將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為電能并實(shí)現(xiàn)冷卻的方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)電方法，其應(yīng)用太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)廢熱或來自產(chǎn)能處理的熱量，具有150℃或更低溫度等熱源，包括吸收器系統(tǒng),其中工質(zhì)氣體,主要是二氧化碳CO2,被吸收至吸收劑,該吸收劑通常是胺類；還包括反應(yīng)器，其熱收來自所述熱源的熱量并且其中吸收劑－CO2混合物被分離為CO2和吸收劑；還包括膨脹機(jī)，發(fā)電機(jī)和附加的設(shè)備，例如泵、管道和熱交換器。根據(jù)本方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)允許高效益的發(fā)電，并允許采用低溫?zé)嵩催M(jìn)行冷卻。
【專利說明】將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為電能并實(shí)現(xiàn)冷卻的方法及其系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于高效率地將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為電能并實(shí)現(xiàn)冷卻的方法，下面稱之為碳載體回路(Carbon Carrier Cycle),即C3。本發(fā)明屬于熱動力、化學(xué)和發(fā)電相結(jié)合的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前將低于150°C的低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換方法包括朗肯循環(huán)(Rankinecycle)的各種衍生方法,如有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine cycle),卡林那循環(huán)(Kalinacycle)及三邊閃蒸循環(huán)(Trilateral flash cycle)。
[0003]盡管目前的方法在低至60°C的溫度時(shí)仍能夠產(chǎn)生電能，但是其轉(zhuǎn)換效率非常低，因而即使是在以非常低的消耗就能生成熱量的應(yīng)用中，其在經(jīng)濟(jì)上也不具有吸引力。
[0004]與理想的卡諾循環(huán)(Carnot cycle)相比，造成上述低轉(zhuǎn)換效率的主要原因是在系統(tǒng)的熵降低冷卻側(cè)具有大量的能量損耗，以及在氣體膨脹中非常小的溫差。這意味著上述開銷損耗極大地降低了實(shí)際的轉(zhuǎn)換效率。
[0005]在具有更高效的熵降低以及膨脹機(jī)中更大的溫差的情況下，仍然采用環(huán)境溫度作為冷卻源，也可以顯著地增加實(shí)際的轉(zhuǎn)換效率。
[0006]這就是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題和所述碳載體回路系統(tǒng)的建立基礎(chǔ)。
[0007]核燃料和化石燃料以及可能的CSP (集中式太陽能電源)等均可用于產(chǎn)生高溫以及后續(xù)的水蒸發(fā)和汽輪機(jī)驅(qū)動從而產(chǎn)生電能。在相應(yīng)的熱動力回路中，采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200°C的初始溫度。
[0008]上述熱動力回路的一個(gè)實(shí)例是US4009575，其中高壓(大于IOObar) CO2回路連接至IJ中壓(l-8bar)和中溫(50_80°C )的K2CO3水溶液CO2吸收器，以用于能源生成。
[0009]相類似的，W02011/130981公開了一種熱動力回路，其中氣態(tài)工質(zhì)如甲烷(或者包括CO2在內(nèi)的其它氣體)可以被溶劑吸收。高壓部分通常的壓力和溫度為高于40bar和高于177°C，而低壓吸收部分的壓力為1.6至5bar，并且處于非常低的溫度上，如_96°C。
[0010]CZ302037公開了采用0)2蒸發(fā)凝聚回路進(jìn)行發(fā)電，其中采用最高+25°C熱源進(jìn)行CO2的蒸發(fā)。該文獻(xiàn)沒有公開可用的吸收劑或化學(xué)物。
[0011]SE9504683公開了在經(jīng)修正的卡諾處理中在一乙醇胺(MEA)中吸收CO2，并且通過20°C至最高100°C的加熱從MEA-CO2復(fù)合物中釋放CO2，但沒有公開細(xì)節(jié)或者結(jié)果。
[0012]總體上來說，可以證明，如果通過各種手段在汽輪機(jī)的下游加強(qiáng)流體工質(zhì)(水、CO2或其它)的凝聚或降壓，例如通過加入化學(xué)物(NH3, Kalina, Goswami)或吸收劑,則高溫?zé)釀恿芈纺軌蚋痈咝实墓ぷ?。盡管所獲得的改善可能很小，但在經(jīng)濟(jì)上是值得采用的。
[0013]然而，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有如何使用被認(rèn)為具有低溫一即在60_150°C，或70-140°C，或80-130°C的范圍內(nèi)一的熱源執(zhí)行上述處理的已知方法。而且，現(xiàn)有技術(shù)沒有公開能夠直接生成電能、熱量并實(shí)現(xiàn)冷卻的熱動力回路。具體來說，冷流形式的能量，如具有_25°C或更低溫度的流體在空調(diào)或食品冷凍方面是非常需要的。US4009575公開了冷凍技術(shù)，但是是通過非直接的處理，需要另外的設(shè)備。
[0014]進(jìn)而，如果采用了化學(xué)物來增加在汽輪機(jī)下游的氣體液化以實(shí)現(xiàn)降低壓力，一部分能量將被釋放出來，這些能量大致上相當(dāng)于氣體(如CO2)和化學(xué)物(如MEA，參見SE9504683)生成化合物的生成焓。這部分能量必須被去除，而且必須在熱動力回路的高溫側(cè)一即汽輪機(jī)的上游一被再次提供以分解該化合物。顯然如果該能量越低，則回路的效率越高。另一方面，低生成焓經(jīng)常帶來較慢的反應(yīng)速度。因而，需要在反應(yīng)速度和生成焓之間達(dá)到平衡。更具體的討論還涉及到在這一處理中的熱量恢復(fù)等方面，在下面將予以說明。
[0015]考慮到與溫室氣體過度排放和氣候變化相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，顯然存在更大程度地開發(fā)可再生能源的需求。下面所公開的可在本發(fā)明中應(yīng)用的可再生能源，包括通常被看作是屬于低溫?zé)崃康臒嵩础＿@些熱量包括太陽能(被加熱至低于150°C的水、油等)，地?zé)?同樣最高至150°C)，工業(yè)廢水熱量(通常最高至120°C)，燃燒過程產(chǎn)生的熱量(同樣最高至150°C)。通常，在上述溫度之上，最有用的是采用傳統(tǒng)的包括ORC (有機(jī)朗肯循環(huán))的熱動力回路，其采用揮發(fā)性有機(jī)液取代水作為工質(zhì)。
[0016]上述已知技術(shù)的主要缺陷在于，目前沒有高效、便利的可用方法能夠采用目前被認(rèn)為屬于低溫的熱源產(chǎn)生電能、熱量和冷卻形式的能量。采用ORC回路的已知方法，即使不考慮其較低的熱-電轉(zhuǎn)換效率，也只可能用于130°C以上的溫度范圍內(nèi)，它們也不能同時(shí)并且直接地以冷卻的方式來提供能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的是提供一種熱動力回路，其能夠采用目前被認(rèn)為屬于低溫的熱源一特別是太陽能和地?zé)?、工業(yè)廢水熱量(通常最高至150°C )以及來自燃燒處理的熱量，如來自傳統(tǒng)發(fā)電廠或來自發(fā)動機(jī)的廢熱和類似熱量(同樣最高至150°C) —實(shí)現(xiàn)直接產(chǎn)生電能、熱量和冷卻形式的能量。特別是，通過最優(yōu)化處理，本發(fā)明的目的是能夠以非常低的成本產(chǎn)生能量。后一方面是非常重要的。如圖1a所示，所有的熱動力回路均在特定的壓力-溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。通常，設(shè)備和運(yùn)行成本隨著壓力和溫度而增加。并且，提供驅(qū)動熱動力回路的熱介質(zhì)的成本也隨著壓力和溫度增大而增加。因而，希望提供一種可以在相對較低的溫度(如在-78°C至+150°C之間)和相對較低的壓力(如低于IObar)下工作的熱動力回路。
[0018]為了提供最有效率的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，人們希望在該能量回路的全部環(huán)節(jié)上最小化能量損耗。為了使競爭力最大，該系統(tǒng)還需要保持簡單、魯棒性并且避免高成本的驅(qū)動條件。
[0019]對于低溫轉(zhuǎn)換來說，一種專門的使能量損耗最小化并降低材料消耗的有效方法是在環(huán)境平面溫度和大氣壓力附近進(jìn)行循環(huán)。并且，對于高效轉(zhuǎn)換來說，使膨脹機(jī)上溫差最大化并且在該回路的冷卻部分中使熵降低過程中的能量損耗最小化是非常關(guān)鍵的。
[0020]本發(fā)明所公開的技術(shù)方案通過將朗肯循環(huán)(Rankine cycle)劃分為碳載體回路C3，對以上方面全部進(jìn)行了最優(yōu)化。取代凝聚器，本發(fā)明采用了二氧化碳化學(xué)物吸收處理在汽輪機(jī)的下游/膨脹機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了非常高效的降壓。用于所述汽輪機(jī)/膨脹機(jī)的工質(zhì)氣體因而暫時(shí)以液態(tài)形式存儲，這產(chǎn)生了相應(yīng)的有益效果，例如可以用泵進(jìn)行抽取。
[0021]由于吸收是一種自發(fā)性化學(xué)反應(yīng)，排出所述汽輪機(jī)/膨脹機(jī)的氣體溫度可以低至-70°C并且回路中的效率能夠非常接近于理想的卡諾循環(huán)(Carnot cycle)。在具有90°C的熱源和25°C環(huán)境溫度的情況下，由于低能量損耗和較大的溫差，相比目前的低溫轉(zhuǎn)換技術(shù)，所述C3將能夠增加15%至300%的電能。
[0022]所述系統(tǒng)在汽輪機(jī)/膨脹機(jī)的高壓側(cè)以稍高于環(huán)境壓力的壓力工作，并且在汽輪機(jī)/膨脹機(jī)的低壓側(cè)以接近真空工作，這能夠?qū)崿F(xiàn)非常低成本的機(jī)器結(jié)構(gòu)。由于輸入的液體優(yōu)選地以高速進(jìn)入吸收階段，吸收器系統(tǒng)優(yōu)選地將化學(xué)物溶劑分散為微小液滴以實(shí)現(xiàn)快速吸收，并實(shí)現(xiàn)緊湊型低成本吸收器和緊湊型低成本汽輪機(jī)。
[0023]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在主反應(yīng)器之后增加一個(gè)附加的反應(yīng)器助推器環(huán)節(jié)，其目的是如果補(bǔ)充熱源是可用的，則將二氧化碳?xì)怏w加熱至更高溫度。在某些實(shí)施例中，所述助推器是采用相同的主熱源的傳統(tǒng)換熱器或者過熱器。
[0024]在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可加入濃縮器模塊，其在化學(xué)吸收之后分離經(jīng)萃取溶劑和未萃取溶劑以便增加反應(yīng)器中的平衡氣壓且同時(shí)降低吸收器壓力。該環(huán)節(jié)進(jìn)一步增加了效率并且在熱源中的溫度低至60°C時(shí)仍能夠進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換。
[0025]并且，從膨脹后氣體中提取非常低的溫度以提供冷卻的可能性對某些應(yīng)用來說也是具有吸引力的選項(xiàng)。
[0026]本發(fā)明的典型應(yīng)用領(lǐng)域是將工業(yè)廢水熱量、地?zé)?、集中供暖熱量、太陽能熱量、?lián)合發(fā)電廠底循環(huán)、各種來自發(fā)電廠的熱量、燃燒發(fā)動機(jī)的排熱及其它燃燒熱源轉(zhuǎn)換為電能并且可選地還在低于環(huán)境溫度至-70°C之間進(jìn)行外部冷卻。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1a表示從壓力-溫度方面看關(guān)于其它現(xiàn)有動力循環(huán)的碳載體回路(CarbonCarrier Cycle)整體圖。
[0028]圖1b表示從包含流態(tài)的壓力-溫度方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0029]圖2a表示從關(guān)于流體入口和出口的系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0030]圖2b表示從系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0031]圖2c表示從系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0032]圖2d表示相對于2c的另一可變實(shí)施例。
[0033]圖2e表不相對于圖2c和2d的另一可變實(shí)施例。
[0034]圖3a表示從溶劑狀態(tài)的方面看關(guān)于其萃取對其溫度和壓力的本發(fā)明方法的整體圖。
[0035]圖3b表示圖3a中描述的溶劑狀態(tài)的另一可變視圖，特別是采用了濃縮器模塊以富集萃取吸收劑。
[0036]圖4a表示吸收器系統(tǒng)的整體圖。
[0037]圖4b表示圖4a中的吸收器系統(tǒng)的另一可選實(shí)施例，其采用富溶劑回收以增加萃取濃度
[0038]圖4c表不圖4a中的吸收器系統(tǒng)的另一可選實(shí)施例,其在汽輪機(jī)出口后具有冷卻提取，并在吸收器具有附加冷卻以增加萃取濃度。
[0039]圖5表不反應(yīng)器系統(tǒng)的整體視圖。
【具體實(shí)施方式】[0040]下面參見圖1a所示的實(shí)施例，表示從壓力-溫度方面看關(guān)于其它現(xiàn)有動力循環(huán)的碳載體回路(Carbon Carrier Cycle)整體圖。
[0041]朗肯循環(huán)(Rankine cycle)或所述蒸氣循環(huán)通過加壓并加熱水產(chǎn)生蒸汽的方式工作。產(chǎn)生電能的方式是使所述蒸汽從通常為IOOBar的P4和500°C的T4的點(diǎn)膨脹至低于100°C，在該溫度下蒸汽在冷卻過程中再次凝結(jié)為水，產(chǎn)生了接近于真空的低壓。
[0042]稱之為有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle, 0RC)的低溫循環(huán)采用相同的原理，但是其采用了具有比水更低的沸點(diǎn)的其它工質(zhì)代替水。通常，該循環(huán)在90°C熱源和25°C冷源之間采用從28Bar至7Bar的壓力范圍。
[0043]所述碳載體回路(Carbon Carrier Cycle),即C3,以不同的方式工作。熱量被用于從載體介質(zhì)或者工質(zhì)流中化學(xué)吸收C02。在所述CO2通過膨脹產(chǎn)生電能之后，其在冷卻過程中被化學(xué)吸收至載體介質(zhì)內(nèi)。所述化學(xué)吸收在生成低壓方面是非常高效的，并且CO2能夠膨脹到低至-78°c的溫度，盡管在低熱源溫度下仍產(chǎn)生高功率輸出。
[0044]下面參見圖1b所示的實(shí)施例，表示從包含流態(tài)的壓力-溫度方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0045]實(shí)際的閉環(huán)包括在流態(tài)I [FS1]冷卻至環(huán)境溫度T2的化學(xué)溶劑。該溶劑被霧化為微小液滴FS3并且在FS2與CO2相混合，經(jīng)受自發(fā)性化學(xué)反應(yīng)生成富CO2液態(tài)溶劑FS4并產(chǎn)生低至0.05Bar的壓力Pl。
[0046]所述富CO2溶劑被加壓至FS5，并在回路中被再利用的熱量加熱至FS6，并且進(jìn)而被外部熱源加熱至FS7，達(dá)到低于150°C的T3的溫度。
[0047]在加熱過程中并且在P2 (通常為Ibar)和P3(低于20bar)之間的壓力下，所述CO2被從化學(xué)溶劑中解吸收，如有必要，對殘余的貧溶劑在FS8繼續(xù)加壓。(在FS4和FS5之間的增壓還可以被設(shè)計(jì)為高于FS4和FSl之間的壓差，這樣就避免了需要附加的泵)。熱貧溶劑的熱量返回FS5和FS6之間的富溶劑，從而產(chǎn)生FS9中的冷貧溶劑。
[0048]通過進(jìn)一步冷卻FS9中的貧溶劑至回到FSl,完成了載體介質(zhì)循環(huán)。
[0049]在FS7中解吸收的CO2膨脹至回到FS2，產(chǎn)生低至_78°C的溫度。
[0050]在膨脹機(jī)的出口點(diǎn)FS2和化學(xué)吸收FS3，F(xiàn)S4之間，可以將施加熱交換作為一種選項(xiàng)，以在環(huán)境溫度和FS2處的氣體溫度之間對外部應(yīng)用產(chǎn)生冷卻。
[0051]下面參見圖2a所示的實(shí)施例，表示從關(guān)于流體入口和出口的系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0052]—種熱功率發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電膨脹系統(tǒng)15,可使用氣體工質(zhì),包括第一流體入口IFI和第一流體出口 IFO ；
[0053]熱冷卻源；具有第二流體出口 2F0和第二 2FI及第三流體入口 3FI的化學(xué)吸收系統(tǒng)3，所述第二流體入口 2FI可流通地連接至第一流體出口 1F0，所述化學(xué)吸收系統(tǒng)包括液態(tài)化學(xué)吸收劑，其化學(xué)吸收進(jìn)入到了第二流體入口 2FI的工質(zhì)氣體以生成包括所述液態(tài)吸收劑和被吸收到所述液態(tài)吸收劑內(nèi)的工質(zhì)氣體的混合物；所述化學(xué)吸收系統(tǒng)可交換能量地連接至所述冷源4，以便進(jìn)行冷卻所述混合物的能量傳遞；
[0054]熱能量源；具有第四液體入口 4FI和第三3F0及第四流體出口 4F0的反應(yīng)器系統(tǒng)7，所述第四流體入口可流通地連接至第二流體出口以接收所述混合物；所述反應(yīng)器系統(tǒng)可交換能量地連接至熱能量源以接收用于加熱所述混合物的能量；[0055]反應(yīng)器系統(tǒng)7用于將所述混合物分離為升溫、升壓的工質(zhì)氣體及液態(tài)吸收劑；所述第三流體出口 3F0可流通地連接至第一流體入口以便向第一流體入口提供所述升溫、升壓的工質(zhì)氣體，所述升溫、升壓的工質(zhì)氣體穿過發(fā)電膨脹系統(tǒng)15并作為降壓、降溫工質(zhì)氣體排出第一流體出口 1F0，而使發(fā)電膨脹系統(tǒng)產(chǎn)生電能；并且第四流體出口 4F0可流通地連接至第三流體入口 3FI以向第三流體入口提供液態(tài)吸收劑。
[0056]下面參見圖2b所示的實(shí)施例，表示從系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。實(shí)際上的閉環(huán)包括液泵6，預(yù)反應(yīng)器(其主要實(shí)際目的可以被視為熱交換器并且優(yōu)選地可構(gòu)成熱交換器12的一部分)，反應(yīng)器7，推進(jìn)器19，膨脹系統(tǒng)15、吸收器系統(tǒng)3及冷卻系統(tǒng)4。
[0057]所述泵6增加了液態(tài)CO2-吸收劑混合物的壓力，而預(yù)反應(yīng)器和反應(yīng)器7通過加熱釋放C02。助推器19在進(jìn)入膨脹系統(tǒng)15之前進(jìn)一步加熱高壓CO2以產(chǎn)生電能。膨脹后的氣體可選地進(jìn)入熱交換器35以便為了外部冷卻應(yīng)用或者為了在吸收前冷卻吸收劑而提取低溫。膨脹的CO2及不含CO2的吸收劑在吸收系統(tǒng)3內(nèi)在由冷卻系統(tǒng)4進(jìn)行的冷卻過程中進(jìn)行化學(xué)吸收或者轉(zhuǎn)換為液態(tài)CO2-吸收劑混合物以進(jìn)行重復(fù)處理。
[0058]下面參見圖2c所示的實(shí)施例，表示從系統(tǒng)的方面看本發(fā)明方法的整體圖。
[0059]反應(yīng)器7從熱交換器12接收半加熱的富氣體溶劑。通過采用由至少一個(gè)熱源I產(chǎn)生的熱介質(zhì)的熱量，所述富溶劑被進(jìn)一步加熱并且氣體被化學(xué)解吸收。被解吸收的氣體排出反應(yīng)器并進(jìn)入可選的氣體加熱助推器19，該助推器在氣體進(jìn)入膨脹機(jī)15之前進(jìn)一步加熱氣體以通過發(fā)電機(jī)23生成電能24。貧溶劑離開反應(yīng)器并在熱交換器12內(nèi)把其熱量傳遞給輸入的富溶劑。
[0060]膨脹機(jī)15使被加熱和加壓的氣體膨脹至低壓和低溫，并進(jìn)入可選的熱交換器35以便在氣體進(jìn)入吸收器3之后提供外部冷卻38。
[0061]進(jìn)入吸收器3的冷氣和已經(jīng)被液泵37加壓、被熱交換器36通過冷源4冷卻并且被霧化為微小液滴的貧溶劑接下來經(jīng)受自發(fā)性放熱化學(xué)反應(yīng)，在該反應(yīng)中氣體被吸收至貧溶劑，然后離開吸收器進(jìn)入泵6。
[0062]富溶劑通過之前描述的熱交換器12至反應(yīng)器7被送出。
[0063]下面參見圖2d所示的實(shí)施例，表示相對于2c的另一可變實(shí)施例。
[0064]排出吸收器的富溶劑包含萃取溶劑和未萃取溶劑二者。對于特定化學(xué)系統(tǒng)來說，對其進(jìn)行分離是可能并且有益的，以便最小化至反應(yīng)器的流體輸送并增加膨脹機(jī)中的壓比。
[0065]為了達(dá)到這一點(diǎn)，排出吸收器的富溶劑被泵6抽送至分離器40。
[0066]所述分離器部分地將萃取溶劑與未萃取溶劑相分離。所述未萃取溶劑被輸送至吸收器重復(fù)利用，而高濃度富溶劑被通過熱交換器12輸送至反應(yīng)器7。為了使這一過程能夠?qū)崿F(xiàn)，需要附加的泵39以從反應(yīng)器中傳輸所述貧溶劑。
[0067]下面參見圖2e所不的實(shí)施例,表不相對于圖2c和2d的另一可變實(shí)施例。
[0068]在反應(yīng)器中的CO2解吸收壓力隨著在吸收器中實(shí)現(xiàn)的CO2在化學(xué)溶劑內(nèi)的萃取濃縮而增加。由于吸收是放熱反應(yīng)，對吸收器提供附加的冷卻以便進(jìn)一步濃縮該溶劑是有利的。
[0069]本實(shí)施例與圖2c所示實(shí)施例的區(qū)別在于對吸收器增加了附加的冷卻。
[0070]圖2e示出了熱量存儲單元2，用于存儲熱量工質(zhì)流體。這樣在熱源不起作用的時(shí)間內(nèi)也能夠進(jìn)行連續(xù)的發(fā)電。對于夜間運(yùn)行的太陽能驅(qū)動發(fā)電廠來說這一點(diǎn)是特別有用的，還可以用在熱源不是所有時(shí)間都可用或者溫度和數(shù)值發(fā)生變化的地?zé)帷U熱和類似應(yīng)用當(dāng)中。
[0071]下面參見圖3a所示的實(shí)施例，表示從溶劑狀態(tài)的方面看關(guān)于其萃取對其溫度和壓力的本發(fā)明方法的整體圖。
[0072]在本例當(dāng)中,X軸(圖3a)上的萃取值被定義為mol氣體/mol溶劑,其中最小萃取值LI被定義為Omol氣體/mol溶劑,最大萃取值L4是理論上的最大mol氣體/mol溶劑。Y軸表示壓力，其中P6作為在反應(yīng)器中的CO2壓力，P5作為吸收器中的CO2壓力。溫度曲線T2、T5、T6和Τ7表示反映所述循環(huán)的溶劑狀態(tài)下的溫度。限定每個(gè)溶劑狀態(tài)的壓力被定義為在特定溫度和萃取值下與溶劑相平衡的CO2分壓。
[0073]在SSl冷卻后的貧溶劑在通常的環(huán)境溫度Τ2下保持非常接近于真空的內(nèi)部低分壓，并且部分萃取至值L2.冷卻后的貧溶劑吸收氣體獲得SS2的富溶劑，具有更高萃取值L3，并且具有升高的溫度Τ5.在該點(diǎn)的富溶劑的分壓Ρ5接近于在吸收器中所達(dá)到了的穩(wěn)定狀態(tài)壓力。
[0074]所述富溶劑被加熱至接近熱源溫度Τ6，在該點(diǎn)SS4氣體被解吸收并且溶劑返回到了具有低萃取濃度的貧溶劑狀態(tài).所述貧溶劑的溫度將通過解吸收冷卻和/或熱交換降至Τ7。
[0075]在反應(yīng)器中穩(wěn)態(tài)的CO2壓力，這里用Ρ6表示，近似于在SS4處的溶劑的分壓。
[0076]在SS4處的貧溶劑通過將其熱量傳輸給SS2處的冷富溶劑并且通過將能量傳輸給外部冷源而被冷卻，以達(dá)到溶劑狀態(tài)SSl處的本循環(huán)最初的冷貧溶劑。
[0077]下面參見圖3b所示的實(shí)施例，表示圖3a中描述的溶劑狀態(tài)的另一可變視圖，應(yīng)注意二者具有兩點(diǎn)區(qū)別:
[0078]1.SS2處的部分萃取溶劑被分離為SS2’所示的具有更高萃取值的溶劑和SS2”所示的具有非常低萃取值的貧溶劑。
[0079]2.在狀態(tài)SS4處的熱解吸收溶劑被冷卻并與所述SS2”處的具有非常低萃取值的貧溶劑相混合以形成初始的貧溶劑狀態(tài)SSl。
[0080]其原理與圖3a中的原理相同，然而，相比圖3a中的P6和P5，在采用相同的熱源溫度的情況下，可以達(dá)到更高的反應(yīng)器壓力P6’和更低的吸收器壓力P5’。這在回路中達(dá)到了更高的轉(zhuǎn)換效率，但增加了附加的設(shè)備如離心機(jī)，并具有相應(yīng)的工作損耗。
[0081]下面參見圖4a，表示吸收器系統(tǒng)的整體圖。
[0082]吸收器系統(tǒng)的目標(biāo)是通過理想的等熵膨脹吸收離開了汽輪機(jī)15的氣體16，從而具有非常低的溫度，在CO2作為膨脹氣體的情況下有可能降至-78°c，并且處于低于或者接近Ibar的壓力下，優(yōu)選地遠(yuǎn)低于Ibar (注意:在這些條件下，CO2有可能以固體顆粒的形式共存，例如以干冰的形式)。吸收劑18通過使用多個(gè)吸收劑噴頭29被噴入吸收腔30，在吸收腔內(nèi)吸收劑與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)的產(chǎn)物如箭頭31所示在重力作用下向下運(yùn)動至可選的輸送槳28，以液態(tài)CO2-吸收劑混合物5的形式排出吸收系統(tǒng)。吸收系統(tǒng)的側(cè)視圖在圖4a中可見。
[0083]被攪拌的溶劑和氣體之間的直接接觸，結(jié)合非?？斓奈仗幚?，使得來自汽輪機(jī)的具有非常高的輸出速率一甚至高達(dá)100-200m/s—的氣體能夠溶解，從而能夠?qū)崿F(xiàn)非常緊湊和低成本的汽輪機(jī)。
[0084]下面參見圖4b所示的實(shí)施例，示出了圖4a所示的吸收器系統(tǒng)的另一個(gè)可選實(shí)施例。
[0085]吸收器系統(tǒng)的一個(gè)可選項(xiàng)是再利用部分離開吸收器的富溶劑5，在42加壓并且通過將熱量傳遞至冷源4的熱交換43冷卻所述溶劑，接著將所述溶劑攪拌返回至吸收器。
[0086]這樣做的目的是增加富溶劑的萃取值以便增加反應(yīng)器壓力并降低系統(tǒng)中的流體
輸送量。
[0087]在所述吸收器中，希望獲得壓力在0.5bar至0.0Olbar之間的CO2壓力，優(yōu)選的在0.3bar至0.002bar之間，更優(yōu)選的在0.15bar至0.005bar之間,最優(yōu)選的是在0.1bar至0.0lbar 之間。
[0088]下面參見圖4c所示的實(shí)施例，表示圖4a的吸收器的另一個(gè)可選實(shí)施例。
[0089]為了提取有價(jià)值的冷卻能力以滿足外部目標(biāo)，一個(gè)選擇是將熱交換器38引入到汽輪機(jī)的出口點(diǎn)至吸收器之間的氣體流35。
[0090]與圖2e相關(guān)的另一種選項(xiàng)是對被攪拌后已經(jīng)吸收了氣體的富溶劑在其離開吸收器前進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。這樣做的目的是增加富溶劑的萃取值以加大反應(yīng)器壓力并且降低系統(tǒng)中的流體輸送量。
[0091]下面參見圖5，示出了反應(yīng)器，其中所述CO2-吸收劑混合物5在低溫下進(jìn)入反應(yīng)器7。高溫?zé)崃?1進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器并以與所述CO2-吸收劑混合物5相反的方向流動，向所述混合物釋放熱量并且將部分C0233去除至前汽輪機(jī)腔10并且進(jìn)入預(yù)反應(yīng)器34。熱流以低溫從預(yù)反應(yīng)器18中排出。去除CO2后的混合物32繼續(xù)加熱至反應(yīng)器以進(jìn)一步去除C02?？蛇x的是，氣體分離膜9或者過濾器或能夠阻止吸收劑流中的液滴進(jìn)入汽輪機(jī)的物理手段，例如短蒸餾柱或去霧器，被用來確保沒有吸收劑進(jìn)入前汽輪機(jī)腔10。
[0092]在反應(yīng)器中，希望獲得20bar至0.5bar之間的CO2壓力，優(yōu)選的是在15bar至0.8bar之間，更優(yōu)選的是在IObar至1.2bar之間。
[0093]為了使產(chǎn)生的能量最大化，重要的是避免正壓力或者反壓力累積，這將會對汽輪機(jī)發(fā)電的能力造成負(fù)面影響。很多膨脹氣體，例如蒸汽形式的水，將凝結(jié)成水而降低揮發(fā)性，特別是同時(shí)還對其進(jìn)行冷卻的情況下。在本發(fā)明中，降低反壓力的任務(wù)通過在能夠在物理上或化學(xué)上與CO2反應(yīng)的介質(zhì)中吸收所述氣體，優(yōu)選的是CO2來實(shí)現(xiàn)。這里的“反應(yīng)”應(yīng)更理解為吸收或形成共價(jià)鍵或離子鍵(形成鹽)或引力范德化鍵及類似鍵并形成總體特征在于至少10J/molC02的焓變化的力，其顯著高于以熱的形式釋放的焓。
[0094]在將二氧化碳作為膨脹氣體的情況下，在從燃燒處理中獲取CO2的方面開發(fā)了可供選擇的技術(shù)。CO2可被吸收至多孔硅酸鹽，離子液體當(dāng)中，但是最為合適的材料是胺類，例如一乙醇胺，可選的將其在水中稀釋。在獲取CO2的方面，燃燒產(chǎn)生的氣體被引導(dǎo)穿過吸收器，在吸收器內(nèi)在大約40°c和l_2bar的條件下富CO2氣體與胺類液體相混合。這一條件適于從燃燒產(chǎn)生的氣體中基本除去全部的C02。所述富CO2胺類液體接下來可在另一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)加熱，通常加熱至120°C和lbar，在該條件下純CO2從胺類中被釋放出來。貧CO2胺類接下來可在吸收階段再次利用。
[0095]然而，在本發(fā)明中所應(yīng)用的基本設(shè)計(jì)中，由于涉及到了低溫，需要對生成固體顆粒的風(fēng)險(xiǎn)予以關(guān)注。多數(shù)的胺類(一乙胺，哌嗪，嗎啉，其它單、雙和聚胺類)具有大約0-20°C的凝固點(diǎn)。在最簡單的實(shí)施例中，可能的胺類和CO2固態(tài)混合物從汽輪機(jī)的膨脹區(qū)域通過固體傳送機(jī)一例如傳輸和復(fù)合槳一等手段進(jìn)行傳輸，還確保在胺類和CO2之間可發(fā)生反應(yīng)。CO2和胺類之間的化學(xué)鍵確保了即使達(dá)到40°C的溫度下仍然具有CO2的低波動性，如上面所討論的。從工程的視角來看，優(yōu)選的是在該階段處理液態(tài)混合物。一種實(shí)際的解決方案是將胺類與具有非常低的融點(diǎn)的化學(xué)隋性液體相混合，例如硅酮油。在硅酮油中預(yù)分散的胺類因而成為液態(tài)介質(zhì)，其可以高效吸收CO2，并且可以在汽輪機(jī)下游的各種流體條件下作為(雖然)粘性液體而得到處理。
[0096]采用分散于低融點(diǎn)液體如硅酮油中的胺類提供了使用不同的胺類作為CO2吸收劑的機(jī)會。具體來說，希望采用與CO2的反應(yīng)具有較低波動性或者產(chǎn)生更少的熱量(低于1900千焦/kgC02，參見下面的參考文獻(xiàn))的胺類代替一乙醇胺(MEA)。應(yīng)當(dāng)注意的是這些能量值是估計(jì)的，并且取決于處理參數(shù)如水含量、流量、接觸時(shí)間(因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)可能會發(fā)生變化，參見如 Edward Rubin 和 Arnand Rao 的 D0E/DE-FC26-00NT40935，第 18 頁，GaryRochelle, “利用水溶液吸收劑的CO2獲取”，化學(xué)工程部分，德克薩斯大學(xué)等參考文獻(xiàn)或類似公開文獻(xiàn)。因此，在文獻(xiàn)中提供了不同的在各種胺類中吸收CO2的工藝，其處于100-4000千焦/kg CO2的范圍內(nèi))。下面也提到了胺類的替代物，但是這里所公開的主要原理是結(jié)合胺類、沸石分子篩、微孔材料、“激冷氨”或者碳酸氫氨及類似系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在-80至+60°C之間的溫度上結(jié)合CO2,并且能夠在更高的溫度上釋放C02。在該階段優(yōu)選地可采用更大體積或空間位阻胺。其它適用的胺類是例如DEA (二乙醇胺)、DGA (二甘醇胺)、DIPA (二異丙醇胺)、TEA (三乙醇胺)及其它胺類，可單獨(dú)使用或混合使用，通常與水或醇相混合。公開了具體的可適用的胺類系統(tǒng)的公開技術(shù)在下面列于說明書結(jié)尾以作為參考。
[0097]所公開的化學(xué)物包括上述胺類或NH3系統(tǒng)，其可高效地在低溫下吸收CO2并且能夠在大約80-100°C的溫度下至少部分地釋放CO2，在采用由太陽能加熱生成的熱水或者如工業(yè)廢熱作為熱源的情況下，這一點(diǎn)是特別有利的。
[0098]在基本的發(fā)明之上，可以得到各種實(shí)施例和工程上的修正方案，這些方案全部采用了在堿性吸收介質(zhì)或液體中化學(xué)臨時(shí)吸收CO2的原理。作為示例，所述加熱器/助推器可以通過從與主反應(yīng)器通過閥門分離的接收容器或者預(yù)反應(yīng)器中釋放部分加壓CO2 (如通過一個(gè)單獨(dú)的小汽輪機(jī))而分批次工作。所述預(yù)反應(yīng)器可以被充入富CO2吸收劑，其接下來流至熱區(qū)段以便分離為氣體和貧CO2吸收劑。
[0099]根據(jù)本發(fā)明的熱量工質(zhì)流體優(yōu)選的工作于_70°C至150°C之間，更優(yōu)選的在_30°C至140°C之間，而進(jìn)一步優(yōu)選的在-10°C至130°C之間，最優(yōu)選的是在0°C至100°C之間。
[0100]本發(fā)明的示例
[0101]在下面的部分給出了關(guān)于所述動力回路的不同區(qū)段，即吸收器、泵、熱交換器、分離器、反應(yīng)器或解吸收器、膨脹單元并且包括汽輪機(jī)和外部設(shè)備和化學(xué)物的示例。這些示例包括本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0102]吸收器和化學(xué)物:如上文所述，排出膨脹機(jī)的工質(zhì)氣體在本階段被化學(xué)吸收。為了評估包括MEA、MDEA, PZ、DETA和更多的氨和胺類吸收CO2的速率，進(jìn)行了兩組不同的實(shí)驗(yàn)。為了穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)，一 2升不銹鋼反應(yīng)器通常被充入IOOg的胺類，添加劑和l_5bar的CO2氣體。下面的表格示出了典型的增重和進(jìn)一步的解釋。總體上看，如下的屬性是優(yōu)選的:高容量，相對于胺類或胺加溶劑的量來說高含量的CO2，快速吸收，在吸收過程中低熱量產(chǎn)生，低粘度的最終產(chǎn)物，除了可泵取的鹽類外不生成其它鹽類，盡可能在低溫和不發(fā)泡的情況下解吸收，低毒性，低價(jià)格，良好的熱穩(wěn)定性，在解吸收溫度下保持低蒸氣氣壓。某些化學(xué)物，如低分子量的氨、銨類一例如二乙胺一會蒸發(fā)并在反應(yīng)器壁上形成鹽。由于其具有高蒸氣壓力，它們需要在低溫下被處理。特別是氨類，由于在汽輪機(jī)中膨脹至低溫過程中會形成沉積，是非常難于處理的。二丁胺等二烴基胺單獨(dú)使用或者與水或與如1-正已醇等醇混合，MDEA等叔胺類，DETA等二級胺，以及上述物質(zhì)的組合，例如5-10%為哌嗪或DBA、60%為MDEA并且其余為水，被證明最能符合上述要求。其它可用的胺類公開在M.Sc.YudiHalim Tan的博士論文“熱變質(zhì)親脂胺溶劑的CO吸收研究”(Study of CO-absorptionintothermomorphic lipophilic amine solvents)，Dortmund, 2010 中，在此弓I 證為參考文獻(xiàn)。也可以米用更強(qiáng)的喊，例如由David Heldebrant (Pacific NorthwestNationLaboratory)所報(bào)告的，包括胍(TMG)、脒(DBU)和巴氏及希氏堿(Barton，s and Hunig’ s
base)，盡管其價(jià)格較高，主要是因?yàn)樗鼈兛梢砸陨商妓猁}的方式使CO2與醇相結(jié)合。[0103]
【權(quán)利要求】
1.一種采用實(shí)質(zhì)閉環(huán)系統(tǒng)生成電能的方法，包括以下步驟: 一提供至少一個(gè)熱源(I )，熱量可從該熱源被傳遞至包含被加熱的吸收劑液體的熱量工質(zhì)流體； 一提供吸收器系統(tǒng)(3)，用于化學(xué)吸收二氧化碳(CO2)至吸收劑液體以提供液態(tài)CO2 -吸收劑混合物； 一提供冷卻和熱交換系統(tǒng)(4，12)，用于從所述系統(tǒng)中去除或傳遞熱量； 一提供至少一個(gè)泵裝置(6)，用于輸送系統(tǒng)中的所述工質(zhì)流體，特別是用于增加所述氣體一吸收劑混合物的壓力并允許所述氣體一吸收劑混合物被傳送給反應(yīng)器(7)，采用所述熱源(I)的熱量加熱增壓后的氣體一吸收劑混合物，從而將所述氣體一吸收劑混合物分離為高壓氣體和吸收劑液體，作為反應(yīng)器的輸出； 一提供膨脹機(jī)(15)，具有發(fā)電機(jī)(23)，用于通過采用在所述吸收器系統(tǒng)(3)中產(chǎn)生的低壓，將來自所述反應(yīng)器(7)的被加熱和加壓的氣體膨脹為非常低溫度的氣體來產(chǎn)生電倉泛; 一提供引導(dǎo)所述工質(zhì)流體穿過所述系統(tǒng)的管道系統(tǒng)，特別是引導(dǎo)所述被加熱的吸收劑液體流出反應(yīng)器(7)，以及非常低溫度的氣體流出膨脹機(jī)(15)至所述吸收器系統(tǒng)(3)，以便被再次化學(xué)吸收到液態(tài)氣體一吸收劑混合物以用于最初的處理， 其特征在于， 一采用二氧化碳(CO2)作為所述高壓氣體來運(yùn)行所述膨脹機(jī)，所述膨脹機(jī)處在一 78°C至+ 150°C的溫度區(qū)間內(nèi)，優(yōu)選的處于-70°C至+ 140°C的區(qū)間內(nèi)， 一采用能夠通過物理的范德華力或者化學(xué)鍵鍵合CO2的物質(zhì)； 一在所述反應(yīng)器內(nèi)獲得20bar至0.5bar之間的CO2壓力，優(yōu)選的處于15bar至0.8bar之間，更優(yōu)選的處于IObar至1.2bar之間，以及 -在吸收器系統(tǒng)內(nèi)獲得0.5bar至0.0Olbar之間的CO2壓力，優(yōu)選的在0.3bar至0.002bar之間，更優(yōu)選的在0.15bar至0.005bar之間，最優(yōu)選的在0.1bar至0.01bar之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱量工質(zhì)流體工作于_70°C至150°C之間，更優(yōu)選的在_30°C至140°C之間，而進(jìn)一步優(yōu)選的在-10°C至130°C之間，最優(yōu)選的是在0°C至100°C之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 提供用于存儲熱量工質(zhì)流體的熱量存儲單元(2)，以便在熱源不能工作時(shí)向系統(tǒng)提供熱量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1- 3中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 提供預(yù)反應(yīng)器系統(tǒng)，其優(yōu)選的作為熱交換系統(tǒng)(12)的一部分，通過熱交換，將熱量工質(zhì)流體中的熱量或者在反應(yīng)器中釋放了 CO2之后的吸收劑中存儲的能量恢復(fù)至輸入的CO2 -吸收劑混合物，從而如果在批量或半連續(xù)模式下，所述預(yù)反應(yīng)器系統(tǒng)可以釋放部分C02。
5.根據(jù)權(quán)利要求1- 4中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟: 提供助推器系統(tǒng)(19)，其工作在至少與熱量工質(zhì)流體相同的溫度上，在反應(yīng)器(7)的下游部分和進(jìn)入膨脹機(jī)(15 )之間，用于通過所述熱源或者通過副熱源加熱二氧化碳?xì)怏w。
6.根據(jù)權(quán)利要求1- 5中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟:加入至少一種化學(xué)物以降低所述吸收劑一 CO2混合物的凝固點(diǎn)，以便調(diào)節(jié)粘度或結(jié)晶，或者使其能夠以至少一個(gè)輸送槳(28)或類似裝置的方式傳輸包含吸收劑一 CO2混合物的漿狀物，所述化學(xué)物可以從水、醇、油、硅酮及去泡劑中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1一 6中任一項(xiàng)所述的方法，其中熱源(I)從太陽能、來自發(fā)電廠或工業(yè)處理中的廢熱，來自馬達(dá)或發(fā)動機(jī)的廢熱，地?zé)?，來自含碳物質(zhì)燃燒的能量以及高溫產(chǎn)能循環(huán)的廢熱中選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求1一 6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述吸收劑從包括至少一種含氮化合物成份的組中選擇，例如NH3或胺類。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述吸收劑從包括如下物質(zhì)的組中選擇:DEA(二乙醇胺)，MEA (—乙醇胺)，嗎啉，哌嗪，MDEA (甲基二乙醇胺)，DGA (二甘醇胺)，DIPA (二異丙醇胺)、TEA (三乙醇胺)單獨(dú)使用或者與水或醇相混合，親脂性胺類如二烴基胺，其中烴基可以是甲基、乙基以及優(yōu)選的丙基、丁基、仲丁基和異丁基、戊基、己基或具有多于六個(gè)碳原子的烴基族，混合物中包括兩相和熱變質(zhì)胺混合物，或鍵合至沸石或硅的胺類，包括與水和/或如丁醇、己醇和乙二醇等醇的混合物，氨基硅酮，胍、脒、氨基酸衍生物、離子溶液，單獨(dú)使用或者與凝固點(diǎn)抑制劑或其它能夠使冷漿以機(jī)械手段進(jìn)行傳輸?shù)幕瘜W(xué)物，所述化學(xué)物包括硅酮油，并且其中胺類優(yōu)選地具有比MEA (—乙醇胺)更低的CO2-胺反應(yīng)吸收焓，并且在Ibar的壓力下具有高于120°C的沸點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1一 9中任一項(xiàng)所述的方法，其中排出汽輪機(jī)的CO2的冷溫度用于壓縮水或者生成冰以形成潔凈水或者為冷藏應(yīng)用提供冷卻，和/或其中在系統(tǒng)中生成的過剩熱量提供剩余的熱水或者用于在整個(gè)系統(tǒng)工作的一部分時(shí)間預(yù)加熱收集太陽能的熱量流體，如在清晨，以加快啟動.
11.根據(jù)權(quán)利要求1一 10中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過提供液滴形式的液體吸收劑加快吸收及將CO2質(zhì)量傳遞到吸收劑的速度，優(yōu)選的通過將液體吸收劑噴射入吸收器，從而排出膨脹機(jī)的氣體能夠以較大的表面積與許多吸收劑液滴相接觸，其中優(yōu)選的是使液滴具有5mm至0.01mm之間的直徑,優(yōu)選的是0.025至2mm,更優(yōu)選的是0.05至0.5mm,最為優(yōu)選的是0.1至0.25mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1一 11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，萃取CO2后的吸收劑被施加分離步驟，所述分離步驟從包括相分離、潷析和離心分離的組中進(jìn)行選擇，并且其中萃取CO2后的吸收劑被分離為至少兩部分，其中富含CO2的部分被傳輸至反應(yīng)器以便分離CO2氣體和貧吸收劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求1一 12中任一項(xiàng)所述的方法，其中，對吸收器裝置的壁和/或富CO2吸收劑進(jìn)行冷卻。
14.根據(jù)權(quán)利要求1一 13中任一項(xiàng)所述的方法，其中，萃取CO2后的吸收劑混合物的一部分被輸送回吸收器系統(tǒng)(3)，以便達(dá)到更高的萃取水平。
15.根據(jù)權(quán)利要求1一 14中任一項(xiàng)所述的用于發(fā)電的系統(tǒng)。
【文檔編號】F01K25/06GK103597172SQ201280014434
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月22日
【發(fā)明者】約阿希姆·卡爾特, 托馬斯·奧斯特羅姆 申請人:克里米恩股份有限公司