專利名稱：用于二氧化碳液化的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于液化工作介質、尤其用于二氧化碳液化的方 法和裝置。
背景技術：
為了減少發(fā)電站的二氧化碳排放，公開了不同的方法，在這些方 法中將二氧化碳與發(fā)電站的燃燒氣體或煙氣分開，從而隨后單獨地儲
存或者說存放二氧化碳。這種分開是必須的，因為發(fā)電站的廢氣只有
相對較少的部分由二氧化碳組成氮氣形成了最大的部分，除了氧氣， 在環(huán)境空氣中還包含氮氣。因為沒有意義的是，在地質學方面儲存無 害的氮氣，所以必須首先將二氧化碳與氮氣以及必要時包含在廢氣中 的其它物質例如硫氧化物(SOx)分開。用于分開方法的例子是借助于 液態(tài)的溶劑的吸收方法、固體吸收、薄膜方法和高溫方法。
為了使分離的二氧化碳能夠運輸并且能夠儲存，將二氧化碳液化。 然而通用的方法具有這樣的缺點，即用隨后的液化來分開二氧化碳是 非常耗能量的，至今為止公開的唯一的能夠直接提供液態(tài)的二氣化碳 的二氧化碳分離方法是低溫方法或者說冷凝方法，該方法的基礎是， 二氧化碳在低溫時液化，這種方法也是非常耗能量的。
因此，公開的方法的共同點是需要較高的能量，從而導致發(fā)電站 的總效率較差。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的任務是說明一種用于液化工作介質、尤其用于二 氧化碳液化的用于發(fā)電站的方法和裝置。其中現存的發(fā)電站的能量平 衡應該借助于用于二氧化碳液化的裝置進行改進。建立在該基礎之上， 本發(fā)明的另 一個任務是說明一種用于將二氧化碳從工作介質中分離出 來的裝置和方法。
該任務通過在獨立權利要求中說明的發(fā)明得到解決。有利的設計 方案由從屬權利要求中獲得。
在按本發(fā)明的方法中，將二氧化碳冷凝地以液態(tài)的形式從工作介 質尤其從發(fā)電站的煙氣中分離并且使其由此能夠運輸。在此，使用熱聲學的機器來壓縮并且冷卻所述煙氣。該方法和裝置的特別的優(yōu)點是, 在利用熱聲學效應的情況下使用發(fā)電站的廢熱產生用于壓縮機的工作 功率P和/或產生冷氣，從而液化工作介質。
在所謂的熱聲學效應中，首先通過聲源、例如通過揚聲器在熱傳
遞介質中產生聲波，就像例如在DE43 03 052 Al中描述的一樣。該熱 傳遞介質處于共振管中，聲波沿共振管的縱向輻射。現在，該熱聲學 效應基本上在于，在確定的位置之間沿管的縱向形成溫度梯度.通過 剛好布置在該位置上的合適的熱交換器能夠將熱量輸出到周圍或者說 從周圍吸收熱量。
該熱聲學效應能夠例如以特定方式倒轉，即通過相應的熱交換器 產生溫度梯度，這導致在熱傳遞介質中觸發(fā)壓力波動。
圖1示意示出了兩種使用熱聲學效應的方案.在圖la中，在用于 產生功率的裝置130中如上面已經簡短描述過的一樣通過以下方法產 生工作功率P，即第一熱聲學的機器100的第一熱交換器no和第二熱 交換器120由介質流過，該介質具有不同的溫度.與之相反，在圖lb 中，第二熱聲學的機器200以公開的方式作為冷凍機進行工作，第三 熱交換器210由高溫的介質流過，而用于輸入功率的裝置230在第二 熱聲學的機器的熱傳遞介質中產生壓力波動。這導致由于熱聲學效應 而冷卻流過第四熱交換器220的介質，
本發(fā)明以特定的方式使用熱聲學效應用于產生機械工作功率或電 工作功率，即在第一熱聲學的機器中通過由高溫介質流過的第一熱交
換器和由較冷的介質流過的第二熱交換器在熱傳遞介質中產生壓力波 動。在此，有利地從發(fā)電站的廢熱中獲取流過第一熱交換器的熱的介 質。在此，能夠在發(fā)電站的燃燒器后面和/或渦輪機后面獲得發(fā)電站的 廢熱。在此，尤其涉及發(fā)電站的熱的煙氣和/或蒸汽。流過第二熱交換 器的介質能夠通過常規(guī)的冷卻介質也就是說冷卻水或冷卻空氣實現。 在熱傳遞介質中的壓力波動作用到用于產生功率的裝置130上， 該裝置包括通過壓力波動置于運動中的組件。在最簡單的情況下，這 可以是活塞，該活塞根據壓力波動在氣缸中執(zhí)行線性運動，該線性運 動例如通過曲軸轉換成旋轉。在此，用于輸入功率的裝置230在原則 上能夠構造得和用于產生功率的裝置一樣，不同的是，在用于輸入功 率的裝置230中從外面驅動該活塞或者說曲軸，也就是輸入工作功率所產生的工作功率P能夠以機械功率或電功率的形式進一步進行 傳導。在用于液化工作介質的本應用方案中，將工作功率傳遞到壓縮 工作介質的壓縮機上。最佳方法是，僅僅能夠用第一熱聲學的機器產 生的工作功率就足以驅動壓縮機.否則可以考慮接通另外的能量源用 于供給壓縮機。
作為使用第一熱聲學的機器的替代方案或附加方案，本發(fā)明在冷
凍裝置中使用熱聲學效應，如結合圖lb描述的一樣在此，流過所述 第三熱交換器210的熱的介質-如在第一熱交換器110中一樣-包括 來自發(fā)電站的廢熱的熱的煙氣和/或蒸汽。流過第四熱交換器的介質是 已經在壓縮機中壓縮過的工作介質，該工作介質在第四熱交換器中冷卻。
相應地，本發(fā)明提供了特別的優(yōu)點，即改善了包括發(fā)電站和用于 二氧化碳分離或者說二氣化碳液化的裝置的整個設備的能量需求或者 說能量平衡，因為用于壓縮和/或用于冷卻包含二氧化碳的工作介質所 需要的能量從否則沒有被利用的發(fā)電站廢熱中獲得。


本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和細節(jié)從下面描述的實施例中以及根據 附圖獲得。 其中圖la是熱聲學效應的第一使用方案，
圖lb是熱聲學效應的第二使用方案，
圖2是按本發(fā)明的用于液化工作介質的裝置，以及
圖3是另一種按本發(fā)明的用于液化工作介質的裝置。
具體實施例方式
圖2示出了用于液化工作介質、尤其用于二氧化碳液化的裝置。 在從發(fā)電站10出來的管路l中，在用于二氧化碳液化的裝置的該實施 例中由煙氣和二氧化碳組成的工作介質通向煙氣冷卻器20。該工作介 質從那里通過管路2到達壓縮機30，該工作介質在壓縮機中進行壓縮。 壓縮的工作介質隨后通過管路3輸入干燥器40，尤其用于從工作介質 中除去水，從而隨后通過管路4到達冷凍裝置50中。此外，所述冷凍 裝置50包括熱交換器220，該熱交換器在下面稱為第四熱交換器220，所述工作介質流過該熱交換器并且在這過程中冷卻。緊接著所述冷凍
裝置50,所述工作介質通過管路5到達另外的冷凍裝置60，并且從那 里通過管路6到達分離裝置70.在該分離裝置70中，液態(tài)的二氧化碳 與二氧化碳稀少的剩余氣體分開。
由現有技術公開的標準組件能夠用作上面描述的用于二氧化碳液
化的裝置的大多數組件，也就是說能夠用作煙氣冷卻器20，壓縮機30， 干燥器40，另外的冷凍裝置60和分離裝置70。這些組件以及其工作 原理不是本發(fā)明的主題，并且因此不進行進一步的描述。
按本發(fā)明，將第一熱聲學的機器100用于產生用于壓縮工作介質 的壓縮機30所需的工作功率P,作為附加方案或替代方案，在所述冷 凍裝置50中使用第二熱聲學的機器200。
所迷第一熱聲學的機器IOO具有第一容器160,該笫一容器例如能 夠構造成共振管，并且該第一容器包括第一熱交換器110、第二熱交換
器i2o以及第一熱傳遞介質no例如空氣。該第一熱交換器no和第二
熱交換器120通過所述笫一熱傳遞介質170進行熱接觸。
所迷第一熱交換器110現在由第一介質流過，并且所述第二熱交 換器120由第二介質流過，其中該第一介質的溫度高于第二介質的溫 度。按本發(fā)明，尤其通過輸入管路lll向第一熱交換器IIO供給發(fā)電 站10的廢熱，尤其是熱的煙氣和/或蒸汽。為此，所述輸入管路lll與 發(fā)電站lO的廢熱管路ll連接，其中所述發(fā)電站IO的廢熱例如能夠在 發(fā)電站10的燃燒器后面和/或渦輪機后面獲得，通過輸入管路121向所 述第二熱交換器120供給冷卻介質、尤其是冷卻空氣或冷卻水.
在第一熱交換器UO和第二熱交換器120之間的溫度梯度由于熱 聲學效應引起在共振管160中在第一熱傳遞介質170中產生壓力波動。 用于產生功率的裝置130如此與所述第一熱聲學的機器100耦合，使 得該壓力波動能夠作用到用于產生功率的裝置130上.
所述用于產生功率的裝置130例如可以包括活塞131 ，氣缸132和 曲軸134，其中所述氣缸132設置在共振管160中的開口 180上，從而 通過壓力波動在活塞131上產生力。由此，該活塞131沿箭頭133方向 運動、驅動所述曲軸134并且如此產生工作功率P，該工作功率最終通 過線路7傳遞到壓縮機30上。在此可以考慮，借助于曲軸134搮作發(fā) 電機(未示出)用于產生電流，并且向壓縮機30供給所產生的電流。在這種情況下，該線路7是導電的連接。作為替代方案，所述曲軸134 可以與壓縮機30的軸機械連接，從而直接驅動壓縮機。在這種情況下， 所述線路7是用于產生功率的裝置130和壓縮機30之間的機械連接。 通常能夠這樣進行歸納，即用于產生功率的裝置130能夠吸收共振管 160中的壓力波動并且將其轉化為工作功率P,這樣的用于產生功率的 裝置對于本領域的技術人員來說是已知的.例如能夠使用線性壓縮機， 其將用于產生功率的裝置130和壓縮機30合在其中.同樣，將所產生 的工作功率P傳遞到壓縮機30上的手段和方法對于本領域的技術人員 來說是已知的。通過可選的輸入線路8能夠必要時向壓縮機30輸入額 外的工作功率P，，如果通過第一熱聲學的機器IOO所產生的工作功率P 不足以壓縮有待分開的空氣的話。
作為使用第一熱聲學的機器100的替代方案或附加方案，能夠將 第二熱聲學的機器200用作冷凍機器，該第二熱聲學的機器200用于 冷卻在壓縮機30中壓縮的并且在干燥器40中去除水的工作介質。此 外，該第二熱聲學的機器200具有第二容器或者說笫二共振管260，該 第二共振管包括第三熱交換器210、已經在上面介紹過的第四熱交換器 220以及第二熱傳遞介質270例如空氣。所述第三熱交換器210通過第 二熱傳遞介質270與所述第四熱交換器220熱接觸。
用于輸入功率的裝置230例如通過開口 280與所述第二熱聲學的 機器200或者說與該機器的共振管260耦合，從而在第二熱傳遞介質 270中能夠產生壓力波動或者能夠增強既有的壓力波動。用于輸入功率 的裝置230例如可以包括活塞231和氣缸232，其中所述氣缸232設置 在共振管260中的開口 280上。所述活塞231例如通過曲軸234為了產 生壓力波動而沿著箭頭233的方向運動，其中以任意的方式驅動該曲 軸234。充分地公開了例如借助于馬達驅動曲軸的相應的裝置.作為替 代方案，用于輸入功率的裝置230也能夠構造成揚聲器或類似裝置。 重要的只是，能夠在第二熱傳遞介質270中產生壓力波動。
現在由高溫的第三介質流過所述第三熱交換器210。按本發(fā)明，所 述第三熱交換器210尤其通過輸入管路211如第一熱交換器110—樣用 發(fā)電站10的廢熱、尤其用熱的煙氣和/或蒸汽進行供給。為此，所述輸 入管路211與發(fā)電站10的廢熱管路11連接，
由工作介質流過所述第四熱交換器220,通過結合圖lb描述的熱聲學效應，實現了在第四熱交換器220中冷卻工作介質。在第四熱交 換器220的出口存在的經過壓縮和冷卻的工作介質必要時通過另外的 冷凍裝置60導引到分離裝置70上，在那里最終在分離裝置70的出口 9獲得液態(tài)的二氧化碳。在該分離裝置70的第二出口能夠獲得二氧化 碳稀少的剩余氣體。
根據所述煙氣的成分，能夠在二氧化碳液化時省去在冷凍裝置50 中的冷卻。在這樣的前提條件下，即在煙氣中原始存在的其它燃燒產 物如硫氧化物(SOx)和/或氮氣(N2)已經分離的話，能夠用圖3中 簡化示出的裝置來液化二氧化碳。具體的前提條件是，所述煙氣允許 包含低于大約5%的在較低的ppm范圍內的氮氣(N2)和疏氧化物 (SOx)。在所謂的氧燃料(Oxyfuel)-方法中也滿足該前提條件， 在該方法中在純氧條件下燃燒燃料，從而在由其它燃燒產物引起最小 化的"污染"時所述煙氣包含非常高的二氧化碳濃度，由此顯著簡化 二氧化碳分離和二氧化碳液化。
在圖3中將位于點A上的工作介質或者說煙氣導入干燥器40中， 用于尤其將水從工作介質中除去，該工作介質或者說煙氣滿足上面所 述的前提條件.所述工作介質從那里到達壓縮機30，該壓縮機將工作 介質進行壓縮。按本發(fā)明，借助于熱聲學的機器IOO，在用于產生功率 的裝置130中產生為此所需要的工作功率P,該熱聲學的機器IOO，和用 于產生功率的裝置130在圖3中只是象征性地進行描繪.然而，該熱 聲學的機器IOO，剛好構造得和圖2中的第一熱聲學的機器100 —樣并 且與其一樣地工作。相應地適用于用于產生功率的裝置130,必要時能 夠將離開所述壓縮機30的工作介質通過額外的壓縮機35進一步進行 壓縮。最終在點B上出現液態(tài)的二氧化碳。
在理想情況下，能夠用按本發(fā)明的解決方案不用額外輸入能量地 實現二氧化碳分離或者說二氧化碳液化。原則上，按本發(fā)明的解決方 案使得在二氧化碳分離或二氧化碳液化時能夠顯著降低能量消耗。
權利要求
1.用于液化工作介質尤其用于二氧化碳液化的用于發(fā)電站(10)的方法，具有以下步驟-用壓縮機(10)壓縮有待分離的工作介質，-在冷凍裝置(50)中冷卻在壓縮機(30)中壓縮的工作介質，其特征在于，-由第一熱聲學的機器(100)產生用于壓縮工作介質的壓縮機(30)所需要的工作功率(P)的至少一部分，并且/或者-在第二熱聲學的機器(200)中產生為了在冷凍裝置(50)中冷卻壓縮的工作介質所需的冷氣。
2. 按權利要求l所述的方法，其特征在于，將在發(fā)電站U0)中 產生的廢熱的至少一部分尤其是煙氣和/或蒸汽輸入第一熱聲學的機器(100)和/或第二熱聲學的機器(200)。
3. 按權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一熱聲學 的機器(100)包括第一熱交換器(110)以及第二熱交換器(120)， 所述第一和第二熱交換器通過笫一熱傳遞介質(170)進行熱接觸，其 中在第一熱傳遞介質.(170)中通過熱聲學效應產生壓力波動，該壓力 波動尤其通過所述第一熱聲學的機器(100)的開口 (180)作用到用 于產生功率的裝置(130)上并且在那里轉換成用于壓縮工作介質的壓 縮機(30)所需的工作功率(P)。
4. 按權利要求3所述的方法，其特征在于，將發(fā)電站(10)的廢 熱輸送給第一熱交換器(110)并且將冷卻介質輸送給第二熱交換器(120)。
5. 按權利要求3或4所述的方法，其特征在于，所產生的工作功 率(P)通過線路(7)傳遞到壓縮機(30)上。
6. 按上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，第二熱聲 學的機器(200)包括笫三熱交換器(210)和第四熱交換器(220)用 于產生冷氣，所述第三和第四熱交換器通過第二熱傳遞介質(270)進 行熱接觸，其中所述工作介質流過第四熱交換器(220)并且在這過程 中通過熱聲學效應進行冷卻。
7. 按權利要求6所述的方法，其特征在于，將發(fā)電站(10)的廢 熱輸入第三熱交換器(210)并且用于輸入功率的裝置(230)尤其通過第二熱聲學的機器(200)的開口 (280)在第二熱傳遞介質(270) 中產生壓力波動或者增強已經存在的壓力波動.
8. 用于二氧化碳分離的方法，其中-用按權利要求到7中任一項所述的方法液化包含二氧化碳的 工作介質，-將液化的工作介質導入分離裝置(70)中，并且 -在分離裝置(30)中將工作介質分成液化的二氧化碳和二氧化 碳稀少的剩余介質。
9. 用于液化工作介質尤其用于二氧化碳液化的用于發(fā)電站(10) 的裝置，該裝置具有-用于壓縮有待分離的工作介質的壓縮機(30)，以及 -用于冷卻在壓縮機(30)中壓縮的工作介質的冷凍裝置(50)， 其特征在于，-用于產生用于壓縮工作介質的壓縮機(30 )所需的工作功率(P ) 的至少一部分的第一熱聲學的機器(100),和/或-用于產生在冷凍裝置(50)中冷卻壓縮的工作介質所需的冷氣 的第二熱聲學的機器(200)。
10. 按權利要求9所述的裝置，其特征在于，發(fā)電站(10)的廢 熱管路(11)為了排出在發(fā)電站(10)中產生的廢熱的至少一部分而 與第一熱聲學的機器(100)和/或第二熱聲學的機器(200)連接.
11.按權利要求9或IO所述的裝置，其特征在于，-第一熱聲學的機器(100)包括第一熱交換器(110)和第二熱 交換器(120)，所述第一和第二熱交換器通過第一熱傳遞介質(170) 進行熱接觸，以及-將用于產生功率的裝置U30)耦合到第一熱聲學的機器(100) 上，從而將第一熱傳遞介質(170)的壓力波動尤其通過第一熱聲學的 機器(100)的開口 (180)作用到用于產生功率的裝置(130)上，其中，構造用于產生功率的裝置(130)，用于將壓力波動轉換成 用于壓縮工作介質的壓縮機(30)所需的工作功率(P)。
12.按權利要求ll所述的裝置，其特征在于，通入第一熱交換器 (110)的輸入管路(111)與廢熱管路(11)連接，并且通過輸入管 路(121)用冷卻介質供給第二熱交換器(120)。
13. 按權利要求11或12所述的裝置，其特征在于，用于產生功 率的裝置(130)-與壓縮機(30) —起構成線性壓縮機，或者 -包括組件(131， 132， 134)，尤其是包含活塞(131 )、氣缸 (132)和曲軸(134)，這些組件為了產生工作功率(P)能夠通過壓 力波動置于運動中。
14. 按權利要求11到13中任一項所述的裝置，其特征在于，用 于產生功率的裝置(130)為了傳遞所產生的工作功率(P)通過線路(7)與壓縮機(30)連接。
15. 按權利要求9到14中任一項所述的裝置，其特征在于，所述 第二熱聲學的機器(200)包括第三熱交換器(210)和第四熱交換器(220)用于產生冷氣并且還包括第二熱傳遞介質(270),其中-第三熱交換器(210)通過第二熱傳遞介質(270)與第四熱交 換器(220)熱接觸，并且-工作介質流過第四熱交換器(220)用于冷卻工作介質。
16. 按權利要求15所述的裝置，其特征在于， -通向第三熱交換器(210)的輸入管路(211)與廢熱管路(11)連接，并且-用于輸入功率的裝置(230)耦合到笫二熱聲學的機器(200) 上，從而尤其通過第二熱聲學的機器(200)的開口 ( 280)產生笫二 熱傳遞介質(270)的壓力波動或者增強已經存在的壓力波動。
17. 按權利要求15或16所述的裝置，其特征在于，將第四熱交 換器(220)的入口與壓縮機(30)的出口連接。
18. 用于二氧化碳分離的裝置，具有按權利要求9到17中一項或 多項所述的用于液化工作介質的裝置并且具有分離裝置(70)，該分 離裝置(70)具有入口，該入口與第四熱交換器(220)的出口連接， 其中構造所述分離裝置(70)用于將液化的二氧化碳與二氧化碳稀少 的剩余介質分開。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于二氧化碳液化的方法和裝置。在此，按本發(fā)明利用熱聲學效應借助于發(fā)電站的廢熱產生用于壓縮工作介質尤其壓縮包含二氧化碳的煙氣的壓縮機的工作功率以及/或者冷卻工作介質。
文檔編號F25J3/06GK101556103SQ20091013422
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權日2008年4月9日
發(fā)明者B·格羅莫爾, V·達諾夫 申請人:西門子公司