專(zhuān)利名稱(chēng)：通過(guò)反升華提取二氧化碳和二氧化硫用于其儲(chǔ)存的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以通過(guò)在大氣壓力下反升華(anti-sublimaion)來(lái)提取或捕獲二氧化碳或二氧化硫的方法和系統(tǒng)。二氧化硫在本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)中合適地定義為二氧化硫(SO2)，也可以是SOx類(lèi)型的化學(xué)物質(zhì)，其中x可以具體是3。更具體而言，本發(fā)明涉及可以捕獲存在于發(fā)電廠或熱電站的煙窗中或汽車(chē)引擎的排氣管中的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的方法和系統(tǒng)。進(jìn)行二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的捕獲以用于其儲(chǔ)存。
與加熱系統(tǒng)、發(fā)電廠或汽車(chē)引擎中的燃燒過(guò)程相關(guān)的二氧化碳或CO2排放導(dǎo)致大氣CO2濃度的增加，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是不能接受的。京都議定書(shū)(Kyoto Protocol)由簽署該協(xié)議的成員組成，以限制其排放。限制和能量效率并不足以將CO2濃度限制到可接受水平。二氧化碳的捕獲和其分離是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與將大氣濃度維持在限制氣候變化的水平不可回避的目標(biāo)。
煙氣通常在用煤或其他燃料包括烴操作的發(fā)電廠中處理，其含有可變濃度的SO2，濃度范圍從0.1％至最大3％。這些處理在符合限制SOx、SO2、SO3和其他氧化物向大氣中排放的有效法規(guī)規(guī)定的特定裝置中進(jìn)行，因?yàn)樯鲜鲞@些物質(zhì)具體與城市中的酸雨、發(fā)炎和肺部疾病相關(guān)。發(fā)達(dá)國(guó)家中早在20世紀(jì)80年代就提出了將SOx排放的最小量限制到可接受水平的法規(guī)。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的價(jià)值包括通過(guò)反升華捕獲SO2或聯(lián)合捕獲CO2或SO2以及微量物質(zhì)，如未燃燒的烴。事實(shí)上，這些微量物質(zhì)濃度通常低于1％，因此它們?cè)跓煔庵芯哂蟹浅５偷姆謮?，只有在低于其三相點(diǎn)時(shí)才可以捕獲，即以固相捕獲。
本發(fā)明涉及捕獲二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的方法，其可應(yīng)用于任意燃燒系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方法具有下列特征，即不導(dǎo)致使用這種燃燒系統(tǒng)的、用于推進(jìn)或發(fā)電的汽車(chē)引擎或渦輪能量效率的任何改變。根據(jù)大氣壓力或接近大氣壓力下反升華工藝的CO2(或SO2)的捕獲以能量消耗為零增加或極微小的增加進(jìn)行。將作為實(shí)施例描述用于汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
方法本發(fā)明涉及在大氣氧和大氣氮的存在下、在特意用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械能的設(shè)備中從烴燃燒產(chǎn)生的煙氣中提取二氧化硫或二氧化碳的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法包括在約等于大氣壓的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選為在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華工藝從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下進(jìn)行的冷卻煙氣的步驟還包括在約等于大氣壓力的壓力下提取液態(tài)形式水的步驟。
在約等于大氣壓力的壓力下，使用空氣或水熱交換器從煙氣中提取液態(tài)形式的水。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括利用制冷熱交換器和/或脫水裝置提取煙氣中存在的全部殘余量的水的步驟。
優(yōu)選包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的步驟還包括通過(guò)供應(yīng)制冷劑流體分級(jí)蒸餾產(chǎn)生的千卡(冷凍熱量單位)來(lái)冷卻氮?dú)?、二氧化硫或二氧化碳與二氧化硫的混合物的步驟。根據(jù)包括壓縮階段和冷凝蒸發(fā)的后續(xù)階段的循環(huán)，該分級(jí)蒸餾在制冷劑流體混合物的溫度水平逐漸降低條件下進(jìn)行。
優(yōu)選在包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的步驟之后，進(jìn)行在封閉空間中溶化二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的步驟。
隨著制冷劑流體混合物在過(guò)冷的同時(shí)向封閉空間供應(yīng)卡路里，封閉空間中二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的壓力和溫度變化至二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的三相點(diǎn)。
制冷劑流體混合物優(yōu)選依次確?！し忾]空間中二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化，和·與前述空間對(duì)稱(chēng)的空間中的開(kāi)放循環(huán)中循環(huán)的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的反升華。
二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化和反升華在一個(gè)或另一個(gè)空間中交替進(jìn)行，一個(gè)閉合時(shí)另一個(gè)開(kāi)放。
根據(jù)本發(fā)明的方法還包括在罐、尤其是在可移動(dòng)罐中儲(chǔ)存液體形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的步驟。
在罐、尤其是在可移動(dòng)罐中儲(chǔ)存液體形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的步驟包括下列步驟抽取包含在封閉空間中的液體二氧化硫或液體二氧化碳和液體二氧化硫的步驟，將封閉空間中的壓力恢復(fù)至接近大氣壓力的壓力的步驟，和將液體二氧化硫或液體二氧化碳和液體二氧化硫轉(zhuǎn)移到罐中的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括依次提取包含在煙氣中的蒸汽、二氧化碳、SO2和微量物質(zhì)如未燃燒的烴后，將氮?dú)馀欧诺酵獠靠諝庵械牟襟E。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括下列步驟·將排放到外部空氣的氮?dú)庵邪那Э▊魉椭翢煔?，和·因此促使?duì)煙氣的冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括在約等于大氣壓力的壓力下、使用煙氣中可獲取的熱能，至少部分不用額外供應(yīng)能量，將煙氣冷卻至二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的反升華溫度。
為了利用煙氣中可獲取的熱能，根據(jù)本發(fā)明的方法還包括下列步驟在壓力下利用煙氣加熱或蒸發(fā)水以產(chǎn)生蒸汽的步驟，在渦輪機(jī)中于壓力下使蒸汽膨脹產(chǎn)生機(jī)械能或電的步驟。
系統(tǒng)本發(fā)明還涉及在大氣氧和大氣氮的存在下、在特意用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械能的設(shè)備中從烴燃燒產(chǎn)生的煙氣中提取二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的冷卻裝置。
在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的裝置優(yōu)選還包括在約等于大氣壓力的壓力下以液體形式從煙氣中提取水的提取裝置，特別是交換器。
在約等于大氣壓力的壓力下從煙氣中提取所有或部分液體形式水的提取裝置優(yōu)選包括空氣或水熱交換器。
為了提取煙氣中存在的所有殘余量的水，提取裝置優(yōu)選包括制冷熱交換器和/或脫水裝置。
在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫(以及微量物質(zhì))通過(guò)反升華法從氣態(tài)直接過(guò)渡到固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的冷卻裝置還包括具有集成級(jí)聯(lián)(integrated cascade)的制冷裝置，所述的制冷裝置通過(guò)供應(yīng)由制冷劑流體混合物的分級(jí)蒸餾產(chǎn)生的千卡，來(lái)冷卻氮?dú)?、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的混合物。根?jù)包括壓縮階段和冷凝與蒸發(fā)的后續(xù)階段的循環(huán)，制冷劑流體混合物的分級(jí)蒸餾在溫度水平逐漸降低條件下進(jìn)行。制冷裝置包括壓縮機(jī)、部分冷凝器、分離罐、蒸發(fā)冷凝器、煙氣冷卻蒸發(fā)器、液-氣熱交換器、反升華蒸發(fā)器和膨脹器。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括被其中循環(huán)制冷流體混合物的循環(huán)橫貫的封閉空間。隨著·制冷劑流體混合物在過(guò)冷的同時(shí)向封閉空間供應(yīng)卡路里，和·二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫從固態(tài)過(guò)渡到液態(tài)，封閉空間中的壓力和溫度變化至二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的三相點(diǎn)。
制冷劑流體混合物優(yōu)選依次確保封閉空間中二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化和與前述空間對(duì)稱(chēng)的空間中的開(kāi)放循環(huán)中循環(huán)的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的反升華。二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化和反升華在一個(gè)或另一個(gè)空間中交替進(jìn)行，一個(gè)閉合而另一個(gè)開(kāi)放。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括以液體形式儲(chǔ)存二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的儲(chǔ)存裝置，具體是靜止和/或可移動(dòng)的罐。
將二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫以液體形式儲(chǔ)存在靜止和/或可移動(dòng)罐中的裝置優(yōu)選還包括吸取裝置，具體是氣壓泵。所述的吸取裝置抽出在封閉空間中的液體二氧化硫或液體二氧化碳和液體二氧化硫，將封閉空間中的壓力恢復(fù)至接近大氣壓力的壓力，并將液體二氧化硫或液體二氧化碳和液體二氧化硫轉(zhuǎn)移到罐中。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括用于在連續(xù)提取煙氣中包含的蒸汽、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫之后將氮?dú)馀欧诺酵獠靠諝庵械膲嚎s裝置和/或吸取裝置。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括將排放到外部空氣中的氮?dú)馑那ЭㄞD(zhuǎn)移至煙氣并因此促使煙氣冷卻的轉(zhuǎn)移裝置。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括回收煙氣中存在的熱能的裝置，以在約等于大氣壓的壓力下，至少部分不需要額外供應(yīng)能量而將煙氣冷卻至二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的反升華溫度。
回收煙氣中存在的熱能的裝置優(yōu)選包括·加熱裝置，具體是熱交換器，用于在壓力下利用煙氣來(lái)加熱并蒸發(fā)水，產(chǎn)生蒸汽，·膨脹裝置，具體是渦輪機(jī)，用語(yǔ)在壓力下使蒸汽膨脹，產(chǎn)生機(jī)械能或電。
根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的概括性描述下面將概括描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案變式。在二氧化碳的情況下進(jìn)行了質(zhì)和量上的解釋。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將之?dāng)U展到二氧化硫的情況，或擴(kuò)展到二氧化硫和二氧化碳的情況。每次必須進(jìn)行這種擴(kuò)展時(shí)，都引入術(shù)語(yǔ)“(或SO2)”。廢氣，還稱(chēng)作煙氣，通常由二氧化碳(CO2)、蒸汽(H2O)和氮?dú)?N2)組成。還發(fā)現(xiàn)痕量存在的組分，如CO、NOx、SO2、未燃燒烴等。存在于煙氣中的所有痕量氣體含量通常低于1％-2％，但是其中一些，如SO2或未燃燒烴，通過(guò)所述方法冷卻氣流總量可以將其捕獲。
表1示出了內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的典型摩爾組成和重量組成。
表1
表2示出了煤燒鍋爐煙氣中的典型摩爾組成。
表2
根據(jù)本發(fā)明的方法，冷卻這些煙氣以回收機(jī)械能，將其溫度降低至稍低于常溫。然后通過(guò)制冷循環(huán)將它們冷卻至逐漸較低的溫度，從而可以在約-80℃的溫度、在大氣壓的數(shù)量級(jí)上的壓力下使CO2(或SO2)反升華。
術(shù)語(yǔ)反升華在此處指當(dāng)所討論氣體的溫度低于三相點(diǎn)時(shí)發(fā)生的直接氣/固相變化。

圖1所示為壓力溫度圖中說(shuō)明氣相、液相和固相共存的圖。該圖對(duì)于所有的純物質(zhì)都是有效的。在三相點(diǎn)以下，變化直接發(fā)生在固相和氣相之間。從固體向蒸汽的變化稱(chēng)作升華。沒(méi)有通用的術(shù)語(yǔ)來(lái)表示反向變化。在該說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)反升華來(lái)表示從汽相到固相的直接變化。
煙氣的熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明從900℃-50℃得到的能量稍高于1,000kJ/kg。所述的例子表明可以將34％-36％的該熱能通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸汽渦輪機(jī)循環(huán)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，考慮到交流發(fā)電機(jī)為0.9，可以回收30.5％-32.5％的電。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)一方面通過(guò)生能裝置和/或耗能裝置形成，所述的生能裝置可以將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和/或電，所述的耗能裝置由設(shè)計(jì)有集成級(jí)聯(lián)的制冷裝置形成。廢氣的溫度從約+900℃變?yōu)?90℃。從900℃冷卻到約50℃的過(guò)程中該氣體產(chǎn)生能量，然后，從常溫(例如40℃)到-90℃的過(guò)程中它們消耗能量。所述例子說(shuō)明可獲取的能量遠(yuǎn)高于消耗的能量，因此可以從煙氣中連續(xù)提取蒸汽和CO2(或SO2)，僅向大氣中排放露點(diǎn)在-90℃以下的氮?dú)夂秃哿看嬖诘臍怏w。
蒸汽渦輪機(jī)的尺寸取決于待處理煙氣的流量。對(duì)于汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)而言，它是產(chǎn)生數(shù)量級(jí)為3kW-30kW電的小渦輪機(jī)，取決于內(nèi)燃機(jī)本身的輸出和操作。水從產(chǎn)生機(jī)械能的循環(huán)的蒸發(fā)通過(guò)壓力下閉合的水循環(huán)和排放管道之間的交換進(jìn)行。事實(shí)上，通過(guò)水循環(huán)從廢氣中提取能量使得可以限制廢氣中的機(jī)械干擾，這種機(jī)械干擾例如由直接用煙氣操作的氣體渦輪機(jī)所導(dǎo)致。已知柴油機(jī)或汽油機(jī)的操作參數(shù)受排放壓力變化的極大干擾。如果排放壓力的這些變化顯著變化，它們導(dǎo)致引擎能量效率減小。熱交換器的逆流設(shè)計(jì)和沿?zé)煔庋h(huán)的非常大溫度梯度使得可以加熱并蒸發(fā)機(jī)械能產(chǎn)生循環(huán)中的水。在所述實(shí)施例的情況下，冷凝溫度等于40℃。40℃的溫度對(duì)應(yīng)于空氣冷卻冷凝器的典型夏天條件。
將水加熱到310℃-340℃的飽和溫度；約99巴-145巴的鍋爐中飽和壓力對(duì)應(yīng)于這些溫度。將壓力水平調(diào)整為引擎操作條件的函數(shù)。為了以盡可能好的方式調(diào)整壓力水平，基于熱交換器入口和/或出口處的廢氣溫度測(cè)量值改變水的流量。煙氣的流量是高度可變的，但是從對(duì)引擎操作模式的認(rèn)識(shí)和燃料的流量可知?？梢詮囊娴霓D(zhuǎn)速表和電子燃料注入控制裝置獲得這些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)使得可以選擇要在能量回收循環(huán)中循環(huán)的水的流量范圍、要調(diào)整為熱交換器的入口和或出口處廢氣溫度的函數(shù)的水循環(huán)中的壓力。
在該沸騰壓力下，液體因此被轉(zhuǎn)化為蒸汽。然后使蒸汽本身過(guò)熱至400℃-550℃的典型溫度，作為廢氣的可獲取溫度的函數(shù)。然后使蒸汽在渦輪機(jī)本體中膨脹。因此可以從煙氣中提取機(jī)械能。渦輪機(jī)可以驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)、飛輪，或者甚至直接驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)。其中驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的版本提供更大的靈活性，取決于交通工具內(nèi)燃機(jī)使用的不同類(lèi)型。
基于下列數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)兩種循環(huán)操作的情況下可得到的機(jī)械能的量。
在第一種情況下，冷凝溫度等于40℃，沸點(diǎn)等于310℃。在第二種情況下，冷凝溫度還是等于40℃，但沸點(diǎn)等于340℃。另一方面，在第一種情況下將蒸汽過(guò)熱至400℃，而在第二種情況下將蒸汽過(guò)熱至500℃。選擇所述的例子，以說(shuō)明廢氣溫度的各種操作條件，為可得到的輸出提供典型數(shù)值，表示為煙氣的流量M的函數(shù)，其本身以kg/sec表示。這樣可以在高溫下排放含CO2(或SO2)的煙氣的任意管道中對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行概括性描述。結(jié)果，從煙氣中回收能量導(dǎo)致煙氣的溫度從750℃-900℃的典型值變化到數(shù)量級(jí)為50℃-80℃的溫度。
下面的數(shù)據(jù)說(shuō)明了通過(guò)制冷劑循環(huán)將煙氣冷卻至CO2(或SO2)的反升華溫度所需的機(jī)械能的量的數(shù)量級(jí)。在到達(dá)制冷裝置的熱交換器之前，將煙氣從50℃冷卻至常溫。熱交換發(fā)生在空氣或水熱交換器中。取決于外部溫度水平，并取決于痕量存在的組分水平，煙氣流中所含的水在該熱交換器中部分冷凝，這是因?yàn)閷?duì)于數(shù)量級(jí)為86g水/kg干煙氣的濃度來(lái)說(shuō)，露點(diǎn)為50℃。但是，考慮到煙氣中痕量氣體的存在，水會(huì)是酸性的，具有高于純水的比露點(diǎn)。在這種情況下，露點(diǎn)通常為50℃-100℃。下面將描述冷凝蒸汽而不考慮煙氣中升高露點(diǎn)的痕量氣體的后續(xù)步驟。
取決于其特征，冷凝水可以直接排放或儲(chǔ)存，以在排放之前進(jìn)行預(yù)處理。在常溫以下，在包括多個(gè)交換段的循環(huán)中冷卻煙氣。然后在大氣壓或接近大氣壓的條件下使之達(dá)到CO2(或SO2)的反升華溫度以下的溫度。
煙氣的流量M在空氣交換器和集成級(jí)聯(lián)的第一冷卻熱交換器之間被改變，因?yàn)槠渲邪恼羝靡岳淠?。如果重量濃度分別等于CO2＝19.5％，H2O＝8.6％，N2＝71.9％，則煙氣的流量M大致等于無(wú)水介質(zhì)的流量，忽略痕量氣體的濃度，或MN2+CO2+SO2＝0.914M這種無(wú)水流MN2+CO2+SO2在到達(dá)兩個(gè)反升華蒸發(fā)器之前在制冷系統(tǒng)的不同熱交換器中繼續(xù)被冷卻。如果SO2含量如表2所示(0.4％)，考慮到其分壓在0.004巴的數(shù)量級(jí)，在該溫度水平下SO2仍存在于氣相中。由于蒸發(fā)器的表面溫度低于-90℃，SO2和CO2一起沉積。這種聯(lián)合捕獲SO2發(fā)生至體積濃度為3％，這是明顯高于具有最高SO2含量的煙氣中水平的濃度。
兩個(gè)反升華蒸發(fā)器交替運(yùn)行。煙氣和制冷劑流體交替通過(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器中的一個(gè)或另一個(gè)。
在反升華階段中，CO2冰或SO2冰沉積在位于反升華蒸發(fā)器中的熱交換器循環(huán)的外壁上。在煙氣含有SO2的情況下，由于其分壓，SO2也直接從氣態(tài)過(guò)渡到固態(tài)。這種沉積逐漸形成對(duì)冷煙氣循環(huán)的堵塞。在該蒸發(fā)器上運(yùn)行特定時(shí)間之后，熱交換器外部中的煙氣流和熱交換器內(nèi)部中制冷劑流體的流轉(zhuǎn)換到(swing into)對(duì)稱(chēng)的蒸發(fā)器中。制冷劑流體在熱交換器內(nèi)部的第二蒸發(fā)器中蒸發(fā)，CO2或SO2沉積在其外表面上。在此期間，第一蒸發(fā)器不再是蒸發(fā)部位，并且第一蒸發(fā)器中的溫度升高。通過(guò)在第一蒸發(fā)器的熱交換器中循環(huán)膨脹之前的液體制冷劑，這種溫度升高被加速。固體CO2從-78.5℃加熱至56-.5℃和5.2巴，其中-78.5℃是大氣壓力下固相和氣相的平衡溫度，56.5℃和5.2巴是三相點(diǎn)的壓力/溫度特征，此時(shí)三相，即固相、液相和氣相共存。使固體CO2熔化，即從固相過(guò)渡到液相。SO2從-75.5℃、0.016巴的較低壓力下也開(kāi)始熔化，即它在CO2之前熔化，可以根據(jù)需要在除冰的第一時(shí)間在部分真空條件下通過(guò)特定提取法(ad hoc extraction)優(yōu)選回收。
該熱交換器中的壓力隨溫度升高繼續(xù)升高。
一旦CO2(或SO2)完全為液相，其通過(guò)泵轉(zhuǎn)移至熱絕緣的罐中。該泵還能吸進(jìn)殘余氣體，尤其是CO2(或SO2)。因此可以將反升華蒸發(fā)器內(nèi)部的壓力從5.2巴變?yōu)榻咏髿鈮旱膲毫?，以使煙氣能夠重新進(jìn)入。
現(xiàn)在可以在蒸發(fā)器的壁上進(jìn)行下面的循環(huán)，和進(jìn)行冷煙氣中包含的CO2(或SO2)的反升華。后者再次提供制冷劑。因此循環(huán)繼續(xù)在平行的兩個(gè)低溫蒸發(fā)器中交替進(jìn)行。
與包括使氣相向液體CO2相(或液體SO2相)過(guò)渡的方法相比，根據(jù)本發(fā)明的使用反升華的方法是有利的。事實(shí)上，為了使直接從氣相過(guò)渡到液相，需要將煙氣的壓力增加至至少5.2巴，將溫度降低至-56.5℃。實(shí)踐中，該方法意味著將煙氣溫度降低至0℃以除去水，然后將氮?dú)夂虲O2的混合物壓縮到至少6巴。在該壓縮過(guò)程中氮?dú)夂虲O2的混合物被加熱至120℃。還必須進(jìn)行從120℃到-56.5℃的冷卻。該方法意味著毫無(wú)效果地將氮?dú)鈮嚎s至5.2巴。
制冷裝置根據(jù)冷卻原理運(yùn)行，該原理是本身公知的，稱(chēng)作集成級(jí)聯(lián)的冷卻。但是，根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置具有下面將要描述的特定技術(shù)特征。事實(shí)上，為了利用僅包括單一壓縮機(jī)的簡(jiǎn)單制冷裝置將煙氣冷卻從常溫到-90℃的相當(dāng)大溫度差，本發(fā)明的方法使用制冷劑流體混合物。根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置包括單一的壓縮機(jī)、平行連接的兩個(gè)中間蒸發(fā)冷凝器和兩個(gè)低溫反升華冷凝器，如上所述。中間蒸發(fā)冷凝器可以進(jìn)行制冷劑流體的蒸餾和煙氣流的逐漸冷卻。
取決于氣候條件和痕量組分的含量，煙氣中包含的殘余蒸汽在上述空氣-或水冷卻的熱交換器中完全或部分冷凝。如非這樣，則水在溫度稍高于0℃、停留時(shí)間足以允許這種冷凝的制冷裝置的第一熱交換器中補(bǔ)充冷凝。
可以進(jìn)行循環(huán)的制冷劑流體混合物可以是三組分、四組分或五組分混合物。所述的混合物符合禁止生產(chǎn)并最終使用含氯制冷氣體的蒙特利爾議定書(shū)(MontrealProtocol)的要求。這意味著可用組分中不存在CFC(氟氯化碳)和H-CFC(氫氟氯化碳)，雖然這些流體中的若干種用作集成級(jí)聯(lián)中的工作流體在功能上也是相當(dāng)誘人的。京都議定書(shū)還提出限制具有高全球變暖潛力(GWP)的氣體。但是，盡管它們目前沒(méi)有禁止，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選使用具有最低可能GWP的流體。下面列出了適用于根據(jù)本發(fā)明的集成級(jí)聯(lián)以從煙氣中捕獲CO2(或SO2)的混合物。
·三組分混合物三組分混合物可以是甲烷/CO2/R-152a混合物，或采用制冷劑流體的標(biāo)準(zhǔn)命名法(ISO 817)，R-50/R-744/R-152a混合物?？梢杂枚⊥镽-600或異丁烷R-600a代替R-152a。
·四組分混合物四組分混合物可以是下列混合物R-50/R-170/R-744/R-152a或R-50/R-170/R-744/R-600或R-50/R-170/R-744/R-600a。
R-50也可以用R-14代替，但是其GWP非常高(6,500kg當(dāng)量的CO2)。
·五組分混合物利用通過(guò)從下列八種流體R-740、R-50、R-14、R-170、R-744、R-600、R-600a、R-152a中以具有逐漸升高的臨界溫度的足夠比例選擇5種組分，來(lái)制備五組分混合物，所述的臨界溫度示于表2中。下列混合物可以作為實(shí)例R-50/R-14/R-170/R-744/R-600或R-740/R-14/R-170/R-744/R-600或R-740/R-14/R-170/R-744/R-600a或R-50/R-14/R-170/R-744/R-152a或R-740/R-50/R-170/R-744/R-152a，R-740為氬。
表2示出了這些流體的主要熱化學(xué)特征和名稱(chēng)。
表2
兩個(gè)中間蒸發(fā)冷凝器和反升華蒸發(fā)器形成集成級(jí)聯(lián)的三個(gè)溫度階。這三個(gè)溫度階都在相同的壓力下操作，因?yàn)樗鼈兌寂c壓縮機(jī)的吸取相連，但是這三個(gè)溫度階的平均溫度通常在-5℃、-30℃和-90℃的數(shù)量級(jí)，因此在每個(gè)熱交換器中的另一個(gè)管道中循環(huán)的制冷劑的流量之間必須存在溫度差。
集成等級(jí)的三個(gè)“階”中制冷劑流體混合物的流量取決于制冷劑流體混合物中組分的比例。因此，在組成和級(jí)聯(lián)的溫度水平之間存在聯(lián)系。
作為有關(guān)具有集成級(jí)聯(lián)的制冷裝置的例子提供的下列數(shù)據(jù)基于包含五種組分的制冷劑流體混合物的使用，這五種組分的重量組成如下·R-50 1％·R-14 3％·R-17019％·R-74427％·R-60050％易燃組分和非易燃組分的比例應(yīng)使混合物是非易燃的安全混合物。該混合物的臨界溫度為74.2℃，其臨界壓力為50巴。
臨界溫度最高的組分，此處的R-600和R-744的比例在混合物中是最高的，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)趦芍虚g階中的蒸發(fā)使得可以進(jìn)行具有低臨界溫度的組分的蒸餾。具有低臨界溫度的組分可以在反升華蒸發(fā)器中在低溫下蒸發(fā)，所述的反升華蒸發(fā)器是雙蒸發(fā)器，用平行管道中的一個(gè)或另一個(gè)交替運(yùn)行。
級(jí)聯(lián)中的熱交換器優(yōu)選為逆流熱交換器。它們使得可以利用入口和出口之間的非常大的溫度差。它們還使得可以在不同的溫度下回收流體和蒸氣之間的熱。
煙氣的無(wú)水流MN2+CO2+SO2在流經(jīng)反升華蒸發(fā)器之后減少為氮?dú)饬鱉N2，相當(dāng)于初始流M的0.719。溫度為-90℃的該氮?dú)饬髋c煙氣管逆流循環(huán)，以參與無(wú)水煙氣流MN2+CO2+SO2和隨后的總煙氣流M的冷卻。離開(kāi)反升華蒸發(fā)器的氮?dú)饬鲄⑴c煙氣的冷卻，直到氮?dú)獾臏囟仍俅芜_(dá)到常溫水平。氮?dú)饬鱉N2的壓力等于流M初始?jí)毫Φ?3％，蒸汽和CO2(或SO2)蒸氣的連續(xù)捕獲包括在內(nèi)。循環(huán)所需的過(guò)壓例如由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生，空氣壓縮機(jī)注入文氏管的流使得可以提取氮?dú)饬鳌?br> 另一個(gè)概念包括在空氣冷卻熱交換器的出口處壓縮總流，以可以沿循環(huán)有煙氣的循環(huán)產(chǎn)生相對(duì)于大氣壓的略微過(guò)壓，直至它排放到空氣中。
根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的詳細(xì)描述由閱讀對(duì)作為說(shuō)明性、非限制性實(shí)施例給出的本發(fā)明實(shí)施方案變式的說(shuō)明，和示出可以通過(guò)反升華捕獲二氧化碳的系統(tǒng)的實(shí)施方案變式的示意圖的圖3，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。所示數(shù)值對(duì)應(yīng)于二氧化碳，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將它們擴(kuò)展到二氧化硫的情況，或擴(kuò)展到二氧化硫和二氧化碳的情況。當(dāng)進(jìn)行這種擴(kuò)展時(shí)，插入術(shù)語(yǔ)“(或SO2)”。
現(xiàn)在描述圖3。所用的附圖標(biāo)記是圖3中的附圖標(biāo)記。
下表表示所用的附圖標(biāo)記體系。該表明確闡明了具有不同附圖標(biāo)記的相同技術(shù)術(shù)語(yǔ)的含義。
煙氣中熱含量的變化和煙氣的化學(xué)組成在其得以冷卻的循環(huán)中循環(huán)的過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
煙氣流M是四種流的總和M＝mH2O+mCO2+mN2+m痕量其中mH2O指蒸汽流，mCO2指二氧化碳流，mN2指氮?dú)饬?；m痕量指痕量氣體流，包括SO2或未燃燒烴。
煙氣通過(guò)管道2(內(nèi)燃機(jī)的出口管道)離開(kāi)內(nèi)燃機(jī)1(或內(nèi)燃機(jī))。其溫度為900℃。在熱交換器6(第一煙氣冷卻熱交換器)中這些煙氣將釋放的能量表示為煙氣流M的函數(shù)Qech＝M(hs6-he6)其中hs6、he6分別指熱交換器6的出口和入口處煙氣的焓。
內(nèi)燃機(jī)出口處煙氣的重量組成分別等于·CO219.5％·H2O8.6％·N291.9％從能量角度考慮到痕量氣體如SO2的可忽略影響，在本說(shuō)明書(shū)中對(duì)它們加以忽略。
熱交換器6中煙氣釋放的能量Qech大致等于1,000kJ/kg。熱交換器6出口處煙氣的溫度為50℃?？梢詫⑨尫诺妮敵鯬ech(以kW表示)表示為以kg/sec表示的煙氣流M的函數(shù)Pech＝Qech×M＝1,000kJ/kg×M kg/sec＝1,000M(單位kW)熱交換器6中煙氣釋放的熱能以本身已知的方式轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并隨后轉(zhuǎn)化為電。煙氣將其能量釋放到熱交換器6中循環(huán)的水中。該水以液態(tài)從42℃連續(xù)加熱至310℃，然后在310℃、在飽和壓力即99巴下沸騰，或在熱交換器6的第二實(shí)施方案變式中在340℃和145巴沸騰，并且該水在熱交換器6的第二實(shí)施方案變式中過(guò)熱至400℃或500℃。使過(guò)熱的蒸汽在渦輪機(jī)7中膨脹，驅(qū)動(dòng)所述變式中的交流發(fā)電機(jī)。膨脹后處于兩相的膨脹蒸汽在冷凝器8中冷凝，所述的冷凝器8是空氣冷卻的冷凝器。將因此形成的液體用泵9壓縮至壓力為99巴，在第二實(shí)施方案變式中壓縮至145巴。在所述能量平衡中未說(shuō)明的熱能可以任選地從內(nèi)燃機(jī)1的冷卻循環(huán)3回收。從內(nèi)燃機(jī)1的冷卻循環(huán)3回收能量的熱交換器5包含用于該目的的回收循環(huán)4?；厥昭h(huán)4和內(nèi)燃機(jī)1的冷卻循環(huán)3之間的聯(lián)系未示出?？傊諝饫鋮s的冷凝器8中冷凝溫度為40℃。冷凝溫度通常變動(dòng)在具有最高溫度的國(guó)家中的冬天和夏天之間的10℃-65℃。蒸氣冷凝溫度等于10℃時(shí)可以回收的能量的量大于蒸氣冷凝溫度等于65℃時(shí)回收的能量的量。
表3和表4示出了每個(gè)實(shí)施方案變式的液態(tài)水或蒸汽的焓·熱交換器6的入口處和出口處·渦輪機(jī)7的出口處，和·空氣冷卻的冷凝器8的出口處。
這四個(gè)焓值是能量回收循環(huán)的能量效率的代表。熱交換器6、渦輪機(jī)7、冷凝器8和泵9通過(guò)管道連接，形成用于從煙氣回收能量的熱能回收系統(tǒng)。如此回收的熱能繼而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
與渦輪機(jī)7連接的交流發(fā)電機(jī)10使得可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電。
表3
表4
煙氣在熱交換器6中與水流逆向循環(huán)。煙氣的溫度從900℃變化為50℃，而水的溫度在第一變式中從40℃變?yōu)?00℃，在第二變式中最高為500℃。在第一變式的情況下，蒸發(fā)發(fā)生在310℃，99巴的壓力下。在第二變式的情況下，蒸發(fā)發(fā)生在340℃，145巴的壓力下。熱交換器6因而同時(shí)是水加熱器和鍋爐。
在第一變式的情況下，其中熱交換器6的出口處溫度等于400℃，熱交換器6的入口處壓力等于99巴，冷凝溫度等于40℃，表3使得可以測(cè)定機(jī)械能，由熱交換器6循環(huán)中水的單位質(zhì)量流表示。對(duì)于等于0.85的渦輪機(jī)7的機(jī)械效率，機(jī)械能等于(3,098.2-1,935.9)×0.85＝988kJ/kg在第二變式的情況下，當(dāng)熱交換器6的出口處溫度等于500℃，熱交換器6的入口處壓力等于145巴，冷凝溫度等于40℃時(shí)，表4使得可以測(cè)定機(jī)械能，由熱交換器6循環(huán)中水的單位質(zhì)量流表示。對(duì)于等于0.85的渦輪機(jī)7的機(jī)械效率，機(jī)械能等于(3,314.8-1,982.19)×0.85＝1,132.8kJ/kg在第一變式的情況下，由煙氣循環(huán)向熱交換器6供應(yīng)的能量等于Qech＝3,098.2-177.4＝2,920.8kJ/kg在第二變式的情況下，由煙氣循環(huán)向熱交換器6供應(yīng)的能量等于Qech＝3,314.8-182＝3,132.8kJ/kg上文指出由熱交換器6中的煙氣釋放的熱輸出Pech等于Pech＝1,000M，以kW表示，是煙氣流的函數(shù)。
所提取的機(jī)械輸出在渦輪機(jī)循環(huán)產(chǎn)量的基礎(chǔ)上表示為煙氣流的函數(shù)。
所提取的與該流M相關(guān)的機(jī)械能將表示作為煙氣流的函數(shù)的渦輪機(jī)循環(huán)產(chǎn)量情況1Pmech＝(988/2,920.8)×1,000×M＝338.6M，單位為kW，情況2Pmech＝(1,132.8/3,132.8)×1,000×M＝361.6M，單位為kW。
在第一和第二實(shí)施方案中，交流發(fā)電機(jī)10效率為0.9。由于從煙氣回收熱能的循環(huán)所得的電功率Pelec為在第一實(shí)施方案變式中，Pelec＝304.5M，單位為kW，在第二實(shí)施方案變式中，Pelec＝325.4M，單位為kW
因此當(dāng)煙氣溫度高于400℃時(shí)，可以從煙氣回收30.5％-32.5％的電。
現(xiàn)在將描述不同熱交換器中的連續(xù)煙氣冷卻階段。冷卻是對(duì)于氮?dú)獾募兝鋮s，對(duì)于水的冷卻和冷凝，對(duì)于CO2(或SO2)的冷卻和反升華。為了理解何處提取液態(tài)水和固體以及液態(tài)CO2(或SO2)，需要監(jiān)測(cè)這三個(gè)組分的質(zhì)量流的變化和沿?zé)煔饫鋮s循環(huán)即沿管道13的能量變化。對(duì)于各組分的能量變化都以kJ/kg表示，和重量分?jǐn)?shù)一樣是加合量(additive magnitude)。氮?dú)獾撵嗜绫?所示，CO2(或SO2)的焓如表5所示，圖2以本身已知的方式示出了CO2(或SO2)的溫度-焓圖。在該圖中，·溫度以K表示，·焓以kJ/kg·K表示。
點(diǎn)A是表示第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的入口處CO2的點(diǎn)。壓力為1巴，溫度為50℃(323K)，CO2(或SO2)的焓為450.8kJ(參見(jiàn)表5)。
點(diǎn)B是表示熱交換器11的出口處CO2(或SO2)狀態(tài)的點(diǎn)，溫度是40℃，焓示于表5中。
點(diǎn)C是表示氣/固相變化之前反升華蒸發(fā)器(No.1)39的入口處CO2(或SO2)的點(diǎn)。壓力為0.85巴，溫度為-72℃(201K)，焓為349kJ/kg(參見(jiàn)表5)。
點(diǎn)D是表示-80℃下CO2(或SO2)的完全固化曲線上CO2(或SO2)的點(diǎn)。固化發(fā)生在反升華蒸發(fā)器(No.1)39的管壁上。完全的氣/固相變化需要568kJ/kg的冷卻能量。
點(diǎn)E是表示在反升華蒸發(fā)器(No.1)40的空間中通過(guò)固體CO2(或固體SO2)的升華進(jìn)行除冰操作的過(guò)程中CO2(或SO2)的點(diǎn)。由于固體CO2(或固體SO2)的部分升華，該操作導(dǎo)致壓力增加，這使蒸氣壓力增加至5.2巴。
點(diǎn)F是表示在恒定壓力5.2巴的條件下熔化CO2(或固體SO2)結(jié)束時(shí)CO2(或固體SO2)的點(diǎn)。因此CO2(或固體SO2)在點(diǎn)F處全部是液體。
表5
下面將描述使用表5中的值的能量平衡。
現(xiàn)在將繼續(xù)描述煙氣冷卻熱交換器11進(jìn)口處煙氣流的變化，并清楚地闡明蒸汽捕獲機(jī)理以及與此相關(guān)的能量消耗。
表6示出熱交換器和與其連接的管道部分的進(jìn)口和出口處溫度、焓和重量分?jǐn)?shù)的變化。還將描述作為蒸汽和CO2(或SO2)連續(xù)捕獲量的函數(shù)的流量的變化，指出每個(gè)熱交換器中吸取的能量值。使煙氣管道13和氮?dú)馀懦龉艿?5緊密接觸布置，并且與外部熱絕緣。管道13和55位于元件11、25、33、39和40之間的部分形成連續(xù)熱交換器。
表6
熱交換器11中煙氣從50℃冷卻到40℃并伴隨水的部分冷凝，需要109M(kW)的輸出；在所討論的實(shí)施例中，水在該煙氣冷卻熱交換器11中開(kāi)始冷凝。對(duì)其他溫度條件來(lái)說(shuō)，或者由于改變水的露點(diǎn)的痕量化合物的存在，水的冷凝可在熱交換器6中開(kāi)始。事實(shí)上，如果水在煙氣中的重量濃度為8.6％，則水的露點(diǎn)為約50℃。熱交換器11出口處的煙氣流等于0.964M。水的重量分?jǐn)?shù)從8.6％變?yōu)?％。設(shè)計(jì)熱交換器11，使水的冷凝物可以通過(guò)管道14排出。管道14將熱交換器11和集水槽16連接起來(lái)。
管道13中的煙氣通過(guò)連接熱交換器11與熱交換器25進(jìn)口的管道55進(jìn)行冷卻。而且，這些管道部分是與外部熱絕緣的。
讓我們準(zhǔn)確表述兩個(gè)管道13和55之間的交換模式對(duì)于形成熱交換器11、25、33和39或40之間的管道13的每個(gè)連接部分來(lái)說(shuō)，它們均為熱有效接觸。這三個(gè)部分形成真正的熱交換器，其中管道55中冷氮?dú)饬骼鋮s在管道13中逆流循環(huán)的煙氣。表6示出熱交換器39或40和熱交換器33之間、熱交換器33和熱交換器25之間以及熱交換器25和熱交換器11之間的三個(gè)部分的每一部分中管道55中氮?dú)饬鞯撵手底兓?。氮?dú)饬鞯撵手底兓扔?.719M(kg/sec)，以90％的交換效率傳送到上述三個(gè)熱交換器部分的每一部分中在管道13中循環(huán)的煙氣流中。由熱交換器11和25之間的氮?dú)饬麽尫诺哪芰繛?6.3M(kW)。其不僅用來(lái)冷凝被減少至4.2％的部分蒸汽，而且用來(lái)冷卻熱交換器25進(jìn)口處至高達(dá)到36.5℃的煙氣流。
在熱交換器25的出口處，煙氣流溫度為1℃，需要熱交換器25中138M(kW)的制冷量，從而使得可以降低煙氣溫度并使剩余的蒸汽冷凝。
煙氣的溫度調(diào)整為1℃，以避免煙氣中所含的水形成為冰。第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的部分和設(shè)計(jì)使其可以確保煙氣流的高度去濕。第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25出口處的煙氣中通常保留少于0.05重量％的水。
煙氣管道13與第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的內(nèi)腔相通。在煙氣經(jīng)過(guò)第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的過(guò)程中從煙氣中提取的水在該內(nèi)腔中回收。然后，通過(guò)第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的排水管15將其轉(zhuǎn)移到集水槽16中。離開(kāi)第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25的煙氣經(jīng)過(guò)脫水裝置56，確保煙氣完全干燥。以MN2+CO2+SO2表示的無(wú)水煙氣質(zhì)量流等于離開(kāi)內(nèi)燃機(jī)1的流M的0.914。事實(shí)上，8.6％的質(zhì)量流已以液態(tài)水的形式在煙氣冷卻熱交換器11、由相互接觸的管道13和55部分形成的熱交換器、第一(No.1)冷卻蒸發(fā)器25和脫水裝置56中被捕獲。
在管道55中循環(huán)的氮?dú)饬髟谶B接熱交換器25和33的管道13部分產(chǎn)生14M(kW)的制冷量，并冷卻氮?dú)夂虲O2(或SO2)的殘余煙氣流MN2+CO2+SO2，使其在熱交換器33進(jìn)口處的溫度為-14℃。
在第二(No.2)冷卻蒸發(fā)器33中供給5.4M的制冷量，并將氮?dú)夂虲O2(或SO2)的殘余煙氣流MN2+CO2+SO2冷卻至-20℃。
考慮到管道13和55之間的冷卻，殘余流MN2+CO2+SO2進(jìn)入溫度約為-72℃的兩個(gè)反升華蒸發(fā)器(No.1)39或(No.2)40中的一個(gè)，這是由于管道55提供了47M(kW)的制冷量。
所述兩個(gè)反升華蒸發(fā)器(No.1)39或(No.2)40的形式和設(shè)計(jì)應(yīng)使氣體具有長(zhǎng)的駐留時(shí)間。將殘余煙氣流MN2+CO2+SO2冷卻到CO2(或SO2)的反升華，這需要125.9M(以kW為單位)的制冷量。因此，CO2(或SO2)在反升華蒸發(fā)器39或40中在溫度為約-80℃、壓力為0.85巴(絕對(duì)壓力)或者-78.6℃、1巴壓力的條件下被反升華捕獲，而以MN2表示的殘余氮?dú)饬鞅焕鋮s至-90℃并隨后通過(guò)管道55排放到大氣中，其中管道55與管道13進(jìn)行逆流交換。
對(duì)反升華蒸發(fā)器(No.1)39中以溫度為約-72℃和焓為約349kJ/kg的狀態(tài)(表5和圖2中的點(diǎn)C)進(jìn)入的CO2(或SO2)的能量變化進(jìn)行詳細(xì)描述。完全的氣相-固相變化(反升華)發(fā)生在反升華蒸發(fā)器(No.1)39的管中，CO2(或SO2)向點(diǎn)D(表5和圖2)變化，且其焓為-228kJ/kg。
以kW表示的制冷量，作為煙氣流量的函數(shù)，是(349-(-228))×0.195M＝112.5M。
在膨脹器(No.1)41中膨脹之前，制冷流體經(jīng)過(guò)反升華蒸發(fā)器(No.2)40，處于解凍階段。于是，制冷流體回收CO2熔化的能量。在圖2中，可回收的能量對(duì)應(yīng)于從點(diǎn)D(0.85巴時(shí)的固相CO2)(或SO2)向點(diǎn)F(5.2巴時(shí)的液相CO2)(或SO2)的變化。焓的總變化為228kJ/kg。在所述實(shí)施方案變體的情況下，熱交換器的傳遞效率是90％。因此，所回收的能量等于205kJ/kg。所回收的制冷量作為總煙氣流M的函數(shù)為40M，以kW表示205×0.195M＝40M考慮到由液態(tài)制冷流體從CO2(或SO2)的解凍回收的能量，CO2(或SO2)在蒸發(fā)溫度-90℃(在制冷流體和氣相CO2或固相CO2之間必需有約10℃的差值，以將CO2轉(zhuǎn)化為冰)(或SO2)的反升華僅需(112.5-40)M＝72.5M(以kW表示)的制冷量。
發(fā)現(xiàn)，對(duì)上述兩個(gè)實(shí)施方案變體來(lái)說(shuō)，可回收的電功率(以kW表示)分別等于304.5M和325.4M。它們高于壓縮所需的電功率，壓縮時(shí)壓縮機(jī)必須提供產(chǎn)生制冷量。事實(shí)上，以kW表示，作為煙氣流量M的函數(shù)，壓縮所需電功率為約187M。
該能量平衡可以通過(guò)對(duì)必須由壓縮器提供產(chǎn)生制冷量的壓縮所需電功率進(jìn)行理論估算而證明。為了進(jìn)行該估算，首先需要回顧制冷機(jī)的有效系數(shù)的意義。有效系數(shù)是制冷量Pfrig與壓縮機(jī)馬達(dá)所提供的電功率Pelec._comp.之比COP＝Pfrig/Pelec._comp.
考慮到制冷量將會(huì)在不同的溫度水平-5℃、-30℃、-90℃時(shí)變化的事實(shí)，絕對(duì)有必要使用標(biāo)準(zhǔn)法則描述作為溫度的函數(shù)的有效系數(shù)的變化。
表達(dá)該法則的最簡(jiǎn)單的方式是將其表述為Carnot有效系數(shù)的函數(shù)。Carnot有效系數(shù)表示制冷機(jī)的理想性能，并且僅作為冷凝溫度的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算(Tcond)和蒸發(fā)溫度(Tevap)根據(jù)下式COPCarnot＝Tevap/(Tcond-Tevap)，溫度以K表示。
基于真實(shí)機(jī)器的分析的法則可以下式表示COP＝(2.15×10-3T+0.025)COPCarnot。
下表7示出作為蒸發(fā)溫度的函數(shù)的COP值。
表7
該表使得可以計(jì)算由壓縮消耗的電功率，作為提供制冷量的溫度水平的函數(shù)。有效系數(shù)使得可以計(jì)算由壓縮機(jī)消耗的輸出，以為不同的熱交換器提供制冷量。
為熱交換器25提供的用于將煙氣冷卻至0℃的制冷量以-5℃提供。當(dāng)待提供的制冷量等于138M(表6)，并且有效系數(shù)為3.57(表7)時(shí)，由壓縮機(jī)消耗的電功率等于138M/3.57＝38.6M，以kW表示。
為第二煙氣冷卻蒸發(fā)器33提供的制冷量以-30℃提供。當(dāng)待提供的制冷量等于5.4M(表6)，并且有效系數(shù)為1.9(表7)時(shí)，由壓縮機(jī)消耗的電功率等于5.4/1.9＝2.8M，以kW表示。
為反升華蒸發(fā)器(No.1)39或(No.2)40提供的制冷量以-90℃提供。當(dāng)制冷量為(125.9M-40M)＝85.9M，并且有效系數(shù)為0.59(表7)時(shí)，由壓縮機(jī)消耗的電功率等于85.9M/0.59＝145.6M，以kW表示。
在每個(gè)熱交換器的計(jì)算中都要考慮將氮?dú)鈴?0℃冷卻到-90℃所需的制冷量。
因此，壓縮所需的總電功率(Pcomp)僅將提供給蒸發(fā)器25、33和39或40，從而其等于Pcomp＝38.6+2.8+145.6＝187M，以kW為單位，如上所述。
因此，作為煙氣流量M的函數(shù)，由制冷壓縮機(jī)消耗的電功率等于187M，以kW為單位。該功率相當(dāng)于從煙氣流中回收的電功率，為304.5M-325.4M。因此，壓縮機(jī)的電功率占能夠由上述使用蒸汽的回收循環(huán)回收的電量的約60％。
再次參照?qǐng)D3，具體描述使用集成級(jí)聯(lián)(integrated carscade)操作的制冷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。制冷壓縮器17從上述定義的多組分制冷混合物之一中抽出氣相質(zhì)量流。更具體而言，對(duì)于下述實(shí)施方案變體來(lái)說(shuō)，所述混合物由五種組分組成，其重量百分?jǐn)?shù)如下·R-50 (1％)·R-14 (3％)·R-170 (19％)·R-744 (27％)·R-600 (50％)。
抽氣壓力為1.7巴。當(dāng)冷凝物在40℃的溫度下排出時(shí)，冷凝壓力為22巴。部分制冷冷凝器18通過(guò)冷卻循環(huán)19、部分制冷冷凝器的冷卻循環(huán)被冷卻。水或空氣在冷卻循環(huán)19中循環(huán)。
部分制冷冷凝器18是用于分離所引入制冷劑總流中液相和氣相的分離器，下文中以Mf表示所引入的制冷劑總流。下文中以Mtete1表示的氣相流在部分制冷冷凝器18的頂部、頭部通過(guò)管道20離開(kāi)。下文中以Mpied1表示的液相流在底部、足部通過(guò)管道21離開(kāi)。液體在重力作用下從部分制冷冷凝器18的底部排出。
液相流(Mpied1)在液-氣熱交換器(No.1)26中被過(guò)冷。該流(Mpied1)約等于制冷劑總流(Mf)的50％。液流(Mpied1)富含最重的組分，即R-600和R-744，并且在膨脹器24中膨脹，達(dá)到1.7巴的蒸發(fā)壓力。該膨脹液流(Mpied1)相繼在第一(No.1)蒸發(fā)冷凝器22中和第一(No.1)煙氣冷卻蒸發(fā)器25中蒸發(fā)，并在第一(No.1)煙氣冷卻蒸發(fā)器25中完成蒸發(fā)。因此而完全蒸發(fā)的液流(Mpied1)將在液-氣熱交換器(No.1)中釋放其冷量，然后再次通過(guò)管道27進(jìn)入壓縮器17的抽集槽中。
在部分冷凝器18的頭部離開(kāi)的氣流(Mtete1)占制冷劑總流(Mf)的另外50％。氣流(Mtete1)將在第一(No.1)蒸發(fā)冷凝器22中部分冷凝。在第一(No.1)蒸發(fā)冷凝器22出口處變?yōu)閮上?液-氣)的該流(Mtete1)將在分離槽28中分離成獨(dú)立的液相和獨(dú)立的氣相。氣相流(Mtete2)在分離槽28的頂部通過(guò)管道29離開(kāi)。液流(Mpied2)在分離槽28的底部離開(kāi)。于是，在部分冷凝器18的頂部離開(kāi)的氣流(Mtete1)被分離成兩股流體氣流(Mtete2)占引入流(Mtete1)的40％，液流(Mpied2)占引入流(Mtete1)的60％。通過(guò)管道29離開(kāi)分離槽28的氣相流(Mtete2)將在第二(No.2)蒸發(fā)冷凝器32中全部冷凝。整個(gè)液流(Mpied2)在反升華蒸發(fā)器(No.1)39或(No.2)40中交替蒸發(fā)。
離開(kāi)分離槽28的氣相流(Mtete2)在第二(No.2)蒸發(fā)冷凝器32中的冷凝通過(guò)在分離槽28底部離開(kāi)的液流(Mpied2)的部分蒸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)，之后，液流(Mpied2)在膨脹器31中膨脹。液流(Mpied2)在煙氣冷卻蒸發(fā)器33中蒸發(fā)。完全蒸發(fā)的液流(Mpied2)在第二(No.2)液-氣熱交換器34中釋放其冷量(cold)，然后再次通過(guò)管道35進(jìn)入壓縮器17的抽集槽。
液流(Mtete2)通過(guò)第一(No.1)三通閥37。該閥在管道38處是打開(kāi)的，從而在管道44處是關(guān)閉的。該液流(Mtete2)在第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40中過(guò)冷，其中第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40在其CO2解凍階段期間被用作過(guò)冷熱交換器。然后，該過(guò)冷液流(Mtete2)在第一(No.1)擴(kuò)展器41中膨脹。隨后其將在第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39中蒸發(fā)。
離開(kāi)第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39的制冷劑氣流(Mtete2)經(jīng)過(guò)第二(No.2)三通閥46并通過(guò)氣體返回管道45回到制冷壓縮器17中。該流(Mtete2)占通過(guò)制冷壓縮器17吸入的制冷劑總流(Mf)的約20％。
當(dāng)?shù)谝?No.1)反升華蒸發(fā)器39與第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40交替運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第一(No.1)三通閥37轉(zhuǎn)換位置，通過(guò)管道44，液相制冷劑流體向第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39循環(huán)，此處其被過(guò)冷。然后，制冷劑流體在膨脹器(No.2)42中膨脹。隨后在第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40中蒸發(fā)，然后通過(guò)第二(No.2)三通閥46和管道45回到制冷壓縮器17中。
接下來(lái)將描述制冷劑流體在兩個(gè)反升華蒸發(fā)器39和40中的循環(huán)。這些反升華蒸發(fā)器交替運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)它們中的一個(gè)是有效的蒸發(fā)器時(shí)，另一個(gè)是過(guò)冷熱交換器，反之亦然。如果蒸發(fā)作用發(fā)生在第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39中，那么第一(No.1)三通閥37是打開(kāi)的，制冷劑混合物可以在管道38中流通，但是不能在管道44中流通。
在膨脹器(No.1)41中膨脹之后，液體制冷混合物(Mtete2)在第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39中蒸發(fā)，起始溫度約為-100℃，至高在出口達(dá)到約-70℃的溫度。
對(duì)于所研究的圖而言，源自第二(No.2)煙氣冷卻蒸發(fā)器33的煙氣經(jīng)過(guò)第四(No.4)三通閥53，以進(jìn)入第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39。對(duì)該圖而言，煙氣不進(jìn)入第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40。
這些煙氣從其約-72℃的進(jìn)入溫度冷卻到等于-78.6℃或-80℃的CO2反升華溫度，其中CO2反升華溫度等于-78.6℃還是-80℃取決于第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39中的壓力是1巴(絕對(duì)壓力)還是0.85巴(絕對(duì)壓力)。一旦達(dá)到該溫度，CO2在第一(NO.1)反升華蒸發(fā)器39內(nèi)部、在制冷劑混合物流通的管道外壁形成冰。
在進(jìn)入第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39之前，制冷劑液體進(jìn)入作為過(guò)冷熱交換器運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度為約-45℃的第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40。在CO2(或SO2)解凍循環(huán)之初，制冷劑流體從-45℃過(guò)冷至-78℃，而在CO2(或SO2)解凍循環(huán)之末，僅從-45℃過(guò)冷至-55℃。液相CO2在解凍期間聚集在第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40的下部。在將第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)模式之前，以及在CO2(或SO2)液化之末，打開(kāi)第三(No.3)三通閥47。因此，可以通過(guò)泵48即液體CO2(或液相SO2)抽吸泵抽入液體CO2(或液體SO2)。泵48是例如液體和氣體都可以泵吸的電空泵。泵48將液體CO2(或液體SO2)轉(zhuǎn)移到貯槽49中，然后抽入混合有氮?dú)獾腃O2(或SO2)氣體，以恢復(fù)第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40中的氣體環(huán)境到工作壓力為0.85巴(絕對(duì)壓力)或1巴(絕對(duì)壓力)，這取決于煙氣循環(huán)所選擇的技術(shù)選項(xiàng)。由于實(shí)際原因，尤其是對(duì)運(yùn)載工具而言，可移動(dòng)槽51與貯槽49相連。泵50，即可移動(dòng)槽的填充泵，使得可以從貯槽49填充可移動(dòng)槽51。閥門(mén)52使得可以根據(jù)需要平衡兩槽49和51之間的壓力?？梢苿?dòng)槽51使得可以運(yùn)輸被捕獲的CO2(或被捕獲的SO2)。新的抽空可移動(dòng)槽取代已被充滿(mǎn)的可移動(dòng)槽。
現(xiàn)在描述離開(kāi)第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39的氮?dú)獾难h(huán)。氮?dú)饨?jīng)過(guò)第五(No.5)三通閥54并隨后再次進(jìn)入氮?dú)馀懦龉艿?5。第五(No.5)三通閥54根據(jù)情況在排氣管道55和第一(No.1)反升華蒸發(fā)器39或第二(No.2)反升華蒸發(fā)器40之間建立連通。
在解凍期間，由于反升華蒸發(fā)器39或40中CO2(或SO2)的升華導(dǎo)致壓力上升，此時(shí)為封閉循環(huán)。在三相點(diǎn)平衡溫度處，所述壓力等于5.2巴。CO2(或SO2)在該壓力下從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化。
在氮?dú)馀懦龉艿?5中的氮?dú)饬鱉N2僅占煙氣初始質(zhì)量流的71.9％。不考慮壓降或痕量氣體，單獨(dú)的氮?dú)鈮毫Φ扔?.736巴。
內(nèi)燃機(jī)1的出口管道2、煙氣管道13和氮?dú)馀懦龉艿?5相互連通，形成一個(gè)循環(huán)。
如果不能得到補(bǔ)償，第一(No.1)煙氣冷卻蒸發(fā)器25和脫水裝置56中的煙氣冷卻熱交換器11中水的去除會(huì)導(dǎo)致管道2、13、55中的壓力降低。大氣會(huì)通過(guò)氮?dú)馀懦龉艿?5進(jìn)入制冷裝置。反升華蒸發(fā)器39和40中CO2(或SO2)的反升華也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步壓力降低。該壓力降低必須得到補(bǔ)償，以便能夠?qū)⒌獨(dú)馀欧诺酱髿庵小D3中所示方案包括通過(guò)管道58、文丘里注射管在文丘里管59的頸部注射氣流的空氣壓縮器57，使得氮?dú)饬髟诩s為0.65巴的壓力下抽入并防止空氣進(jìn)入該系統(tǒng)。該方案也包括在文丘里管的出口重新產(chǎn)生氮?dú)夂脱鯕饣旌衔铩?br> 另一方案，未在圖3中示出，包括在煙氣管道13的煙氣冷卻熱交換器11出口處配置具有小壓力差的壓入式壓縮器，以產(chǎn)生過(guò)壓，使得加入痕量組分的氮?dú)饣虻獨(dú)饬髟诘獨(dú)馀懦龉艿?5出口處排出到大氣中。
如果痕量組分的含量尤其是一氧化碳CO和某些輕質(zhì)烴的含量不可以忽略，那么氮?dú)夂秃哿拷M分流可以與其他足量氣流一起回到混合器中，以產(chǎn)生所謂的易燃混合物。該可燃混合物的燃燒有利于減少污染物，并有利于提高為此目的而設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)的能效。
發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)的反升華蒸發(fā)器中CO2(或SO2)解凍期間，溫度在-80℃和-55℃之間變化。溫度的這種顯著變化可以用來(lái)調(diào)節(jié)兩個(gè)反升華蒸發(fā)器的交替。事實(shí)上，當(dāng)在CO2(或SO2)解凍期間溫度達(dá)到-55℃時(shí)，可以認(rèn)為CO2(或SO2)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為液相?，F(xiàn)在可以打開(kāi)液體CO2(或液體SO2)抽吸泵以將其轉(zhuǎn)移到貯槽49中。現(xiàn)在可以通過(guò)測(cè)量CO2(或SO2)解凍蒸發(fā)器內(nèi)部體積中的壓力來(lái)停止清空過(guò)程，隨后重新啟動(dòng)該循環(huán)，蒸發(fā)事先已清空液體CO2(或液體SO2)的反升華蒸發(fā)器中的制冷劑。注意到，在循環(huán)之始，當(dāng)蒸發(fā)器中沒(méi)有冰時(shí)，使用集成級(jí)聯(lián)的壓縮體系消耗更多的能量。事實(shí)上，在反升華蒸發(fā)器中膨脹的該混合物沒(méi)有過(guò)冷。能量參數(shù)的最優(yōu)化需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最可能的工作時(shí)間、能量產(chǎn)生過(guò)程等，以設(shè)定兩個(gè)蒸發(fā)器之間的交替規(guī)律。
本發(fā)明還涉及使得可以在從氣田中抽取的甲烷(CH4)中CO2壓力為+或-0.3巴的大氣壓力或準(zhǔn)大氣壓力條件下通過(guò)反升華(形成冰)抽取(捕獲)CO2和/或SO2的方法和體系。單獨(dú)捕獲SO2還應(yīng)用于氣體排出物或煙氣中，此時(shí)該SO2具有0.1％-3％的濃度。更具體而言，涉及使得可以通過(guò)凝固作用捕獲甲烷氣流，尤其是從氣田抽取的甲烷中，所包含的氣相CO2和/或SO2的方法和體系。
進(jìn)行這種CO2和/或SO2的捕獲，用于它們的儲(chǔ)存、再注射、轉(zhuǎn)化或隨后的應(yīng)用。
二氧化碳或CO2的排放導(dǎo)致大氣CO2濃度的增加，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這被認(rèn)為是不可接受的。京都議定書(shū)(Kyoto Protocol)由部分成員國(guó)限制這些排放的承諾組成。對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和將大氣濃度維持在限制氣候改變的水平而言，二氧化碳的捕獲及其隔離是不可缺少的目標(biāo)。已經(jīng)規(guī)定SOx(SO2、SO3和其他氧化物)的排放，以防止酸雨以及限制市區(qū)的呼吸性事故。由于各種原因，CO2和SO2的捕獲代表對(duì)于污染減少體系存在或出現(xiàn)市場(chǎng)。
本發(fā)明涉及通過(guò)在低分壓條件下反升華來(lái)捕獲二氧化碳和少數(shù)種類(lèi)氣體的方法。甲烷(CH4)在大氣壓力和-161.5℃的條件下液化，而CO2和SO2根據(jù)氣體混合物中各分壓的不同，在大氣壓力下在-80℃至-120℃的溫度下從氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唷?br> 例如，SO2在整個(gè)冷壁上形成冰，其溫度通常低于-75℃，體積濃度約0.5％。然后，這些化合物可以在液相中通過(guò)冰的形成/解凍過(guò)程而回收，在解凍過(guò)程中，封閉和密封空間中的壓力和溫度升高到CO2和SO2的各自三相點(diǎn)以上。該交替進(jìn)行的解凍過(guò)程可以有利地設(shè)計(jì)，以回收在解凍期間釋放的能量。
本發(fā)明涉及抽取CO2和/或SO2的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟冷卻從井孔中抽取的甲烷，此時(shí)壓力約等于大氣壓力，溫度應(yīng)使得CO2和/或SO2通過(guò)反升華過(guò)程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。
此外，包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使得二氧化碳CO2和/或SO2通過(guò)反升華過(guò)程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度下冷卻從井孔中抽取的甲烷的步驟優(yōu)選包括以下步驟通過(guò)制冷劑流體混合物的分餾提供千卡(frigories)而一方面冷卻從井孔中抽取的甲烷，另一方面冷卻CO2、SO2。根據(jù)包括壓縮階段和后續(xù)的冷凝和蒸發(fā)階段的循環(huán)，在制冷劑流體混合物的遞減溫度水平下進(jìn)行分餾。
包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使得CO2和/或SO2通過(guò)反升華過(guò)程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度下冷卻從井孔中抽取的甲烷的步驟之后，優(yōu)選進(jìn)行在封閉空間熔化CO2和/或SO2的步驟。由于經(jīng)歷過(guò)冷的制冷劑流體混合物為封閉空間提供卡路里(calories)，因此封閉空間中的壓力和溫度改變，至多達(dá)到CO2和/或SO2的三相點(diǎn)。
制冷劑流體混合物優(yōu)選相繼確保·CO2和/或SO2在封閉空間中熔化，和·在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的封閉循環(huán)中循環(huán)的CO2和/或SO2升華。
CO2和/或SO2的熔化和反升華在一個(gè)或另一個(gè)空間中交替進(jìn)行一個(gè)為封閉的，而另一個(gè)是開(kāi)放的。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括將液態(tài)形式的CO2和/或SO2儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟。
將液態(tài)形式的CO2和/或SO2儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟包括下列步驟抽取包含在封閉空間中的液態(tài)形式的CO2和/或SO2的步驟，使封閉空間中的壓力接近大氣壓力的步驟，和將液態(tài)形式的CO2和/或SO2轉(zhuǎn)移到槽中的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選還包括以下步驟使用煙氣中可得的制冷能量而不需要另外供給能量，在約等于大氣壓力的壓力下，將從井孔中抽取的甲烷冷卻至CO2和/或SO2的反升華溫度。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括冷卻裝置，用于在約等于大氣壓力的壓力下、在使得CO2和/或SO2通過(guò)反升華過(guò)程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度下冷卻從井孔中抽取的甲烷。
用于在約等于大氣壓力的壓力下、在使得CO2和/或SO2通過(guò)反升華過(guò)程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的溫度下冷卻從井孔中抽取的甲烷的冷卻裝置還包括集成級(jí)聯(lián)的制冷設(shè)備，用于通過(guò)制冷劑流體混合物的分餾提供千卡(frigories)而冷卻甲烷流和CO2和/或SO2。根據(jù)包括壓縮階段和后續(xù)的冷凝和蒸發(fā)階段的循環(huán)，在降低的溫度水平進(jìn)行制冷劑流體混合物的分餾。制冷裝置包括壓縮器、部分冷凝器、分離槽、蒸發(fā)冷凝器、煙氣冷卻蒸發(fā)器、液-氣熱交換器、反升華蒸發(fā)器和膨脹器。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括由其中循環(huán)冷凍劑流體混合物的循環(huán)橫穿的封閉空間。封閉空間中的壓力和溫度改變，至多達(dá)到CO2和/或SO2的三相點(diǎn)，這是由于·制冷劑流體混合物在過(guò)冷的同時(shí)為封閉空間提供熱量，和·CO2和/或SO2從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。
制冷劑混合物優(yōu)選相繼確保CO2和/或SO2在封閉空間中熔化，和在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的開(kāi)放循環(huán)中流通的CO2和/或SO2反升華。CO2和/或SO2的熔化和反升華在所述空間的一個(gè)或另一個(gè)中交替進(jìn)行，一個(gè)空間為封閉的，而另一個(gè)是開(kāi)放的。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括儲(chǔ)存裝置，尤其是固定的和/或可移動(dòng)的槽，用于儲(chǔ)存液態(tài)形式的CO2和/或SO2。
用于將液態(tài)形式的CO2和/或SO2儲(chǔ)存于固定和/或可移動(dòng)槽中的裝置優(yōu)選還包括抽吸裝置，尤其是空氣泵。抽吸裝置使得可以實(shí)現(xiàn)CO2和SO2在聯(lián)合捕獲過(guò)程中的回收選擇性·SO2在-75.5℃和0.016664巴的壓力下再次轉(zhuǎn)變成液態(tài)，和·CO2在-56.5℃和5.2巴的壓力下再次轉(zhuǎn)變成液態(tài)。
抽吸裝置還使得可以使封閉空間中的壓力接近大氣壓力，和將液體CO2和/或液體SO2轉(zhuǎn)移到槽中。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括壓縮和/或抽吸裝置，用于將從井孔中抽取的甲烷轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)于儲(chǔ)存將包含在甲烷中CO2和/或SO2抽取出來(lái)之后的儲(chǔ)存或后續(xù)處理的裝置中。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選還包括轉(zhuǎn)移裝置，用于在從進(jìn)入制冷系統(tǒng)管道中的總流(甲烷+CO2+SO2)中分離出CO2和SO2之后轉(zhuǎn)移包含在甲烷中的千卡，并因此有利于總流的冷卻。
現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案變體進(jìn)行一般性的描述。待處理氣體由以下組分組成一方面，甲烷(CH4)，其典型濃度可為90％-99％，和另一方面，少量物質(zhì)CO2，其體積濃度可為1％-10％，和/或SO2，其濃度可為0.1％-3％。
根據(jù)本發(fā)明的方法，包含從井孔中抽取的甲烷和CO2和/或SO2的總流通過(guò)制冷循環(huán)進(jìn)行冷卻，以逐漸降低溫度，使得CO2和/或SO2在-80℃和-120℃之間的溫度下和約為大氣壓力+或-0.3巴的壓力下反升華。
術(shù)語(yǔ)反升華此處是指當(dāng)所討論氣體的溫度低于三相點(diǎn)時(shí)直接發(fā)生氣/固相變。圖1表示示出所有純物質(zhì)尤其是SO2的固相、液相和氣相共存的示意圖。低于三相點(diǎn)，轉(zhuǎn)變直接發(fā)生在固相和氣相之間。從固相向氣相的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為升華。沒(méi)有常用術(shù)語(yǔ)用來(lái)指代相反的轉(zhuǎn)變。術(shù)語(yǔ)反升華用在本說(shuō)明書(shū)中是指從氣相向固相的直接轉(zhuǎn)變。
低于環(huán)境溫度時(shí)，在包括多個(gè)熱交換分段的循環(huán)中冷卻總流。于是使其在大氣壓力或接近于大氣壓力的條件下達(dá)到低于CO2和/或SO2的反升華溫度的溫度。
在到達(dá)兩個(gè)反升華蒸發(fā)器之前，在制冷系統(tǒng)的不同熱交換器中進(jìn)行總流的冷卻。
兩個(gè)大氣壓蒸發(fā)器交替運(yùn)轉(zhuǎn)?？偭鹘惶娲┻^(guò)兩個(gè)蒸發(fā)器的一個(gè)或另一個(gè)。
在反升華階段，CO2和/或SO2冰沉積在位于反升華蒸發(fā)器中的熱交換器循環(huán)內(nèi)壁上。該沉積物逐漸產(chǎn)生對(duì)從井孔中抽取的甲烷循環(huán)的障礙。在該蒸發(fā)器工作一定時(shí)間之后，總流以及制冷流體混合物流轉(zhuǎn)換到對(duì)稱(chēng)的蒸發(fā)器中。制冷流體混合物在熱交換器內(nèi)部的該第二蒸發(fā)器中蒸發(fā)，而CO2和/或SO2沉積在其外表面上。第一蒸發(fā)器在此期間不再處于蒸發(fā)位置，因此第一蒸發(fā)器中溫度上升。該溫升通過(guò)循環(huán)第一蒸發(fā)器的熱交換器中膨脹之前的液體制冷劑而加速。將固體的CO2和/或SO2從-80℃和-120℃之間的溫度加熱到各自熔點(diǎn)。已在熱交換器的壁上形成冰的物質(zhì)的升華首先產(chǎn)生氣相，這導(dǎo)致解凍期間蒸發(fā)器空間中的壓力上升，直到達(dá)到相應(yīng)于不同物質(zhì)的三相點(diǎn)(對(duì)于SO2來(lái)說(shuō)是0.016巴，對(duì)于CO2來(lái)說(shuō)是5.2巴)的各壓力。當(dāng)達(dá)到這些各自的壓力時(shí)，發(fā)生從固相向液相轉(zhuǎn)變的冰的熔化。
一旦少量物質(zhì)SO2和CO2全部為液相，它們就通過(guò)相關(guān)的抽空轉(zhuǎn)移到一個(gè)或多個(gè)熱絕緣槽中。如果SO2和CO2一起結(jié)冰，則根據(jù)分離SO2和CO2的需要，可以相繼在相應(yīng)于這些化合物的優(yōu)先壓力的壓力下進(jìn)行所述轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移結(jié)束時(shí)，泵還可以抽吸一種或多種殘余氣體。因此，可以使得反升華蒸發(fā)器空間內(nèi)的壓力從相應(yīng)于解凍結(jié)束時(shí)的最終壓力變?yōu)榻咏诖髿鈮毫Φ某跏級(jí)毫?，以便總流能夠再次進(jìn)入，并且CO2和/或SO2能夠與甲烷分離。
現(xiàn)在可以進(jìn)行下列循環(huán)，并進(jìn)行包含在從井孔中抽取的甲烷中的CO2和/或SO2在蒸發(fā)器壁上的反升華。后者再次使用制冷劑流體供給。循環(huán)繼續(xù)，周而復(fù)始，在兩個(gè)平行相連的低溫蒸發(fā)器中交替進(jìn)行。
制冷裝置基于本身已知的所謂集成級(jí)聯(lián)冷卻原理。但是，根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置具有特定的技術(shù)特征，這將在下面進(jìn)行描述。事實(shí)上，為了通過(guò)易于制造的制冷裝置在相當(dāng)大的溫度差范圍內(nèi)冷卻煙氣，所述溫度差為環(huán)境溫度至-90℃，甚至-120℃，根據(jù)本發(fā)明的方法使用制冷劑流體混合物。根據(jù)本發(fā)明的制冷裝置包括單個(gè)壓縮器、兩個(gè)中間蒸發(fā)冷凝器和兩個(gè)平行連接的低溫反升華蒸發(fā)器。中間蒸發(fā)冷凝器使得可以同時(shí)蒸餾制冷劑流體混合物并逐漸冷卻煙氣流。
使得可以進(jìn)行循環(huán)的制冷劑流體混合物可以是三組分、四組分或五組分的混合物。所述混合物反映蒙特利爾議定書(shū)(Montreal Protocol)的要求，該議定書(shū)禁止生產(chǎn)和隨后使用含有氯的制冷劑氣體。這表明在合適的組分中不包括CFC(氯氟碳)或H-CFC(氫氯氟碳)，盡管這些流體中的幾種由于其在集成級(jí)聯(lián)裝置中用作工作流體的功能性而十分引人關(guān)注。京都議定書(shū)還對(duì)高全球變暖可能性(GWP)的氣體提出了要求。盡管目前并沒(méi)有禁令，但是根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選使用具有盡可能最低的GWP的流體。下面示出適用于根據(jù)本發(fā)明的集成級(jí)聯(lián)裝置以進(jìn)行在煙氣中存在的CO2的捕獲的混合物。
·三組分混合物該三組分混合物可以是甲烷/CO2/R-152a的混合物，或者，根據(jù)制冷劑流體的標(biāo)準(zhǔn)化命名(ISO 817)，為R-50/R-774/R-152a?？梢允褂枚⊥镽-600或異丁烷R-600a代替R-152a。
·四組分混合物四組分混合物可以是以下混合物R-50/R-170/R-774/R-152a或R-50/R-170/R-774/R-600或R-50/R-170/R-774/R-600aR-50也可以使用R-14代替，但是R-14的GWP非常高(6,500kg當(dāng)量的CO2)。
·五組分混合物五組分混合物可以通過(guò)從下列八種流體化合物中選擇五種以適當(dāng)比例來(lái)制備R-740、R-50、R-14、R-170、R-744、R-600，R-600a、R-152a，其具有逐漸變化的臨界溫度水平，這些臨界溫度示于表2中。下列混合物將作為實(shí)例R-50/R-14/R-170/R-774/R-600或R-740/R-14/R-170/R-774/R-600或R-740/R-14/R-170/R-774/R-600a或R-740/R-14/R-170/R-774/R-152a或R-740/R-50/R-170/R-774/R-152a，R-740是氬。
表2示出基本的熱化學(xué)特性和這些流體的名稱(chēng)。
表2
所述兩個(gè)中間蒸發(fā)冷凝器和反升華蒸發(fā)器形成集成級(jí)聯(lián)裝置的三個(gè)溫度段。這三個(gè)溫度段均在相同的壓力下工作，這是因?yàn)樗鼈兌歼B接到壓縮器的抽吸裝置，但是這三段的平均溫度通常為約-5℃、-30℃和-90℃，因?yàn)樵诿總€(gè)熱交換器的另一管道中流通的制冷劑流之間必須存在溫度差。對(duì)于在低至-120℃下工作的系統(tǒng)，級(jí)聯(lián)裝置可包括四段，每段的平均溫度為約-5℃、-40℃、-85℃和-120℃。
在集成級(jí)聯(lián)裝置的三段或四段中的制冷劑流體混合物流取決于制冷劑流體混合物中的組分比例。因此，組成和級(jí)聯(lián)裝置的溫度水平之間存在聯(lián)系。
下列數(shù)據(jù)，作為實(shí)施例提供，與使用五組分制冷流體混合物的集成級(jí)聯(lián)制冷裝置相關(guān)，其重量組成如下·R-50 1％·R-14 3％·R-17019％·R-74427％·R-60050％可燃和不可燃組分的比例應(yīng)使混合物是不可燃的、安全的混合物。該混合物的臨界溫度是74.2℃，臨界壓力是50巴。
具有最高的臨界溫度的組分，此處為R-600和R-744，其比例在混合物中是最高的，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)趦蓚€(gè)中間段的蒸發(fā)使得可以實(shí)現(xiàn)低臨界溫度組分的蒸餾。具有低臨界溫度的組分因此可以在反升華蒸發(fā)器中在低溫蒸發(fā)，所述反升華蒸發(fā)器為用平行管道的一個(gè)或另一個(gè)交替運(yùn)轉(zhuǎn)的雙蒸發(fā)器。
級(jí)聯(lián)的熱交換器優(yōu)選逆流熱交換器。它們使得可以利用進(jìn)口與出口之間的大溫差。它們還使得可以回收不同溫度的液相和氣相之間的熱量。
如果甲烷隨后液化，那么根據(jù)常規(guī)的甲烷液化過(guò)程，冷卻繼續(xù)進(jìn)行。相比而言，如果它沒(méi)有液化，離開(kāi)CO2和/或SO2反升華蒸發(fā)器的甲烷的“冷量”可以用來(lái)冷卻總流。離開(kāi)反升華蒸發(fā)器的冷甲烷流參與總流的冷卻，直到甲烷的溫度升高到環(huán)境溫度水平?？紤]CO2和/或SO2的捕獲，現(xiàn)在甲烷的壓力等于總流初始?jí)毫Φ?0％-99％。例如，由空氣冷卻壓縮器產(chǎn)生流通所需的過(guò)壓，注射到文丘里管中，其流動(dòng)允許甲烷流在抽取CO2和/或SO2之后被抽取出來(lái)。
另一概念是以某種方式壓縮制冷系統(tǒng)的總流上游，使得與從井孔中抽取的甲烷循環(huán)處的大氣壓力相比產(chǎn)生略微的過(guò)壓。
以上詳細(xì)描述了工廠的實(shí)施方案變體，用于伴隨著從煙氣尤其是那些在發(fā)電廠煙囪中流通的煙氣中同時(shí)抽取CO2和SO2。經(jīng)過(guò)可由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行的技術(shù)外推，本說(shuō)明書(shū)適用于意欲抽取包含在源于氣田的甲烷(CH4)中的CO2和/或SO2的工廠。
名稱(chēng)目錄
權(quán)利要求
1.從碳?xì)浠衔镌诖髿庋鹾痛髿獾拇嬖谙氯紵a(chǎn)生的煙氣中提取二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的方法；其特征在于該方法包括以下步驟在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的步驟，冷卻煙氣的步驟包括根據(jù)包括壓縮階段和相繼的冷凝和蒸發(fā)階段的循環(huán)，通過(guò)借助于制冷劑流體混合物在遞減溫度水平的分餾，提供千卡而冷卻氮?dú)?、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的混合物的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于該方法使得在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的步驟還包括在約等于大氣壓力的壓力下從煙氣中提取液態(tài)形式的水的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于在約等于大氣壓力的壓力下使用空氣或水熱交換器從煙氣中提取所有或部分液態(tài)形式的水。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于該方法還包括通過(guò)使用冷卻熱交換器和/或脫水裝置從煙氣中提取所有殘余量的水的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該步驟包含在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻煙氣，然后是在封閉空間中熔化二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的步驟，熔化期間封閉空間中的壓力和溫度變?yōu)槎趸蚧蚨趸己投趸虻娜帱c(diǎn)，因?yàn)橹评鋭┝黧w混合物在過(guò)冷時(shí)為該空間提供熱量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于制冷劑流體混合物相繼確保二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫在封閉空間中熔化，和在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的開(kāi)放循環(huán)中流通的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫反升華；二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化和反升華在所述空間的一個(gè)或另一個(gè)中交替進(jìn)行，一個(gè)是封閉的而另一個(gè)是開(kāi)放的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于該方法還包括將液態(tài)形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于將液態(tài)形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟包括以下步驟抽吸封閉空間中所包含的液態(tài)二氧化硫或液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化硫的步驟，使封閉空間中的壓力接近于大氣壓力的步驟，和將液態(tài)二氧化硫或液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化硫轉(zhuǎn)移到所述槽中的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該方法還包括在相繼提取煙氣中所包含的蒸汽、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫之后，將氮?dú)馀欧诺酵獠靠諝庵械牟襟E。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該方法還包括將排放到外部空氣中的氮?dú)庵兴那ЭㄞD(zhuǎn)移到煙氣中并因此有助于冷卻煙氣的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該方法還包括利用煙氣中的可得熱能而不另外供給能量，在約等于大氣壓力的壓力下，將煙氣冷卻至二氧化硫的反升華溫度或二氧化碳和二氧化硫的反升華溫度的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于為了利用煙氣中的可得熱能，該方法還包括以下步驟通過(guò)煙氣加熱而后蒸發(fā)水以產(chǎn)生高壓蒸汽的步驟，和在渦輪機(jī)中使高壓蒸汽膨脹產(chǎn)生機(jī)械能或發(fā)電的步驟。
13.從碳?xì)浠衔镌诖髿庋鹾痛髿獾拇嬖谙氯紵a(chǎn)生的煙氣中提取二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的系統(tǒng)；其特征在于該系統(tǒng)包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的冷卻裝置，該冷卻裝置包括集成級(jí)聯(lián)(18、22、25、26、28、32、33、34、39、40)的制冷裝置，用于根據(jù)包括壓縮階段(17)和所述相繼冷凝和蒸發(fā)階段的循環(huán)，通過(guò)借助于制冷劑流體混合物在遞減溫度水平下分餾，提供千卡而冷卻氮?dú)?、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫混合物；該制冷裝置包括壓縮機(jī)(17)，部分冷凝器(18)，分離槽(28)，所述蒸發(fā)冷凝器(22、32)，所述煙氣冷卻蒸發(fā)器(25、33)，所述液-氣熱交換器(26、34)，所述反升華蒸發(fā)器(39、40)，和所述膨脹器(24、31、41、42)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其特征在于用于在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻煙氣的裝置還包括所述提取裝置，尤其是所述熱交換器(11、25)，用于在約等于大氣壓力的壓力下從煙氣中提取液態(tài)形式的水。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使得用于在約等于大氣壓力的壓力下從煙氣中提取所有或部分液態(tài)形式的水的提取裝置包括空氣或水熱交換器(11)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使得用于提取存在于煙氣中的所有殘余量的水的提取裝置包括熱交換器(25)和/或脫水裝置(56)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)的的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括被流通制冷劑流體混合物的循環(huán)橫穿的封閉空間(39、40)；封閉空間中的壓力和溫度改變，至多達(dá)到二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的三相點(diǎn)，這是由于·制冷劑流體混合物在過(guò)冷時(shí)為該空間提供卡路里，和·二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其特征在于制冷劑流體混合物相繼確保二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫在封閉空間中熔化，和在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的開(kāi)放循環(huán)中流通的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫反升華；二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的熔化和反升華在所述空間(39、40)的一個(gè)或另一個(gè)中交替進(jìn)行，一個(gè)空間是封閉的而另一個(gè)是開(kāi)放的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述儲(chǔ)存裝置，尤其是固定槽(49)和/或可移動(dòng)槽(51)，用于儲(chǔ)存液態(tài)形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其特征在于用于將液態(tài)形式的二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫儲(chǔ)存于固定槽(49)和/或可移動(dòng)槽(51)中的裝置還包括抽吸裝置，尤其是空氣泵(48)，用于抽吸空間(39、40)中所包含的液態(tài)二氧化硫或液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化硫，使空間(39、40)中的壓力接近于大氣壓力，和將液態(tài)二氧化硫或液態(tài)二氧化碳和液態(tài)二氧化硫轉(zhuǎn)移到槽(49)中。
21.根據(jù)權(quán)利要求13-20中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述壓縮和/或抽吸裝置(57、59)，用于在相繼提取煙氣中所包含的蒸汽、二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫之后，將氮?dú)馀欧诺酵獠靠諝庵小?br> 22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述轉(zhuǎn)移裝置(55、13)，用于將排放到外部空氣中的氮?dú)庵兴那ЭㄞD(zhuǎn)移到煙氣中并因此有助于冷卻煙氣。
23.根據(jù)權(quán)利要求13-22中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述回收煙氣中可得熱能的裝置(6、7、8、9、10)，用于在約等于大氣壓力的壓力下，將煙氣冷卻、至少是部分冷卻至二氧化硫或二氧化碳和二氧化硫的反升華溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其特征在于回收存在煙氣中的可得熱能的裝置(6、7、8、9、10)包括加熱裝置，尤其是熱交換器(6)，用于通過(guò)煙氣加熱并蒸發(fā)水以產(chǎn)生高壓蒸汽，和膨脹裝置，尤其是渦輪機(jī)(7)，用于使高壓蒸汽膨脹產(chǎn)生機(jī)械能或發(fā)電(10)。
25.提取尤其是從氣田中產(chǎn)生的甲烷中的二氧化碳和/或二氧化硫的方法，其特征在于該方法包括以下步驟在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷的步驟，包括甲烷冷卻的步驟包括根據(jù)包括壓縮階段和相繼的冷凝和蒸發(fā)階段的過(guò)程，通過(guò)借助于制冷劑流體混合物在遞減溫度水平下分餾，提供千卡而冷卻甲烷、二氧化碳和/或二氧化硫混合物的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其特征在于該甲烷包含氣態(tài)的水；該方法使得在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷的步驟還包括在約等于大氣壓力的壓力下從甲烷中提取液態(tài)形式的水的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于在約等于大氣壓力的壓力下使用空氣或水熱交換器從甲烷中提取所有或部分液態(tài)形式的水。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其特征在于該方法還包括通過(guò)使用熱交換器和/或脫水裝置提取存在于甲烷中的所有殘余量的水的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求25-28中任一項(xiàng)的方法，其特征在于包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷的步驟之后，在封閉空間中熔化二氧化碳和/或二氧化硫的步驟，熔化期間封閉空間中的壓力和溫度變?yōu)槎趸己?或二氧化硫的三相點(diǎn)，因?yàn)橹评鋭┝黧w混合物在過(guò)冷時(shí)為該空間提供熱量。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其特征在于制冷劑流體混合物相繼確保二氧化碳和/或二氧化硫在封閉空間中熔化，和在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的開(kāi)放循環(huán)中流通的二氧化碳和/或二氧化硫反升華，二氧化碳和/或二氧化硫的熔化和反升華在所述空間的一個(gè)或另一個(gè)中交替進(jìn)行，一個(gè)空間是封閉的而另一個(gè)是開(kāi)放的。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30的方法，其特征在于該方法還包括將液態(tài)形式的二氧化碳和/或二氧化硫儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其特征在于將液態(tài)形式的二氧化碳和/或二氧化硫儲(chǔ)存于槽尤其是可移動(dòng)槽中的步驟包括以下步驟抽吸封閉空間中所包含的液態(tài)二氧化碳和/或液態(tài)二氧化硫的步驟，使封閉空間中的壓力接近于大氣壓力的步驟，和將液態(tài)二氧化碳和/或液態(tài)二氧化硫轉(zhuǎn)移到槽中的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求25-32中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該方法還包括在提取甲烷中所包含的二氧化碳和/或二氧化硫之后回收甲烷的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其特征在于該方法還包括將所回收甲烷中所包含的千卡轉(zhuǎn)移到由從氣田產(chǎn)生的甲烷中并因此有助于冷卻甲烷的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求25-34中任一項(xiàng)的方法，其特征在于該甲烷的溫度高于環(huán)境溫度，并且該方法還包括利用甲烷中的可得熱能而不另外供給能量，在約等于大氣壓力的壓力下，將甲烷冷卻至二氧化碳和/或二氧化硫的反升華溫度的步驟。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其特征在于為了利用甲烷中的可得熱能，該方法還包括以下步驟通過(guò)甲烷加熱而后蒸發(fā)水以產(chǎn)生高壓蒸汽的步驟，和在渦輪機(jī)中使高壓蒸汽膨脹產(chǎn)生機(jī)械能或發(fā)電的步驟。
37.提取尤其是從氣田中產(chǎn)生的甲烷中所包含的二氧化碳和/或二氧化硫的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷的冷卻裝置，該冷卻裝置包括集成級(jí)聯(lián)(18、22、25、26、28、32、33、34、39、40)的制冷裝置，用于根據(jù)包括壓縮階段(17)和所述相繼冷凝和蒸發(fā)階段的循環(huán)，通過(guò)借助于制冷劑流體混合物在遞減溫度水平下分餾，提供千卡而冷卻甲烷、二氧化碳和/或二氧化硫混合物；該制冷裝置包括壓縮機(jī)(17)，部分冷凝器(18)，分離槽(28)，所述蒸發(fā)冷凝器(22、32)，所述煙氣冷卻蒸發(fā)器(25、33)，所述液-氣熱交換器(26、34)，所述反升華蒸發(fā)器(39、40)，和所述膨脹器(24、31、41、42)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其特征在于該甲烷包含氣態(tài)的水；用于在約等于大氣壓力的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷的裝置還包括提取裝置，尤其是所述熱交換器(11、25)，用于在約等于大氣壓力的壓力下從甲烷中提取液態(tài)形式的水。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使得用于在約等于大氣壓力的壓力下從甲烷中提取所有或部分液態(tài)形式的水的提取裝置包括空氣或水熱交換器(11)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)使得用于提取存在于甲烷中的所有殘余量的水的提取裝置包括制冷熱交換器(25)和/或脫水裝置(56)。
41.根據(jù)權(quán)利要求37-40中任一項(xiàng)的的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括被流通制冷劑流體混合物的循環(huán)橫穿的封閉空間(39、40)；封閉空間中的壓力和溫度改變，至多達(dá)到二氧化碳和/或二氧化硫的三相點(diǎn)，此時(shí)·制冷劑流體混合物在過(guò)冷時(shí)為該空間提供熱量，和·二氧化碳和/或二氧化硫從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其特征在于制冷劑流體混合物相繼確保二氧化碳和/或二氧化硫在封閉空間中熔化，和在與前述空間相對(duì)稱(chēng)的空間的開(kāi)放循環(huán)中流通的二氧化碳和/或二氧化硫反升華；二氧化碳和/或二氧化硫的熔化和反升華在所述空間(39、40)的一個(gè)或另一個(gè)中交替進(jìn)行，一個(gè)空間是封閉的而另一個(gè)是開(kāi)放的。
43.根據(jù)權(quán)利要求41或42任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括儲(chǔ)存裝置，尤其是固定槽(49)和/或可移動(dòng)槽(51)，用于儲(chǔ)存液態(tài)形式的二氧化碳和/或二氧化硫。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其特征在于用于將液態(tài)形式的二氧化碳和/或二氧化硫儲(chǔ)存于固定槽(49)和/或可移動(dòng)槽(51)中的裝置還包括抽吸裝置，尤其是氣泵(48)，用于抽吸空間(39、40)中所包含的液態(tài)二氧化碳和/或液態(tài)二氧化硫，使空間(39、40)中的壓力接近于大氣壓力，和將液態(tài)二氧化碳和/或液態(tài)二氧化硫轉(zhuǎn)移到槽(49)中。
45.根據(jù)權(quán)利要求37-44中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述壓縮和/或抽吸裝置(57、59)，用于在提取甲烷中所包含的二氧化碳和/或二氧化硫之后回收甲烷。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還包括所述轉(zhuǎn)移裝置(55、13)，用于將所回收甲烷中所包含的千卡轉(zhuǎn)移到由氣田產(chǎn)生的甲烷中并因此有助于冷卻甲烷。
47.根據(jù)權(quán)利要求37-46中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其特征在于該甲烷的溫度高于環(huán)境溫度，并且該系統(tǒng)還包括所述回收甲烷中可得熱能的裝置(6、7、8、9、10)，用于在約等于大氣壓力的壓力下，將甲烷冷卻、至少是部分冷卻至二氧化碳和/或二氧化硫的反升華溫度。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的系統(tǒng)，其特征在于回收甲烷中可得熱能的裝置(6、7、8、9、10)包括加熱裝置，尤其是熱交換器(6)，用于通過(guò)煙氣加熱并蒸發(fā)水以產(chǎn)生高壓蒸汽，和膨脹裝置，尤其是渦輪機(jī)(7)，用于使高壓蒸汽膨脹并產(chǎn)生所述機(jī)械能或發(fā)電(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及從烴燃燒產(chǎn)生的甲烷或煙氣中提取二氧化碳和/或二氧化硫的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)包括冷卻裝置，如具有集成級(jí)聯(lián)(18、22、25、26、28、32、33、34、39、40)的制冷裝置，用于在與大氣壓力基本相等的壓力下、在使二氧化碳和/或二氧化硫通過(guò)反升華過(guò)程從氣態(tài)直接轉(zhuǎn)變成固態(tài)的溫度下冷卻甲烷或煙氣。
文檔編號(hào)B01D53/00GK1756583SQ200480006051
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月4日
發(fā)明者丹尼斯·克勞蒂克, 摩拉德·尤尼斯 申請(qǐng)人:阿美尼斯公司