专利名称：用于二氧化碳去除的系统和方法
技术领域：
本文描述的主题总体上涉及燃烧化石燃料的发电设备，且更具体地涉及一种用于经由磁制冷来从相关的废气流去除二氧化碳的系统和方法。
背景技术：
已知的燃烧化石燃料的发电设备通过空气来燃烧化石燃料并产生包含二氧化碳(CO2)的废气。这些已知的设备中的许多设备使用已知方法来去除CO2的至少一部分。一些已知的方法用于促进燃烧前捕获，包括燃料气化系统中的变换。这些已知的燃烧前方法将燃料源限制于气化系统，需要大量资本投资，并且提高了操作成本。其它已知的方法包括氧燃料燃烧，其中使用富氧气体而不是压缩空气用于燃烧，从而产生由于CO2的高浓度而促进CO2去除的富CO2废气，其中使常规收集更容易。这些已知的氧燃料燃烧方法也需要大量资本投资，并引起提高的操作成本，包括增加的辅助功耗。此外，其它已知的方法包括典型·地使用至少一种从废气分离CO2的方法的燃烧后捕获法。一些此类已知的燃烧后CO2分离和去除法包括化学溶剂洗涤、物理溶剂洗涤、吸附和隔膜，其中此类方法中的每一种方法都需要使废气与促进从废气分离CO2的物质接触。这些已知的燃烧后方法也需要大量资本投资，并引起提高的操作成本，包括增加的辅助功耗。另一种已知的燃烧后CO2分离和去除法是结合废气的至少一些常规上游冷却的低温CO2捕获。这些已知的低温CO2捕获方法中的至少一些包括布雷登循环的使用，即废气的压缩，随之后续的膨胀。然而，在废气冷却到大致环境温度的情况下使用已知的低温CO2捕获法需要废气压缩装置使用大量辅助功率。此外，废气在压缩后的后续加热需要使用大量基于制冷剂的冷却能量来降低废气的温度，以充分促进CO2在废气膨胀前的冷凝和去除。此夕卜，从废气流去除的CO2的比例是废气温度的函数。例如，随着废气温度降低，去除的CO2的比例增大，并且用以实现该结果的能量成本提高。因此，这种用于低温CO2捕获的已知配置使得相关的性能系数(COP)、即从废气去除的热量与用于去除该热量的能量的比例的值比较低。用以从废气去除热量的较高的能量使用和用于压缩废气的能量一起而显著影响操作相关设备的成本。
发明内容
在一方面，提供了一种二氧化碳(CO2)去除系统。该CO2去除系统包括外部传热装置。该CO2去除系统还包括与外部传热装置流连通地联接的磁热传热装置。该CO2去除系统还包括与磁热传热装置流连通地联接的低温CO2捕获系统。在另一方面，一种燃烧设备包括至少一个燃烧装置。该设备还包括二氧化碳(CO2)去除系统。该CO2去除系统包括外部传热装置。该CO2去除系统还包括与外部传热装置流连通地联接的至少一个磁热传热装置。该CO2去除系统还包括与磁热传热装置流连通地联接的至少一个低温CO2捕获系统。在又另一方面，提供了一种从流体流去除二氧化碳(CO2)的方法。该方法包括将流体流引导到磁热传热装置。该方法还包括经由磁热传热装置从流体流散热。该方法还包括将流体流引导到低温CO2捕获系统。
当参考附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中相似的附图标记表示相似的零件，其中
图I是示范性燃气涡轮发电设备的示意 图2是可以与图I中所示的燃气涡轮发电设备联用的示范性低温二氧化碳(CO2)去除系统的不意图；以及
图3是示出了可以用于组装图2中所示的低温CO2去除系统的示范性方法的流程图。除非以其它方式指出，否则本文提供的附图旨在图示本发明的关键发明特征。认 为这些关键发明特征可适用于包括本发明的一个或更多实施例的各种各样的系统中。因此，附图并非旨在包括为了实施本发明所需的本领域的普通技术人员已知的所有常规特征。部件列表
100燃气涡轮发电设备 102燃气涡轮发动机组件 104燃料源 106 空气源 108燃料管道 110空气管道
112低温二氧化碳(CO2)去除系统
114热废气排气管
116排气烟囱
118冷废气排气管
120烟囱气室
122热废气流
124冷废气流
130外部冷却式热交换器
132冷却水源
134冷却水管道
136冷凝物排出管道
138第一冷却的废气流
140磁热传热装置
142制冷剂热交换器
144外部磁制冷装置
146制冷剂管道
148冷凝物排出管道
150第二冷却的废气流160低温CO2捕获系统 162压缩机 164中间冷却器 166膨胀器 168旋风分离器
170固态CO2 172冷富氮流 200方法
202将外部传热装置与CO2源流连通地联接
204将磁热传热装置与外部传热装置流连通地联接 206将低温CO2捕获系统与磁热传热装置流连通地联接。
具体实施例方式在下文的说明书和权利要求书中，将提及多个术语，应该将这些术语定义为具有以下含义。单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指代对象，除非在上下文中清楚地另外指出。“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可能发生，也可能不发生，并且该描述包括发生该事件的例子和不发生该事件的例子。如文中贯穿说明书和权利要求书所用的近似语可以适用于修饰准许改变而不会引起它所涉及的基本功能的变化的任何量化表示。因此，由一个或多个术语如“约”和“大致”修饰的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些例子中，近似语可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里并且贯穿说明书和权利要求书，范围限制可以结合和/或互换，此类范围经过认定并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。文中所述的示范性系统和方法通过在低温CO2去除系统上游提供附加的有效散热装置来克服已知的二氧化碳(CO2)去除系统的缺点。更具体而言，一种高能效的磁热传热装置用于在将热流体引导到低温0)2去除系统前冷却热流体，该低温CO2去除系统利用布雷登循环来从流体冷冻和去除C02。此类磁热传热装置促进了减小布雷登循环的压缩部分的尺寸和能耗需求，使得CO2去除系统的总体性能系数(COP)与已知的CO2去除系统相比提高。低温CO2捕获系统随在先磁热传热而变化的相关效率提高与不具有这种传热相比有利于减少系统的能耗。此外，低温CO2捕获系统的压缩部分的这种能耗减少足以多过用于操作磁热传热装置的附加能源。因此，CO2去除系统的总体操作在能耗方面更有效，并且降低了相关的操作成本。图I是使用至少一个燃烧过程来释放转化为电力的热能的示范性发电设备100的示意图。在该示范性实施例中，设备100是使用低温二氧化碳去除系统的燃烧化石燃料的发电设备，且更具体而言，文中称为燃气涡轮设备100的示范性燃气涡轮发电设备100。备选地，如文中所述的方法和设备可以与呈任何合适的构造的任何常规发电设备联用，包括但不限于燃煤发电装置锅炉、燃油发电装置锅炉和/或燃烧生物燃料的锅炉。此外，备选地，如文中所述的方法和设备可与呈任何合适的构造的任何常规功率发生装置联用，包括但不限于往复式发动机如柴油发动机、汽油发动机、以及燃烧生物燃料和它们的派生物的发动机。应理解，燃气涡轮设备100可以包含许多所示元件之外的元件。此外，在一些实施例中，燃气涡轮设备100可以是包括但不限于整体气化联合循环(IGCC)发电装置的更大型的设备的一部分。在示范性实施例中，燃气涡轮设备100包括燃气涡轮发动机组件102。燃气涡轮发动机组件102与至少一个燃料源104和至少一个空气源106流连通地联接。燃料源104经由燃料管道108与燃气涡轮发动机组件102流连通地联接。空气源106经由空气管道110与燃气涡轮发动机组件102流连通地联接。燃气涡轮设备100还包括经由热废气排气管114与燃气涡轮发动机组件102流连通地联接的低温二氧化碳(CO2)去除系统112。燃气涡轮设备100还包括经由冷废气排气管118和烟囱气室(stack plenum) 120与低温二氧化碳去除系统112流连通地联接的排气烟囱116。在操作中，燃气涡轮组件102将空气和燃料(均未示出)混合，产生热燃烧气体(未示出)，并且将燃烧气体内的热能转化为旋转能，该旋转能随后转化为电能以便传输到燃气涡轮设备100和/或电网(未示出)内的至少一个辅助负载(未示出)。热燃烧气体·冷却而形成流体流，即，包括第一浓度的CO2的热废气流122。热废气流122被引导到低温CO2去除系统112，其中大部分CO2从废气被去除并且冷废气流124被引导到带有大大小于第一浓度的CO2的第二浓度的CO2的排气烟囱116。冷废气流124还包括氮气(N2)、氧气
(O2)和氩气(Ar) ο图2是可以与燃气涡轮设备100 (在图I中示出)联用的低温CO2去除系统112的示意图。在该示范性实施例中，低温CO2去除系统112从包括但不限于燃气涡轮发动机组件102 (在图I中示出)以及燃煤和燃油发电装置锅炉的任何常规燃烧化石燃料的功率发生装置接收热废气流122。对于这些燃烧诸如煤之类的材料的功率发生装置，在将热废气流122引导到低温CO2去除系统112前，采用标准颗粒材料去除法来充分洗涤此类气体。在该示例性实施例中，低温CO2去除系统112包括外部传热装置，例如外部冷却式热交换器130。热交换器130是经由冷却水管道134与冷却水源132流连通地联接的壳管式热交换器。冷却水管道134包括引导冷却水通过热交换器130的多个水管(未示出)。热交换器130包括构造成引导来自被引导通过热交换器130的热废气的冷凝水蒸气的冷凝物排出管道136。热废气流122将大部分热量传递到冷却水使得第一冷却的废气流138从热交换器130被引导。第一冷却的废气流138具有基本上等于低温CO2去除系统112附近的环境温度的温度。例如但不限于，在北美和欧洲，环境温度条件可以在从大约35摄氏度(°C)(大约95华氏度(T))至大约-4°C (25 T )的范围内，且更典型的温度范围介于大约 20°C (68 0F )和大约 0°C (32 0F )之间。此外，在示范性实施例中，低温CO2去除系统112包括与外部冷却式热交换器130流连通地联接的磁热传热装置140。磁热传热装置140包括制冷剂热交换器142，该制冷剂热交换器142是经由制冷剂管道146与外部磁制冷装置144流连通地联接的壳管式热交换器。制冷剂管道146包括引导制冷剂通过制冷剂热交换器142的多个制冷剂管(未示出)。制冷剂热交换器142包括构造成引导来自被引导通过制冷剂热交换器142的冷却的废气的冷凝水蒸气的冷凝物排出管道148。外部磁制冷装置144利用磁热效应来从第一冷却的废气流138散热。如文中所用，磁热效应是指伴有磁热材料的磁性相变的熵变，其中通过利用磁热材料的这种熵变引起的温度变化来促进磁热材料的冷却。在示范性实施例中，所使用的磁热材料是钆(Gd)合金。备选地，制冷装置144可以使用使装置144能够如文中所述操作的任何磁热工作材料，包括但不限于镧(La)合金和铁磁(FeMn)合金。磁制冷装置144的一些备选实施例可以包括具有与不同级中的每一级相关的不同磁热材料和/或不同组分的多级磁性蓄热器。例如但不限于，在磁制冷装置144内使用Gd5(Si2Ge2)，其中这种磁热材料的温度在它进入磁场时升高且在它离开磁场时降低。更具体而言，Gd5(Si2Ge2)在两种状态之间交替。第一状态是低磁熵状态，具有通过在磁热材料的居里温度、即磁性材料在加热后变成顺磁性的温度附近向磁热材料施加磁场来产生的高度磁定向。第二状态是高磁熵状态，具有通过从磁热材料去除磁场而产生的低度磁定向，即基本上随机的定向。一旦磁场被去除，磁热材料便将在第一状态下生成的热量传递到周围环境，以获得比材料在暴露于磁场前所具有的温度低的温度。高磁熵状态与低磁熵状态之间的这种过渡分别表现为低组态熵与高组态熵之间的过渡，从而分别引起磁热材料分别在暴露于磁化和退磁时的升温和降温。因此，磁热材料·的交替的磁化和退磁的过程是一种基本可逆的绝热过程，并且基本上是等熵的。此外，连续暴露于磁场以及随后从磁场移除促进了磁热材料的连续冷却。在示范性实施例中，外部磁制冷装置144包括彼此以预定距离定向和分离的多个固定永磁体(未示出)。备选地，外部磁制冷装置144包括与固定永磁体结合或者代替固定永磁体的至少一个电磁体(未示出)。这种电磁体可以包括超导磁体,其中此类超导磁体包括高磁场强度。这种高磁场强度可以促进制冷装置144的冷却功率密度的提高，从而提高装置144的冷却效率。经由使用超导电磁体来提高制冷装置144的操作效率也可以促进降低发电设备100的整体功耗，从而促进与操作设备100相关的经济效益的提高。外部磁制冷装置144还包括使Gd5(Si2Ge2)移动进出由永磁体生成的磁场的运输机构。制冷剂经由制冷剂管道146被引导到冷却的Gd5(Si2Ge2)附近，使得制冷剂中的热量传递到Gd5 (Si2Ge2)，从而升高Gd5 (Si2Ge2)的温度并降低制冷剂的温度。冷却的制冷剂被引导通过制冷剂热交换器142，以从第一冷却的废气流138传热，使得第二冷却的废气流150的温度介于大约_50°C (-58 0F )与大约-60°C (-76 0F )之间。此外，在示范性实施例中，低温CO2去除系统112包括与磁热传热装置140流连通地联接的低温CO2捕获系统160。低温CO2捕获系统160包括与制冷剂热交换器142流连通地联接的压缩机162，以接收第二冷却的废气流150。压缩机162对第二冷却的废气流150进行加压和加热。低温CO2捕获系统160还包括与压缩机162流连通地联接的中间冷却器164，其中由于压缩而传递到第二冷却的废气流150的热量被去除。低温CO2捕获系统160还包括与中间冷却器164流连通地联接的膨胀器166，其中第二冷却的废气流150的温度降低到大约-100°C (-148 T )。在一些实施例中，膨胀器166是可以用于生成有用功和/或电力的涡轮机。第二冷却的废气流150中的CO2去升华，即从气相直接过渡到固相，跳过了液相。低温CO2捕获系统160还包括与膨胀器166流连通地联接的旋风分离器168。旋风分离器168分离固态CO2 170以进行处置和/或隔离，并保留废气流150的成分，即，包括O2和Ar的冷富N2流172。冷富N2流172被引导到中间冷却器164，以促进热量从压缩后的第二冷却的废气流150传递到流172，从而生成冷废气流125。
在示范性实施例中，低温CO2捕获系统160使用布雷登循环并具有在大约2与3之间的范围内的独立C0P。从第一冷却的废气流138传热所需的功的量是对低温CO2捕获的总体经济性的极大限制。然而，磁热传热装置140促进了从第一冷却的废气流138传热使得第二冷却的废气流150的温度介于大约_50°C (-58 0F )与大约-60°C (-76 0F )之间。因此，可以减小压缩机162的尺寸和能耗需求，使得低温CO2捕获系统160的总体COP上升到大约5至6的范围。具有磁热传热装置140的低温CO2捕获系统160的效率的提高与不具有装置140相比有利于减少系统160的能耗。低温CO2捕获系统160的这种能耗减少足以多过用于操作磁热传热装置140的附加能源。因此，低温CO2去除系统112和燃气涡轮设备100的总体操作在能耗方面更有效，并且设备100的操作成本降低。低温CO2去除系统112的一些备选实施例可以包括串联的多组磁热传热装置140和低温CO2捕获系统160。此外，低温CO2去除系统112的一些备选实施例可以在低温CO2捕获系统160前包括串联的多个磁热传热装置140。此外，低温CO2去除系统112的一些备选实施例可以在磁热传热装置140后包括串联的多个低温CO2捕获系统160。此外，低温CO2去除系统112的一些备选实施例可以包括磁热传热装置140和CO2去除系统112的任何组
八
口 ο在0)2去除系统112的操作中，基本上被洗涤燃烧颗粒副产品的热废气流122被引导到外部冷却式热交换器130。热废气流122中的至少一部分水蒸气在热废气冷却到大致环境温度时作为热废气被去除，从而形成第一冷却的废气流138。第一冷却的废气流138被引导到磁热传热装置140。流138可以具有在从大约35°C (大约95°F)到大约_4°C (25 0F )的范围内的温度条件，且更典型的温度范围介于大约20°C (68 0F )与大约0°C (32 0F )之间。第一冷却的废气流138中至少一部分剩下的水蒸汽在废气冷却到大约-50°C (-58 T )和大约-60°C (-76 T )时被去除，从而形成第二冷却的废气流150。此外，在CO2去除系统112的操作中，第二冷却的废气流150被引导到低温CO2捕获系统160，即压缩机162，其中对流150进行加压和加热。第二冷却的废气流150进一步被引导到中间冷却器164，其中去除了由于压缩而传递到第二冷却的废气流150的热量。第二冷却的废气流150被进一步引导到膨胀器166，其中流150的温度降低到大约-100°C (-148 0F )。第二冷却的废气流150中的CO2过渡到固相使得旋风分离器168分离固态CO2 170以进行处置和/或隔离。冷富N2流172被引导到中间冷却器164，以促进热量从压缩后的第二冷却的废气流150传递到流172，从而生成冷废气流125。图3是示出了可以用于组装低温CO2去除系统112 (在图2中示出)的示范性方法200的流程图。在示范性实施例中，外部冷却式热交换器130(在图2中示出)与CO2源例如燃气涡轮发动机组件102 (在图I中示出)流连通地联接202。此外，磁热传热装置140(在图2中示出)与外部冷却式热交换器130流连通地联接204。此外，低温CO2捕获系统160 (在图2中示出)与磁热换热装置140流连通地联接206。上述用于二氧化碳(CO2)去除系统的磁热换热装置提供了一种用于提高此类CO2去除系统的效率的成本划算的方法。具体而言，文中所述的装置、系统和方法在低温CO2去除系统上游提供了附加的有效散热装置。更具体而言，一种高能效的磁热传热装置用于在将热流体弓I导到低温CO2去除系统前冷却该流体，低温CO2去除系统利用布雷登循环来从流体冷冻和去除co2。此类磁热传热装置促进了减小布雷登循环的压缩部分的尺寸和能耗需求，使得CO2去除系统的总体性能系数(COP)与已知的CO2去除系统相比提高。低温0)2捕获系统随在先的磁热传热而而变化的相关效率提闻与不具有这种传热相比有利于减少系统的能耗。此外，低温CO2捕获系统的压缩部分的这种能耗减少足以多过用于操作磁热传热装置的附加能源。因此，CO2去除系统的总体操作在能耗方面更有效，并且降低了相关的操作成本。上文详细描述了用于CO2去除系统的磁热传热装置的装置、系统和方法的示范性实施例。装置、系统和方法并不局限于文中所述的特定实施例，相反，可以与文中所述的其它构件和/或步骤独立地和分开地利用系统的构件和/或方法的步骤。例如，也可以结合其它旋转系统和方法来使用该系统和方法，并且该系统和方法并不局限于仅通过如文中所述的用于CO2去除系统的磁热传热装置来实施。相反，示范性实施例可以结合许多其它冷却系统和材料去除系统应用来实现和利用。虽然本发明各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这只是为了方便。此外，以上描述中对“一个实施例”的谈及并非旨在将其解释为排 除也结合了所述及的特征的其它实施例的存在。根据本发明的原理，附图的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征来谈及和/或要求保护。此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种二氧化碳(CO2)去除系统(112)，包括 外部传热装置(130)； 与所述外部传热装置流连通地联接的磁热传热装置(140);以及 与所述磁热传热装置流连通地联接的低温CO2捕获系统(160)。
2.根据权利要求I所述的CO2去除系统(112)，其特征在于，所述外部传热装置(130)构造成在介于大约35°C与_4°C之间的温度下将流体流引导到所述磁热传热装置(140)。
3.根据权利要求I所述的CO2去除系统(112)，其特征在于，所述磁热传热装置(140)包括 制冷剂热交换器(142);以及 与所述制冷剂热交换器流连通地联接的外部磁制冷装置(144)。
4.根据权利要求3所述的0)2去除系统(112)，其特征在于，所述外部磁制冷装置(144)构造成利用磁热效应来从制冷剂去除热量。
5.根据权利要求4所述的0)2去除系统(112)，其特征在于，所述制冷剂热交换器(142)构造成 从所述外部传热装置(130)接收流体流；并且 将热量从所述流体流传递到所述制冷剂。
6.根据权利要求I所述的CO2去除系统(112)，其特征在于，所述低温CO2捕获系统(160)包括 与所述磁热换热装置(140)流连通地联接的压缩机(162)； 与所述压缩机流连通地联接的热交换器(164);以及 与所述热交换器流连通地联接的膨胀装置(166)，所述热交换器和所述膨胀装置构造成配合而生成具有低于大约-60° C的温度的流体流。
7.根据权利要求6所述的CO2去除系统(112)，其特征在于，所述低温CO2捕获系统(160)还包括构造成从所述流体流基本去除固态CO2 (170)的旋风分离器(168)。
8.一种燃烧设备(100)，包括 至少一个燃烧装置(102);以及 二氧化碳(CO2)去除系统(112)，包括 外部传热装置(130)； 与所述外部传热装置流连通地联接的至少一个磁热传热装置(140);以及 与所述磁热传热装置流连通地联接的至少一个低温CO2捕获系统(160)。
9.根据权利要求8所述的燃烧设备(100)，其特征在于，所述外部传热装置(130)构造成在介于大约35°C与_4°C之间的温度下将流体流引导到所述至少一个磁热传热装置(140)。
10.根据权利要求8所述的燃烧设备(100)，其特征在于，所述磁热传热装置(140)包括 制冷剂热交换器(142);以及 与所述制冷剂热交换器流连通地联接的外部磁制冷装置(144)。
全文摘要
本发明涉及用于二氧化碳去除的系统和方法，具体而言，二氧化碳(CO2)去除系统(112)包括外部传热装置(130)。该系统还包括与外部传热装置流连通地联接的磁热传热装置(140)。该系统还包括与磁热传热装置流连通地联接的低温CO2捕获系统(160)。
文档编号F25J3/08GK102901323SQ20121026323
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月28日
发明者C.富格尔, P.P.库尔卡尼, M.A.G.萨拉扎 申请人:通用电气公司