Способы и системы для конденсации CO2 Российский патент 2017 года по МПК F25J3/08 

Настоящее изобретение относится к способам и системам для конденсации диоксида углерода (СО₂) с использованием магнитокалорического охлаждения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способам и системам для конденсации CO₂ при сжатии с промежуточным охлаждением и каскадом насосов (pumping train) с применением магнитокалорического охлаждения.

Уровень техники

Энергетические процессы, которые основаны на сжигании углеродсодержащего топлива, обычно производят СО₂ в качестве побочного продукта. Желательно улавливать или иным образом отделять СО2 из газовой смеси, чтобы предотвратить высвобождение СО₂ в окружающую среду и/или использовать СО₂ в энергетическом процессе или в других процессах. Также желательно сжижать/конденсировать отделенный СО₂, чтобы облегчить транспортировку и хранение отделенного СО₂. Сжатие СО₂, сжижение и нагнетание с применением каскада насосов могут быть использованы для сжижения СО₂ для требуемых конечных применений. Однако способы конденсации/сжижения СО₂ могут быть энергоемкими.

Таким образом, существует потребность в эффективных способах и системах для конденсации СО₂. Кроме того, существует потребность в эффективных способах и системах для конденсации CO₂ при сжатии с промежуточным охлаждением и нагнетании с применением каскада насосов.

Краткое описание изобретения

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен способ конденсации диоксида углерода (СО₂) из потока СО₂. Способ включает (i) сжатие и охлаждение потока СО₂ с образованием частично охлажденного потока СО₂, причем частично охлажденный поток СО₂ охлаждают до первой температуры. Способ включает (ii) охлаждение частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO₂. Способ дополнительно включает (iii) конденсацию по меньшей мере части СО₂ в охлажденном потоке СО₂ при второй температуре с образованием конденсированного потока СО₂.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ конденсации диоксида углерода (СО₂) из потока СО₂. Способ включает (i) охлаждение потока СО₂ в первой ступени охлаждения, включающей первый теплообменник, с образованием первого частично охлажденного потока СО₂. Способ дополнительно включает (ii) сжатие первого частично охлажденного потока СО₂ с образованием первого сжатого потока СО₂. Способ дополнительно включает (iii) охлаждение первого сжатого потока СО₂ во второй ступени охлаждения, включающей второй теплообменник, с образованием второго частично охлажденного потока СО₂. Способ дополнительно включает (iv) сжатие второго частично охлажденного потока СО₂ с образованием второго сжатого потока СО₂. Способ дополнительно включает (v) охлаждение второго сжатого потока СО₂ до первой температуры в третьей ступени охлаждения, включающей третий теплообменник, с образованием частично охлажденного потока СО₂. Способ дополнительно включает (vi) охлаждение частично охлажденного потока СО₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока СО₂. Способ дополнительно включает (vii) конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке СО₂ при второй температуре с образованием конденсированного потока СО₂.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена система для конденсации диоксида углерода (СО₂) из потока СО₂. Система включает (i) одну или более чем одну ступень сжатия, выполненную с возможностью приема потока СО₂. Система дополнительно включает (ii) одну или более чем одну ступень охлаждения, гидравлически сообщающуюся с одной или более чем одной ступенью сжатия, причем сочетание одной или более чем одной ступени сжатия и одной или более чем одной ступени охлаждения выполнено с возможностью сжатия и охлаждения потока СО₂ до первой температуры с образованием частично охлажденного потока СО₂. Система дополнительно включает (iii) ступень магнитокалорического охлаждения, выполненную с возможностью приема частично охлажденного потока СО₂ и охлаждения частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры с образованием охлажденного потока СО₂. Система дополнительно включает (iv) ступень конденсации, выполненную с возможностью конденсации части СО₂ в охлажденном потоке СО₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют СО₂ из охлажденного сжатого потока СО₂ с образованием конденсированного потока СО₂.

Другие воплощения, аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области из следующего подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после прочтения нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые символы обозначают одинаковые детали на всех чертежах, где:

Фиг. 1 представляет собой блок-схему для способа конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему для способа конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 8 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 9 представляет собой блок-схему системы для конденсации СО₂ из потока СО₂ в соответствии с одним воплощением настоящего изобретения.

Фиг. 10 представляет собой график зависимости давления от температуры для СО₂.

Подробное описание изобретения

Как будет подробно описано ниже, воплощения настоящего изобретения включают способы и системы, пригодные для конденсации СО₂. Как было отмечено ранее, сжижение и нагнетание СО₂ может потребовать высокого расхода энергии. Например, давление приблизительно 6 МПа (60 бар) может потребоваться для сжижения СО₂ при 20°C. В некоторых воплощениях промежуточная ступень магнитного охлаждения предпочтительно понижает температуру СО₂ до менее чем 0°C, что существенно снижает потребляемую мощность системы в целом. В некоторых воплощениях, в зависимости от коэффициента эффективности системы магнитокалорического охлаждения, при применении способов и систем, описанных в данном документе, можно достичь общего повышения эффективности, составляющего от приблизительно 10 процентов до приблизительно 15 процентов.

Приближенные формулировки, используемые здесь в описании и формуле изобретения, могут быть применены для модификации любого количественного представления, которое допустимо изменять, не приводя к изменению основной функции, с которой оно связано. Соответственно, значение, измененное с применением термина или терминов, таких как "приблизительно", не ограничено точно заданным значением. В некоторых случаях приближенные формулировки могут относиться к точности инструмента для измерения значения.

В следующем описании и формуле изобретения формы единственного числа включают названные объекты во множественном числе, если контекст явно не указывает иное.

В одном воплощении, как показано на Фиг. 1 и 3, предложен способ 10 конденсации диоксида углерода из потока CO₂. Термин "поток CO₂", используемый здесь, относится к потоку смеси газа CO₂, выделяющегося в результате обработки топлива, такого как природный газ, биомасса, бензин, дизельное топливо, уголь, горючие сланцы, мазут, битуминозные пески и их сочетания. В некоторых воплощениях поток СО₂ включает поток СО₂, выделяемого газовой турбиной. В конкретных воплощениях поток СО₂ включает смесь газа СО₂, выделяемого электростанцией, работающей на сжигании угля или природного газа.

В некоторых воплощениях поток СО₂ дополнительно включает одно или более из следующих веществ: азот, диоксид азота, кислород или водяной пар. В некоторых воплощениях поток CO₂ дополнительно включает примеси или загрязняющие вещества, примеры которых включают (но не ограничиваются перечисленным) азот, оксиды азота, оксиды серы, монооксид углерода, сероводород, несгоревшие углеводороды, твердые частицы и их сочетания. В конкретных воплощениях поток CO₂ по существу не содержит примесей или загрязняющих веществ. В конкретных воплощениях поток CO₂ по существу включает углекислый газ.

В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке СО₂ составляет менее чем приблизительно 50 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке CO₂ составляет менее чем приблизительно 20 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке СО₂ находится в диапазоне от приблизительно 10 мольных процентов до приблизительно 20 мольных процентов. В некоторых воплощениях количество примесей или загрязняющих веществ в потоке CO₂ составляет менее чем приблизительно 5 мольных процентов.

В одном воплощении способ включает прием потока 101 CO₂, как показано на Фиг. 3, после обработки углеводородов, сжигания, газификации или из аналогичной электростанции (не показано). Как показано на Фиг. 1 и 3, на стадии 11 способ 10 включает сжатие и охлаждение потока 101 СО₂ с образованием частично охлажденного потока 201 СО₂. В некоторых воплощениях поток 101 СО₂ может быть сжат с использованием одной или более чем одной ступени 120 сжатия. В некоторых воплощениях поток СО₂ может быть охлажден с использованием одной или более чем одной ступени 110 охлаждения.

В некоторых воплощениях поток 101 СО₂ может быть сжат до требуемого давления с использованием одной или более чем одной ступени 120 сжатия, как показано на Фиг. 3. Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях ступень 120 сжатия может дополнительно включать один или более чем один компрессор, такой как 121 и 122. Следует отметить, что на Фиг. 3 два компрессора 121 и 122 показаны только в качестве примерного воплощения, и фактическое количество компрессоров и их индивидуальная конфигурация могут изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. В одном воплощении поток 101 СО₂ может быть сжат до давления и температуры, требуемых для стадий 12 и 13 магнитного охлаждения и конденсации, соответственно. В некоторых воплощениях поток 101 СО₂ может быть сжат до давления в интервале от приблизительно 1 МПа (10 бар) до приблизительно 6 МПа (60 бар) перед стадией 12 магнитного охлаждения. В конкретных воплощениях поток 101 СО₂ может быть сжат до давления в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар) перед стадией 12 магнитного охлаждения.

В некоторых воплощениях поток 101 СО₂ может быть охлажден до требуемой температуры с использованием одной или более чем одной ступени 110 охлаждения, как показано на Фиг. 3. Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях ступень 110 охлаждения может дополнительно включать один или более чем один теплообменник, такой как 111, 112 и 113. Следует отметить, что на Фиг. 3 три теплообменника 111, 112 и 113 показаны только как примерное воплощение, и фактическое количество теплообменников и их индивидуальная конфигурация могут изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. В некоторых воплощениях один или более из теплообменников может быть охлажден с использованием охлаждающей среды. В некоторых воплощениях один или более из теплообменников может быть охлажден с использованием охлаждающего воздуха, охлаждающей воды или и того и другого, как показано позицией 115 на Фиг. 3. В некоторых воплощениях ступень охлаждения может дополнительно включать один или более чем один промежуточный охладитель для охлаждения потока 101 выходящих газов, не влияя на давление.

Кроме того, следует отметить, что на Фиг. 3 конфигурация ступени 110 охлаждения и ступени 120 сжатия показана только как примерное воплощение, и фактическая конфигурация может изменяться в зависимости от требуемого конечного результата. Например, в некоторых других воплощениях способ может включать охлаждение потока СО₂ в теплообменнике 111 перед сжатием потока СО₂ в компрессоре 121 (не показано).

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает охлаждение потока 101 СО₂ до первой температуры посредством расширения потока СО₂ в одном или более чем одном расширителе 123, как показано на Фиг. 8. В некоторых воплощениях способ включает стадию расширения, которая снижает давление в потоке 101 СО₂ от абсолютных уровней давления, превышающих 2 МПа (20 бар), до уровней давления, составляющих приблизительно 2 МПа (20 бар), посредством чего уменьшают температуру потока 101 СО₂ до более низких значений, чем можно достичь воздушным или водяным охлаждением. Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что при использовании стадии расширения общая энергоемкость стадии 12 магнитокалорического охлаждения может быть уменьшена, так как температура частично охлажденного потока СО₂ на входе стадии магнитокалорического охлаждения может быть ниже, чем без стадии расширения. В некоторых воплощениях работа, полученная на стадии расширения, может быть дополнительно использована на стадии 12 магнитокалорического охлаждения.

В одном воплощении поток 101 СО₂ может быть охлажден до температуры и давления, требуемых для стадий 12 и 13 магнитного охлаждения и конденсации. В одном воплощении способ включает сжатие и охлаждение потока 101 СО₂ с образованием частично охлажденного потока 201 СО₂, как показано на Фиг. 3. В одном воплощении способ дополнительно включает охлаждение потока 101 СО₂ до первой температуры посредством расширения потока СО₂ в одном или более чем одном расширителе 123 с образованием частично охлажденного потока 201 CO₂, как показано на Фиг. 8.

В одном воплощении способ включает охлаждение частично охлажденного потока 201 СО₂ до первой температуры. В некоторых воплощениях частично охлажденный поток 201 СО₂ может быть охлажден до температуры в интервале от приблизительно 5°C до приблизительно 35°C перед стадией 12 магнитного охлаждения. В конкретных воплощениях частично охлажденный поток 201 CO₂ может быть охлажден до температуры в интервале от приблизительно 10°C до приблизительно 25°C перед стадией 12 магнитного охлаждения.

Как было отмечено ранее, при отсутствии дополнительной стадии магнитного охлаждения, CO₂ в частично охлажденном потоке 201 CO₂, как правило, сжижается при температуре в интервале от приблизительно 20°C до приблизительно 25°C. Температура конденсации определяется температурой охлаждающей среды, которая может представлять собой охлаждающую воду или воздух. Как показано на Фиг. 10, при температуре конденсации в интервале от приблизительно 20°C до приблизительно 25°C для сжижения CO₂ требуется абсолютное давление приблизительно 6 МПа (60 бар). В противоположность этому, при охлаждении потока СО₂ до температуры в интервале от приблизительно -25°C до приблизительно 0°C более низкое давление может быть преимущественно использовано для конденсации CO₂ из частично охлажденного потока 201 СО₂.

В одном воплощении способ дополнительно включает на стадии 12 охлаждение частично охлажденного потока 201 СО₂ до второй температуры с использованием магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока 302 СО₂, как показано на Фиг. 1 и 3. В одном воплощении способ включает охлаждение частично охлажденного потока 201 CO₂ с использованием ступени 200 магнитокалорического охлаждения, как показано на Фиг. 3.

В некоторых воплощениях ступень 200 магнитокалорического охлаждения включает теплообменник 212 и внешнее магнитокалорическое охлаждающее устройство 211. В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212, как показано на Фиг. 3.

В одном воплощении магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 включает холодный и горячий теплообменник, постоянный магнит или индукционную катушку, регенератор магнитокалорического материала и цикл жидкого теплоносителя. В одном воплощении жидкий теплоноситель прокачивают через регенератор и теплообменник с использованием жидкостного насоса (не показан).

В одном воплощении магнитокалорическое охлаждающее устройство работает на активном магнитном цикле регенерации (АМЦР) и обеспечивает охлаждающую способность жидкого теплоносителя посредством последовательного намагничивания и размагничивания магнитокалорического регенератора с обратимым теплопередающим потоком. В некоторых воплощениях последовательное намагничивание и размагничивание магнитокалорического регенератора может быть осуществлено с использованием роторной установки, где регенератор проходит через канал магнитной системы. В некоторых других воплощениях последовательное намагничивание и размагничивание магнитокалорического регенератора может быть осуществлено с использованием возвратно-поступательного линейного устройства. Пример магнита и магнитокалорического охлаждающего устройства описан в заявке на патент США № 12/392115, поданной 25 февраля 2009 г., и включен в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте для любых и всяких целей при условии, что он непосредственно не противоречит с изложенными здесь идеями изобретения.

В некоторых воплощениях тепло из горячего теплообменника может быть отдано в окружающую среду. В некоторых других воплощениях тепло из горячего теплообменника может быть отдано в обратный поток сконденсированного и сжиженного CO₂ после нагнетания жидкого CO₂, как будет описано здесь ниже.

Как было отмечено выше, ступень магнитокалорического охлаждения дополнительно включает теплообменник 212, в котором магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с одной или более чем одной ступенью 110 охлаждения и с одной или более чем одной ступенью 120 сжатия. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с частично охлажденным потоком 201 CO₂, образованным после стадии 11 сжатия и охлаждения.

В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212 таким образом, чтобы охладить частично охлажденный поток 201 CO₂ до второй температуры. В одном воплощении вторая температура находится в диапазоне от приблизительно 0°C до приблизительно -25°C. В одном воплощении вторая температура находится в диапазоне от приблизительно 5°C до приблизительно -20°C. Как было отмечено ранее, стадия 13 охлаждения частично охлажденного потока CO₂ в ступени магнитокалорического охлаждения дает в результате охлажденный поток CO₂.

В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212 таким образом, чтобы охладить частично охлажденный поток 201 CO₂ до второй температуры, при которой CO₂ конденсируется из охлажденного потока CO₂. Как было отмечено выше, в некоторых воплощениях способ включает сжатие потока 101 CO₂ до давления в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар). Как показано на Фиг. 10, при уровне давления 4 МПа (40 бар), CO₂ конденсируется при температуре 5°C. Кроме того, как показано на Фиг. 10, при уровне давления 2 МПа (20 бар) CO₂ конденсируется при температуре -20°C.

В одном воплощении способ дополнительно включает на стадии 13 конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют CO₂ из охлажденного потока CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. В одном воплощении способ включает конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при давлении в диапазоне от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 6 МПа (60 бар). В одном воплощении способ включает конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при давлении в диапазоне от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар). Соответственно, в некоторых воплощениях способ по настоящему изобретению предпочтительно позволяет конденсировать CO₂ при более низком давлении.

В некоторых воплощениях способ включает выполнение стадий охлаждения частично охлажденного потока CO₂ с образованием охлажденного потока 12 CO₂ и конденсацию CO₂ из охлажденного потока 13 CO₂ одновременно. В некоторых других воплощениях способ включает выполнение стадий охлаждения частично охлажденного потока CO₂ с образованием охлажденного потока 12 CO₂ и конденсацию CO₂ из охлажденного потока 13 CO₂ последовательно.

Как показано на Фиг. 3, в некоторых воплощениях охлажденный поток CO₂ может быть образован из частично охлажденного потока 201 CO₂ в теплообменнике 212. В таких воплощениях часть CO₂ из охлажденного потока CO₂ конденсируется в самом теплогенераторе, образуя конденсированный поток 302 CO₂, как показано на Фиг. 3.

В некоторых других воплощениях, как показано на Фиг. 4, охлажденный поток 301 CO₂ образуется из частично охлажденного потока 201 CO₂ в теплообменнике 212. Способ дополнительно включает перемещение охлажденного потока 301 CO₂ в конденсатор 213, как показано на Фиг. 4. В таких воплощениях часть CO₂ из охлажденного потока 301 CO₂ конденсируется в конденсаторе 213 и образует конденсированный поток 302 CO₂, как показано на Фиг. 4.

В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 95 масс. % CO₂ в потоке 101 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 90 масс. % CO₂ в потоке 101 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию от 50 масс. % до приблизительно 90 масс. % CO₂ в потоке 101 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. В некоторых воплощениях способ включает конденсацию по меньшей мере приблизительно 99 масс. % CO₂ в потоке 101 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂.

В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, поток 101 CO₂ дополнительно включает один или более чем один компонент помимо диоксида углерода. В некоторых воплощениях способ дополнительно возможно включает образование обедненного потока (показан пунктирной стрелкой 202) после стадий магнитокалорического охлаждения (стадия 12) и конденсации CO₂ (стадия 13). Термин "обедненный поток" 202 относится к потоку, в котором содержание CO₂ ниже, чем содержание CO₂ в потоке 101 CO₂. В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, почти весь CO₂ в потоке CO₂ конденсируется на стадии 13. В таких воплощениях обедненный поток CO₂ по существу не содержит CO₂. В некоторых других воплощениях, как было отмечено ранее, часть потока CO₂ может не конденсироваться на стадии 13, а обедненный поток может включать несконденсированную газовую смесь CO₂.

В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать один или более чем один неконденсируемый компонент, который не может конденсироваться на стадии 13. В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать один или более чем один жидкий компонент. В таких воплощениях обедненный поток может быть дополнительно выполнен с возможностью гидравлического сообщения с газожидкостным сепаратором. В некоторых воплощениях обедненный поток 202 может включать одно или более из следующих веществ: азот, кислород или диоксид серы.

В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать осушение потока 101 CO₂ перед стадией 11. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать осушение частично охлажденного потока 201 CO₂ после стадии 11 и перед стадией 12. В некоторых воплощениях система 100 может дополнительно включать осушитель, выполненный с возможностью гидравлического сообщения (не показано) с потоком 101 CO₂. В некоторых воплощениях система 100 может дополнительно включать осушитель, выполненный с возможностью гидравлического сообщения (не показано) с потоком 101 CO₂.

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает циркуляцию конденсированного потока 302 CO₂ в одну или более чем одну ступень охлаждения, используемую для охлаждения потока CO₂. Как показано на Фиг. 5, способ дополнительно включает циркуляцию конденсированного потока CO₂ в теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. В таких воплощениях способ дополнительно включает стадию рекуперации, где конденсированный поток CO₂ циркулируют обратно для дополнительного охлаждения частично охлажденного потока 201 CO₂ перед стадией 12 магнитокалорического охлаждения. В некоторых воплощениях стадия рекуперации может повысить эффективность стадии магнитокалорического охлаждения.

В некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO₂ в теплообменнике 113 может привести к охлаждению частично охлажденного потока 201 CO₂ ниже температуры, необходимой для конденсации CO₂. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO₂ в частично охлажденном потоке 201 CO₂ с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂, как показано на Фиг. 5.

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO₂ с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 3. В воплощениях, включающих стадию рекуперации, способ может дополнительно включать увеличение давления рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂ с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 5. В некоторых воплощениях способ включает увеличение давления конденсированного потока 3O₂ CO₂ или рекуперированного конденсированного потока 502 CO₂ до давления, требуемого для секвестрации CO₂ или для конечного применения. В некоторых воплощениях способ включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO₂ или рекуперированного конденсированного потока 502 CO₂ до давления в интервале от приблизительно 15 МПа (150 бар) до приблизительно 18 МПа (180 бар).

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сжатого потока 401 CO₂ после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сверхкритического потока 401 CO₂ после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях, как было отмечено выше, сжатый поток 401 CO₂ может быть использован для добычи нефти вторичным методом, хранения CO₂ или секвестрации CO₂.

В некоторых воплощениях предложена система 100 для конденсации диоксида углерода (CO₂) из потока 101 CO₂, как показано на Фиг. 3-9. В одном воплощении система 100 включает одну или более чем одну ступень 120 сжатия, выполненную с возможностью приема потока 101 CO₂. Система 100 дополнительно включает одну или более чем одну ступень 110 охлаждения, гидравлически сообщающуюся с одной или более чем одной ступенью 120 сжатия. В одном воплощении сочетание одной или более чем одной ступени 120 сжатия и одной или более чем одной ступени 110 охлаждения выполнено с возможностью сжатия и охлаждения потока 101 CO₂ до первой температуры с образованием частично охлажденного потока 201 CO₂.

В одном воплощении система 100 дополнительно включает ступень 200 магнитокалорического охлаждения, выполненную с возможностью приема частично охлажденного потока 201 CO₂ и охлаждения частично охлажденного потока 201 CO₂ до второй температуры с образованием охлажденного потока 301 CO₂. Как было отмечено ранее, ступень 200 магнитокалорического охлаждения дополнительно включает теплообменник 212, в котором магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212. В одном воплощении теплообменник 212 гидравлически сообщается с одной или более чем одной ступенью 110 охлаждения и одной или более чем одной ступенью 120 сжатия.

Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях теплообменник 212 выполнен с возможностью конденсации части CO₂ в частично охлажденном потоке 201 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. В некоторых других воплощениях система 100 дополнительно включает ступень 213 конденсации, выполненную с возможностью конденсации части CO₂ в охлажденном потоке 301 CO₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют CO₂ из охлажденного потока 301 CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂.

В некоторых воплощениях система 100 дополнительно включает насос 300, выполненный с возможностью приема конденсированного потока 302 CO₂ и увеличения давления конденсированного потока 302 CO₂. В некоторых воплощениях система дополнительно включает циркуляционный контур 303, выполненный с возможностью циркуляции части конденсированного потока 302 CO₂ в одну или более чем одну ступень 110 охлаждения.

С учетом вышесказанного, системы и способы для конденсации CO₂ из потока CO₂ дополнительно описаны в данном документе в соответствии с некоторыми примерными воплощениями настоящего изобретения. На Фиг. 2 и 3 в одном воплощении предложен способ 20 конденсации диоксида углерода из потока 101 CO₂. В одном воплощении способ включает на стадии 21 охлаждение потока 101 CO₂ в первой ступени охлаждения, включающей первый теплообменник 111, с образованием первого частично охлажденного потока 102 CO₂. В одном воплощении способ включает на стадии 22 сжатие первого частично охлажденного потока 102 CO₂ в первом компрессоре 121 с образованием первого сжатого потока 103 CO₂. В одном воплощении способ включает на стадии 23 охлаждение первого сжатого потока 103 CO₂ во второй ступени охлаждения, включающей второй теплообменник 112, с образованием второго частично охлажденного потока 104 CO₂. В одном воплощении способ включает на стадии 24 сжатие второго частично охлажденного потока 104 CO₂ во втором компрессоре 122 с образованием второго сжатого потока 105 CO₂. В одном воплощении способ включает на стадии 25 охлаждение второго сжатого потока 105 CO₂ до первой температуры в третьей ступени охлаждения, включающей третий теплообменник 113, с образованием частично охлажденного потока 201 CO₂.

В одном воплощении способ 20 включает на стадии 26 охлаждение частично охлажденного потока 201 CO₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с использованием ступени 200 магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO₂ (не показано). В некоторых воплощениях ступень 200 магнитокалорического охлаждения включает теплообменник 212 и внешнее магнитокалорическое охлаждающее устройство 211. В некоторых воплощениях магнитокалорическое охлаждающее устройство 211 выполнено с возможностью обеспечения охлаждения в теплообменнике 212, как показано на Фиг. 3.

В одном воплощении способ включает на стадии 27 конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют CO₂ из охлажденного потока CO₂ с образованием конденсированного потока 302 CO₂. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях охлажденный поток CO2 образуется из частично охлажденного потока 201 CO₂ в теплообменнике 212. В таких воплощениях часть CO₂ из охлажденного потока CO2 конденсируется в самом теплогенераторе с образованием конденсированного потока 302 CO₂, как показано на Фиг. 3.

В некоторых воплощениях способ дополнительно включает увеличение давления конденсированного потока 302 CO₂ с использованием насоса 300, как показано на Фиг. 3. В некоторых воплощениях способ дополнительно включает образование сжатого потока 401 CO₂ после стадии нагнетания. В некоторых воплощениях, как было отмечено ранее, сжатый поток 401 CO₂ может быть использован для добычи нефти вторичным методом, хранения CO₂ или секвестрации CO₂.

Как показано на Фиг. 4, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает перемещение охлажденного потока 301 CO₂ в конденсатор 213, как показано на Фиг. 4. В таких воплощениях часть CO₂ из охлажденного потока 301 CO₂ конденсируется в конденсаторе 213 и образует конденсированный поток 302 CO₂, как показано на Фиг. 4.

Как показано на Фиг. 5, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части конденсированного потока 302 CO₂ в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO₂ в теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO₂ ниже температуры, необходимой для конденсации CO₂. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO₂ во втором сжатом потоке 105 CO₂ с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂, как показано на Фиг. 5.

Как показано на Фиг. 6, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 4, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части конденсированного потока CO₂ в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 303. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация конденсированного потока CO₂ в теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO₂ ниже температуры, необходимой для конденсации CO₂. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO₂ во втором сжатом потоке 105 CO₂ с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂, как показано на Фиг. 6.

Как показано на Фиг. 7, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает циркуляцию части сжатого потока 401 CO₂ в третий теплообменник 113 через циркуляционный контур 403. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация сжатого потока 401 CO₂ в третий теплообменник 113 может привести к охлаждению второго сжатого потока 105 CO₂ ниже температуры, необходимой для конденсации CO₂. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO₂ во втором сжатом потоке 105 CO₂ с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂, как показано на Фиг. 7.

Как показано на Фиг. 8, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 3, но отличаются тем, что способ дополнительно включает формирование третьего частично охлажденного потока 106 CO₂ в третьем теплообменнике 113. Способ дополнительно включает охлаждение третьего частично охлажденного потока 106 CO₂ до первой температуры посредством расширения третьего частично охлажденного потока 106 CO₂ в одном или более чем одном расширителе 123 перед стадией магнитокалорического охлаждения с образованием частично охлажденного потока 201 CO₂, как показано на Фиг. 8.

Как показано на Фиг. 9, в одном воплощении предложены способ и система для конденсации CO₂ из потока 101 CO₂. Способ и система аналогичны системе и способу, показанным на Фиг. 8, но отличаются тем, что третья ступень охлаждения дополнительно включает четвертый теплообменник 114, а способ дополнительно включает циркуляцию части сжатого потока 401 CO₂ в четвертый теплообменник 114 через циркуляционный контур 403. Способ дополнительно включает формирование четвертого частично охлажденного потока 107 CO₂ после стадии расширения и перемещение четвертого частично охлажденного потока 107 CO₂ в четвертый теплообменник 114. Как было отмечено ранее, в некоторых воплощениях рекуперация сжатого потока 401 CO₂ в четвертом теплообменнике 114 может привести к охлаждению четвертого частично охлажденного потока 107 CO₂ ниже температуры, необходимой для конденсации CO₂. В некоторых воплощениях способ может дополнительно включать конденсацию CO₂ в четвертом частично охлажденном потоке 107 CO₂ с образованием рекуперированного конденсированного потока 501 CO₂, как показано на Фиг. 9.

Как было отмечено ранее, некоторые воплощения изобретения позволяют преимущественно охлаждать сверхкритический CO₂ до более низких температур с последующей конденсацией при более низких давлениях, чем те, которые доступны с применением традиционных способов охлаждения, таких как парокомпрессионная дистилляция. Не будучи связанными какой-либо теорией, полагают, что сжатие сверхкритического CO₂ может быть менее эффективным, чем нагнетание жидкого CO₂. Таким образом, в некоторых воплощениях способ уменьшает издержки на менее эффективной стадии сжатия CO₂. В некоторых воплощениях способ может уменьшить общие издержки сжижения и нагнетания CO₂ путем повышения эффективности системы сжатия и нагнетания. В некоторых воплощениях стадия магнитокалорического охлаждения может уменьшить издержки более чем на 10%. В некоторых воплощениях стадия магнитокалорического охлаждения может уменьшить издержки более чем на 20 %. В некоторых воплощениях общая производительность установки может быть повышена с применением одного или более чем одного воплощения способа, описанного здесь.

Кроме того, некоторые воплощения изобретения преимущественно позволяют улучшить диапазон работоспособности систем сжатия и сжижения CO₂. В традиционных системах сжатия и сжижения CO₂ температура окружающей среды охлаждающего воздуха или охлаждающей воды может ограничить диапазон работоспособности. Сверхкритический CO₂ нельзя сжижать при температурах выше приблизительно 32°C, которая является критической температурой для CO₂. Таким образом, когда температура окружающей среды выше 30°C, сжижение CO₂ может быть затруднено без дополнительного внешнего охлаждения. В некоторых воплощениях стадия магнитного охлаждения может преимущественно позволить охлаждение CO₂ до докритического диапазона, тем самым позволяя работать системам сжатия и сжижения при любых условиях окружающей среды.

В данном описании использованы примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший способ его осуществления, а также дана возможность любому специалисту в данной области осуществить изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Патентоспособный объем изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут предложить специалисты в данной области. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они включают структурные элементы, которые не отличаются от дословных формулировок, использованных в формуле изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от дословных формулировок, использованных в формулы изобретения.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложены способы конденсации диоксида углерода (СО₂) из потока СО₂. Способ включает (i) сжатие и охлаждение потока СО₂ с образованием частично охлажденного потока CO₂, причем частично охлажденный поток СО₂ охлаждают до первой температуры. Способ включает (ii) охлаждение частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока СО₂. Способ дополнительно включает (iii) конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ с образованием конденсированного потока CO_2. Также предложены системы для конденсации диоксида углерода (CO₂) из потока CO₂. Изобретение направлено на повышение эффективности процесса конденсации CO₂. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ конденсации диоксида углерода (CO₂) из потока CO₂, включающий:

(i) сжатие и охлаждение потока CO₂ с образованием частично охлажденного потока CO₂, причем частично охлажденный поток CO₂ охлаждают до первой температуры;

(ii) охлаждение частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO₂; и

(iii) конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ с образованием конденсированного потока CO₂.

2. Способ по п. 1, в котором стадия (iii) включает конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при давлении в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 6 МПа (60 бар).

3. Способ по п. 1, в котором стадия (iii) включает конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при давлении в интервале от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 4 МПа (40 бар).

4. Способ по п. 1, в котором первая температура находится в интервале от приблизительно 5°C до приблизительно 35°C.

5. Способ по п. 1, в котором вторая температура находится в интервале от приблизительно 0°C до приблизительно -25°C.

6. Способ по п. 1, в котором стадия (i) включает охлаждение потока CO₂ с использованием одной или более чем одной ступени охлаждения, включающей один или более чем один теплообменник.

7. Способ по п. 1, дополнительно включающий циркуляцию части конденсированного потока CO₂ в одну или более чем одну ступень охлаждения, используемую для охлаждения потока CO₂.

8. Способ по п. 1, в котором стадия (i) включает охлаждение потока CO₂ до первой температуры посредством расширения потока CO₂ в одном или более чем одном расширителе.

9. Способ по п. 1, в котором стадия (ii) включает охлаждение частично охлажденного потока CO₂ с использованием роторного магнитокалорического охлаждающего устройства.

10. Способ по п. 1, дополнительно включающий увеличение давления конденсированного потока CO₂ с использованием насоса с образованием сжатого потока CO₂.

11. Способ конденсации диоксида углерода (CO₂) из потока CO₂, включающий:

(i) охлаждение потока CO₂ в первой ступени охлаждения, включающей первый теплообменник, с образованием первого частично охлажденного потока CO₂;

(ii) сжатие первого частично охлажденного потока CO₂ с образованием первого сжатого потока CO₂;

(iii) охлаждение первого сжатого потока CO₂ во второй ступени охлаждения, включающей второй теплообменник, с образованием второго частично охлажденного потока CO₂;

(iv) сжатие второго частично охлажденного потока CO₂ с образованием второго сжатого потока CO₂;

(v) охлаждение второго сжатого потока CO₂ до первой температуры в третьей ступени охлаждения, включающей третий теплообменник, с образованием частично охлажденного потока CO₂;

(vi) охлаждение частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры посредством магнитокалорического охлаждения с образованием охлажденного потока CO₂; и

(vii) конденсацию по меньшей мере части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют CO₂ из охлажденного потока CO₂ с образованием конденсированного потока CO₂.

12. Способ по п. 11, дополнительно включающий циркуляцию части конденсированного потока CO₂ в третий теплообменник.

13. Способ по п. 11, в котором третья ступень охлаждения дополнительно включает расширитель, а стадия (v) дополнительно включает охлаждение потока CO₂ до первой температуры посредством расширения второго сжатого потока CO₂ в расширителе.

14. Способ по п. 13, в котором третья ступень охлаждения дополнительно включает четвертый теплообменник, а способ дополнительно включает циркуляцию части конденсированного потока CO₂ в четвертый теплообменник.

15. Система для конденсации диоксида углерода (CO₂) из потока CO₂, включающая:

(i) одну или более чем одну ступень сжатия, выполненную с возможностью приема потока CO₂;

(ii) одну или более чем одну ступень охлаждения, гидравлически сообщающуюся с одной или более чем одной ступенью сжатия,

в которой сочетание одной или более чем одной ступени сжатия и одной или более чем одной ступени охлаждения выполнено с возможностью сжатия и охлаждения потока CO₂ до первой температуры с образованием частично охлажденного потока CO₂;

(iii) ступень магнитокалорического охлаждения, выполненную с возможностью приема частично охлажденного потока CO₂ и охлаждения частично охлажденного потока CO₂ до второй температуры с образованием охлажденного потока CO₂; и

(iv) ступень конденсации, выполненную с возможностью конденсации части CO₂ в охлажденном потоке CO₂ при второй температуре, посредством чего конденсируют CO₂ из охлажденного потока CO₂ с образованием конденсированного потока CO₂.

16. Система по п. 15, в которой ступень магнитокалорического охлаждения включает магнитокалорическое охлаждающее устройство и теплообменник,

причем теплообменник гидравлически сообщается с одной или более чем одной ступенью охлаждения и одной или более чем одной ступенью сжатия.

17. Система по п. 15, дополнительно включающая насос, выполненный с возможностью приема конденсированного потока CO₂ и увеличения давления конденсированного потока CO₂.

18. Система по п. 15, в которой одна или более чем одна ступень охлаждения дополнительно включает расширитель.

19. Система по п. 15, в которой одна или более чем одна ступень охлаждения включает один или более чем один теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения потока CO₂ с использованием воздуха, воды или их сочетаний.

20. Система по п. 15, дополнительно включающая циркуляционный контур, выполненный с возможностью циркуляции части конденсированного потока CO₂ в одну или более чем одну ступень охлаждения.