СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИЖЕНИЯ ТОПОЧНОГО ГАЗА ОТ УСТРОЙСТВ ГОРЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F25J3/06 

Уровень техники

Настоящее описание относится к способу и устройству для сжижения CO₂, содержащегося в топочных газах.

Большинство криогенных способов получения CO₂ из топочных газов горения используют обычные схемы разделения, имеющие две или более ступеней разделения. На фигуре 1 такое устройство показано как блок-схема.

На фигурах 1 и 2 температура и давление в различных точках потока топочного газа, а также CO₂ показаны с помощью так называемых флажковых указателей. Температуры и давления, относящиеся к каждому флажковому указателю, приводятся на диаграмме в дальнейшем. Для специалиста в данной области очевидно, что эти температуры и давления рассматриваются как примеры. Они могут изменяться в зависимости от композиции топочного газа, температуры окружающей среды и необходимой чистоты жидкого CO₂.

В первом компрессоре 1 топочный газ сжимают. Это сжатие может представлять собой многоступенчатый процесс сжатия с охладителями и сепараторами для воды между каждой парой ступеней сжатия (не показаны), отделяющих большую часть паров воды или жидкой воды, соответственно, от топочного газа.

На фигуре 1 поток топочного газа обозначают ссылочным номером 3. Когда он высвобождается из первого компрессора 1, топочный газ имеет температуру значительно выше, чем температура окружающей среды, а затем он охлаждается приблизительно до 13°C с помощью первого охладителя 5. Давление составляет приблизительно 35,7 бара.

Влажность, по-прежнему содержащуюся в потоке топочного газа 3, освобождают от воды с помощью соответствующего способа сушки, например адсорбции, сушат в сушилке 7, затем переносят в первую ступень 9 разделения. Это первая ступень 9 разделения содержит первый теплообменник 11 и первый разделительный барабан 13. Первый теплообменник 11 служит для охлаждения потока 3 топочного газа. В результате этого охлаждения имеет место парциальная конденсация CO₂, содержащегося в потоке 3 топочного газа. Впоследствии, поток 3 топочного газа поступает в первый разделительный барабан 13 в виде двухфазной смеси. Там жидкая фаза и газообразная фаза потока топочного газа разделяются посредством силы тяжести. В первом разделительном барабане давление составляет приблизительно 34,7 бар, и температура составляет -19°C (см. флажковый указатель № 5).

В нижней части первого разделительного барабана 13 жидкий CO₂ извлекают и с помощью первого клапана 15.1 для понижения давления расширяют до давления приблизительно 18,4 бар (см. ссылку № 3.1). Это дает температуру CO₂ в пределах между -22°C и -29°C (см. флажковый указатель № 10). Парциальный поток 3.1 CO₂ топочных газов нагревают и испаряют в первом теплообменнике 11 с помощью потока 3 топочного газа. На выходе из первого теплообменника 11 парциальный поток 3.1 имеет температуру приблизительно 25°C и давление приблизительно 18 бар (см. флажковый указатель № 11).

Когда второй парциальный поток 3.2 извлекают в верхней части первого разделительного барабана 13, впоследствии, как становится ясно, этот парциальный поток 3.2, извлекаемый из первого разделительного барабана 13 в газообразном состоянии, охлаждают во втором теплообменнике 17 и частично конденсируют. После этого этот парциальный поток 3.2, который присутствует также в виде двухфазной смеси, переносится во второй разделительный барабан 19. Второй теплообменник 17 и второй разделительный барабан 19 представляют собой главные компоненты второй ступени разделения 21.

Во втором разделительном барабане 19 опять имеет место разделение жидкой фазы и газообразной фазы парциального потока 3.2, основанное на силе тяжести. Во втором разделительном барабане 19 имеется давление приблизительно 34,3 бар и температура приблизительно -50°C (см. флажковый указатель №11).

Газообразную фазу во втором разделительном барабане 19, так называемый отходящий газ 23, извлекают в верхней части второго разделительного барабана 19, расширяют приблизительно до 17 бар во втором клапане 15.2 для понижения давления, так что он охлаждается приблизительно до -5°C.

На фигурах отходящий газ обозначают ссылочным номером 23. Отходящий газ 23 протекает через второй теплообменник 17, охлаждая при этом топочный газ 3.2 в противотоке.

В нижней части второго разделительного барабана 19 жидкий CO₂ извлекают и расширяют приблизительно до 17 бар в третьем клапане 15.3 для понижения давления, так что он также достигает температуры -54°C (см. флажковый указатель № 7a). Этот парциальный поток 3.3 также переносится во второй теплообменник 17. В нем часть жидкого CO₂ испаряется и парциальный поток 3.3.1 извлекают из второго теплообменника 19, расширяют приблизительно до 5-10 бар в четвертом клапане 15.4 для понижения давления, так что здесь также достигается температура -54°C (см. флажковый указатель № 7b), и опять переносят во второй теплообменник 17.

После того как парциальный поток 3.3.1 протекает через второй теплообменник 17, его опять сводят вместе с парциальным потоком 3.3 и переносят в первый теплообменник 11. На входе первого теплообменника 11 этот парциальный поток имеет давление приблизительно от 5 до 10 бар при температуре от -22 до -29°C (см. флажковый указатель № 14).

Этот парциальный поток 3.3 отбирает тепло в первом теплообменнике 11, так что на его выходе он имеет температуру приблизительно -7°C при давлении приблизительно 5-10 бар. Третий парциальный поток 3.3 переносят во второй компрессор 25 в первой ступени компрессора, тогда как парциальный поток 3.1, имеющий давление приблизительно 18 бар, переносят во вторую ступень компрессора в трехступенчатом компрессоре 25, показанном на фигуре 1.

Промежуточный теплообменник между разными ступенями второго компрессора 25 и теплообменник последней ступени для сжатого CO₂ не показаны на фигуре 1.

На выходе из второго компрессора 25 сжатый CO₂ имеет давление в пределах между 60 бар и 110 бар при температурах от 80°C до 130°C. В теплообменнике последней ступени, который не показан, CO₂ охлаждают до температуры окружающей среды. Если это необходимо, CO₂ может либо вводиться непосредственно в трубопровод, либо сжижаться и переноситься из первого насоса 27 для CO₂, например, в трубопровод (не показан). Первый насос 27 для CO₂ повышает давление жидкого CO₂ до давления, имеющегося в трубопроводе.

Возвращаясь опять к отходящему газу 23, можно увидеть, что отходящий газ протекает через второй теплообменник 17 и первый теплообменник 11, отбирая тем самым тепло из потока 3 топочного газа. На выходе из первого теплообменника 11 отходящий газ имеет температуру приблизительно 26°C-30°C при давлении приблизительно 26 бар (см. флажковый указатель № 16).

Для доведения до максимума извлечения энергии, как известно, перегревают отходящий газ 23 с помощью перегревателя 29 отходящего газа, а затем переносят его в расширительную турбину 31 или любое другое расширительное устройство. В нем механическая энергия рециклируется, а после этого отходящий газ испускается в окружающую среду при низком давлении, приблизительно соответствующем давлению окружающей среды.

Это устройство, описанное с помощью Фигуры 1, для сжижения CO₂ является относительно простым и работает без проблем. Недостаток этого способа и этого устройства для получения жидкого CO₂ из топочного газа тепловых электростанций, например, работающих на ископаемом топливе, представляет собой их высокую потребность в энергии, оказывающую отрицательное воздействие на общий уровень эффективности тепловой электростанции.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предусматривает способ и устройство для сжижения CO₂, содержащегося в топочном газе, работающие при пониженной потребности в энергии и, таким образом, повышающие общий уровень эффективности тепловой электростанции.

В то же время, способ является простым, а технология его работы легко контролируется, что гарантирует устойчивую работу без проблем.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, эти преимущества достигаются с помощью переноса парциального потока 3.2 жидкого CO₂ после выхода из второго теплообменника 17 в третий разделительный барабан, имеющий давление приблизительно 16,5 бар при температуре -47°C. Здесь опять имеет место разделение жидкой и газообразной фаз, и значительная часть жидкой фазы получает увеличение давления с помощью второго насоса для CO₂ (см. флажковый указатель № 7e), после этого она расширяется и может, таким образом, быть использована для охлаждения во втором теплообменнике. Однако этот парциальный поток должен быть расширен только до 20 бар, так что он может переноситься вместе с жидкой фазой из первого разделительного барабана в первый теплообменник и после этого переносится во вторую ступень компрессора второго компрессора.

Одно из преимуществ этого способа заключается в том, что только меньшая часть жидкого CO₂ из жидкого CO₂, присутствующего на последней ступени разделения, должна расширяться до давления от 5 до 10 бар. Скорее является возможным расширение значительно большей части жидкого CO₂ до давления приблизительно 18 бар, так что эта увеличенная часть может инжектироваться на вторую ступень сжатия второго компрессора. Это дает значительное уменьшение энергии, необходимой для второго компрессора 25, оказывая непосредственное воздействие на улучшение общей степени эффективности тепловой электростанции, расположенной раньше по ходу способа. Это относится и к способу по пунктам 8-10 формулы изобретения. Преимущества зависимых пунктов формулы изобретения объясняются в связи с фигурой 2 в дальнейшем.

Краткое описание чертежей

Фигура 1 изображает устройство для сжижения CO₂ из топочных газов в соответствии с литературными данными, а

Фигура 2 изображает один из вариантов осуществления устройства для сжижения CO₂ в соответствии с настоящим изобретением. На фигуре 2 идентичные компоненты обозначены идентичными ссылочными номерами. Формулировки, относящиеся к фигуре 1, применяются соответствующим образом.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Обращаясь к фигуре 2, обработка потока 3 топочного газа в первом компрессоре 1, первом охладителе 5, сушилке 7, первом теплообменнике 11 и первом разделительном барабане 13 имеет место точно таким же образом, как описано посредством фигуры 1. Также, газообразную фазу 3.2 извлекают в верхней части первого разделительного барабана 13, как объясняется на фигуре 1, транспортируют через второй теплообменник 17, а затем переносят во второй разделительный барабан 19. Две фазы (жидкая и газообразная) парциального потока 3.2 разделяют во втором разделительном барабане 19 на поток 23 отходящего газа и жидкий CO₂. В нижней части второго разделительного барабана 19 этот парциальный поток извлекают, и он имеет ссылочный номер 3.3 так же, как на фигуре 1.

Как уже объяснялось посредством фигуры 1, парциальный поток 3.3 расширяют до давления 15,5 бар в третьем 15.3 клапане для понижения давления, охлаждая при этом до -54°C. Парциальный поток 3.3 протекает через второй теплообменник 17, при этом отбирая тепло из парциального потока 3.2 топочного газа, и поступает при температуре приблизительно -47°C (см. флажковый указатель № 8) и переносится в третий разделительный барабан 33.

Там частично жидкий и частично газообразный CO₂ имеет давление приблизительно 16,5 бар и температуру -47°C (см. флажковый указатель № 9).

В верхней части третьего разделительного барабана 33 газообразную фазу извлекают и расширяют в четвертом клапане 15.4 для понижения давления. Парциальный газовый поток, который извлекают в верхней части третьего разделительного барабана 33, обозначается на фигуре 2 ссылочным номером 3.4. На самом дне третьего разделительного барабана 33 меньший парциальный поток 3.5 жидкости извлекают и расширяют в пятом клапане 15.5 для понижения давления. Впоследствии парциальные потоки 3.4 и 3.5 снова сводятся вместе. После этого они имеют давление приблизительно 5-10 бар и температуру -54°C (см. флажковый указатель № 7d).

Жидкий CO₂, присутствующий в третьем разделительном барабане 33, доводят до повышенного уровня давления приблизительно от 20 бар до 23 бар в шестом парциальном потоке 3.6 с помощью второго насоса для CO₂ 35 (см. флажковый указатель № 7e).

В шестом клапане 15.6 для понижения давления CO₂, который до этих пор является жидким, расширяется до давления приблизительно 20 бар, при температуре -45°C. С помощью этого частично жидкого, частично газообразного CO₂ охлаждают поток 3.2 топочного газа во втором теплообменнике 17. Поскольку входная температура парциального потока 3.6 выше, чем входные температуры отходящего газа 23, а также парциального потока 3.3, парциальный поток 3.2 сначала охлаждают с помощью парциального потока 3.6. Таким образом, можно отбирать тепло из парциального потока 3.2 даже при этой более высокой температуре -47°C. На фигуре 2 этот факт тоже можно ясно увидеть графически.

Парциальный поток 3.2 покидает второй теплообменник 17 при температуре приблизительно от -22°C до -29°C, и его сводят вместе с парциальным потоком 3.1, извлекаемым ранее из первого разделительного барабана 13. Поскольку в первом разделительном барабане 13 имеется давление приблизительно 34,5 бар, жидкий парциальный поток 3.1 из первого разделительного барабана 13 расширяют приблизительно до 20 бар в седьмом клапане 15.7 для понижения давления. Эти два парциальных потока 3.1 и 3.6 сводят вместе в первом теплообменнике 11 при температуре приблизительно от -22°C до -29°C (см. флажковый указатель № 10), отбирая при этом тепло из потока 3 топочного газа. Они покидают первый теплообменник (см. флажковый указатель № 11) при температуре приблизительно 25°C и при давлении приблизительно 18 бар и могут, таким образом, переноситься во вторую ступень сжатия второго компрессора 25.

Поскольку парциальные потоки 3.1 и 3.6 могут переноситься во вторую ступень сжатия второго компрессора 25, парциальный поток 3.3, который должен переноситься в первую ступень сжатия второго компрессора 25, соответствующим образом уменьшается. Как следствие, энергия, необходимая для второго компрессора 25, становится меньше. Это оказывает положительное воздействие на потребность в энергии устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Вторая возможность уменьшения потребности в энергии установки для сжижения CO₂ может быть усмотрена не только в перегреве отходящего газа 23 в перегревателе 19 для отходящего газа после выхода из первого теплообменника 11, но также и в повторном перенесении его во второй теплообменник 17 после расширения в расширительной турбине 31. После перегрева отходящий газ имеет температуру приблизительно от 80°C приблизительно до 100°C при давлении приблизительно 26 бар (см. флажковый указатель № 17). Посредством расширения в расширительном устройстве 31 давление падает до 2,3 бар, и отходящий газ достигает температуры -5°C. Таким образом, отходящий газ может дополнительно вносить вклад в охлаждение потока 3 топочного газа или, соответственно, парциального потока 3.2. После этого отходящий газ может выпускаться в окружающую среду при низком давлении и при температуре, приблизительно равной температуре окружающей среды. Возможно также осуществление многоступенчатого расширения и перегрева отходящего газа 23 (не показано на фигуре 2).

Это также дает значительное уменьшение потребности в энергии устройства в соответствии с настоящим изобретением, поскольку, с одной стороны, отходящий газ 23 вносит вклад в увеличение величины охлаждения потока 3 топочного газа или, соответственно, парциального потока 3.2, а расширительное устройство 31 генерирует механическую работу, которую можно, например, использовать для приведения в действие первого компрессора 1 или второго компрессора 25. В общем, можно утверждать, что способ в соответствии с настоящим изобретением и устройство для сжижения CO₂, необходимое для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, по-прежнему являются относительно простыми по своей конструкции, несмотря на значительные преимущества.

Дополнительное преимущество заключается в том, что парциальный поток 3.6 расширяется до давления, при котором возможно сведение его вместе с парциальным потоком 3.1, извлекаемым в виде жидкой фазы из первого разделительного барабана 13. Так что эти два парциальных потока могут быть приведены к одинаковому уровню давления и температуры и переноситься во вторую ступень сжатия второго компрессора.

Кроме того, это установка четко улучшает контроль конденсации топочного газа. С помощью регулировки скорости потока через насос 35 для CO₂ изменяется движущая сила теплопереноса, логарифмическая разность средних температур (LMT). Таким путем могут регулироваться рабочие характеристики второй ступени 21 разделения. Это является особенно важным при работе при температурах конденсации вблизи температур сублимации и замерзания CO₂.

Для доведения до максимума описываемого воздействия, извлечение тепла из отходящего газа от разделения может быть увеличено с помощью рециркуляции откачиваемого газа в холодильную камеру, после расширения, по меньшей мере, один раз перед высвобождением его в атмосферу.

Таблица флажковых указателей, давлений и температуры Флажковый указатель № Температура, приблизительно [°C] Давление, приблизительно [бар] 1 13 35,7 2 13 35 3 - - 4 - - 5 -19 34,7 6 -50 34,3 7 -53 5-10 7a -54 27 7b -54 5-10 7c -54 15,5 7d -54 5-10 7e -45 ≈20-23

7f -45 20 8 -47 16,5 9 -47 16,5 10 -22 - -29 18,4 11 25 18 12 -7 5-10 13 -22 - -29 20 14 -22 - -29 5-10 15 -   16 26 - -30 26 17 80-100 25,8 18 -54 2,3 19 80-130 60-110   Допуски для температур представляют собой ±5°C Допуски для давления представляют собой ±5 бар

Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на ряд предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что могут быть проделаны различные изменения и эквиваленты могут заменять его элементы без отклонения от рамок настоящего изобретения. В дополнение к этому, множество модификаций могут быть осуществлены для адаптации конкретной ситуации или материала к концепции настоящего изобретения без отклонения от его основных рамок. По этой причине предполагается, что настоящее изобретение не должно ограничиваться конкретными вариантами осуществления, описанными как наилучший предполагаемый режим для осуществления настоящего изобретения, но что настоящее изобретение будет включать все варианты осуществления, попадающие в рамки прилагаемой формулы изобретения. Более того, использование терминов первый, второй и тому подобное, не означает какого-либо порядка или важности, но скорее термины первый, второй и тому подобное, используют, чтобы отличить один элемент от другого.

Изобретение относится к способу получения CO₂ из топочного газа.

Топочный газ частично конденсируют в двух ступенях разделения. Каждую ступень разделения охлаждают с помощью расширенного отходящего газа и расширенного жидкого CO₂. Расширенный CO₂ разделяют после прохождения последней ступени разделения на жидкий CO₂ и газообразный CO₂ в дополнительном разделительном барабане. При этом газообразный CO₂ и часть жидкого CO₂ из дополнительного разделительного барабана расширяют до первого уровня давления, а давление оставшегося жидкого CO₂ повышают до второго уровня давления, после чего расширяют для охлаждения CO₂ в последней ступени разделения. Техническим результатом изобретения является понижение потребления энергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ получения жидкого CO₂ из топочного газа от горения, в котором топочный газ частично конденсируют, по меньшей мере, в двух ступенях (9, 21) разделения, каждую из по меньшей мере двух ступеней (9, 21) разделения охлаждают с помощью расширенного отходящего газа (23) и расширенного жидкого CO₂ (3.1, 3.3), расширенный жидкий CO₂ разделяют после прохождения последней ступени (21) разделения на жидкий CO₂ и газообразный CO₂ в дополнительном разделительном барабане (33), причем газообразный CO₂ и часть жидкого CO₂ из дополнительного разделительного барабана (33) расширяют до первого уровня давления (флажковый указатель 7d) и давление остающегося жидкого CO₂ (3.6) повышается до второго уровня давления (флажковый указатель 7e), и расширяют (флажковый указатель 7f) для охлаждения CO₂ в последней ступени (21) разделения.

2. Способ по п. 1, в котором оставшийся жидкий CO₂ (3.6) расширяют до давления приблизительно от 15 бар до 25 бар, предпочтительно, до 20 бар (флажковый указатель 13).

3. Способ по п. 1, в котором жидкий CO₂ (3.1) из предыдущей ступени (9) разделения расширяют до давления остального жидкого CO₂ (3.6) и оба потока (3.1, 3.6) CO₂ используют для целей охлаждения в предыдущей ступени (9) разделения.

4. Способ по п. 3, в котором оба потока CO₂ (3.1, 3.6) вводят во вторую или третью ступень второго компрессора (25).

5. Способ по п. 1, в котором топочный газ сжимают в первом компрессоре (1), охлаждают в первом охладителе (5) и/или сушат в сушилке (7) перед введением в первую ступень (9) разделения.

6. Способ по п. 1, в котором отходящий газ (23) из последней ступени (21) разделения расширяют приблизительно до 17 бар, и он получает температуру приблизительно -54°C перед введением в теплообменник (17) последней ступени (21) разделения.

7. Способ по п. 1, в котором отходящий газ (23) перегревают в перегревателе (29) после того, как он проходит все ступени (21, 9) разделения, и расширяют в расширительном устройстве (31), а затем вводят повторно в теплообменник (17) последней ступени (21) разделения.

8. Установка для получения жидкого CO₂ из топочных газов от горения в соответствии со способом по одному из пп. 1-7, в которой топочный газ (3) частично конденсируют, по меньшей мере, в двух ступенях (9, 21) разделения,
отличающаяся тем, что содержит дополнительный разделительный барабан (33), в котором жидкий CO₂ (3.3) разделяют на жидкий и газообразный CO₂ после его расширения, второй насос (35) для CO₂, в котором сжимается выходящий из дополнительного разделительного барабана (33) частичный поток (3.6) жидкого CO₂, шестой клапан (15.6) для понижения давления, в котором расширяется сжатый частичный поток (3.6), и второй многоступенчатый компрессор (25), на который подается частичный поток (3.6) после расширения.

9. Установка по п. 8, в которой каждая ступень (9, 21) разделения содержит теплообменник (11, 17) и разделительный барабан (13, 19) для отделения жидкого CO₂ из газообразного CO₂.

10. Установка по п. 8, дополнительно содержащая, по меньшей мере одно расширительное устройство (31) и/или один перегреватель (29) отходящего газа.

11. Установка по п. 8, дополнительно содержащая первый компрессор (1), первый охладитель (5) и сушилку (7).