捕集和使用在煙氣流處理系統中產生的能量的方法和系統的製作方法

2023-12-10 00:37:31 2

專利名稱：捕集和使用在煙氣流處理系統中產生的能量的方法和系統的製作方法
捕集和使用在煙氣流處理系統中產生的能量的方法和系統相關申請的交叉引用本申請要求2009 年 9 月 24 日提交的題為 「Method and System for Capturing and Utilizing Energy Generated in a Flue Gas Stream Processing System(捕集和使 用在煙氣流處理系統中產生的能量的方法和系統)」的美國臨時專利申請61/245，436號的 優先權，其全部通過引用結合到本文中來。領域公開的主題涉及從煙氣流中除去二氧化碳(CO2)的系統和方法。更具體地講，所 公開的主題涉及捕集和使用在從煙氣流中除去CO2期間產生的能量的系統和方法。背景世界上使用的大部分能量來源於諸如煤炭、石油和天然氣的含碳和氫的燃料的燃 燒。除了碳和氫以外，這些燃料含有氧、水分和汙染物，諸如灰分、硫(常以硫氧化物形式， 稱為「S0X」)、氮化合物(常以氮氧化物形式，稱為「NO/)、氯、汞及其他痕量元素。對於在 燃燒期間釋放的汙染物的破壞作用的認識觸發了對自發電站、煉油廠及其他工業過程的排 放實施甚至更嚴格的限制。對於這類工廠的操作人員存在增加的壓力以便汙染物排放接近 零。響應獲得接近零的汙染物排放的需要，研發了許多方法和系統。系統和方法包括 但不限於脫硫系統(稱為溼煙氣脫硫系統(「WFGD」)和幹煙氣脫硫系統(「DFGD」))、微粒 過濾器(例如包括袋濾器、微粒收集器等)以及使用一種或多種從煙氣中吸收汙染物的吸 收劑。吸收劑的實例包括但不限於活性碳、氨、石灰石等。已經表明氨以及胺溶液從煙氣流中有效除去CO2以及其他汙染物，諸如二氧化硫 (SO2)和氯化氫(HCl)。在一個特定申請中，用氨從煙氣流中吸收和去除CO2在低溫、例如零 (O)至二十(20)攝氏度(0-20 0C )之間進行。從煙氣流中去除汙染物需要顯著的能量。使用在去除和處理在煙氣流處理系統內 的汙染物期間產生的能量可降低該系統需要的費用和資源。發明概述根據本文說明的各方面，提供了一種使用在煙氣處理系統內產生的能量的方法， 所述方法包括將負載有二氧化碳的溶液提供到在煙氣處理系統內的再生系統；使所述負載 有二氧化碳的溶液在所述再生系統中經受壓力，由此從所述負載有二氧化碳的溶液除去二 氧化碳且產生高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液；將所述高壓二氧化碳流的至少 一部分引入膨脹渦輪機中以降低所述高壓二氧化碳流的壓力，由此產生能量和低壓二氧化 碳流；和使用在所述膨脹渦輪機中產生的能量以產生動力，由此使用在煙氣處理系統內產 生的能量。根據本文說明的其他方面，提供了一種使用在處理從煙氣流中除去的二氧化碳期 間產生的能量的系統，所述系統包括經構造以接受含二氧化碳的煙氣流的吸收系統，其中 所述含二氧化碳的煙氣流接觸在所述吸收系統中的二氧化碳去除溶液以形成二氧化碳含 量降低的煙氣流和負載有二氧化碳的溶液；經構造以接受所述負載有二氧化碳的溶液的再生系統，其中所述再生系統產生高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液；經構造以接 受所述高壓二氧化碳流的至少一部分的膨脹渦輪機，從而降低所述高壓二氧化碳流的壓力 以產生低壓二氧化碳流和能量；和與所述膨脹渦輪機連通的發生器，所述發生器使用來自 所述膨脹渦輪機的能量以產生電力。根據本文說明的其他方面，提供了一種使在從煙氣流中除去二氧化碳期間產生的 能量再循環的方法，所述方法包括將含二氧化碳的煙氣流提供到吸收系統；使所述含二 氧化碳的煙氣流與二氧化碳去除溶液接觸，由此從所述煙氣流中除去二氧化碳並形成二氧 化碳含量降低的煙氣流和負載有二氧化碳的溶液；使所述負載有二氧化碳的溶液經受在 1723. 7千帕至3447. 4千帕範圍內的壓力，由此形成高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低 的溶液，其中所述高壓二氧化碳流具有在1723. 7千帕至3447. 4千帕範圍內的壓力；降低所 述高壓二氧化碳流的壓力以形成低壓二氧化碳流和能量，所述低壓二氧化碳流具有在68. 9 千帕至689. 5千帕範圍內的壓力；和使用所述能量來為所述吸收系統提供電力，由此使在 從煙氣流中除去二氧化碳期間產生的能量再循環。以上描述的特徵及其他特徵由以附圖及其詳述示例。附圖簡述現參看附圖，其為示例性的實施方案，且其中相同元素用相同數字編號。

圖1為用以從煙氣流中除去汙染物的煙氣流處理系統的示意圖。圖2為在圖1中所示的系統中使用的吸收系統的一個實施方案的示意圖。發明詳述如圖1所示的一個實施方案包括用於從煙氣流120中除去汙染物的系統100。煙 氣流120通過在爐子122中燃燒燃料產生。煙氣流120可能包括許多汙染物，包括但不限 於硫氧化物(S0X)、氮氧化物(N0X)以及汞(Hg)、鹽酸(HC1)、微粒物質、0)2等。雖然未在圖 1中示出，但是可對煙氣流120進行處理以從其中除去汙染物，諸如，通過煙氣脫硫工藝和 微粒收集器處理，這可從煙氣中除去sox和微粒。仍然參看圖1，也可通過使煙氣流120通過吸收系統130對煙氣流120進行處理 以從其中除去C02。雖然未在圖1中示出，但是預期，在進入吸收系統130之前，煙氣流120 可行進通過冷卻系統。所述冷卻系統可將煙氣流120冷卻到低於周圍溫度的溫度。如圖2中所示，吸收系統130經構造以接受含C02的煙氣流120 (經入口或開口) 以促進從煙氣流中吸收C02。從煙氣流120中吸收C02通過使煙氣流與供應到吸收系統130 的C02去除溶液140接觸而發生。在一個實施方案中，C02去除溶液140為包含溶解於水溶 液中的氨和C02物質且也可包含碳酸氫銨的沉澱固體的氨化溶液或漿液140。在另一實施 方案中，C02去除溶液140為胺溶液。在一個實施方案中，吸收系統130包括第一吸收器132和第二吸收器134。吸收系 統130在這方面不受限制且，在其他實施方案中，可包括比在圖2中說明的吸收器更多或更 少的吸收器。如圖2中更詳細地表示，將0)2去除溶液140引入吸收系統130中。在一個實施方 案中，C02去除溶液140在與在吸收系統130中在方向B上流動的煙氣流120逆流的方向A 上引入在第一吸收器132中的吸收系統中。隨著0)2去除溶液140接觸煙氣流120，該煙氣 流中存在的C02被從其中吸收並除去，由此形成離開吸收系統130的負載有二氧化碳的溶液142和二氧化碳含量降低的煙氣流150。所得負載有二氧化碳的溶液142的至少一部分 從吸收系統130運輸到在該吸收系統下遊的再生系統136 (圖1)。在再生系統136中，可使 負載有二氧化碳的溶液142再生以形成引入吸收系統130的C02去除溶液140。雖然在所說明的實施方案中將C02去除溶液140表示為引入第一吸收器132中， 但系統100在這方面不受限制，因為C02去除溶液可替代地引入第二吸收器134中或引入 第一吸收器和第二吸收器兩者中。在一個實施方案中，吸收系統130在低溫下，尤其在低於約二十攝氏度(20°C )的 溫度下操作。在一個實施方案中，吸收系統130在約零攝氏度至約二十攝氏度(0°C-20°C) 的溫度範圍下操作。在另一實施方案中，吸收系統130在約零攝氏度至約十攝氏度 (0°C -10°C )的溫度範圍下操作。然而，該系統在這方面不受限制，因為預期該吸收系統可 在任何溫度下操作。仍參看圖2，在排放到環境中之前，二氧化碳含量降低的煙氣流150可經受另外的 汙染物去除方法和系統。將負載有二氧化碳的溶液142提供到再生系統136中。回頭參看圖1，再生系統136可為經構造以接受負載有二氧化碳的溶液142且促進 從該負載有二氧化碳的溶液中除去C02以形成二氧化碳含量降低的溶液137和高壓二氧化 碳流138的任何再生系統。如圖1中所示，再生系統136包括將負載有二氧化碳的溶液142引入再生系統的 入口 139。雖然圖1說明入口 139位於在再生系統136上的特定位置，但是預期入口 139可 位於在再生系統上的任何位置。在一個實施方案中，再生系統136使用蒸汽(未示出)以促進從負載有二氧化碳 的溶液142中除去C02。在另一實施方案中，該再生系統在約1723. 7千帕(約250磅/平 方英寸[表壓](psig))至約3447. 4千帕(約500磅/平方英寸[表壓](psig))範圍的 壓力下操作以從負載有二氧化碳的溶液142中除去C02。在另一實施方案中，再生系統136 可使用蒸汽和壓力的組合以從負載有二氧化碳的溶液142中除去C02。如圖1中所示，在再生系統136中產生的二氧化碳含量降低的溶液137可提供到 吸收系統130中以與C02去除溶液140 —起使用。雖然在所說明的實施方案中未示出，但是 二氧化碳含量降低的溶液137可與新鮮C02去除溶液140或從吸收系統130再循環的C02 去除溶液組合。或者，且雖然在所說明的實施方案中未示出，但是二氧化碳含量降低的溶液 137可在不與新鮮C02去除溶液140或從吸收系統再循環的C02去除溶液組合的情況下直 接提供到吸收系統130中。在一個實施方案中，負載有二氧化碳的溶液142在再生系統136中經受壓力。在 約1723. 7千帕(約250磅/平方英寸[表壓](psig))至約3447. 4千帕(約500磅/平 方英寸[表壓](psig))範圍的壓力下操作再生系統136產生高壓二氧化碳流138。高壓二氧化碳流138具有在約1723. 7千帕(約250磅/平方英寸[表壓](psig)) 至約3447. 4千帕(約500磅/平方英寸[表壓](psig))範圍內的壓力。在一個實施方 案中，高壓二氧化碳流138的壓力在約2068. 4千帕(約300psig)至約3447. 4千帕(約 500psig)範圍內。在另一實施方案中，高壓二氧化碳流138的壓力在約2068. 4千帕(約 300psig)至約3102. 6千帕(450psig)範圍內。在另一實施方案中，高壓二氧化碳流138的 壓力為約2068. 4千帕(約300psig)。
如圖1中所示，將高壓二氧化碳流138提供到換熱器138a中且隨後提供到膨脹渦 輪機160中。在一個實施方案中，在行進通過換熱器138a之後，可將高壓二氧化碳流138 的至少一部分提供到脫水單元170，同時將高壓二氧化碳流138的單獨部分提供到膨脹渦 輪機160。在使所述高壓二氧化碳流的那部分重複循環回到再生系統136之前，脫水單元 170從高壓二氧化碳流138中除去多餘水分。根據所述系統和應用，重複循環到再生系統 136的高壓二氧化碳流138的水分含量將在約100體積百萬分率(ppmv)至600ppmv範圍 內。雖然未示出，但是預期可將所有高壓二氧化碳流138從再生系統136提供到膨脹 渦輪機160。膨脹渦輪機160經構造以接受高壓二氧化碳流138的至少一部分(通過入口或開 口)以降低該高壓二氧化碳流的壓力且產生低壓二氧化碳流162和能量164。在一個實施方案中，高壓二氧化碳流138的壓力降低至少百分之五十(50%)以形 成低壓二氧化碳流162。在另一實施方案中，高壓二氧化碳流138的壓力降低至少百分之 七十五(75% )以形成低壓二氧化碳流162。具體地講，在一個實施方案中，低壓二氧化碳流162的壓力在約68. 9千帕(約 lOpsig)至約1066. 6千帕(約140psig)範圍內。在另一實施方案中，低壓二氧化碳流162 的壓力在約68. 9千帕(約lOpsig)至約689. 5千帕(約lOOpsig)範圍內。在另一實施方 案中，低壓二氧化碳流162的壓力在約68. 9千帕(約lOpsig)至約620. 5千帕(約90psig) 範圍內。在另一實施方案中，低壓二氧化碳流162的壓力在約137. 9千帕(約20psig)至約 206.8千帕(30psig)範圍內。在又一實施方案中，低壓二氧化碳流162的壓力為約137.9 千帕(約20psig)。如圖1中所示，將低壓二氧化碳流162送到冷卻器165中，之後將低壓二氧化碳流 162a提供到儲存容器166中。低壓二氧化碳流162可在冷卻器165中液化並冷卻到約10 攝氏度至80攝氏度的溫度。由在膨脹渦輪機160中的壓力膨脹引起的低壓二氧化碳流162 的溫度降低降低了冷卻器165所需要的能量以將低壓二氧化碳流的溫度降到液化點。在一個實施方案中，低壓二氧化碳流162a僅短暫儲存在儲存容器166中，之後將 其運輸到另一位置以便使用或進一步處理。在膨脹渦輪機160中降低高壓二氧化碳流138的壓力以產生低壓二氧化碳流162 也產生了能量164。在一個實施方案中，能量164以使膨脹渦輪機160的軸旋轉的功形式， 其又用以驅動設備部件，諸如發生器167。應當理解，高壓二氧化碳流138在膨脹渦輪機160 中進行等熵膨脹且作為具有低溫的低壓二氧化碳流162離開。如圖1中所示，能量164由發生器167使用以產生動力168。發生器167可為促進 由膨脹渦輪機160提供的能量164轉變以產生動力168的任何類型的發生器。在一個實施方案中，發生器167為用以產生作為動力168的電力的發電機。在另一實施方案中，膨脹渦輪機160可連接到單獨的設備部件(未示出)，諸如泵、 壓縮機、冷凍壓縮機、風扇、鼓風機等。能量164可用來為連接到膨脹渦輪機160的設備提 供動力，即，該能量可為連接到膨脹渦輪機的設備的原動力。由發生器167產生的動力168可在系統100內使用。例如，動力168可提供到發電站122且由發電站122使用。在另一實例中，動力168可提供到在系統100內的各種裝 置中且可由這些裝置使用，所述裝置包括但不限於在吸收系統130內的泵、與再生系統136 連通的泵、在系統100內使用的冷卻器和冷凝器、在系統100內使用的風扇、結合溼煙氣脫 硫系統使用的在系統100內使用的循環泵和球磨機。或者，或除了提供動力168到在系統 100內的裝置以外，以電力形式的動力168可提供到消費電網180或在系統100外的另一裝 置或系統。使用在系統100內的動力168減輕、降低或消除從系統外的來源獲得動力的需要。 通過減輕、降低或消除從外部來源獲得動力的需要，系統100可比從外部來源獲得動力的 系統更有效和/或成本更有效。當將動力168送到系統100外時，效率和成本降低也可由 諸如消費電網180的系統和裝置體驗。術語「第一」、「第二」等在本文中不表示任何順序、數量或重要性，而是用以區別一 種要素與另外的要素。術語「一個/種」在本文中不表示數量的限制，而是表示存在所提及 項目中的至少一個/種。雖然已參考許多例示性實施方案描述了本發明，但本領域的技術人員應當理解的 是在不偏離本發明的範圍的情況下可進行多種改變且可用等效物替代其要素。另外，可在 不脫離本發明的必要範圍的情況下進行許多修改以適應本發明的教導的特定情形或材料。 因此，並非想要將本發明限制於作為針對實施本發明所預期的最佳模式公開的特定實施方 案，而是本發明將包括屬於附加權利要求書範圍內的所有實施方案。
權利要求
1.使用在煙氣處理系統內產生的能量的方法，所述方法包括 將負載有二氧化碳的溶液提供到在煙氣處理系統內的再生系統； 使所述負載有二氧化碳的溶液在所述再生系統中經受壓力，由此從所述負載有二氧化碳的溶液除去二氧化碳且產生高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液； 將所述高壓二氧化碳流的至少一部分引入膨脹渦輪機中以降低所述高壓二氧化碳流的壓力，由此產生能量和低壓二氧化碳流；和 使用在所述膨脹渦輪機中產生的能量以產生動力，由此使用在煙氣處理系統內產生的倉tfi。
2.權利要求I的方法，其中所述負載有二氧化碳的溶液經受具有1723.7千帕至3447. 4千帕範圍的壓力。
3.權利要求I的方法，其中所述低壓二氧化碳流的壓力在68.9千帕至1066. 6千帕的範圍。
4.權利要求I的方法，其中所述低壓二氧化碳流的壓力在137.9千帕至206. 8千帕範圍內。
5.權利要求I的方法，其中所述動力為電力。
6.權利要求I的方法,其還包括 將所述低壓二氧化碳流提供到冷卻器。
7.權利要求I的方法，其還包括 將所述低壓二氧化碳流提供到儲存容器。
8.權利要求I的方法，其中所述高壓二氧化碳流的壓力在1723.7千帕至3447. 4千帕範圍內。
9.權利要求I的方法,其還包括 將所述動力提供到吸收系統，其中所述吸收系統在所述再生系統的上遊且所述吸收系統從煙氣流中除去二氧化碳。
10.權利要求I的方法，其還包括 將所述動力提供到消費電網。
11.使用在處理從煙氣流中除去的二氧化碳期間產生的能量的系統，所述系統包括 經構造以接受含二氧化碳的煙氣流的吸收系統，其中所述含二氧化碳的煙氣流接觸在所述吸收系統中的二氧化碳去除溶液以形成二氧化碳含量降低的煙氣流和負載有二氧化碳的溶液； 經構造以接受所述負載有二氧化碳的溶液的再生系統，其中所述再生系統產生高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液； 經構造以接受所述高壓二氧化碳流的至少一部分的膨脹渦輪機，從而降低所述高壓二氧化碳流的壓力以產生低壓二氧化碳流和能量；和 與所述膨脹渦輪機連通的發生器，所述發生器使用來自所述膨脹渦輪機的能量以產生電力。
12.權利要求11的系統，其中所述再生系統在具有1723.7千帕至3447. 4千帕範圍的壓力下操作。
13.權利要求11的系統，其中所述高壓二氧化碳流具有在1723.7千帕至3447. 4千帕範圍內的壓力。
14.權利要求11的系統，其中所述低壓二氧化碳流具有在約68.9千帕至1066. 6千帕 範圍內的壓力。
15.權利要求11的系統，其還包括與所述膨脹渦輪機連通的冷卻器，其中所述冷卻器經構造以從所述膨脹渦輪機接受所述低壓二氧化碳流且將所述低壓二氧化碳流的溫度降低到在10攝氏度至80攝氏度範圍內的溫度。
16.權利要求11的系統，其還包括與所述膨脹渦輪機連通的儲存容器，所述儲存容器適合儲存所述低壓二氧化碳流。
17.權利要求11的系統，其中所述二氧化碳去除溶液包括氨。
18.權利要求17的系統，其中所述吸收系統在0攝氏度至20攝氏度的溫度下操作。
19.權利要求11的系統，其中所述二氧化碳去除溶液為胺溶液。
20.權利要求11的系統，其還包括將所述二氧化碳含量降低的溶液提供到所述吸收系統。 使在從煙氣流中除去二氧化碳期間產生的能量再循環的方法，所述方法包括 將含二氧化碳的煙氣流提供到吸收系統； 使所述含二氧化碳的煙氣流與二氧化碳去除溶液接觸，由此從所述煙氣流中除去二氧化碳並形成二氧化碳含量降低的煙氣流和負載有二氧化碳的溶液； 使所述負載有二氧化碳的溶液經受在1723. 7千帕至3447. 4千帕範圍內的壓力，由此形成高壓二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液，其中所述高壓二氧化碳流具有在1723. 7千帕至3447. 4千帕範圍內的壓力； 降低所述高壓二氧化碳流的壓力以形成低壓二氧化碳流和能量，所述低壓二氧化碳流具有在68. 9千帕至689. 5千帕範圍內的壓力；和 使用所述能量來為所述吸收系統提供電力，由此使在從煙氣流中除去二氧化碳期間產生的能量再循環。
全文摘要
本發明涉及使用在煙氣處理系統(100)內產生的能量的系統和方法。所述方法包括使負載有二氧化碳的溶液(142)在再生系統(136)中經受壓力，由此從所述負載有二氧化碳的溶液(142)中除去二氧化碳並產生高壓二氧化碳流(138)。所述高壓二氧化碳流(138)的至少一部分引入膨脹渦輪機(160)中，由此產生能量(164)。所述能量(164)用以產生動力(168)。
文檔編號F23J15/04GK102665858SQ201080044117
公開日2012年9月12日 申請日期2010年9月15日 優先權日2009年9月24日
發明者D·J·穆拉斯金, F·Z·科扎克, S·H·格萊茨, T·S·雷恩斯, 桑傑伊·K·杜布 申請人:阿爾斯通技術有限公司