本发明涉及一种用于气流中、尤其烟气流中的二氧化碳的分离设备。此外，本发明涉及一种用于从气流中、尤其从烟气流中分离二氧化碳的方法。
背景技术：
在气候变化的背景下，全球目标是减少到大气中的有害物质的排放。这尤其适用于二氧化碳(CO2)的排放，二氧化碳在大气中聚集，阻碍地球的热辐射，进而作为温室效应引起地表温度的升高。
尤其在矿物燃料燃烧的用于产生电能或热量的发电厂中，通过燃烧矿物燃料，产生含二氧化碳的气体或烟气。为了避免或减少到大气中的二氧化碳排放，必须将二氧化碳从烟气中分离。相应地，尤其在现有的矿物燃料燃烧的发电厂中，讨论适合的措施，以便在燃烧之后将产生的二氧化碳从烟气中分离(Post-Combustion-Capture，燃烧后捕获)。
作为技术上的实施方案，为此将包含在烟气中的二氧化碳在分离设备中通过借助于适合的清洗介质或吸收介质的吸收-解吸过程从相应的烟气流中洗出。在这种过程中，需要对在分离设备中使用的设备部件或相应的流体流进行冷却。因此，例如需要在进入到分离设备的吸收器之前对气流进行冷却，对用于吸收二氧化碳的清洗介质进行冷却，同样需要在解吸器顶部处对富含二氧化碳的气体出流进行冷却。
通常为此使用液体冷却的冷却单元和尤其水冷却的冷却单元。然而，水冷却尤其在如下地点是成问题的，在所述地点，无水可用或仅少量的水可用。水冷却的冷却单元的使用在此是不经济的，因为水至期望的地点的供应与高的耗费关联进而因此与相应高的成本关联。
技术实现要素：
本发明基于的第一目的是，对于用于二氧化碳的分离设备，提出一种尽可能成本适宜的且在方法以及设备方面可尽可能简单实现的用于冷却所使用的设备部件的可能性。
本发明基于的第二目的是，提出一种用于分离二氧化碳的方法，其中对流体流的必要的冷却是尽可能成本适宜且有效的。
根据本发明，本发明的第一目的通过一种用于气流中、尤其烟气流中的二氧化碳的分离设备来实现，所述分离设备包括：吸收器，所述吸收器用于借助于清洗介质将二氧化碳从气流中分离；与吸收器流体连接的解吸器，所述解吸器用于从清洗介质中释放吸收的二氧化碳；在吸收器上游流体连接的气体冷却器，所述气体冷却器用于冷却气流；以及在气体冷却器下游连接的处理单元，所述处理单元构建和构成为用于清洁出自气体冷却器的水。
在第一步骤中，本发明基于如下事实：在无法获取水的地点，代替常用的水冷却的冷却单元，通常使用空气冷却的冷却单元。然而，在这种空气冷却器中，由于高的气体侧的传热阻力，需要大的冷却面和高性能的风扇，使得空气冷却器具有相应大的空间需求并且造成高的噪音排放以及高的投资和运行成本。然而，在缺少替选方案的情况下，容忍上述缺点。
在第二步骤中，本发明考虑如下事实：由于包含在燃料中的含氢的化合物，水此外作为燃烧产物包含在矿物燃料燃烧的发电厂的烟气中。因为烟气在进入到分离设备或相应的吸收器之前必须冷却，所以包含在烟气中的水在吸收器上游连接的气体冷却器中冷凝出来。为了在尽管出现冷凝物的情况下仍将用于冷却烟气的冷却剂的量保持恒定，必须在运行时从气体冷却器中提取相应的子流。所述子流通常未经使用地作为废水丢弃。
在考虑上述内容的情况下，本发明在第三步骤中令人惊讶地认识到，能够将从气体冷却器中提取的子流——代替丢弃——有针对性地用作为冷却水。这能够通过在气体冷却器下游连接的处理单元实现，借助于所述处理单元，能够有针对性地清洁气体冷却器中的过量的水。
能够将从气体冷却器中提取的水的子流输送给处理单元，将其在所述处理单元中清洁并且然后在用于二氧化碳的分离过程的范围中用于冷却设备部件和/或流体流。作为替选方案，能够储备在处理单元中清洁的水，以备稍后的使用。换言之，通过提取和随后清洁至今丢弃的废水，能够在现场生成冷却水并且有针对性地使用所述冷却水。
尤其，清洁的水能够用于无腐蚀地喷射冷却(Spraycooling)已经使用的空气冷却器。在此，清洁的水近似无残留地蒸发。通过排出蒸发焓，冷却空气流并且改进热传递。由此，一方面空气冷却器的尺寸能够更小地设计，并且另一方面能够在工艺方面实现更低的温度。
总的来说，对废气组分水的有针对性的获取、清洁和可能的储存和其随后的使用有利于用于气流中的二氧化碳的分离过程的更有效的冷却。由此，在使用空气冷却器时，除了节约投资和运行成本之外，同时能够实现减少所需要的安置面和噪音排放。附加地，在现场有针对性地生成冷却水能够即使在无法直接获取水的地点也实现水冷却的冷却单元的使用。
在气体冷却器下游连接的处理单元例如能够在冷凝侧上与所述气体冷却器流体连接，使得能够将要清洁的水从冷却器直接输送给处理单元。作为替选方案，使用不直接连接的处理单元也是可行的，将要清洁的水首先运输至所述处理单元并且在那里清洁。
作为气体冷却器优选使用常规的烟气冷却器、所谓的烟道-气体-冷却器。对从气体冷却器提取的水的清洁和随后——间接地或直接地——继续使用的可能性同样使得使用水冷却的冷却单元是可行的，所述水冷却的冷却单元迄今在相应的分离设备的地点处缺水的情况下是不可行的或仅在有限的情况下是可行的。
在本发明的一个有利的设计方案中，处理单元经由输入管路与气体冷却器的冷凝侧流体连接。输入管路在此能够直接与气体冷却器连接，并且能够实现将在气体冷却器中产生的水的至少一个子流输送至处理单元。在此，从气体冷却器提取所产生的水适当地持续进行，以便在运行时将在气体冷却器之内的冷却气流所需要的水量保持恒定。也就是说，作为冷凝物从烟气中产生的水在典型的烟道-气体-冷却器中与用于冷却气流的水混合。在此，提取的水量尤其与通过冷却从气流或烟气中冷凝出的水量相关。换言之，取出的水量基本上与从烟气中冷凝出的水量成比例。
在一个优选的变型方案中，气体冷却器连接到冷却剂回路中，所述冷却剂回路经由输入管路与处理单元流体连接。冷却剂回路适当地包括热水管路、冷水管路以及在这两个管路之间设置的冷却单元。输入管路优选连接于冷却剂回路的热水管路。在气体冷却器中加热的冷却水经由热水管路尤其与出自气体冷却器的冷凝物一起引出。经由输入管路，将从气体冷却器中流出的水的子流输送给处理单元并且在那里相应地清洁。将其余的水、即主流输送给冷却单元，在那里冷却，并且经由冷水管路再次输送给气体冷却器，以重新冷却流入的气流。
为了能够实现对输送给处理单元的废水的期望的清洁，处理单元优选包括反渗透设备。在此，将废水挤压穿过合成的半渗透的薄膜，所述薄膜允许水穿过，然而不允许包含的杂质穿过。清洁的水在薄膜的一侧上聚集，随后能够输送所述水以使用和/或储存。在薄膜的另一侧上，能够将分离的杂质作为废物流丢弃。
能够将在处理单元中尤其借助于反渗透设备清洁的水随后输送给暂时的储存装置并且根据需要使用。对此，在一个有利的设计方案中，处理单元包括储备箱。储备箱例如能够流体连接于反渗透设备。作为替选方案，使用单独分开的储备箱是可行的，将清洁的水从处理单元开始运输至所述储备箱。
如果在分离设备中使用的冷却单元构成为空气冷却器，那么对清洁的水的储存或储备是特别有利的。因此，尤其能够在外界温度低时并且与季节和/或白昼相关地储存清洁的水，并且借助纯的空气冷却运行分离设备。在室外温度较高时，当纯的空气冷却不再足够时，能够将储存的水用于空气冷却器的喷射冷却法。在此，在储备箱中储存的水原则上能够用于冷却所有在分离设备中使用的冷却单元。
对在储备箱之内暂时储存清洁的水替选地或附加地，将水在其在处理单元中清洁之后直接使用也是可行的。
在一个有利的设计方案中，处理单元构成为用于将清洁的水输出给气体冷却器。适当地，在此，连接于处理单元的输出管路连接于气体冷却器。因此，在处理单元中清洁的水能够作为冷却剂直接输送给气体冷却器，并且在那里用于冷却烟气并且与之关联地用于进一步冷凝水。
在另一有利的设计方案中，处理单元构成为用于将清洁的水输出给气体冷却器的冷却剂回路。适当地，处理单元为此还包括输出管路，所述输出管路与冷却剂回路连接。作为替选方案，清洁的水也能够输送给连接到冷却剂回路中的冷却单元，并且在那里在换热器中用于冷却从气体冷却器中提取的、通过冷却烟气加热的冷却水。
适当地，作为气体冷却器使用直接接触冷却器。在直接接触冷却器(direct contact cooler)中，将要冷却的混合物、在此为气流或烟气流在直接换热中引导穿过冷却剂、如冷水进而被冷却。直接接触冷却器通常具有呈物质交换元件形式的装入件，如筛底、填充体或包装。
为了分离在烟气中存在的二氧化碳，将在气体冷却器中冷却的烟气输送给分离设备的吸收器。通过与在吸收器中存在的清洗介质的接触，吸收包含在烟气中的二氧化碳。然后，加载有二氧化碳的清洗介质流动到解吸器中，在那里二氧化碳通过热解吸从清洗介质中释放。为此，吸收器适当地经由输出管路与解吸器的输入管路流体连接。在解吸器中再生的清洗介质随后再次引回到吸收器中，以重新吸收烟气中的二氧化碳，为此解吸器的输出管路与吸收器的输入管路连接。
因为从解吸器输送给吸收器的清洗介质在进入到吸收器之前必须冷却到吸收二氧化碳所需要的低温上，所以此外有利的是，将与处理单元流体连接的冷却单元连接到吸收器的输入管路中，所述冷却单元用于冷却输送给吸收器的清洗介质。适当地，处理单元为此包括输出管路，所述输出管路与冷却单元流体连接。冷却单元用于对从解吸器中流出的再生的清洗介质在进入到解吸器之前进行冷却。通过处理单元的输出管路与冷却单元的流体连接，为此能够使用在处理单元中清洁的水。
从解吸器提取的富含二氧化碳的气体出流也必须在继续使用或可能的储存之前冷却。在本发明的另一有利的设计方案中，解吸器包括用于气体出流的输出管路，与处理单元流体连接的冷却单元连接到所述输出管路中。在此适当的是，处理单元包括输出管路，所述输出管路与冷却单元连接。在解吸器顶部处的气体出流基本上包括从清洗介质中释放的二氧化碳。在此，由于处理单元的输出管路与输出管路的流体连接，在处理单元中清洁的水也能够用于冷却。
总的来说，清洁的、过量的水能够用于冷却所有在分离设备之内使用的冷却单元。冷却单元、尤其在吸收器的输入管路中的、在解吸器的输出管路中的和在气体冷却器的冷却剂回路中的冷却单元能够是空气冷却的或水冷却的。与冷却单元的类型无关地，清洁的水能够从处理单元开始输送给冷却单元，或者在期望的应用的时间点之前事先储存在储备箱中。
在此，各个过程步骤的或各个设备部件的可选的冷却同样是可能的，如多个或所有在上文中描述的过程和/或设备部件的共同的冷却。
此外，有利的是，解吸器经由输出管路连接有贮压器，以输送在解吸器中由二氧化碳清洁的清洗介质。贮压器优选构成为用于所谓的贫液闪蒸(Lean-Solvent-Flash)。在此，在贮压器之内，压力降低，使得流入的清洗介质膨胀，并且一部分在形成气相和液相的条件下蒸发。
优选地，贮压器经由构成为蒸汽管路的输出管路与解吸器流体连接。经由输出管路，将在贮压器中产生的气态的清洗介质作为第一子流输送给解吸器。通过蒸汽状的清洗介质随后在解吸器之内冷凝，能够获取从清洗介质中解吸二氧化碳所需要的热量。
更有利的是，贮压器的另一输出管路与吸收器的输入管路连接。因此，液态的清洗介质能够作为第二子流从贮压器引回到吸收器中。通过气相作为第一子流已经发生的分离，清洗介质在经过贮压器之后几乎完全释放所吸收的二氧化碳。
在另一优选的设计方案中，吸收器的输出管路连接有用于提取已加载的清洗介质的第一子流的支路，所述支路与解吸器的输入管路流体连接。因此，从吸收器中提取的清洗介质能够分成至少两个子流。所述方法作为分路馈给法已知。
适当地，解吸器连接有再沸器。再沸器作为所谓的池式蒸发器为将所吸收的CO2与清洗介质分离提供必要的再生热量。在此，已加载的清洗介质通过在再沸器中产生的蒸汽再生。为了在再沸器之内产生蒸汽，通常用输入的蒸汽、例如出自连接的蒸汽发电厂的蒸汽加热所述再沸器。
优选地，作为吸收介质使用氨基酸盐溶液。含水的氨基酸盐溶液在此是适当的。氨基酸盐尤其由于其几乎不可觉察的蒸汽压力是适合的，所述蒸汽压力防止到大气中的排放。优选的氨基酸盐是金属的盐、尤其是碱金属的盐。不同的氨基酸盐的混合物也能够用作为吸收介质的活性成分。
根据本发明，本发明的第二目的通过一种用于从气流中、尤其从烟气流中分离二氧化碳的方法来实现，其中将气流输送给气体冷却器，其中在气体冷却器之内在水冷凝的条件下冷却气流，其中从气体冷却器提取水，其中将从气体冷却器提取的水的至少一个子流输送给处理单元，在所述处理单元中，清洁水以用于继续使用，并且其中将冷却的气流输送给分离设备的吸收器，在所述吸收器中，借助于清洗介质将包含在气流中的二氧化碳从气流中分离。
借助于这种方法，能够将用于冷却气流的气体冷却器的迄今未经使用地丢弃的废水清洁，并且随后将其有针对性地用于有效地冷却在二氧化碳的分离过程中使用的流体流和/或设备部件。
使用的气体冷却器优选借助水作为冷却剂运行。通过附加地从烟气流中冷凝出的水，出现水的过量。将过量的水与冷却所需要的水分离，并且输送给处理单元。在所述处理单元之内，对水进行清洁，由此所述水作为冷却水在分离过程的范围中使用是可行的。
在此，清洁的水优选用于用作为空气冷却器的冷却单元的喷射冷却，其中所述清洁的水能够根据需要在使用之前储存。同样，原则上，清洁的水在水冷却的冷却单元中的使用是可行的。
方法的其他有利的实施变型方案从针对方法的从属权利要求中得出。针对分离设备及其有利的改进方案提到的优点能够按意义转用于方法及其改进方案。
附图说明
在下文中，根据附图详细阐述本发明的一个实施例。
具体实施方式
图1示出用于烟气流中的二氧化碳的分离设备1。分离设备1包括吸收器3和与吸收器3流体连接的解吸器5。在吸收器3上游流体连接有构成为烟气冷却器的气体冷却器7，所述气体冷却器配设有用于水的处理单元9。
为了清洁例如在发电厂中燃烧矿物燃料时作为燃烧废气出现的烟气，并且尤其为了将包含在烟气中的二氧化碳从所述烟气中分离，将烟气流经由烟气管路11首先输送给分离设备1。烟气经由烟气管路11流动到烟气冷却器7中，所述烟气冷却器构成为直接接触冷却器并且借助水作为冷却剂运行。在将烟气输送给分离设备1的吸收器3之前，在烟气冷却器7中冷却烟气。
烟气冷却器7本身连接到冷却剂回路13中，所述冷却剂回路包括热水管路15、冷水管路17和在这两个管路15、17之间连接的、构成为空气冷却器的冷却单元19。经由热水管路15，将在冷却烟气时加热的水从烟气冷却器7中引出，在冷却单元19中冷却，并且为了重新冷却烟气流经由冷水管路17再次输送给烟气冷却器7。
因为在烟气中除了二氧化碳之外作为燃烧产物也包含水，所述水在烟气在烟气冷却器7中冷却时冷凝出来，并且与冷却水流混合。因此，为了将在冷却剂回路13之内需要用于冷却烟气的水量保持恒定，从烟气冷却器7中当前持续地将过量的水从经由热水管路15离开气体冷却器7的水流21中提取，为此提取子流23。
代替通常将水的过量的部分如至今那样丢弃，将水的子流23从烟气冷却器7经由输入管路25输送给处理单元9。在处理单元9中，借助于相应的反渗透设备27中的反渗透，对取出的水进行清洁。然后，将清洁的水储存在储备箱29之内，所述储备箱是处理单元9的一部分。
在储备箱29中储存的水现在能够根据需要用于冷却在分离设备1中使用的设备部件和/或流体流。在此，出自储备箱29的水尤其用于以喷射冷却的形式来冷却冷却剂回路13中的空气冷却器19，这通过虚线31表明。换言之，储备箱29或处理单元9连接于空气冷却器19，以便为了冷却的目的输送水。作为替选方案，也能够将水以其他方式从储备箱29运输至空气冷却器19。处理单元9也能够构成为用于将清洁的水输出给冷却剂回路13和/或气体冷却器7。这在图1中通过相应的输出管路30示出。
为了确保将二氧化碳从烟气中期望地分离，在烟气冷却器7中冷却的烟气经由输入管路33流动到分离设备1的吸收器3中。在此，所述烟气与清洗介质、即含钾的氨基酸盐接触，在所述清洗介质中吸收包含在烟气中的二氧化碳。将加载有二氧化碳的清洗介质从吸收器3输送给解吸器5。为此，将已加载的清洗介质从吸收器3中经由输出管路35提取。
第一子流37经由连接于吸收器3的输出管路35的支路39引导到在吸收器3下游连接的解吸器5的第一解吸级41中，为此支路39与解吸器5的输入管路43流体连接。第一子流37在不在解吸器5的顶部45处预加热的情况下输送给第一解吸级41。
第二子流47经由输出管路35与解吸器5的另一输入管路51的流体连接输送给解吸器5的第二解吸级49。在此，第二子流47首先经过换热器53，并且通过从解吸器5引回的、再生的清洗介质预加热。
在解吸器5之内，将在清洗介质中吸收的二氧化碳释放并且在解吸器5的顶部45处经由输出管路55取出。构成为空气冷却器的另一冷却单元57连接到输出管路55中，所述另一冷却单元用于冷却气体出流。所述空气冷却器57同样用水冷却，所述水已经在处理单元9中清洁。将为此需要的水量从储备箱29中提取并且用于空气冷却器55的喷射冷却。在此，所述使用也通过虚线59表明。虚线59尤其能够是用于水的连接管路或用于水的运输连接装置。最后，将冷却的气体出流例如为了储存和/或为了可能进一步使用二氧化碳而输送给相应的应用装置60。
已释放二氧化碳的清洗介质聚集在解吸器5的底部61处并且输送给构成为用于贫液闪蒸法的贮压器63。为此，解吸器5经由输出管路65与贮压器63连接。在贮压器63之内，清洗介质在构成气相和液相的条件下膨胀。气体经由贮压器63的输出管路67输送给解吸器5。通过蒸汽状的清洗介质随后在解吸器5中冷凝，为了解吸二氧化碳，能够从清洗介质中得到需要的热量。
附加地，解吸器5连接有再沸器69，所述再沸器作为池式蒸发器同样为释放在清洗介质中吸收的二氧化碳提供再生热量的一部分。
将清洗介质的液相从贮压器63开始引回到吸收器3中，为此将贮压器63的输出管路71与吸收器3的输入管路73连接。在引回时，再生的清洗介质同样经过换热器53，并且在此通过将热量输出给从吸收器3中加载的清洗介质而冷却。
为了确保：清洗介质在进入到吸收器3之前具有吸收烟气中的二氧化碳所需的低温，另一冷却单元75连接到通向吸收器3的输入管路73中，借助于所述另一冷却单元，将清洗介质在进入到吸收器5之前进一步冷却。所述冷却单元75也构成为空气冷却器，并且用从储备箱29中提取的水通过喷射冷却来冷却，这通过虚线77表明。虚线77尤其能够是用于水的连接管路或运输连接装置。
附加地，包括回收设备79，所述回收设备为了进一步处理清洗介质——尤其通过去除氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)——从输入管路73中取出清洗介质的一部分，并且相应地处理所述部分。然后，将清洗介质在完成清洁和处理之后输送给吸收器3，并且在那里能够重新用于吸收烟气中的二氧化碳。
将冷却单元19、57、75借助于出自储备箱29的水进行冷却原则上是可选的。因此，可行的是，一个、多个或如上文所描述的那样所有冷却单元19、57、75用储存在储备箱29中的水来冷却。同样还可行的是，代替空气冷却器19、57、75，使用水冷却的冷却单元。在水冷却的冷却单元中，例如能够使用换热器，所述换热器将在处理单元9中清洁的水作为冷却剂在相应的冷却剂回路中使用。冷却单元能够直接经由水管路与处理单元9连接。作为替选方案，也能够将已处理的水通过运送装置运输至冷却单元。