专利名称：捕集和使用在烟气流处理系统中产生的能量的方法和系统的制作方法
捕集和使用在烟气流处理系统中产生的能量的方法和系统相关申请的交叉引用本申请要求2009 年 9 月 24 日提交的题为 “Method and System for Capturing and Utilizing Energy Generated in a Flue Gas Stream Processing System(捕集和使 用在烟气流处理系统中产生的能量的方法和系统)”的美国临时专利申请61/245，436号的 优先权，其全部通过引用结合到本文中来。领域公开的主题涉及从烟气流中除去二氧化碳(CO2)的系统和方法。更具体地讲，所 公开的主题涉及捕集和使用在从烟气流中除去CO2期间产生的能量的系统和方法。背景世界上使用的大部分能量来源于诸如煤炭、石油和天然气的含碳和氢的燃料的燃 烧。除了碳和氢以外，这些燃料含有氧、水分和污染物，诸如灰分、硫(常以硫氧化物形式， 称为“S0X”)、氮化合物(常以氮氧化物形式，称为“NO/)、氯、汞及其他痕量元素。对于在 燃烧期间释放的污染物的破坏作用的认识触发了对自发电站、炼油厂及其他工业过程的排 放实施甚至更严格的限制。对于这类工厂的操作人员存在增加的压力以便污染物排放接近 零。响应获得接近零的污染物排放的需要，研发了许多方法和系统。系统和方法包括 但不限于脱硫系统(称为湿烟气脱硫系统(“WFGD”)和干烟气脱硫系统(“DFGD”))、微粒 过滤器(例如包括袋滤器、微粒收集器等)以及使用一种或多种从烟气中吸收污染物的吸 收剂。吸收剂的实例包括但不限于活性碳、氨、石灰石等。已经表明氨以及胺溶液从烟气流中有效除去CO2以及其他污染物，诸如二氧化硫 (SO2)和氯化氢(HCl)。在一个特定申请中，用氨从烟气流中吸收和去除CO2在低温、例如零 (O)至二十(20)摄氏度(0-20 0C )之间进行。从烟气流中去除污染物需要显著的能量。使用在去除和处理在烟气流处理系统内 的污染物期间产生的能量可降低该系统需要的费用和资源。发明概述根据本文说明的各方面，提供了一种使用在烟气处理系统内产生的能量的方法， 所述方法包括将负载有二氧化碳的溶液提供到在烟气处理系统内的再生系统；使所述负载 有二氧化碳的溶液在所述再生系统中经受压力，由此从所述负载有二氧化碳的溶液除去二 氧化碳且产生高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液；将所述高压二氧化碳流的至少 一部分引入膨胀涡轮机中以降低所述高压二氧化碳流的压力，由此产生能量和低压二氧化 碳流；和使用在所述膨胀涡轮机中产生的能量以产生动力，由此使用在烟气处理系统内产 生的能量。根据本文说明的其他方面，提供了一种使用在处理从烟气流中除去的二氧化碳期 间产生的能量的系统，所述系统包括经构造以接受含二氧化碳的烟气流的吸收系统，其中 所述含二氧化碳的烟气流接触在所述吸收系统中的二氧化碳去除溶液以形成二氧化碳含 量降低的烟气流和负载有二氧化碳的溶液；经构造以接受所述负载有二氧化碳的溶液的再生系统，其中所述再生系统产生高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液；经构造以接 受所述高压二氧化碳流的至少一部分的膨胀涡轮机，从而降低所述高压二氧化碳流的压力 以产生低压二氧化碳流和能量；和与所述膨胀涡轮机连通的发生器，所述发生器使用来自 所述膨胀涡轮机的能量以产生电力。根据本文说明的其他方面，提供了一种使在从烟气流中除去二氧化碳期间产生的 能量再循环的方法，所述方法包括将含二氧化碳的烟气流提供到吸收系统；使所述含二 氧化碳的烟气流与二氧化碳去除溶液接触，由此从所述烟气流中除去二氧化碳并形成二氧 化碳含量降低的烟气流和负载有二氧化碳的溶液；使所述负载有二氧化碳的溶液经受在 1723. 7千帕至3447. 4千帕范围内的压力，由此形成高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低 的溶液，其中所述高压二氧化碳流具有在1723. 7千帕至3447. 4千帕范围内的压力；降低所 述高压二氧化碳流的压力以形成低压二氧化碳流和能量，所述低压二氧化碳流具有在68. 9 千帕至689. 5千帕范围内的压力；和使用所述能量来为所述吸收系统提供电力，由此使在 从烟气流中除去二氧化碳期间产生的能量再循环。以上描述的特征及其他特征由以附图及其详述示例。附图简述现参看附图，其为示例性的实施方案，且其中相同元素用相同数字编号。
图1为用以从烟气流中除去污染物的烟气流处理系统的示意图。图2为在图1中所示的系统中使用的吸收系统的一个实施方案的示意图。发明详述如图1所示的一个实施方案包括用于从烟气流120中除去污染物的系统100。烟 气流120通过在炉子122中燃烧燃料产生。烟气流120可能包括许多污染物，包括但不限 于硫氧化物(S0X)、氮氧化物(N0X)以及汞(Hg)、盐酸(HC1)、微粒物质、0)2等。虽然未在图 1中示出，但是可对烟气流120进行处理以从其中除去污染物，诸如，通过烟气脱硫工艺和 微粒收集器处理，这可从烟气中除去sox和微粒。仍然参看图1，也可通过使烟气流120通过吸收系统130对烟气流120进行处理 以从其中除去C02。虽然未在图1中示出，但是预期，在进入吸收系统130之前，烟气流120 可行进通过冷却系统。所述冷却系统可将烟气流120冷却到低于周围温度的温度。如图2中所示，吸收系统130经构造以接受含C02的烟气流120 (经入口或开口) 以促进从烟气流中吸收C02。从烟气流120中吸收C02通过使烟气流与供应到吸收系统130 的C02去除溶液140接触而发生。在一个实施方案中，C02去除溶液140为包含溶解于水溶 液中的氨和C02物质且也可包含碳酸氢铵的沉淀固体的氨化溶液或浆液140。在另一实施 方案中，C02去除溶液140为胺溶液。在一个实施方案中，吸收系统130包括第一吸收器132和第二吸收器134。吸收系 统130在这方面不受限制且，在其他实施方案中，可包括比在图2中说明的吸收器更多或更 少的吸收器。如图2中更详细地表示，将0)2去除溶液140引入吸收系统130中。在一个实施方 案中，C02去除溶液140在与在吸收系统130中在方向B上流动的烟气流120逆流的方向A 上引入在第一吸收器132中的吸收系统中。随着0)2去除溶液140接触烟气流120，该烟气 流中存在的C02被从其中吸收并除去，由此形成离开吸收系统130的负载有二氧化碳的溶液142和二氧化碳含量降低的烟气流150。所得负载有二氧化碳的溶液142的至少一部分 从吸收系统130运输到在该吸收系统下游的再生系统136 (图1)。在再生系统136中，可使 负载有二氧化碳的溶液142再生以形成引入吸收系统130的C02去除溶液140。虽然在所说明的实施方案中将C02去除溶液140表示为引入第一吸收器132中， 但系统100在这方面不受限制，因为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两者中。在一个实施方案中，吸收系统130在低温下，尤其在低于约二十摄氏度(20°C )的 温度下操作。在一个实施方案中，吸收系统130在约零摄氏度至约二十摄氏度(0°C-20°C) 的温度范围下操作。在另一实施方案中，吸收系统130在约零摄氏度至约十摄氏度 (0°C -10°C )的温度范围下操作。然而，该系统在这方面不受限制，因为预期该吸收系统可 在任何温度下操作。仍参看图2，在排放到环境中之前，二氧化碳含量降低的烟气流150可经受另外的 污染物去除方法和系统。将负载有二氧化碳的溶液142提供到再生系统136中。回头参看图1，再生系统136可为经构造以接受负载有二氧化碳的溶液142且促进 从该负载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和高压二氧化 碳流138的任何再生系统。如图1中所示，再生系统136包括将负载有二氧化碳的溶液142引入再生系统的 入口 139。虽然图1说明入口 139位于在再生系统136上的特定位置，但是预期入口 139可 位于在再生系统上的任何位置。在一个实施方案中，再生系统136使用蒸汽(未示出)以促进从负载有二氧化碳 的溶液142中除去C02。在另一实施方案中，该再生系统在约1723. 7千帕(约250磅/平 方英寸[表压](psig))至约3447. 4千帕(约500磅/平方英寸[表压](psig))范围的 压力下操作以从负载有二氧化碳的溶液142中除去C02。在另一实施方案中，再生系统136 可使用蒸汽和压力的组合以从负载有二氧化碳的溶液142中除去C02。如图1中所示，在再生系统136中产生的二氧化碳含量降低的溶液137可提供到 吸收系统130中以与C02去除溶液140 —起使用。虽然在所说明的实施方案中未示出，但是 二氧化碳含量降低的溶液137可与新鲜C02去除溶液140或从吸收系统130再循环的C02 去除溶液组合。或者，且虽然在所说明的实施方案中未示出，但是二氧化碳含量降低的溶液 137可在不与新鲜C02去除溶液140或从吸收系统再循环的C02去除溶液组合的情况下直 接提供到吸收系统130中。在一个实施方案中，负载有二氧化碳的溶液142在再生系统136中经受压力。在 约1723. 7千帕(约250磅/平方英寸[表压](psig))至约3447. 4千帕(约500磅/平 方英寸[表压](psig))范围的压力下操作再生系统136产生高压二氧化碳流138。高压二氧化碳流138具有在约1723. 7千帕(约250磅/平方英寸[表压](psig)) 至约3447. 4千帕(约500磅/平方英寸[表压](psig))范围内的压力。在一个实施方 案中，高压二氧化碳流138的压力在约2068. 4千帕(约300psig)至约3447. 4千帕(约 500psig)范围内。在另一实施方案中，高压二氧化碳流138的压力在约2068. 4千帕(约 300psig)至约3102. 6千帕(450psig)范围内。在另一实施方案中，高压二氧化碳流138的 压力为约2068. 4千帕(约300psig)。
如图1中所示，将高压二氧化碳流138提供到换热器138a中且随后提供到膨胀涡 轮机160中。在一个实施方案中，在行进通过换热器138a之后，可将高压二氧化碳流138 的至少一部分提供到脱水单元170，同时将高压二氧化碳流138的单独部分提供到膨胀涡 轮机160。在使所述高压二氧化碳流的那部分重复循环回到再生系统136之前，脱水单元 170从高压二氧化碳流138中除去多余水分。根据所述系统和应用，重复循环到再生系统 136的高压二氧化碳流138的水分含量将在约100体积百万分率(ppmv)至600ppmv范围 内。虽然未示出，但是预期可将所有高压二氧化碳流138从再生系统136提供到膨胀 涡轮机160。膨胀涡轮机160经构造以接受高压二氧化碳流138的至少一部分(通过入口或开 口)以降低该高压二氧化碳流的压力且产生低压二氧化碳流162和能量164。在一个实施方案中，高压二氧化碳流138的压力降低至少百分之五十(50%)以形 成低压二氧化碳流162。在另一实施方案中，高压二氧化碳流138的压力降低至少百分之 七十五(75% )以形成低压二氧化碳流162。具体地讲，在一个实施方案中，低压二氧化碳流162的压力在约68. 9千帕(约 lOpsig)至约1066. 6千帕(约140psig)范围内。在另一实施方案中，低压二氧化碳流162 的压力在约68. 9千帕(约lOpsig)至约689. 5千帕(约lOOpsig)范围内。在另一实施方 案中，低压二氧化碳流162的压力在约68. 9千帕(约lOpsig)至约620. 5千帕(约90psig) 范围内。在另一实施方案中，低压二氧化碳流162的压力在约137. 9千帕(约20psig)至约 206.8千帕(30psig)范围内。在又一实施方案中，低压二氧化碳流162的压力为约137.9 千帕(约20psig)。如图1中所示，将低压二氧化碳流162送到冷却器165中，之后将低压二氧化碳流 162a提供到储存容器166中。低压二氧化碳流162可在冷却器165中液化并冷却到约10 摄氏度至80摄氏度的温度。由在膨胀涡轮机160中的压力膨胀引起的低压二氧化碳流162 的温度降低降低了冷却器165所需要的能量以将低压二氧化碳流的温度降到液化点。在一个实施方案中，低压二氧化碳流162a仅短暂储存在储存容器166中，之后将 其运输到另一位置以便使用或进一步处理。在膨胀涡轮机160中降低高压二氧化碳流138的压力以产生低压二氧化碳流162 也产生了能量164。在一个实施方案中，能量164以使膨胀涡轮机160的轴旋转的功形式， 其又用以驱动设备部件，诸如发生器167。应当理解，高压二氧化碳流138在膨胀涡轮机160 中进行等熵膨胀且作为具有低温的低压二氧化碳流162离开。如图1中所示，能量164由发生器167使用以产生动力168。发生器167可为促进 由膨胀涡轮机160提供的能量164转变以产生动力168的任何类型的发生器。在一个实施方案中，发生器167为用以产生作为动力168的电力的发电机。在另一实施方案中，膨胀涡轮机160可连接到单独的设备部件(未示出)，诸如泵、 压缩机、冷冻压缩机、风扇、鼓风机等。能量164可用来为连接到膨胀涡轮机160的设备提 供动力，即，该能量可为连接到膨胀涡轮机的设备的原动力。由发生器167产生的动力168可在系统100内使用。例如，动力168可提供到发电站122且由发电站122使用。在另一实例中，动力168可提供到在系统100内的各种装 置中且可由这些装置使用，所述装置包括但不限于在吸收系统130内的泵、与再生系统136 连通的泵、在系统100内使用的冷却器和冷凝器、在系统100内使用的风扇、结合湿烟气脱 硫系统使用的在系统100内使用的循环泵和球磨机。或者，或除了提供动力168到在系统 100内的装置以外，以电力形式的动力168可提供到消费电网180或在系统100外的另一装 置或系统。使用在系统100内的动力168减轻、降低或消除从系统外的来源获得动力的需要。 通过减轻、降低或消除从外部来源获得动力的需要，系统100可比从外部来源获得动力的 系统更有效和/或成本更有效。当将动力168送到系统100外时，效率和成本降低也可由 诸如消费电网180的系统和装置体验。术语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是用以区别一 种要素与另外的要素。术语“一个/种”在本文中不表示数量的限制，而是表示存在所提及 项目中的至少一个/种。虽然已参考许多例示性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解的 是在不偏离本发明的范围的情况下可进行多种改变且可用等效物替代其要素。另外，可在 不脱离本发明的必要范围的情况下进行许多修改以适应本发明的教导的特定情形或材料。 因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明所预期的最佳模式公开的特定实施方 案，而是本发明将包括属于附加权利要求书范围内的所有实施方案。
权利要求
1.使用在烟气处理系统内产生的能量的方法，所述方法包括 将负载有二氧化碳的溶液提供到在烟气处理系统内的再生系统； 使所述负载有二氧化碳的溶液在所述再生系统中经受压力，由此从所述负载有二氧化碳的溶液除去二氧化碳且产生高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液； 将所述高压二氧化碳流的至少一部分引入膨胀涡轮机中以降低所述高压二氧化碳流的压力，由此产生能量和低压二氧化碳流；和 使用在所述膨胀涡轮机中产生的能量以产生动力，由此使用在烟气处理系统内产生的倉tfi。
2.权利要求I的方法，其中所述负载有二氧化碳的溶液经受具有1723.7千帕至3447. 4千帕范围的压力。
3.权利要求I的方法，其中所述低压二氧化碳流的压力在68.9千帕至1066. 6千帕的范围。
4.权利要求I的方法，其中所述低压二氧化碳流的压力在137.9千帕至206. 8千帕范围内。
5.权利要求I的方法，其中所述动力为电力。
6.权利要求I的方法,其还包括 将所述低压二氧化碳流提供到冷却器。
7.权利要求I的方法，其还包括 将所述低压二氧化碳流提供到储存容器。
8.权利要求I的方法，其中所述高压二氧化碳流的压力在1723.7千帕至3447. 4千帕范围内。
9.权利要求I的方法,其还包括 将所述动力提供到吸收系统，其中所述吸收系统在所述再生系统的上游且所述吸收系统从烟气流中除去二氧化碳。
10.权利要求I的方法，其还包括 将所述动力提供到消费电网。
11.使用在处理从烟气流中除去的二氧化碳期间产生的能量的系统，所述系统包括 经构造以接受含二氧化碳的烟气流的吸收系统，其中所述含二氧化碳的烟气流接触在所述吸收系统中的二氧化碳去除溶液以形成二氧化碳含量降低的烟气流和负载有二氧化碳的溶液； 经构造以接受所述负载有二氧化碳的溶液的再生系统，其中所述再生系统产生高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液； 经构造以接受所述高压二氧化碳流的至少一部分的膨胀涡轮机，从而降低所述高压二氧化碳流的压力以产生低压二氧化碳流和能量；和 与所述膨胀涡轮机连通的发生器，所述发生器使用来自所述膨胀涡轮机的能量以产生电力。
12.权利要求11的系统，其中所述再生系统在具有1723.7千帕至3447. 4千帕范围的压力下操作。
13.权利要求11的系统，其中所述高压二氧化碳流具有在1723.7千帕至3447. 4千帕范围内的压力。
14.权利要求11的系统，其中所述低压二氧化碳流具有在约68.9千帕至1066. 6千帕 范围内的压力。
15.权利要求11的系统，其还包括与所述膨胀涡轮机连通的冷却器，其中所述冷却器经构造以从所述膨胀涡轮机接受所述低压二氧化碳流且将所述低压二氧化碳流的温度降低到在10摄氏度至80摄氏度范围内的温度。
16.权利要求11的系统，其还包括与所述膨胀涡轮机连通的储存容器，所述储存容器适合储存所述低压二氧化碳流。
17.权利要求11的系统，其中所述二氧化碳去除溶液包括氨。
18.权利要求17的系统，其中所述吸收系统在0摄氏度至20摄氏度的温度下操作。
19.权利要求11的系统，其中所述二氧化碳去除溶液为胺溶液。
20.权利要求11的系统，其还包括将所述二氧化碳含量降低的溶液提供到所述吸收系统。 使在从烟气流中除去二氧化碳期间产生的能量再循环的方法，所述方法包括 将含二氧化碳的烟气流提供到吸收系统； 使所述含二氧化碳的烟气流与二氧化碳去除溶液接触，由此从所述烟气流中除去二氧化碳并形成二氧化碳含量降低的烟气流和负载有二氧化碳的溶液； 使所述负载有二氧化碳的溶液经受在1723. 7千帕至3447. 4千帕范围内的压力，由此形成高压二氧化碳流和二氧化碳含量降低的溶液，其中所述高压二氧化碳流具有在1723. 7千帕至3447. 4千帕范围内的压力； 降低所述高压二氧化碳流的压力以形成低压二氧化碳流和能量，所述低压二氧化碳流具有在68. 9千帕至689. 5千帕范围内的压力；和 使用所述能量来为所述吸收系统提供电力，由此使在从烟气流中除去二氧化碳期间产生的能量再循环。
全文摘要
本发明涉及使用在烟气处理系统(100)内产生的能量的系统和方法。所述方法包括使负载有二氧化碳的溶液(142)在再生系统(136)中经受压力，由此从所述负载有二氧化碳的溶液(142)中除去二氧化碳并产生高压二氧化碳流(138)。所述高压二氧化碳流(138)的至少一部分引入膨胀涡轮机(160)中，由此产生能量(164)。所述能量(164)用以产生动力(168)。
文档编号F23J15/04GK102665858SQ201080044117
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月24日
发明者D·J·穆拉斯金, F·Z·科扎克, S·H·格莱茨, T·S·雷恩斯, 桑杰伊·K·杜布 申请人:阿尔斯通技术有限公司