Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ СО ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОПЛА ЛАВАЛЯ

Область техники

Данное патентное описание относится к способам и устройствам для отделения диоксида углерода (CO₂) от газового потока. Более конкретно, данное патентное описание относится к способам и устройствам для отделения твердого CO₂.

Уровень техники

Процессы получения энергии, которые основаны на сжигании углеродсодержащего топлива, обычно производят CO₂ в качестве побочного продукта. Может быть желательно уловить или другим образом отделить CO₂ от газовой смеси, чтобы предотвратить выпуск CO₂ в окружающую среду и/или использовать CO₂ в процессе получения энергии или в других процессах.

Однако обычные процессы улавливания CO₂, такие как, например, процесс на основе аминов, могут быть энергоемкими, а также капиталоемкими. Для отделения CO₂ также можно использовать процессы, протекающие при низкой температуре и/или высоком давлении, в которых отделения достигают путем десублимации CO₂ с получением твердого CO₂. Однако устройства и способы замораживания CO₂ с получением твердого CO₂ обычно включают вращающиеся турбины. Разделительные устройства на основе турбин могут страдать от эксплуатационных проблем, связанных с отложением твердого CO₂ на лопатках турбины, что приводит к эрозии или сбоям в работе турбины. Устройства отделения CO₂ на основе турбин могут требовать дополнительных разделительных устройств (например, циклонных сепараторов) и могут обладать пониженными эффективностями из-за замораживания поверхностей компонентов устройства. Кроме того, типичные устройства для отделения твердого CO₂ включают одну или более стадий предварительного охлаждения, которые требуют внешних циклов охлаждения и могут увеличивать стоимость и площади, необходимые для размещения систем отделения CO₂.

Таким образом, имеется необходимость в эффективных и экономичных способах и устройствах для отделения CO₂. Дополнительно имеется необходимость в эффективных и экономичных способах и устройствах для отделения твердого CO₂.

Краткое описание изобретения

В одном из воплощений изобретения обеспечен способ отделения диоксида углерода (CO₂) от газового потока. Способ включает охлаждение газового потока в секции охлаждения с получением охлажденного газового потока. Способ дополнительно включает охлаждение охлажденного газового потока в сопле Лаваля, так, чтобы часть CO₂ в газовом потоке образовала один из видов - твердый или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂. Способ дополнительно включает отделение по меньшей мере одного из видов - твердого и жидкого CO₂, или обоих этих видов CO₂, от охлажденного потока газа в сопле Лаваля, с получением обогащенного по CO₂ потока и обедненного по CO₂ газового потока. Способ дополнительно включает расширение обедненного по CO₂ газового потока в детандере, расположенном ниже сопла Лаваля по ходу потока, с получением охлажденного газового потока, обедненного по CO₂. Способ дополнительно включает циркуляцию по меньшей мере части охлажденного газового потока, обедненного по CO₂, в секцию охлаждения, для охлаждения газового потока.

В другом воплощении изобретения обеспечено устройство для отделения CO₂ от газового потока. Устройство включает секцию охлаждения, выполненную для охлаждения газового потока с получением охлажденного газового потока. Устройство дополнительно включает сопло Лаваля в гидравлическом соединении с теплообменником, где сопло Лаваля выполнено для дополнительного охлаждения охлажденного газового потока таким образом, чтобы часть CO₂ в газовом потоке образовала один из видов CO₂ - твердый или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, и где сопло Лаваля выполнено дополнительно для отделения по меньшей мере части одного из видов CO₂ - твердого или жидкого CO₂, или обоих видов CO₂, от охлажденного потока газа, с получением обогащенного по CO₂ потока и обедненного по CO₂ газового потока. Устройство дополнительно включает детандер, расположенный ниже сопла Лаваля по ходу потока и находящийся в гидравлическом соединении с соплом Лаваля, где детандер выполнен для расширения обедненного по CO₂ газового потока с получением охлажденного обедненного по CO₂ газового потока. Устройство дополнительно включает контур циркуляции, выполненный для переноса охлажденного обедненного по CO₂ газового потока в секцию охлаждения, для охлаждения газового потока.

В еще одном воплощении изобретения обеспечено устройство получения энергии. Устройство получения энергии включает узел газового двигателя, выполненный для получения газового потока, включающего CO₂; и блок отделения CO₂, находящийся в гидравлическом соединении с узлом газового двигателя. Блок отделения CO₂ включает секцию охлаждения, выполненную для охлаждения газового потока, с получением охлажденного газового потока. Блок отделения CO₂ дополнительно включает сопло Лаваля, находящееся в гидравлическом соединении с секцией охлаждения, где сопло Лаваля выполнено для дополнительного охлаждения охлажденного газового потока, так, чтобы часть CO₂ в газовом потоке образовала один из видов CO₂ - твердый или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, и где сопло Лаваля дополнительно выполнено для отделения по меньшей мере части одного из видов CO₂ - твердого или жидкого CO₂, или обоих этих видов CO₂, от охлажденного газового потока, с получением обогащенного по CO₂ потока и обедненного по CO₂ газового потока. Блок отделения CO₂ дополнительно включает детандер, расположенный ниже сопла Лаваля по ходу потока и находящийся в гидравлическом соединении с соплом Лаваля, где детандер выполнен для расширения обедненного по CO₂ газового потока с получением охлажденного обедненного по CO₂ газового потока. Блок отделения CO₂ дополнительно включает контур циркуляции для переноса охлажденного обедненного по CO₂ газового потока в секцию охлаждения для охлаждения газового потока.

Другие воплощения, аспекты, отличительные особенности и преимущества данного изобретения станут очевидными для специалиста из последующего подробного описания, сопровождающих чертежей и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Эти и другие отличительные особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут лучше понятны, если читать последующее подробное описание, обращаясь к сопровождающим чертежам, где одинаковые символы представляют одинаковые детали по всем чертежам.

Фиг. 1 представляет блок-схему устройства для отделения CO₂ от газового потока в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Фиг. 2 представляет блок-схему устройства для отделения CO₂ от газового потока в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Фиг. 3 представляет блок-схему устройства для отделения CO₂ от газового потока в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Фиг. 4 представляет блок-схему устройства для отделения CO₂ от газового потока, в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Фиг. 5 представляет блок-схему устройства получения энергии, включающего блок отделения CO₂, в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Фиг. 6 представляет схематическое изображение сопла Лаваля в соответствии с одним из воплощений данного изобретения.

Подробное описание изобретения

Как подробно обсуждается ниже, воплощения данного изобретения включают способы и устройства, пригодные для отделения CO₂ от газового потока. Как подробно обсуждается ниже, некоторые воплощения данного изобретения включают способы и устройства для отделения CO₂ с использованием сопла Лаваля, способного охлаждать газовый поток с образованием жидкого CO₂ или твердого CO₂. Сопло Лаваля дополнительно способно отделять по меньшей мере часть жидкого CO₂ или твердого CO₂ в самом сопле Лаваля, таким образом производя охлажденный обедненный по CO₂ газовый поток. Воплощения данного изобретения дополнительно включают способы и устройства для отделения CO₂ с использованием рециркулированного охлажденного обедненного по CO₂ газового потока для предварительного охлаждения газового потока перед подачей газового потока в сопло Лаваля. В некоторых воплощениях способы и устройства по данному изобретению преимущественно обеспечивают более экономичные и надежные способы и устройства для отделения CO₂ по сравнению с устройствами отделения CO₂ на основе детандера.

В последующем описании и формуле изобретения формы единственного числа включают также отсылки на множественное число, если только из контекста явно не следует другое. Как используют в тексте данного описания, термин «или» не означает, что он является исключающим, и подразумевает, что присутствует, по меньшей мере, один из упомянутых компонентов, и включает примеры, в которых может присутствовать сочетание указанных компонентов, если только из контекста явно не следует иное.

Выражения приближения, как их используют в данном случае в описании и в формуле изобретения, могут быть применены для модификации и количественного представления, которые допустимо могут изменяться, не приводя к изменению основной функции, к которой они относятся. Соответственно, величина, модифицированная термином или терминами, такими как «около», «примерно» и «по существу», не ограничена указанным точным значением. В некоторых примерах выражения приближения могут соответствовать точности прибора, применяемого для измерения этой величины. Здесь и по ходу описания и формулы изобретения ограничения диапазонов можно комбинировать и/или взаимно заменять; такие диапазоны определены и включают все поддиапазоны, которые в них входят, если только контекст или формулировка не указывают иного.

В некоторых воплощениях изобретения, как показано на Фиг. 1-5, обеспечен способ отделения диоксида углерода (CO₂) от газового потока 10. Термин «газовый поток», как его используют в тексте данного описания, относится к газовой смеси, которая может дополнительно включать один компонент, выбранный из твердого и жидкого компонентов, или оба эти компонента. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 является продуктом процесса сгорания, процесса газификации, мусорной свалки, печи, парогенератора, бойлера или их сочетания. В одном примере воплощения газовый поток 10 включает газовую смесь, выделяемую в результате переработки топлив, например, природного газа, биомассы, бензина, дизельного топлива, угля, нефтеносных сланцев, топливной нефти, битуминозных песков или их сочетания. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает газовую смесь, выделяемую газовой турбиной. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает синтез-газ, генерированный в установке газификации или реформинга. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает топочный газ. В конкретных примерах воплощения газовый поток 10 включает газовую смесь, выделяемую из энергоустановки, работающей на угле или природном газе. Как подробно описано далее, в некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает газовую смесь, выделяемую из газового двигателя, например из двигателя внутреннего сгорания.

Как отмечали ранее, газовый поток 10 включает диоксид углерода. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 дополнительно включает одно или более из следующих веществ: азота, кислорода или паров воды. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 дополнительно включает примеси или загрязняющие вещества, примеры которых включают, не ограничиваясь этим, оксиды азота, оксиды серы, моноксид углерода, сероводород, несгоревшие углеводороды, вещества в виде частиц и их сочетания. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 по существу не содержит примесей или загрязняющих веществ. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает азот, кислород и диоксид углерода. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает азот и диоксид углерода. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает моноксид углерода. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 включает синтез-газ.

В некоторых примерах воплощения количество примесей или загрязняющих веществ в газовом потоке 10 составляет менее чем примерно 50% мольн. В некоторых примерах воплощения количество примесей или загрязняющих веществ в газовом потоке 10 находится в диапазоне примерно от 10% мольн. до 20% мольн. В некоторых примерах воплощения количество примесей или загрязняющих веществ в газовом потоке 10 составляет менее чем примерно 5% мольн.

В некоторых примерах воплощения способ может дополнительно включать сжатие газового потока 10 в компрессоре 210 перед стадией охлаждения газового потока в секции 110 охлаждения, как указано на Фиг. 2. В некоторых других примерах воплощения способ не включает стадии сжатия газового потока в компрессоре 210 перед стадией охлаждения газового потока в секции 110 охлаждения, как указано на Фиг. 1. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 может находиться в сжатом состоянии и может не требовать дополнительной стадии сжатия газового потока перед стадиями охлаждения и отделения CO₂, что дает возможность получить более низкие капиталовложения и меньшее количество компонентов устройства.

В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 1, способ включает охлаждение газового потока 10 в секции 110 охлаждения, с получением охлажденного газового потока 11. В некоторых примерах воплощения способ может дополнительно включать прием газового потока 10, поступающего из установки переработки углеводородов, сгорания, газификации или какой-либо подобной энергоустановки (не показана), в секцию 110 охлаждения. В некоторых примерах воплощения газовый поток 10 можно дополнительно подвергнуть действию одной или более стадий переработки (например, удаления водяного пара, примесей и т.п.) перед подачей газового потока 10 в секцию 110 охлаждения.

Как указано на Фиг. 1, секция 110 охлаждения в некоторых примерах воплощения может включать теплообменник. В некоторых примерах воплощения теплообменник можно охлаждать с использованием охлаждающей среды. В некоторых примерах воплощения теплообменник можно охлаждать с использованием циркулирующего охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15, как подробно описано ниже. В некоторых примерах воплощения теплообменник можно охлаждать частично с использованием циркулирующего охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15, а дополнительно его можно охлаждать с использованием охлаждающего воздуха, охлаждающей воды или и того, и другого (не показаны). В конкретных примерах воплощения газовый поток 10 в основном охлаждают в теплообменнике циркулирующим охлажденным обедненным по CO₂ газовым потоком 15, как указано на Фиг. 1. Термин «в основном охлаждают», как его используют в тексте данного описания, означает, что по меньшей мере около 80% теплового обмена на стадии охлаждения осуществляют с использованием циркулирующего охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15.

Следует отметить, что на Фиг. 1 единственный теплообменник показан только как пример воплощения, и секцию 110 охлаждения можно скомпоновать таким образом, что в некоторых воплощениях секция включает два или более теплообменников. Фактическое количество теплообменников и их индивидуальная конфигурация могут изменяться в зависимости от желаемого конечного результата. Кроме того, в примерах воплощения, включающих несколько теплообменников, по меньшей мере один из теплообменников может быть предназначен для охлаждения газового потока 10 с использованием циркулирующего охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15. В некоторых примерах воплощения способ может включать охлаждение газового потока 10 в нескольких теплообменниках, в которых охлаждение в основном осуществляют с использованием циркулирующего охлажденного обедненного по CO₂ газового потока. В некоторых примерах воплощения способ может включать охлаждение газового потока 10 в нескольких секциях 110 охлаждения (не показаны), с получением охлажденного газового потока 11.

В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 1, способ дополнительно включает охлаждение охлажденного газового потока 11 в сопле 120 Лаваля. Как указано на Фиг. 1, в некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает перенос охлажденного газового потока 11 из секции 110 охлаждения к соплу 120 Лаваля. Термин «сопло Лаваля», как его используют в тексте данного описания, относится к соплу, имеющему сужающуюся и расширяющуюся области, где сопло выполнено для ускорения газового потока до дозвуковых или сверхзвуковых скоростей. Как указано на Фиг. 1, сопло 120 Лаваля в некоторых примерах воплощения расположено ниже секции 110 охлаждения по ходу потока. В данном описании термины «сопло Лаваля» и «сопло» используют взаимозаменяемо.

В некоторых примерах воплощения температура охлажденного газового потока 11 на входе 101 в сопло 120 Лаваля примерно на 5 градусов Цельсия ниже температуры насыщения CO₂. В некоторых примерах воплощения давление охлажденного газового потока на входе 101 в сопло 120 Лаваля составляет в диапазоне примерно от 0,4 МПа (4 бар) до 0,8 МПа (8 бар).

В некоторых примерах воплощения способ включает дополнительное охлаждение (как подробно описано далее) охлажденного газового потока 11 в сопле 120 Лаваля, так, чтобы часть CO₂ в охлажденном газовом потоке 11 образовала один из видов CO₂ - твердый или жидкий, или оба эти вида CO₂.

В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для увеличения скорости охлажденного газового потока 11 в сопле. Не вдаваясь в какую-либо теорию, полагают, что путем увеличения скорости охлажденного газового потока 11 в сопле Лаваля можно осуществить снижение статической температуры, что дает возможность образования твердого CO₂ в сопле. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для увеличения скорости охлажденного газового потока 11 в сопле в такой степени, чтобы снизить статическую температуру до получения твердого CO₂. Скорости охлажденного газового потока 11 в сопле 120 могут определяться одной или большим количеством конструкций сопла, температурой газа на входе и содержанием CO₂ в газовом потоке, как это понятно для специалиста.

Типичный образец сопла Лаваля, в соответствии примерами воплощения данного изобретения, проиллюстрирован на Фиг. 6. В примерах воплощения сопло 120 Лаваля, как указано на Фиг. 6, включает сужающийся участок 121, участок 122 горловины и расширяющийся участок 123. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля дополнительно включает вход 101, первое выпускное отверстие 102 и второе выпускное отверстие 103. Как указано на Фиг. 6, охлажденный газовый поток 11 входит в сужающийся участок 121 сопла 120 через вход 101. Сужающийся участок 121 дополнительно определяется диаметром D1 входа 101, как указано на Фиг. 6. Как указано на Фиг. 6, поток охлажденного газового потока 11 направлен к участку 122 горловины сопла 120 таким образом, что диаметр D1 непрерывно уменьшался от входа 101 сужающегося участка 121 до D2. В данном случае термин D2 относится к диаметру первой области 124 участка 122 горловины.

Не вдаваясь в какую-либо теорию, полагают, что уменьшение диаметра сопла от D1 до D2 увеличивает кинетическую энергию охлажденного газового потока 11 таким образом, что происходит соответствующее снижение статической температуры. В некоторых примерах воплощения диаметр D2 выбирают таким образом, чтобы охлажденный газовый поток 11 ускорялся до дозвуковой скорости, что приводит к снижению статической температуры в диапазоне примерно от 20 K до 70 K в зависимости от конструкции сопла. В некоторых примерах воплощения происходит снижение статической температуры в диапазоне примерно от 20 K до 50 K. В некоторых примерах воплощения статическая температура охлажденного газового потока 11 в области 124 падает ниже температуры насыщения для CO₂, что приводит к образованию твердого CO₂ или жидкого CO₂.

Однако в некоторых воплощениях изобретения высвобождение скрытой теплоты плавления в ходе стадии отверждения CO₂ может привести к увеличению температуры газового потока, что может ограничить образование твердого CO₂ или жидкого CO₂. В некоторых примерах воплощения участок 122 горловины может дополнительно включать вторую область 125, так, чтобы диаметр D3 второй области 125 на участке 122 горловины был меньше чем D2, как указано на Фиг. 6. Не вдаваясь в какую-либо теорию, полагают, что путем направления газового потока через вторую область 125, имеющую диаметр D3, который меньше чем D2, дополнительную энергию, образующуюся из-за высвобождения скрытой теплоты плавления, можно превратить в кинетическую энергию.

В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает отделение по меньшей мере части одного из видов CO₂ - твердого CO₂ или жидкого CO₂, или обоих видов CO₂, образованных в сопле 120 Лаваля из охлажденного газового потока 11, с получением обогащенного по CO₂ потока 12. Термин «обогащенный по CO₂ поток», как его используют в тексте данного описания, относится к потоку, включающему один из видов CO₂ - твердый CO₂ или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, и имеющему содержание CO₂ выше, чем содержание CO₂ в газовом потоке 10. Следует отметить, что термин «обогащенный по CO₂ поток» включает воплощения, в которых обогащенный по CO₂ поток может включать один или более газов-носителей. В некоторых воплощениях обогащенный по CO₂ поток состоит по существу из CO₂. Термин «состоит по существу из», как его используют в тексте данного описания, означает, что обогащенный по CO₂ поток включает по меньшей мере около 90% масс. CO₂. В некоторых примерах воплощения обогащенный по CO₂ поток состоит в основном из жидкого CO₂. Термин «в основном состоит из жидкого CO₂», как его используют в тексте данного описания, означает, что количество твердого CO₂ составляет примерно менее 2% масс. В некоторых примерах воплощения обогащенный по CO₂ поток в основном состоит из твердого CO₂. Термин «в основном состоит из твердого CO₂», как его используют в тексте данного описания, означает, что количество жидкого CO₂ составляет примерно менее 2% масс. В некоторых примерах воплощения один из видов CO₂ - твердый CO₂ или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, можно отделить от газового потока в сопле в результате завихрений, создаваемых высокоскоростным потоком внутри сопла 120, что приводит к центробежному разделению.

В некоторых воплощениях способ включает отделение, по меньшей мере, около 90% масс. CO₂ в охлажденном газовом потоке 11, с образованием обогащенного по CO₂ потока 12. В некоторых примерах воплощения способ включает отделение, по меньшей мере, около 95% масс. CO₂ в охлажденном газовом потоке 11, с образованием обогащенного по CO₂ потока 12. В некоторых примерах воплощения способ включает отделение, по меньшей мере, около 99% масс. CO₂ в охлажденном газовом потоке 11, с образованием обогащенного по CO₂ потока 12. В некоторых примерах воплощения способ включает отделение CO₂ в диапазоне примерно от 50% масс. до 90% масс. в охлажденном газовом потоке 11, с получением обогащенного по CO₂ потока 12.

В некоторых других воплощениях обогащенный по CO₂ поток может дополнительно включать один или более газов-носителей для переноса жидкого CO₂ или твердого CO₂ к первому выпускному отверстию 102 посредством центробежной силы. В некоторых других примерах воплощения обогащенный по CO₂ поток может дополнительно включать один или более из следующих газов: азота, кислорода или диоксида углерода. В некоторых примерах воплощения количество CO₂ в обогащенном по CO₂ потоке составляет по меньшей мере около 50% масс. от обогащенного по CO₂ потока. В некоторых примерах воплощения количество CO₂ в обогащенном по CO₂ потоке составляет по меньшей мере около 60% масс. от обогащенного по CO₂ потока. В некоторых примерах воплощения количество CO₂ в обогащенном по CO₂ потоке составляет по меньшей мере около 75% масс. от обогащенного по CO₂ потока.

В некоторых примерах воплощения обогащенный по CO₂ поток выпускают из сопла Лаваля через первое выпускное отверстие 102, как указано на Фиг. 1 и 6. Следует отметить, что положение первого выпускного отверстия 102 может меняться, и Фиг. 1 и 6 иллюстрируют лишь типичные примеры воплощения.

В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает образование обедненного по CO₂ потока 13 в сопле 120 Лаваля, как указано на Фиг. 1. Термин «обедненный по CO₂ поток», как его используют в тексте данного описания, относится к потоку, в котором содержание CO₂ ниже, чем содержание CO₂ в газовом потоке 10. В некоторых примерах воплощения, как указано выше, почти весь CO₂ в охлажденном газовом потоке 11 отделяют в форме жидкого CO₂ или твердого CO₂, в сопле 120. В таких примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 по существу не содержит CO₂. В некоторых других примерах воплощения часть жидкого CO₂ или твердого CO₂ невозможно отделить в сопле 120, и обедненный по CO₂ поток 13 может включать CO₂, который не был отделен.

В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может включать один или более неконденсирующихся компонентов. В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может включать один или более жидких компонентов. В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может включать один или более твердых компонентов. В таких примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может быть дополнительно выполнен так, что он находится в гидравлическом соединении с одним или обоими сепараторами типа жидкость - газ и твердое вещество - газ (не показаны). В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может включать одно или более веществ, выбранных из азота, кислорода или диоксида серы. В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может дополнительно включать диоксид углерода. В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ поток 13 может включать газообразный CO₂, жидкий CO₂, твердый CO₂ или их сочетание.

В конкретных примерах воплощения обедненный по CO₂ поток по существу не содержит CO₂. Термин «по существу не содержит», как его применяют в данном контексте, означает, что количество CO₂ в обедненном по CO₂ потоке 13 составляет меньше примерно 10% масс. от CO₂ в газовом потоке 10. В некоторых примерах воплощения количество CO₂ в обедненном по CO₂ потоке 13 составляет меньше примерно 5% масс. от CO₂ в газовом потоке 10. В некоторых примерах воплощения количество CO₂ в обедненном по CO₂ потоке 13 составляет меньше примерно 1% масс. от CO₂ в газовом потоке 10.

В некоторых примерах воплощения, как проиллюстрировано на Фиг. 6, обедненный по CO₂ поток расширяется в расширяющемся участке 123 сопла 120, где диаметр увеличивается от D3 до D4. Как указано на Фиг. 1 и 6, сопло 120 дополнительно включает второе выпускное отверстие 103. В некоторых примерах воплощения способ включает выпуск обедненного по CO₂ потока из сопла 120 через второе выпускное отверстие 103.

Как отмечено ранее, в некоторых примерах воплощения сопло 120 выполнено для увеличения скорости охлажденного газового потока 11 в сопле до сверхзвуковых скоростей. Термин «сверхзвуковой», как его используют в тексте данного описания, относится к скорости, превышающей 1 Max. В таких примерах воплощения способ включает ускорение охлажденного газового потока 11 в сужающемся участке 121 до сверхзвуковых скоростей. Способ дополнительно включает отделение обогащенного по CO₂ потока 12 и выпуск высокоскоростного обедненного по CO₂ потока 13 в расширяющийся участок 123. В таких примерах воплощения сопло 120 может быть выполнено для работы при сверхзвуковых условиях.

В некоторых других примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для увеличения скорости охлажденного газового потока 11 в сопле до дозвуковых скоростей. Термин «дозвуковой», как его используют в тексте данного описания, относится к скорости менее чем 1 Max. В таких примерах воплощения способ включает ускорение охлажденного газового потока 11 в сужающемся участке 121 до дозвуковых скоростей. Способ дополнительно включает отделение обогащенного по CO₂ потока 12 и выпуск обедненного по CO₂ потока 13 в расширяющийся участок 123. В таких примерах воплощения расширяющийся участок 123 может действовать как диффузор, так что обедненный по CO₂ поток 13 выходит из сопла 120 при более низких скоростях, чем скорость, при которой он выходит из сопла 120. В таких примерах воплощения сопло 120 может быть выполнено для работы в дозвуковых условиях.

Не вдаваясь в какую-либо теорию, полагают, что, по сравнению со сверхзвуковыми условиями, работа сопла при дозвуковых условиях успешно может обеспечивать поток с более низкой скоростью, более низкую эрозию поверхности сопла, снижение нестабильности от ударных волн и уменьшение общей потери давления.

В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает расширение обедненного по CO₂ потока 13 в детандере 140, расположенном ниже сопла 120 Лаваля по ходу потока, чтобы получать охлажденный обедненный по CO₂ поток 15, как указано на Фиг. 1. Термин «детандер», как его используют в тексте данного описания, относится к турбоагрегату с радиальным, осевым или смешанным потоком, посредством которого расширяют газ или газовую смесь с целью производства работы.

В некоторых примерах воплощения обедненный по CO₂ газовый поток 13 перед стадией расширения в детандере 140 можно дополнительно предварительно охладить с использованием клапана 130, с получением предварительно охлажденного обедненного по CO₂ потока 14, как указано на Фиг. 3. В таких примерах воплощения способ может включать перенос предварительно охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 14 в детандер 140. В некоторых примерах воплощения клапан можно использовать для снижения давления обедненного по CO₂ потока 13 перед стадией расширения, так, чтобы температуру на выходе из детандера 140 можно было регулировать для предотвращения отверждения любого остаточного CO₂ в обедненном по CO₂ потоке 13. Подходящий пример клапана 130, в соответствии с некоторыми примерами воплощения данного изобретения, включает клапан Джоуля-Томпсона.

В некоторых примерах воплощения способы и устройства в соответствии с некоторыми примерами воплощения данного изобретения позволяют применять экономичное устройство для расширения, такое как сопло Лаваля, позволяющее получить сниженные капиталовложения и эксплуатационные риски по сравнению с турбодетандерами, которые обычно используют для отверждения и отделения CO₂.

В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 1, способ дополнительно включает циркуляцию по циркуляционному контуру 150 по меньшей мере части охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15 в секцию 110 охлаждения. Как обсуждали ранее, в некоторых примерах воплощения газовый поток 10 первоначально охлаждают в секции 110 охлаждения циркулирующим охлажденным обедненным по CO₂ газовым потоком 15. В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает формирование вторичного обедненного по CO₂ газового потока 16 в секции 110 охлаждения, после стадии теплообмена с газовым потоком 10, как указано на Фиг. 1.

В некоторых примерах воплощения, как отмечено ранее, охлаждение газового потока 10 в секции 110 охлаждения можно сначала осуществить циркулирующим охлажденным обедненным по CO₂ газовым потоком 15. В некоторых примерах воплощения способы по данному изобретению преимущественно обеспечивают экономичные способы отделения CO₂, путем исключения необходимости внешних циклов охлаждения, таким образом обеспечивая более низкое потребление энергии и более простые устройства отделения (меньшее количество компонентов).

В некоторых примерах воплощения способ включает охлаждение охлажденного газового потока 11 в сопле 120 Лаваля, чтобы в основном сформировать твердый CO₂ и отделить твердый CO₂ от охлажденного газового потока 11, с получением обогащенного по твердому CO₂ потока 12. Термин «обогащенный по твердому CO₂ поток», как его используют в тексте данного описания, относится к потоку, включающему по меньшей мере около 90% масс. твердого CO₂. В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает отбор обогащенного твердым CO₂ потока через циклонный сепаратор (не показан). В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает перенос по меньшей мере части обогащенного по твердому CO₂ потока 12 в блок 170 сжижения, как указано на Фиг. 4.

В некоторых примерах воплощения блок 170 сжижения выполнен для приема потока 19 сжатого газообразного CO₂ и потока 12, обогащенного по твердому CO₂. В некоторых примерах воплощения поток 19 сжатого газообразного CO₂ подают в блок 170 сжижения таким образом, чтобы равновесное давление в потоке было выше тройной точки CO₂, а равновесная температура потока была слегка ниже тройной точки CO₂, что приводит к образованию жидкости из смеси газ/твердое вещество. Подходящий пример блока 170 сжижения включает шлюзовой бункер.

В некоторых примерах воплощения способ включает сжижение по меньшей мере части обогащенного по твердому CO₂ потока 12, с получением потока 17 жидкого CO₂ в блоке 170 сжижения. В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает сжатие по меньшей мере части потока 17 жидкого CO₂ в блоке 180 повышения давления, с получением потока 18 жидкого CO₂ под давлением. В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает нагревание по меньшей мере части потока 18 жидкого CO₂ под давлением в блоке 190 нагревания, с получением сжатого газообразного потока 19 CO₂. В некоторых примерах воплощения способ дополнительно включает циркуляцию по меньшей мере части сжатого газообразного потока 19 CO₂ в блок 170 сжижения.

В одном из примеров воплощения, как указано на Фиг. 1-5, обеспечено устройство 100 для отделения диоксида углерода (CO₂) от газового потока 10. Устройство 100 включает секцию 110 охлаждения, выполненную для охлаждения газового потока 10 с получением охлажденного газового потока 11, как указано на Фиг. 1. Устройство 100 дополнительно включает сопло 120 Лаваля в гидравлическом соединении с секцией 110 охлаждения. Термин «гидравлическое соединение», как его используют в тексте данного описания, означает, что компоненты устройства способны принимать текучую среду, или передавать ее от компонента к компоненту. Термин «текучая среда» включает газы, жидкости или их сочетания.

В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для дополнительного охлаждения охлажденного газового потока 11 таким образом, чтобы часть CO₂ в охлажденном газовом потоке 11 образовывала один из видов CO₂ - твердый CO₂ или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, как подробно описано ранее. В некоторых примерах воплощения сопло Лаваля дополнительно выполнено для отделения по меньшей мере части одного из видов CO₂ - твердого CO₂ или жидкого CO₂, или обоих этих видов CO₂, от охлажденного газового потока 11, с получением обогащенного по CO₂ потока 12 и обедненного по CO₂ потока 13, как указано на Фиг. 1.

В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для ускорения охлажденного газового потока 11 до сверхзвуковых скоростей. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для ускорения охлажденного газового потока 11 до дозвуковых скоростей. Термины «сверхзвуковой» и «дозвуковой» определены ранее.

Типичный пример сопла Лаваля, в соответствии с некоторыми примерами воплощения данного изобретения, проиллюстрирован на Фиг. 6. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля, как указано на Фиг. 6, включает сужающийся участок 121, участок 122 горловины и расширяющийся участок 123. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля дополнительно включает вход 101, первое выпускное отверстие 102 и второе выпускное отверстие 103. В некоторых примерах воплощения вход 101 выполнен для приема охлажденного газового потока 11, первое выпускное отверстие 102 выполнено для выпуска обогащенного по CO₂ потока 12 и второе выпускное отверстие 103 выполнено для выпуска обедненного по CO₂ газового потока 13.

В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено по существу для образования твердого CO₂ и отделения твердого CO₂ от охлажденного газового потока 11, с получением обогащенного по твердому CO₂ потока 12. В некоторых примерах воплощения устройство 100 может дополнительно включать циклонный сепаратор (не показан), для отбора и переноса обогащенного по твердому CO₂ потока 12.

В некоторых примерах воплощения, в которых сопло 120 Лаваля в основном формирует твердый CO₂, устройство 100 может дополнительно включать блок 170 сжижения в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля, как указано на Фиг. 4. В некоторых примерах воплощения блок 170 сжижения выполнен для сжижения по меньшей мере части обогащенного по твердому CO₂ потока 12 с образованием потока 17 жидкого CO₂, как указано на Фиг. 4. Устройство 100 может дополнительно включать блок 180 повышения давления и блок 190 нагревания, выполненные для получения, в некоторых примерах воплощения, потока 18 жидкого CO₂ под давлением и сжатого потока 19 газообразного CO₂. В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 4, устройство 100 может дополнительно включать контур 192 циркуляции, выполненный для циркуляции по меньшей мере части сжатого потока 19 газообразного CO₂ в блок 170 сжижения. В некоторых примерах воплощения сопло 120, в соответствии с некоторыми воплощениями данного изобретения, может устранять необходимость в позиметрическом насосе (posimetric pump).

В некоторых примерах воплощения устройство 100 дополнительно включает детандер 140, расположенный ниже сопла 120 Лаваля по ходу потока и находящийся в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля. В некоторых примерах воплощения детандер 140 выполнен для расширения обедненного по CO₂ потока 13 с получением охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15, как указано на Фиг. 1. В некоторых примерах воплощения устройство 100 может дополнительно включать клапан 130, расположенный ниже сопла 120 Лаваля и выше детандера по ходу потока, как указано на Фиг. 3. В некоторых примерах воплощения клапан 130 находится в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля. Подходящие примеры клапана 130, в соответствии с некоторыми примерами воплощения данного изобретения, включают клапан Джоуля-Томпсона.

В некоторых примерах воплощения устройство 100 дополнительно включает контур 150 циркуляции, выполненный для переноса охлажденного обедненного по CO₂ газового потока 15 в секцию 110 охлаждения, для охлаждения газового потока 10, как указано на Фиг. 1.

В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 5, обеспечена установка 300 получения энергии. В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 5, установка 300 получения энергии включает узел 200 газового двигателя, выполненный так, что он генерирует газовый поток 10, содержащий CO₂. В некоторых примерах воплощения узел 200 газового двигателя включает двигатель внутреннего сгорания, например двигатель GE Jenbacher.

На Фиг. 5 проиллюстрирован типичный пример установки 300 получения энергии в соответствии с воплощениями данного изобретения. Как понятно специалисту, установка 300 получения энергии может быть пригодна для использования в крупномасштабном устройстве, например на электростанции для получения электричества, которое распределяют по сети в крупном или небольшом городе, или в установке более мелкого масштаба, например в части автомобильного двигателя или небольшой энергоустановке. То есть установка 300 получения энергии может быть пригодна для ряда применений и/или ее можно масштабировать в некотором диапазоне размеров.

В описанном примере, в соответствии с воплощениями данного изобретения, установка 300 получения энергии включает узел 200 газового двигателя, где узел 200 газового двигателя не включает одного или более турбодетандеров, обычно применяемых для турборасширения. Соответственно, в таких примерах воплощения газовый поток 10, выпускаемый из узла 200 газового двигателя, может не требовать дополнительной стадии сжатия перед подачей его в блок 120 отделения CO₂, так как газовый поток 10, выходящий из узла 200 газового двигателя, может уже находиться в сжатом состоянии.

В некоторых воплощениях, как указано на Фиг. 5, узел 200 газового двигателя включает взаимно соединенные турбокомпрессоры 222 и 224, которые приводятся в действие синхронными двигателями 212 и 214, работающими при такой же скорости, как и компрессоры. Узел газового двигателя может дополнительно включать один или более теплообменников или промежуточных охладителей, 232 и 234, как указано на Фиг. 5. Узел 200 газового двигателя дополнительно включает газовый двигатель 240, выполненный для сжигания топлива в воздухе 21 (не показано), с получением потока 24 отходящих газов. В некоторых воплощениях узел 200 газового двигателя может включать блок 250 рекуперации отработанного тепла, например органический цикл Ранкина, предназначенный для получения дополнительного тепла из потока 24 отходящих газов и получения газового потока 10, который дополнительно обрабатывают на стадии отделения CO₂, как более подробно описано ранее.

В некоторых воплощениях, как указано на Фиг. 5, установка 300 получения энергии дополнительно включает блок 100 отделения CO₂ в гидравлическом соединении с узлом 200 газового двигателя. В некоторых примерах воплощения блок 100 отделения CO₂ находится в гидравлическом соединении с блоком 250 рекуперации отходящего тепла, как указано на Фиг. 5. В некоторых воплощениях блок 100 отделения CO₂ включает секцию 110 охлаждения, выполненную для охлаждения газового потока 10 с получением охлажденного газового потока 11, как указано на Фиг. 5.

Блок 100 отделения CO₂ дополнительно включает сопло 120 Лаваля в гидравлическом соединении с секцией 110 охлаждения. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля выполнено для дополнительного охлаждения охлажденного газового потока 11, так, чтобы часть CO₂ в охлажденном газовом потоке 11 образовывала один из видов CO₂ - твердый CO₂ или жидкий CO₂, или оба эти вида CO₂, как подробно описано выше. В некоторых примерах воплощения сопло 120 Лаваля дополнительно предназначено для отделения по меньшей мере части одного из видов CO₂ - твердого CO₂ или жидкого CO₂, или обоих видов CO₂, от охлажденного газового потока 11, с получением обогащенного по CO₂ потока 12 и обедненного по CO₂ газового потока 13, как указано на Фиг. 5.

В некоторых воплощениях сопло 120 Лаваля выполнено по существу для образования твердого CO₂ и отделения твердого CO₂ от охлажденного потока 11, с получением потока 12, обогащенного по твердому CO₂. В некоторых примерах воплощения устройство 100 может дополнительно включать циклонный сепаратор (не показан) для отбора и переноса обогащенного по твердому CO₂ потока 12. В некоторых примерах воплощения блок отделения CO₂ в соответствии с некоторыми воплощениями данного изобретения может устранить необходимость в позиметрическом насосе.

В некоторых воплощениях блок 100 отделения CO₂ дополнительно включает детандер 140, расположенный по ходу потока ниже сопла 120 Лаваля и в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля. В некоторых примерах воплощения детандер 140 выполнен для расширения обедненного по CO₂ потока 13 с получением охлажденного газового потока 15, обедненного по CO₂, как указано на Фиг. 5. В некоторых воплощениях блок 100 отделения CO₂ может дополнительно включать клапан 130, расположенный по ходу потока ниже сопла 120 Лаваля и выше детандера 140, как указано на Фиг. 5. В некоторых воплощениях клапан 130 может находиться в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля. Подходящий пример клапана 130, в соответствии с некоторыми примерами воплощения данного изобретения, включает клапан Джоуля-Томпсона.

В некоторых воплощениях блок 100 отделения CO₂ дополнительно включает контур 150 циркуляции, выполненный для переноса охлажденного газового потока 15, обедненного по CO₂, в секцию 110 охлаждения, для охлаждения газового потока 10, как указано на Фиг. 5.

В некоторых воплощениях, в которых сопло Лаваля в основном образует твердый CO₂, блок 100 отделения CO₂ может дополнительно включать блок 170 сжижения, выполненный в гидравлическом соединении с соплом 120 Лаваля, как указано на Фиг. 5. В некоторых примерах воплощения блок 170 сжижения выполнен для сжижения по меньшей мере части обогащенного по твердому CO₂ потока 12 с получением потока 17 жидкого CO₂, как указано на Фиг. 5. Устройство 100 может дополнительно включать блок 180 повышения давления и блок 190 нагревания, выполненные для получения, в некоторых примерах воплощения, потока 18 жидкого CO₂ под давлением и сжатого потока 19 газообразного CO₂. В некоторых примерах воплощения, как указано на Фиг. 5, устройство 100 может дополнительно включать контур 192 циркуляции, выполненный для циркуляции по меньшей мере части сжатого потока 19 газообразного CO₂ в блок 170 сжижения.

Это описание использует для раскрытия изобретения примеры, включающие наилучший режим воплощения, а также позволяющие любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и осуществление любых входящих в него способов. Патентоспособный объем данного изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут встретиться специалистам. Предполагают, что такие другие примеры входят в объем формулы изобретения, если они обладают структурными элементами, которые не отличаются от буквально изложенного в формуле изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы, с несущественными отличиями от буквально изложенного в формуле изобретения.