TW201213003A - Energy efficient production of CO2 using single stage expansion and pumps for elevated evaporation - Google Patents

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TW201213003A
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Description

201213003 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於液化包含於廢氣中之c〇2的方法及裝置。 從廢氣中液化c〇2早已為人所知一段極長時間。 、 【先前技術】 大多數從燃燒廢氣中製備c〇2的低溫方法係使用具有兩 個或多個分離階段的慣用分離流程。在圖丨中，該先前技 術之裝置係以方塊圖顯示。 在該申請案之圖示中，廢氣流以及c〇2在不同點的溫度 及壓力係藉由所謂旗誌、表示。屬於各旗誌、的溫度及壓力細 收集於在下表中。對擅長該項技術者顯而易見的是：此等 溫度及壓力僅為實例。其可因廢氣組成、環境溫度及所需 液體C〇2的純度而變化。 在第Μ縮器1中’廢氣被壓縮H缩可為多階段壓 縮製程’其中在各壓縮階段(未顯示)之間存在冷卻器及水 分離器，從而從廢氣中分別分離大多數水蒸氣及水。 在圖1中，廢氣流係以參考數字3表示。當由第一壓縮器 排出時，廢氣具有明顯高於環境溫度的溫度， 一冷卻器5冷卻至約饥。壓力為約35·7巴。❹由第 仍然包含在廢氣流3中的濕氣係藉由適當的乾燥製程， 例如在乾燥器7中吸附乾燥而除去水，然後運送至第一分 離=段9。該第一分離階段9包含第一熱交換器i】及中間分 離筒13。該第—熱交換器丨丨係用於冷卻廢氣流3❶由於該 冷部，含於廢氣流3中的c〇2發生部份冷凝。因此，廢氣流 157164.doc 201213003 3以二相混合物形式進入中間分離筒13中。在此，廢氣流 之液相及氣相係藉由重力而分離。在第一分離筒中，壓力 為約34_7巴及溫度為-19°C(參見5號旗誌）。 在中間分離筒13的底部，液體C02係經提取並經由第一 '減壓閥15_1膨脹至約18.4巴的壓力（參見參考數字3.1)。這 -導致C〇2溫度介於_22°C及-29°C之間（參見10號旗誌）。廢氣 之部份C〇2流3.1係藉由廢氣流3在第一熱交換器〗丨中加熱 並蒸發。在第一熱交換器11的出口處，部份流3丨具有約 〇 25°c的溫度及約18巴的壓力（參見11號旗誌）。 沿在中間分離筒13之頂部提取的第二部份流3·2，顯而 易見的是：以氣態從中間分離筒13提取之該部份流3.2在 第二熱交換器17中冷卻並部份冷凝。隨後，亦以二相混合 物形式存在之該部份流3.2被運送至第二分離筒19中。第 一熱父換器17及第二分離筒19為第二分離階段以的主要組 件。 〇 在第二分離筒19中，部份流3‘2之液相及氣相之間再次 發生重力支持之分離。在第二分離筒19中，壓力為約Μ 3 巴及溫度為約-5〇°C(參見6號旗誌）。 第二分離筒19中之氣相（所謂排氣23)在第二分離筒㈣ 4被提取’並在第二減壓閥15·2中膨脹至約η巴，使得其 冷卻至約_54t：(參見7號旗誌）。 '、 ^該等圖巾，減係以參考數扣表排氣23流過第 -熱交換器17’因此冷卻逆向流之廢氣32。 在第二分離筒19的底部，液體c〇2(參見參考數字3.3)係 157164.doc 201213003 經提取並在第三減壓閥15 3下膨脹至約17巴使得其也達 到-54°C的溫度（參見7a號旗誌）。該流33也被運送至第二 熱交換器17中。在第二熱交換器17中’部份液體c〇2蒸發 及流3.3在第四減壓閥15.4中膨脹至約5至1〇巴，使得此時 達到-54 C的溫度（參見7b號旗誌）及流3 3再次運送至第二 熱交換器17中。 在流3.3流過第二熱交換器丨7後’再次將其運送至第一 熱交換器11中。在第一熱交換器丨丨的入口處，該流具有約 5至10巴的壓力及_22。(：至-29°C之溫度（參見14號旗誌）。 該流3.3在第一熱交換器丨丨中吸收熱量，使得在其出口 處’其具有約-7。(：的溫度及約5至1 〇巴之壓力。第三流3 3 係運送至第二壓縮器25之第一壓縮器階段中，而具有約18 巴之壓力的流3.1係運送至如圖1所示三階段壓縮器2 5中之 第二壓縮器階段。 在第二壓縮器2 5之不同階段之間的中間冷卻器及用於壓 縮C〇2的後冷卻器未顯示在圖1中。 在第二壓縮器25的出口處，經壓縮c〇2具有介於6〇巴及 110巴之間的壓力及80°C至130。(：之溫度，在未顯示之後冷 卻器中，C02經冷卻至環境溫度。 視需要’ C〇2可直接導入導管中或可經液化並從第一 C〇2幫浦27運送進入例如導管（未顯示）中。第一 c〇2幫浦27 提升液體C02的壓力至導管中的既定壓力。 回到排氣23，可見排氣流通過第二熱交換器丨7及第一熱 交換器11 ’從而吸收來自廢氣流3的熱量。在第一熱交換 157164.doc 201213003 器11的出口處，排氣23具有約26t：至3(rc的溫度及約26巴 的壓力（參見16號旗誌）。 為使能量回收最大化，已知利用排氣過熱器29過度加熱 排氣23，然後將其運送至膨脹渦輪機31或任何其他膨脹機 中於其中回收機械能且之後，排氣以大約相當於環境壓 力的低壓排出到週遭環境中。 藉由圖1所敘述用於液化(：〇2的該裝置相對簡單且運行正 常。從例如以化石作為燃料之發電廠的廢氣中製備液體 C〇2之該先前技術的缺點係其對發電廠之淨有效度具有負 面影響之高能量需求。 【發明内容】 因此，本發明之目的在於提供以降低能源需求進行操作 並因此增加發電廠之淨有效度來液化廢氣中所含之C02的 方法及裝置。 同時，該方法應儘可能簡單及可有利控制操作技術以保 0 證有力及無麻煩的操作。 【實施方式】 根據本發明，該目標係以從燃燒廢氣中製備液體C02的 方法達成’其中該廢氣在單階段相分離中部份冷凝該單 階奴相分離包括至少一個熱交換器及—個分離筒，其中該 至^ 個熱父換器係經膨脹排氣及膨脹液體c〇2所冷卻及 其中部份c〇2係膨脹至第一壓力值並在通過至少一個熱交 換器後於一額外分離筒中分離成液體及氣體c〇2，其 中"亥額外分離筒之液體CO2及氣體co2係膨脹至第二壓力 157164.doc 201213003 值。分離筒之第二部份的液體c〇2係膨脹至第三壓力值以 在至少一個熱交換器中冷卻co2。 由於較高壓力值之C〇2蒸發所造成較低之容積流，結果 第二壓縮器25之所需能源顯著減少，其對改良上游發電廠 之净有效度具有直接影響。 本發明之一個更加有利的實施例包括第一分離筒中第三 部份之液體C〇2的壓力上升至第四壓力值以在至少一個熱 交換器中冷卻C〇2的步驟。 接著可將該C〇2流引入至甚至更高壓縮階段之壓縮器25 中，導致能源消耗進一步降低。 較佳係該分離筒中第二部份之液體C〇2膨脹至約15巴至 25巴（較佳係20巴）的壓力。該壓力範圍符合離心壓縮器常 用之常見壓縮比。 該主張方法之一更加有利的實施例包括第一分離筒之第 三部份的液體C〇2係上升至約40巴至50巴（較佳係45巴）的 壓力。 該等壓力值一方面可使工廠以能源有效方式操作，同時 保持市售壓縮比並可使工廒依據例如所需c〇2品質及/或環 境溫度在不同操作點運作。 在至少一個熱交換器中使用來自分離筒之部份c〇2流以 達冷卻目的亦為有利。 藉由使用此等用於冷卻目的之C〇2流，可以避免使用可 燃冷卻介質，此導致燃燒危險性降低並將安全系統的成本 減至最小。 157164.doc 201213003 藉由將c〇2流引入至第二壓縮器之不同階段（取決於其壓 力值）可以降低能源消耗。 在第一壓縮器中壓縮廢氣（3)，然後在第一冷卻器中冷 卻及/或在乾燥器中乾燥之，接著進入至少一個熱交換器 . 中，這會減少廢氣體積，因為已分離出大部分水蒸氣。這 '意味乾燥器的尺寸及製備液體C〇2的工廠規模可以更小， 而使能源損失減少及成本降低。 冑人至少-個熱交換器之前，藉由來自最後分離階段之 排氣膨脹至約27巴並產生約_54°C的溫度，膨脹後的壓力 值可以儘可能地高，從而最大化膨脹機中能源之回收。 進一步降低能源消耗可以藉由在排氣已經通過至少一個 熱交換器後在至少一個膨脹機中膨脹並接著再將其引入到 至少一個熱交換器中而達成。 視需要，在已經通過至少一個熱交換器後並於進入至少 一個膨脹機之前，過度加熱排氣23。如果廢熱可用於過度 ◎ 加熱，可增加膨脹機的輸出而使工廠之總效率更佳。 較佳係使用兩個膨脹階段（參見圖3),從而最大化可以 引導至第三及第四壓力值的C〇2含量。 本發明之其他優勢係結合下列圖2及3說明。 在圖2中，相同組件係以相同參考數字表示。有關圖1之 說明對應地適用。 如圖1所描述，廢氣流3在第一壓縮器1、第一冷卻器5、 乾燥二7、第一熱父換器u中進行處理。廢氣流3從第一熱 父換盗11直接流向第二熱交換器17，然後運送至現第一分 157164.doc 201213003 離筒19中。廢氣流3之二相（液相及氣相筮 ^日J隹第—分離筒19中 分成排氣流23及部份C〇2液體流。在笸―八祕_ 甘乐分離筒19的底 部’提取該部份流，其具有如圖1之參考數字33。 如在圖1之描述中所說明般，部份流3 3 . w在第二減壓閥 15.3中膨脹至17_5巴之壓力，從而冷卻至_54。〇。部份流33 流過第二熱交換器1 7，因此從廢氣流3吸收熱量並以 約-47°C(參見8’號旗誌）的溫度進入第二分離筒33中。於該 處’部份液體及部份氣體C〇2具有約16.5巴的壓力及_47〇C 的溫度（參見9’號旗誌）。 在第二分離筒33的頂部中，氣相係經提取並在第四減壓 閥1 5.4中膨脹。在第二分離筒33之頂部提取的部份氣體流 在圖2中係以參考數字3.4表示。 在第二分離筒33之底部，液體流3.5係經提取並在第五 減壓閥1 5.5中膨脹。因此使部份流3.4及3.5再次結合。彼 時其具有約5至10巴的壓力及-54°C的溫度（參見7d·號旗 諸）。 來自第一分離筒19之第二部份的c〇2 3.6係經由第六減 壓閥15.6膨脹至》23巴的壓力（參見7e’號旗諸）並返回至中 間入口點之交換器1 7。 可以此部份液體、部份氣體C〇2冷卻第二熱交換器1 7中 之廢氣流3。 由於部份流3.6之入口溫度大於排氣23以及部份流3 ·3的 入口溫度’排氣流3首先被部份流3.6冷卻。因此，即使具 有-45°C之該較高溫度，仍可從排氣流3吸收熱量。在圖2 157164.doc •10- 201213003 中β亥事實係藉由部份流3 ·6之熱交換區的位置說明。 邛伤流3.6以約_22。(：至-29°C的溫度（參見13號旗誌）離開 第一熱交換器17，然後直接運送至第一熱交換器11中。在 第熱交換器11中，部份流3.6吸收來自排氣流3的熱量。 »亥。卩伤流3.6以約25°C的溫度及約18巴的壓力離開第一熱交 換态（參見11’號旗誌）並因此運送至第二壓縮器25的第二壓 縮階段。 ❹ 由於部份流3.6可以運送至第二壓縮器25之第二壓縮階 段，必須運送至第二壓縮器25之第一壓縮階段的部份流 3.3相應降低。因此第二壓縮器25所需要的能源較少。這 對根據本發明裝置之能源需求具有正面影響。 有時利用C〇2幫浦37將來自第一分離筒19之剩餘液體 C〇2 3.7抽吸（參見參考數字37)至^45巴的壓力（參見7g號旗 誌）並亦返回至中間入口點之交換器17中。 與部份流3.6平行，另一部份流3 7流經第二熱交換器17 ❹ 及第一熱交換器丨丨。部份流3.7係藉由C02幫浦驅動並提升 至約45巴的較高壓力值（參見7g號旗誌）。第八減壓閥15 8 用於控制藉由C〇2幫浦37所抽吸的c〇2量。 由於部份流3.6及3.7入口溫度大於排氣23及部份流3.3的 入口溫度，排氣流3首先被部份流36及3 7冷卻。因此，即 使具有較高溫度，仍可從排氣流3吸收熱量。在圖2中，該 事實係藉由部份流3.7之熱交換區的位置說明。 部份流3.7以約-22°C至-29°C的溫度（參見20號旗誌）離開 第二熱交換器17，然後直接運送至第一熱交換器^中。在 157164.doc 201213003 第一熱交換器11中’部份流3.7吸收來自排氣流3的熱量。 該部份流3.7以約25。(：的溫度及約44巴的壓力離開第一熱交 換器（參見21號旗誌）並因此可運送至第二壓縮器25之第二 壓縮階段之後且在第三壓縮階段之前。 由於部份流3_7可以運送至第二壓縮器25之第三壓縮階 段，必須運送至第二壓縮器25之第一壓縮階段的部份流 3.3相應降低。因此第二壓縮器25所需的能源較少。這對 根據本發明裝置之能源需求具有正面影響。 當藉由圖3所示之膨脹器31及39至少兩次膨脹來使用排 氣能量時，可提取部份流3.7。如下文所述，這將最大化 從排氣之冷回收。 所有液體或二相C02流（3.3、3.6、3.7)在交換器17及11 中蒸發，然後送至C02再壓縮器或第二壓縮器25中。取決 於壓力值，在第二壓縮器25之不同壓縮階段引入C02流。 使用不同壓力值以蒸發C〇2具有若干優勢：對廢氣冷凝 提供更好控制。而且，容易取得可用較高壓力之C〇2可將 整體壓縮需求降到最低。 在第一熱交換器11出來後於排氣過熱器19中過度加熱排 氣23 ’以及在膨脹渦輪機3 1中膨脹後將其再次運送至第二 熱交換器17，可另外降低C02液化廠之能源需求。過度加 熱後’排氣具有約80°C至約1〇0。〇的溫度，約26巴之壓力 (參見17號旗誌）。藉由在第一膨脹機3 1中膨脹，壓力降至 2.3巴及排氣23達到_54°C的溫度。因此，排氣23可再次分 別提供廢氣流3及部份流3.2之冷卻。此後，排氣23可以低 157164.doc 12 201213003 壓及約環境溫度排放至週遭環境。 如圖3所示’還可以進行排氣23之多階段膨脹及過度加 熱。 在圖3所示的實施例中，排氣23係從第一熱交換器丨i出 來後直接送至第一膨脹渦輪機31中，並接著送至第二熱交 換器17中。排氣從第二熱交換器17流經第一熱交換器u。 在進入第一膨脹渦輪機3丨之前，排氣具有約3〇。〇的溫度及 約26巴之壓力（參見16號旗誌）。由於在第一膨脹機31中膨 脹’壓力降至8巴及排氣達到_54。〇的溫度。 第二階段的膨脹包括第二膨脹機39。在進入第二膨脹機 39之前’排氣23具有約30。(：的溫度（參見22號旗誌）。由於 在第二膨脹機39中膨脹’壓力降至2巴及排氣達到_47°c的 溫度（參見23號旗誌、）。 因此’排氣23可再次分別提供廢氣流3及部份流32之冷 卻。此後，排氣23可以低壓及約環境溫度排放至週遭環 境。 因為一方面排氣23較大程度地分別提供廢氣流3及部份 流3.2之冷卻及膨脹機31及/或39產生機械功，例如其可用 於驅動第一壓縮器i或第二壓縮器25，故單階段或多階段 膨脹亦使根據本發明之裝置的能量需求顯著降低。總之， 可表明為：根據本發明之方法及執行本發明之方法所需的 C〇2液化裝置在其設計上雖有顯著優點，但仍舊相對簡 單。 而且，該裝置明顯改善對廢氣冷凝的控制。藉由調節 157164.doc -13- 201213003 C02幫浦37及閥15.6及15.3的流速，可改變用於熱量傳遞 的驅動力，即對數平均溫度差（LMTD)。依此方式，可以 調節分離階段的性能。當在接近C02之昇華及凝固點之冷 凝溫度下操作時，這顯得尤其重要。 爲了將所述效果最大化，從分離自排氣回收之熱量可藉 由將排出氣體/排氣23在膨脹後於排放至大氣之前至少再 循環至冷卻箱一次而增加。 旗誌、壓力及溫度表 旗誌號 約略溫度[°C] 約略壓力[巴] 1 13 35,7 2 13 35 5 -19 34,7 5' -19 34,7 6 -51 34,3 6' -51 34,3 71 -54〇C 27 7a -54 17 7a' -54 27 7b -54 5至10 7b' -48 44 7c -54 17,5 7c' -54 17,5 7d -54 5至10 7d' -54 5至10 7e -45 =20 至 23 7g -47 45 7h -47 44 8 -47 16,5 8' -47 16,5 9 -47 16,5 9' -47 16,5 10 -22 至-29 20,5 11 25 20 11' 26 至 30 19 12 -7 5-10 12' -7 5至10 13 22 至-29 20 圖1中之排氣23 157164.doc -14- 201213003 14 -22 至-29 5-10 16 26 至 30 26 17 80 至 100 25,8 18 -54 2,3 19 80 至 130 60 至 110 20 -22 至-29 43,5 21 26 至 30 43 22 26 至 30 7 溫度公差為±5 °C 壓力公差為±5巴 【圖式簡單說明】 圖1為按照先前技術從廢氣中液化(：〇2的裝置；及 圖2及3為根據本發明液化C02之裝置實施例。 〇 【主要元件符號說明】 1 第一壓縮器 3 廢氣流 3.1 部份C02流 3.2 部份C02流 3.3 膨脹液體co2流 3.4 氣體co2 3.5 第一部份液體CO 3.6 第二部份液體CO 3.7 液體C02 5 第一冷卻器 7 乾燥器 9 第一分離階段 11 第一熱交換器 13 中間分離筒 15.1 第一減壓閥 157164.doc -15- 201213003 15.2 第二減壓閥 15. 3 第三減壓閥 15.4 第四減壓閥 15. 5 第五減壓閥 15. 6 第六減壓閥 15.8 第八減壓閥 17 第二熱交換器 19 第一分離筒 21 第二分離階段 23 排氣流 25 第二壓縮器 27 第一 C02幫浦 29 排氣過熱器 31 膨脹渦輪機 33 第二分離筒 37 co2幫浦 39 第二膨脹機 1 1號旗誌 2 2號旗誌 5' 5'號旗誌 6, 6’號旗誌 7a' 7a3虎旗誌 7c'號旗誌 7d'號旗誌 157164.doc -16- 201213003 7e 7e號旗誌 8' 8'號旗誌 Ώ 9'號旗誌 Ε 1Γ號旗誌 . 123虎旗誌 * EH 131虎旗誌 Ξ 141虎旗誌 θ 1 6號旗誌 Ο [π] 1 7號旗誌 Ε 1 8號旗誌 θ 19號旗誌 a 20號旗誌 21號旗誌 22號旗誌 23號旗誌 ο 157164.doc 17

Claims (1)

  1. 201213003 七、申請專利範圍： 1. 一種從燃燒廢氣製備液體C〇2的方法，其中該廢氣在單 階段相分離中部份冷凝，該單階段相分離包括至少一個 熱交換器（11，17)及一個分離筒（19) ’其中該至少—個熱 交換器（11，17)係藉由膨脹排氣（23)及膨脹液體C02(3.3) • 冷卻，及其中該膨脹C〇2(3.3)在通過該至少一個熱交換 器（17)後於一額外分離筒（33)中分離成液體c〇2及氣體 C02，其中該氣體c〇2(3.4)及該額外分離筒（33)中第一部 Ο 伤之液體C〇2 (3.5)膨服至第一壓力值（7d'號旗諸），其中 該額外分離筒（33)中第二部份液體C〇2(3.6)之壓力係膨脹 至第二壓力值（7e’號旗誌），以在該至少一個熱交換器 (17)中冷卻該C02。 2. 如請求項1之方法，其中，該第一分離筒（19)中第四部份 之液體C〇2(3,7)的壓力上升至第四壓力值（7g號旗誌）並膨 脹（7b號旗諸）’以在該至少一個熱交換器（丨7)中冷卻該 C02。 ❹ 3. 如請求項2之方法，其中，該額外分離筒（33)中第四部份 之液體C〇2(3.7)的壓力係上升至約4〇巴至5〇巴，較佳係 ' 47巴（7h號旗誌及20號旗誌）。 ' 4.如請求項1之方法，其中，來自該等分離筒（19, 33)之部 伤匸02；^(3.3，3.6，3.7)係在該至少一個熱交換器（17， U)中用於冷卻之目的。 5.如請求項1之方法，其中，將<：〇2流（3.3，3 6，3 7)依 C〇2流（3.3，3·6，3.7)的壓力引入第二壓縮器为之不同 157164.doc 201213003 階段。 6_如請求項1之方法，其中，該廢氣（3)係在第一壓縮器（1) 中壓縮，在第一冷卻器（5)中冷卻及/或在乾燥器（7)中乾 燥’接著再進入該至少一個熱交換器（11，17)中。 7. 如請求項1之方法，其中，來自最後分離階段（21)之排氣 (23)係膨脹至約27巴並產生約_54°C的溫度，然後再進入 該至少一個熱交換器（17)中。 8. 如請求項1之方法’其中，在已通過該至少一個熱交換 器（11 ’ 17)後，排氣（23)在至少一個膨脹機pi，39)中膨 服並隨後再次引入該至少一個熱交換器（17，u)中。 9. 如請求項〖之方法，其中，該排氣（23)在已通過該至少— 個熱交換器（11，17)之後並在進入該至少一個膨脹機 (31，39)之前，在過熱器（29)中過度加熱。 10. 種從燃燒廢氣製備液體C〇2的工廠，其中該廢氣（3)在 至少—個熱交換器（11，17)、分離筒（19，33)、若干減壓 閥（1 5)及第二多階段壓縮器（25)中部份冷凝。 Π ·如咐求項1 〇之工廠，其中，其包括至少一個c〇2幫浦 (37)。 12. 如明求項10之工廠，其中，其包括至少一個膨脹機（3 ^， 39) ° 13. 如請求項10之工廠，其中，其包括至少一個排氣過熱器 (29)。 14. 如叫求項10之工廠，其中，其包括第一壓縮器（1)、第一 冷卻器（5)及乾燥器（？）。 157164.doc
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