[发明专利]低温热交换器系统和方法

说明书

关于联邦资助的研究和开发的声明

本发明是根据美国能源部(DoE)授予的合同DE-AR 0000101在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本公开的领域大体涉及从包含二氧化碳的气体中以低温的方式捕捉二氧化碳(CO₂)。更具体而言，本公开涉及用于从气体流中分离二氧化碳以及利用二氧化碳来预冷却烟道气的系统和方法。

背景技术

燃烧燃料来产生能量会产生大量排气，例如，在燃烧化石燃料的功率装置中产生的排气。排气通常称为烟道气，因为排气通过烟道而离开燃烧室，并且典型地排到大气中。烟道气的组成取决于燃烧的燃料。典型的烟道气包括氮、二氧化碳、水蒸汽、氧、一氧化碳、氧化物和颗粒物质。

已经发现二氧化碳气体是温室气体，温室气体可导致全球变暖。二氧化碳气体还是用于食品和饮料工业中的成分，而且会通过光合作用而促进植物生长。典型地，可使用胺来从烟道气中移除二氧化碳。备选地，二氧化碳的低温捕捉(其中，烟道气冷却到低温温度，直到形成固态CO₂)是目前存在的利用胺基溶剂的技术的备选方法。但是，冷流和烟道气之间的直接热交换会在两个流之间引起大的温差，而且在能量方面不是高效的。另外，固态CO₂形成在包含冷却流的管的表面上，从而降低冷管和烟道气之间的热传递的效率。另外，从管的表面移除固态CO₂提出了技术挑战。

本公开描述了一种系统和方法，其使得在低温二氧化碳移除工艺中能够在热交换器的冷流和烟道气的暖流之间进行有效的热传递。

发明内容

在一方面，一种用于捕捉二氧化碳的装置包括：用于供应压缩烟道气的供应源；用于预冷却压缩烟道气的多流热交换器；位于多流热交换器的下游的气体膨胀装置，气体膨胀装置使压缩烟道气膨胀成为二氧化碳枯竭的第一气体子流和为二氧化碳的第二子流；使第一子流的至少一部分再循环到多流热交换器中的第一再循环通道；以及使第二子流的至少一部分再循环到多流热交换器中的第二再循环通道。多流热交换器构造成使用第一子流和第二子流来预冷却压缩烟道气。

在另一方面，一种捕捉二氧化碳的方法包括：提供包含二氧化碳的压缩气体；在多流热交换器中预冷却压缩气体；在气体膨胀装置中使压缩气体膨胀，以提供为二氧化碳枯竭气体的第一子流和为二氧化碳的第二子流；以及将第一子流和第二子流供应到多流热交换器，以有利于预冷却压缩气体。

在又一方面，一种碳捕捉系统包括用于供应压缩烟道气的供应；冷却压缩烟道气的水预冷却器；多流热交换器，其位于水预冷却器的下游，以进一步预冷却压缩烟道气；位于多流热交换器的下游的气体膨胀装置，气体膨胀装置使压缩烟道气膨胀成为二氧化碳枯竭气体的第一子流和为二氧化碳的第二子流；使第一子流的至少一部分再循环到多流热交换器中的第一再循环通道；以及使第二子流的至少一部分再循环到多流热交换器中的第二再循环通道。多流热交换器构造成使用第一子流和第二子流来预冷却压缩烟道气。

附图说明

图1是根据本公开的示例性低温碳捕捉系统的框图。

图2是根据本公开的示例性热交换器的横截面。

图3是显示了根据本公开的热交换器中的烟道气温度和冷流温度的示例性标图的图形。

图4是显示了根据本公开的能量和热交换器区段的示例性标图的图形。

图5是标绘了净效率点和排气再循环值的图形。

部件列表

100   压缩二氧化碳气体流

102   多流热交换器

104   热交换器

106   热交换器

108   热交换器

110   歧管

112   辅助热交换器

114   膨胀装置

116   制冷装置

118   固-液相变装置

120   固-液相变装置

122   存储室

124   存储室

126   水预冷却器

128   输入

130   第一流

132   第二流

134   二氧化碳枯竭气体流

136   固态二氧化碳流

138   液态二氧化碳流

140   制冷剂

142   二氧化碳流

144   憎冰涂层

146   固态二氧化碳