ДЕЙСТВИЕ МОРОЗИЛЬНОЙ КАМЕРЫ АНТИСУБЛИМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2013 года по МПК B01D7/00 B01D53/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу действия морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока и к антисублимационной системе для улавливания СО₂ из газового потока, причем указанная антисублимационная система включает морозильную камеру. Настоящее изобретение также относится к системе обработки дымового газа.

Уровень техники

Улавливание диоксида углерода (СО₂) в известных антисублимационных системах производят вымораживанием СО₂ в виде сухого льда на холодных поверхностях внутри одной или более морозильных камер, и последующим размораживанием СО₂ путем нагревания тех же самых поверхностей. Существующая технология предусматривает морозильные камеры как резервуары под давлением и действующие при давлениях, значительно более высоких, чем атмосферное давление, тем самым обусловливая необходимость дорогостоящих конструктивных решений, таких как толстые стенки резервуаров, кольцевые ребра жесткости и клапаны и трубная арматура, рассчитанные на высокое давление.

Патентный документ US 7073348 относится к способу и системе для извлечения диоксида углерода из дымовых газов, возникающих при сжигании углеводородов в устройствах, предназначенных, в частности, для получения механической энергии. Способ включает стадию охлаждения указанных дымовых газов при давлении, более или менее равном атмосферному давлению, при такой температуре, что диоксид углерода переходит непосредственно из парообразного состояния в твердое состояние в ходе антисублимационного процесса. Во время антисублимационной фазы в антисублимационном испарителе образуется замерзший СО₂. Процедура подготовки антисублимационного испарителя к следующему антисублимационному циклу СО₂, содержащегося в дымовых газах, обобщена следующим образом. Твердый СО₂ расплавляют, то есть переводят из твердой фазы в жидкостную фазу при давлении 5,2 бар (0,52 МПа). Когда СО₂ полностью переходит в жидкостную фазу, его насосом переводят в теплоизолированный резервуар.

Патентный документ US 2006/0277942 представляет изобретение, которое весьма подробно описано в патентном документе US 7073348, однако относится к извлечению диоксида серы, а также диоксида углерода.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в усовершенствовании действия морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂, в частности, касается размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в возможности создания более легкой, и тем самым более дешевой, конструкции морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂.

Еще одной целью настоящего изобретения является представление конструкции и принципа действия антисублимационной системы для улавливания СО₂, позволяющих размораживать твердый СО₂, находящийся в морозильной камере, при более низком давлении, чем это предусматривалось ранее.

Как стало обычным в этой области технологии, термин «антисублимация» здесь имеет отношение к прямому фазовому переходу из газового в твердое состояние, который происходит, когда температура обсуждаемого газа находится на уровне ниже тройной точки. Термином «сублимация» здесь называют, как это является общепринятым, прямое фазовое превращение из твердого состояния в газообразное.

Термин «размораживание» здесь имеет отношение к превращению сухого льда в еще одно состояние. В частности, он относится к превращению «ледяного» СО₂, то есть твердого СО₂, в еще одно состояние.

В настоящем контексте термин «газовый поток» может обозначать поток любой газовой смеси, включающей СО₂. Однако «газовый поток» типично может представлять собой поток дымового газа, образующегося при сгорании органического материала, такого как возобновляемые или невозобновляемые топлива. Если газовый поток, который должен быть обработан согласно настоящему изобретению, включает химические вещества или частицы, непригодные для обработки в антисублимационной системе, или несовместимые с другими признаками настоящего изобретения, эти вещества или частицы могут быть сначала удалены способами отделения, известными квалифицированному специалисту.

Вышеупомянутые цели, а также дополнительные цели, которые станут очевидными квалифицированному специалисту после изучения нижеприведенного описания, достигнуты в первом аспекте с помощью способа действия морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока, в котором во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, из морозильной камеры удаляют газообразный СО₂.

Удалением газообразного СО₂ из морозильной камеры во время размораживания твердого СО₂, внутреннее давление в морозильной камере поддерживают на более низком уровне, чем это было бы возможно в иной ситуации. В качестве преимущественного следствия, морозильная камера может быть рассчитана на противостояние более низкому давлению, чем известные морозильные камеры. Соответственно этому, морозильная камера и связанные с нею трубопроводы и фитинги могут иметь облегченную конструкцию и тем самым быть более дешевыми.

Предложенный способ может быть интерпретирован как новый принцип действия морозильной камеры, в котором указанное размораживание проводят путем превращения твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, в газообразный СО₂, то есть путем сублимации.

Действие морозильной камеры может быть таким, что во время указанного размораживания морозильную камеру поддерживают при более низком внутреннем давлении чем на величину около 50 кПа выше атмосферного давления, предпочтительно более низком чем на величину около 25 кПа выше атмосферного давления, более предпочтительно более низком чем на величину около 10 кПа выше атмосферного давления, и наиболее предпочтительно примерно при атмосферном давлении. Из конструктивных и экономических соображений является преимущественным, чтобы морозильная камера действовала при внутреннем давлении, близком к атмосферному давлению. Удобнее было бы удалять газообразный СО₂ из морозильной камеры в таком количестве, чтобы поддерживать морозильную камеру при указанном внутреннем давлении.

В зависимости от условий давления в морозильной камере во время указанного размораживания, а также условий давления в предполагаемом месте хранения СО₂, удаленного из морозильной камеры, может потребоваться, чтобы газообразный СО₂ удаляли из морозильной камеры путем выкачивания. Как применяемый здесь, термин «выкачивание» включает действие, выполняемое с помощью любого типа газонасосного оборудования, такого как газовые насосы, вентиляторы или компрессоры. Принимая во внимание, что уловленный СО₂ преимущественно хранят и/или дополнительно обрабатывают (например, транспортируют) при давлениях, достаточно высоких для удерживания СО₂ в жидком состоянии, выкачиванием можно преобразовывать газообразный СО₂, удаляемый из морозильной камеры, в жидкий СО₂. Таким образом, операция выкачивания может включать сжимающее действие, такое как действие, исполняемое компрессором. Полученный жидкий СО₂ может быть простым путем переведен в резервуар-хранилище. Если вместе с СО₂, удаленным из морозильной камеры, присутствуют N₂ или другие газы, то эти газы могут быть удалены газожидкостным разделением после образования жидкого СО₂.

Во втором аспекте цели настоящего изобретения также достигнуты с помощью антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока, причем указанная антисублимационная система включает морозильную камеру и устройство для удаления газообразного СО₂ из морозильной камеры, причем указанное устройство приспособлено для удаления газообразного СО₂ во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере.

Будучи приспособленным для удаления газообразного СО₂ во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, устройство для удаления газообразного СО₂ предоставляет возможность действия морозильной камеры при более низком внутреннем давлении, чем это было бы возможно в другой ситуации. В качестве преимущественного следствия, морозильная камера может быть скомпонована для противостояния меньшему давлению, чем известные морозильные камеры. Соответственно этому, морозильная камера и связанные с нею трубопроводы и фитинги могут иметь облегченную конструкцию и тем самым быть более дешевыми.

Антисублимационная система может включать более чем одну морозильную камеру с раскрытыми здесь конструкцией и функционированием. Обычно является желательным оборудовать антисублимационную систему двумя морозильными камерами, чтобы иметь возможность размораживать твердый СО₂ в одной морозильной камере, в то время как СО₂ улавливают из газового потока в другой.

В зависимости от условий давления в морозильной камере во время указанного размораживания, а также условий давления в предполагаемом месте хранения СО₂, удаленного из морозильной камеры, может потребоваться, чтобы устройство для удаления газообразного СО₂ из морозильной камеры представляло собой насос, и впускной патрубок насоса был присоединен к морозильной камере. Как применяемый здесь, термин «насос» включает газонасосное оборудование любого типа, такого как газовые насосы, вентиляторы или компрессоры. Принимая во внимание, что уловленный СО₂ преимущественно хранят и/или дополнительно обрабатывают (например, транспортируют) при давлениях, достаточно высоких для удерживания СО₂ в жидком состоянии, насос может представлять собой компрессор, приспособленный для преобразования газообразного СО₂, удаленного из морозильной камеры, в жидкий СО₂. Таким образом, резервуары, трубопроводы и фитинги после насоса должны быть рассчитаны на соответствующее давление. Преимущественно антисублимационная система может дополнительно включать резервуар-хранилище, соединенный с выпускным патрубком компрессора и приспособленный для принятия жидкого СО₂. Ниже по потоку относительно компрессора, предназначенного для преобразования газообразного СО₂, удаленного из морозильной камеры, в жидкий СО₂, может быть встроен газожидкостный сепаратор. Таким образом, N₂ или другие газы, возможно присутствующие вместе с СО₂, удаленным из морозильной камеры, могут быть удалены газо-жидкостным разделением после образования жидкого СО₂.

Антисублимационная система может быть также такой, что морозильная камера приспособлена действовать только при более низком внутреннем давлении, чем на величину около 50 кПа выше атмосферного давления, предпочтительно более низком, чем на величину около 25 кПа выше атмосферного давления, более предпочтительно более низком, чем на величину около 10 кПа выше атмосферного давления, и наиболее предпочтительно примерно при атмосферном давлении. Из конструктивных и экономических соображений является преимущественным, чтобы морозильная камера действовала при внутреннем давлении, близком к атмосферному давлению. Таким образом, антисублимационная система может быть такой, что морозильная камера рассчитана и оборудована для максимально допустимого давления, не превышающего величину более 50 кПа выше атмосферного давления, предпочтительно не более чем на 25 кПа выше атмосферного давления, более предпочтительно не более чем на 10 кПа выше атмосферного давления.

В третьем аспекте цели настоящего изобретения также достигнуты с помощью системы обработки дымового газа, включающей один или более теплообменников для снижения температуры дымового газа, и одну или более промывных колонн для удаления загрязняющих примесей из дымового газа, причем указанная система обработки дымового газа дополнительно включает антисублимационную систему, как описанную выше. Типично система обработки дымового газа может включать встроенную каскадную систему охлаждения, которая может обеспечивать холод, необходимый для замораживания СО₂ в сухой лед в морозильной камере.

Краткое описание чертежа

Фиг.1 схематически представляет вид антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока.

Подробное описание

Вариант исполнения антисублимационной системы согласно изобретению будет описан с привлечением Фиг.1. Антисублимационная система 1 для улавливания СО₂ из газового потока 2 включает морозильную камеру 3 с внутренними холодными поверхностями 4. Газовый поток 2 может проходить через морозильную камеру 3 через клапаны 5, 6. Морозильная камера 3 представляет собой резервуар, приспособленный для работы при внутренних давлениях ниже 50 кПа. Впускной патрубок насоса 7 соединен с морозильной камерой 3 через клапан 8. Выпускной патрубок насоса 7 соединен с резервуаром-хранилищем 9. Между выпускным патрубком насоса 7 и резервуаром-хранилищем 9 встроен газожидкостный сепаратор 10.

Во время намораживания твердого СО₂ на внутренних холодных поверхностях 4 клапаны 5, 6 открыты, и газовый поток 2, включающий СО₂, проходит через морозильную камеру 3. Температура газа, поступающего в морозильную камеру 3, может составлять около -100ºС, тогда как внутренние холодные поверхности 4 могут поддерживаться при температуре около -120ºС. Антисублимация происходит так, что газообразный СО₂ в газовом потоке преобразуется в твердый СО₂. Во время замораживания твердого СО₂ насос 7 не действует, и клапан 8 закрыт. Когда морозильная камера 3 достигает предела способности замораживания, клапаны 5, 6 закрываются, и газовый поток 2 больше не проходит через морозильную камеру 3, но может быть пропущен в еще одну морозильную камеру (не показана), где замораживание может быть продолжено.

Во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере 3, клапаны 5, 6 закрыты, и газовый поток 2 больше не проходит через морозильную камеру. Температура внутренних холодных поверхностей 4 может быть повышена до около -45°С. Сублимация происходит так, что твердый СО₂ превращается в газообразный СО₂. Во время размораживания твердого СО₂ клапан 8 открыт, и насос 7 освобождает морозильную камеру от газообразного СО₂ так, что внутреннее давление в морозильной камере поддерживается ниже 50 кПа. Это позволяет сделать морозильную камеру и связанные с нею трубопроводы и фитинги с меньшими затратами и более легкими, поскольку они не должны противостоять повышенным уровням давления. Насос 7 выполняет функцию компрессора так, что выдает жидкий СО₂. Жидкий СО₂ собирают в резервуаре-хранилище 9. Остаточный N₂ удаляют с помощью газожидкостного сепаратора 10 перед тем, как собирать жидкий СО₂ в резервуаре-хранилище 9.

Когда твердый СО₂ в морозильной камере был разморожен и удален, газовый поток 2 может опять проходить через морозильную камеру, и замораживание повторяется.

Изобретение предназначено для улавливания СО₂ из газового потока. Согласно способу действия морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, из морозильной камеры удаляют газообразный СО₂. Размораживание проводят посредством преобразования твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, в газообразный СО₂. Во время размораживания морозильную камеру поддерживают при внутреннем давлении, менее чем на около 50 кПа превышающем атмосферное давление, предпочтительно ниже чем на около 25 кПа превышающем атмосферное давление, более предпочтительно менее чем на около 10 кПа превышающем атмосферное давление, и наиболее предпочтительно примерно при атмосферном давлении. Газообразный СО₂ удаляют из морозильной камеры выкачиванием, при этом преобразуют газообразный СО₂ в жидкий CO₂, который направляют в резервуар-хранилище. Антисублимационная система содержит морозильную камеру и устройство для удаления газообразного СО₂ из морозильной камеры. Технический результат: обеспечение в морозильной камере низкого давления, вследствие чего камера и арматура имеют облегченную конструкцию. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ действия морозильной камеры антисублимационной системы для улавливания СО₂ из газового потока, согласно которому во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, из морозильной камеры удаляют газообразный СО₂.

2. Способ по п.1, при котором указанное размораживание проводят посредством преобразования твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере, в газообразный CO₂.

3. Способ по п.1, при котором во время указанного размораживания морозильную камеру поддерживают при внутреннем давлении, менее чем на около 50 кПа превышающем атмосферное давление, предпочтительно ниже чем на около 25 кПа превышающем атмосферное давление, более предпочтительно менее чем на около 10 кПа превышающем атмосферное давление и наиболее предпочтительно примерно при атмосферном давлении.

4. Способ по п.3, в котором газообразный СО₂ удаляют из морозильной камеры таким образом, что морозильную камеру поддерживают при указанном внутреннем давлении.

5. Способ по п.1, в котором газообразный CO₂ удаляют из морозильной камеры выкачиванием.

6. Способ по п.5, в котором выкачиванием преобразуют газообразный СО₂, удаленный из морозильной камеры, в жидкий СО₂.

7. Способ по п.6, в котором жидкий СО₂ направляют в резервуар-хранилище.

8. Антисублимационная система для улавливания СО₂ из газового потока, содержащая морозильную камеру и устройство для удаления газообразного СО₂ из морозильной камеры, причем указанное устройство выполнено с возможностью удаления газообразного СО₂ во время размораживания твердого СО₂, присутствующего в морозильной камере.

9. Антисублимационная система по п.8, в которой устройство для удаления газообразного СО₂ из морозильной камеры представляет собой насос и впускной патрубок насоса соединен с морозильной камерой.

10. Антисублимационная система по п.9, в которой насос представляет собой компрессор, приспособленный для преобразования газообразного СО₂, удаленного из морозильной камеры, в жидкий СО₂.

11. Антисублимационная система по п.10, дополнительно включающая резервуар-хранилище, соединенный с выпускным патрубком компрессора и выполненный с возможностью размещения жидкого СО₂.

12. Антисублимационная система по п.8, в которой морозильная камера выполнена с возможностью действия только при внутреннем давлении, менее чем на около 50 кПа превышающем атмосферное давление, предпочтительно менее чем на около 25 кПа превышающем атмосферное давление, более предпочтительно менее чем на около 10 кПа превышающем атмосферное давление и наиболее предпочтительно примерно при атмосферном давлении.