CO2分离和液化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了诸如可用于化石燃料燃烧发电厂的碳捕捉和封存系统的CO2分离和液化系统。所述CO2分离和液化系统包括：用液态CO2冷却烟道气的第一冷却级；与第一冷却级耦连以压缩冷却的烟道气的压缩级；第二冷却级，其与所述压缩级和所述第一冷却级耦连以用CO2熔化来冷却经压缩的烟道气并将液态CO2提供给第一冷却级；和膨胀级，其与所述第二冷却级耦连以从烟道气提取固态CO2，该固态CO2在第二冷却级熔化以提供液态CO2。化以提供液态CO2。化以提供液态CO2。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】CO2分离和液化系统及方法
相关申请的交叉引用
[0001]本专利技术是2019年3月29日提交的美国临时专利申请NO.62/825,947的非临时申请，并要求该临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0002]本专利技术的实施例涉及CO2分离和液化，更具体地涉及利用废气作为致冷剂来液化CO2并将CO2从废气中分离的CO2捕捉技术。

技术介绍

[0003]科学界通常认为全球气候变化或全球变暖是源自人类活动的CO2排放的结果。CO2排放的主要来源是用于能源生产的化石燃料的燃烧。为了减缓全球温度的上升，随着我们对能源需求的增加，社会必须减少排放到大气中的CO2量。减少CO2排放的一种方法是捕捉作为化石燃料燃烧发电厂的燃烧副产品而产生的CO2。碳捕捉和储存(CCS)技术从发电厂排放物(称为烟道气)中去除CO2，通常作为液态CO2被泵送并储存在地下以防止大气中CO2排放量增加。有大量研究针对改善碳捕捉的技术，包括利用CCS系统改造现有发电厂的技术。例如，CCS灵活性项目(FLECCS)是一项政府计划，旨在资助碳捕捉和存储(CCS)技术的开发，使发电机能够在高可变性可再生能源(VRE)渗透环境中改善对电网条件的响应。FLECCS对降低资本成本的碳捕捉技术具有重要意义。
[0004]不幸的是，现有的碳捕捉和储存(CCS)系统通常具有高资本成本。典型的CCS系统包括传统的胺基碳捕集技术和带有外部冷却或制冷系统的低温碳捕集技术。胺与CO2之间的可逆反应使胺适用于从包括烟道气在内的燃烧后废气中分离CO2。传统的胺基碳捕集技术往往具有高资本成本，是某些低温系统资本成本的4倍或更多。此外，如果不对电厂进行额外的改造，如热能储存(TES)，胺CCS技术可能无法满足FLECCS目标。
[0005]其他CCS系统还包括使用外部冷却或制冷循环的低温碳捕捉系统。外部冷却低温碳捕捉利用制冷系统来冷却加压的废气或烟道气。使用外部制冷系统允许在热交换过程中设计较小的温差，从而提高效率。不幸的是，更高的效率是以更高的资本成本为代价的，主要来自更大的热交换器。此外，外部冷却系统需要专门的致冷剂和多个热泵子系统，这会增加系统复杂性、运行挑战性并增加成本。此外，外部冷却的低温碳捕捉通常需要使用具有高全球变暖潜能值的致冷剂。例如，用于此类过程的典型致冷剂是R
‑
14(四氟甲烷)，其100年全球变暖潜能值(GWP)估计超过6,500。这意味着R
‑
14致冷剂回路中非常小的泄漏可以显著降低系统捕捉CO2的效果。
[0006]因此，希望有一种CCS系统，该系统通过使用模块化构造来改造现有的化石燃料燃烧发电厂使资本成本最小化。进一步期望具有使用与现有低温系统相比在相对大温差下运行的低成本热交换器的CCS系统，若在低温下运行其还可以适应固体冰和固态CO2的形成。除了废气本身之外不使用化学品或致冷剂的碳捕捉过程将减少环境足迹、运营和维护成本。

技术实现思路

[0007]根据本专利技术的一个方面，CO2分离和液化系统包括：用液态CO2冷却烟道气的第一冷却级；与第一冷却级耦连以压缩冷却的烟道气的压缩级；第二冷却级，其与所述压缩级和所述第一冷却级耦连以用CO2熔化来冷却经压缩的烟道气并将液态CO2提供给第一冷却级；和膨胀级，其与所述第二冷却级耦连以从烟道气提取固态CO2，该固态CO2在第二冷却级熔化以提供液态CO2。
[0008]根据本专利技术的另一方面，CCS系统包括：用待封存的CO2冷却烟道气的第一冷却级；与所述第一冷却级耦连以压缩已冷却的烟道气的压缩级；第二冷却级，其与所述压缩级耦连以用固态CO2冷却经压缩的烟道气，以及膨胀机，其与所述第二冷却级耦连以从烟道气中提取固态CO2，该膨胀机耦连到所述第一冷却级和所述第二冷却级以提供固态CO2和待封存的CO2。
[0009]根据本专利技术的又一方面，一种运行CO2液化系统的方法，包括：从烟道气发生器中提取烟道气，在第一压缩机中压缩烟道气，在由周围环境冷却的热交换器中冷却烟道气，使用液态CO2冷却来自热交换器的烟道气的第一股流，在第二压缩机中压缩该烟道气，通过熔化固态CO2来冷却烟道气并产生液态CO2，以及膨胀烟道气以提取固态CO2。
[0010]根据本专利技术的又一方面，用于发电厂的CCS系统包括：压缩空气的第一压缩机和耦连到第一压缩机以冷却被压缩空气的第一热交换器，所述第一热交换器由周围环境冷却。该CCS系统还包括耦连到发电厂以接收烟道气并耦连到第一热交换器以接收空气的第一冷却级，第一冷却级用液态CO2冷却烟道气和空气。该CCS系统还包括耦连到第一冷却级以接收并压缩空气的第二压缩机，耦连到第二压缩机以接收并冷却空气的第二冷却级，该第二冷却级耦连到第一冷却级以冷却并提取来自烟道气的CO2，并提供液态CO2，以及膨胀级，其耦连到第二冷却级以膨胀空气并将膨胀的空气提供给第二冷却级以冷却烟道气。
[0011]根据以下详细描述和附图，各种其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
[0012]附图图示了目前考虑用于实施本专利技术的优选实施例。
[0013]在附图中：
[0014]图1是根据本专利技术的一个实施例的耦连到联合循环发电厂和热能存储系统的具有级间加温膨胀(interwarming expansion)的CO2分离和液化系统的过程图。
[0015]图2是根据本专利技术的一个实施例的耦连到联合循环发电厂和热能存储系统的具有结霜膨胀(frosting expansion)的CO2分离和液化系统的过程图。
[0016]图3是根据本专利技术的一个实施例的具有级间加温膨胀的CO2分离和液化系统的过程图。
[0017]图4是根据本专利技术的一个实施例的具有空气布雷顿冷却的CO2分离和液化系统的过程图。
[0018]图5是根据本专利技术的一个实施例的具有结霜膨胀的CO2分离和液化系统的过程图。
[0019]图6是根据本专利技术的一个实施例，在CO2分离和液化系统中使用的热交换器的壁上积聚的CO2的曲线图。
具体实施方式
[0020]本专利技术的运行环境是针对用于来自化石燃料燃烧的废气的CO2分离和液化系统进行描述的。然而，本领域技术人员将理解，本专利技术同样适用于从其他碳气流中分离和液化CO2。虽然将针对用于燃烧化石燃料的发电厂的碳捕捉和封存系统来描述本专利技术的实施例，但是本专利技术的实施例同样适用于用于其他工业过程的CO2分离和液化。
[0021]参照图1，根据本专利技术的实施例，示出了具有级间加温膨胀的CO2分离和液化系统20。CO2分离和液化系统20被示为耦连到联合循环发电厂22，该联合循环发电厂22包括天然气发电厂24、煤蒸汽动力厂26和热能储存(TES)系统28。天然气发电厂24燃烧化石燃料(例如天然气)产生电力并且可以通过其废气或烟道气将热量排出到TES系统28。TES系统28耦连到煤蒸汽动力厂26以预热蒸汽动力厂中使用的水。煤蒸汽动力厂26燃烧化石燃料(例如煤)以产生电力并且可以通过其烟道气将热量排放到T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种CO2分离和液化系统，包括：用液态CO2冷却烟道气的第一冷却级；与第一冷却级耦连以压缩冷却的烟道气的压缩级；与所述压缩级和所述第一冷却级耦连的第二冷却级，以用CO2熔化来冷却经压缩的烟道气并将液态CO2提供给第一冷却级；和与所述第二冷却级耦连的膨胀级，以从烟道气提取固态CO2，该固态CO2在第二冷却级熔化以提供液态CO2。2. 根据权利要求1所述的CO2分离和液化系统，其中还包括：位于第一冷却级上游的压缩机；和热交换器，其由周围环境冷却，并串联连接在所述压缩机和所述第一冷却级之间。3.根据权利要求1所述的CO2分离和液化系统，其中所述第一冷却级用由所述固态CO2提取产生的富N2烟道流冷却所述烟道气。4. 根据权利要求1所述的CO2分离和液化系统，其中所述膨胀级包括：串联的多个热交换器，以从烟道气中提取固态CO2；和串联且耦连在多个热交换器的下游的多个膨胀机；其中每个所述热交换器耦连到单独的一个所述膨胀机以接收烟道气作为致冷剂。5.根据权利要求4所述的CO2分离和液化系统，其中所述多个热交换器从烟道气中去除几乎所有的CO2，以便稀释留在所述烟道气中的一定量的CO2并由此防止在所述多个膨胀机中形成固态CO2。6.根据权利要求1所述的CO2分离和液化系统，其中所述膨胀级包括：用于固化烟道气中的CO2的结霜膨胀机，与所述结霜膨胀机耦连的固态CO2过滤器，以从烟道气中去除固态CO2，以及与所述固态CO2过滤器耦连的气闸，以对固态CO2加压为了输送到所述第二冷却级。7.根据权利要求1所述的CO2分离和液化系统，其中还包括串联连接在所述压缩级和所述膨胀级之间的霜前热交换器和结霜热交换器，所述霜前热交换器和所述结霜热交换器由从中提取固态CO2之后的烟道气的冷却。8.一种碳捕捉和封存（CCS）系统，包括：用待封存的CO2冷却烟道气的第一冷却级；与所述第一冷却级耦连以压缩已冷却的烟道气的压缩级；与所述压缩级耦连的第二冷却级，以用固态CO2冷却经压缩的烟道气；以及与所述第二冷却级耦连的膨胀机，以从烟道气中提取固态CO2，该膨胀机耦连到所述第一冷却级和所述第二冷却级以提供固态CO2和待封存的CO2。9.根据权利要求8所述的CCS系统，其中在所述第一冷却级冷却的烟道气接收自排放CO2的化石燃料发电厂或工业过程。10.根据权利要求8所述的CCS系统，其中所述第一冷却级包括两个或更多个串联的热交换器以用待封存的CO2冷却烟道气。11. 根据权利要求8所述的CCS系统，其中所述第二冷却级包括冷却回路，该冷却回路包括：用液态CO2冷却压缩的烟道气的一个或多个热交换器，和
液态CO2储存器，以使用固态CO2冷却从一个或多个热交换器排出的液态CO2。12.根据权利要求11所述的CCS系统，其中所述压缩级包括串联的第一压缩机和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈尔斯，
申请(专利权)人：博瑞特储能技术公司，
类型：发明
国别省市：