is a multi-stream heat exchanger, where after the cooling stage, the carbon dioxide stream is directed to the throttle valve (6), where part of the stream condenses and then leads to the separator (7), where the liquid and gaseous phases of the stream are separated, and then the liquid phase is stored and then heated, regasified and formed into an outlet stream (14) of gaseous carbon dioxide, characterized in that after the phase separation step in the separator (7), the liquid phase of carbon dioxide is stored in the liquid carbon dioxide tank (8) and then the pressure is increased liquid phase in the pump (9) and then this stream is led to the output heat exchanger (10) in the first cooling cycle (I), in which the liquid phase is heated and regasified, and then the created gas stream is heated and then fed to the gas turbine (12), while the carbon dioxide gas phase obtained in the separator (7) is returned to the multi-stream heat exchanger (5) and then directed and connected to the inlet stream (1) of carbon dioxide gas in the mixer (2) located before the compressor (3). , and in that the inlet stream (1) of gaseous carbon dioxide, after the compression stage in the compressor (3) and before the cooling stage in the multi-stream heat exchanger (5) in the first cooling circuit (I), is pre-cooled in at least the second cooling circuit ( II) a refrigerant, where the refrigerants in the first cooling circuit (I) and the second cooling circuit (II) are substances with a different temperature range in which they are liquid, and the second cooling circuit (II) includes a first two-stream heat exchanger ( 4), which is located before the multi-stream heat exchanger (5) in the first cooling circuit (I), and the third heat exchanger (11), which is located after the output heat exchanger (10) in the first cooling circuit (I).

2. The method according to claim 1, characterized in that the refrigerant in the first cooling circuit (I) and the second cooling circuit (II) is stored in at least one tank (16; 18) of cold refrigerant and at least one tank (15; 17) of warm refrigerant .

3. Method according to any of the above claims, characterized in that the gas turbine (12) is coupled to the generator (13).