專利名稱：用于通過反升華以升高的壓力提取二氧化碳的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過反升華從氣流中去除C02的方法，且涉及用于從氣流去除 C02的反升華系統(tǒng)，所述反升華系統(tǒng)包括至少一個結(jié)霜容器。
背景技術(shù)：
已知的反升華系統(tǒng)中的二氧化碳(C02)捕獲是通過在一個或多個結(jié)霜容器內(nèi)的 冷表面上結(jié)霜出C02冰以及隨后通過加熱這些相同的表面來對C02化霜(defrost)來完成 的。US7, 073，348關(guān)于用于從來源于碳氫化合物在特別設(shè)計為用于產(chǎn)生機械能的設(shè)備 中的燃燒的煙中提取二氧化碳的方法和系統(tǒng)。該方法包括以下步驟以差不多等于大氣壓 力的壓力、以使得二氧化碳通過反升華過程直接從氣態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)的溫度來冷卻所述煙。 在反升華階段期間，C02霜形成于反升華蒸發(fā)器中。準(zhǔn)備反升華蒸發(fā)器以用于包含在煙中 的C02的下一個反升華循環(huán)的程序概述如下。固體C02熔融，即以5. 2巴(bar)的壓力從 固相轉(zhuǎn)變到液相。一旦C02完全處于液相，其就通過泵傳遞到隔熱貯存器。US2006/0277942提供了很大程度上與US7，073，348的公開類似的公開，但是該公 開關(guān)于提取二氧化硫以及二氧化碳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提高用于去除⑶2的反升華系統(tǒng)的C02捕獲效率。本發(fā)明的另一個目的是降低用于從氣流中捕獲C02的反升華系統(tǒng)的總體能量消耗。如在本技術(shù)領(lǐng)域中已變得普遍的，本文中的用語"反升華"指所討論的氣體的溫 度低于其三相點的溫度時發(fā)生的直接的氣/固相變。本文中的用語"升華"傳統(tǒng)地指直接 的固/氣相變。在第一方面，通過用于經(jīng)由反升華從氣流中去除C02的方法來實現(xiàn)以上所提到的 目的以及另外的目的(在研究了以下描述之后，對技術(shù)人員而言，其將變得顯而易見)，該 方法包括以下步驟a)將包含C02的氣流引入結(jié)霜容器；b)將所述結(jié)霜容器中的氣流的至少一部分的溫度降低到固體C02通過反升華而 沉積所處的溫度；C)從結(jié)霜容器排放減少了 C02的氣流；以及
d)回收沉積的固體C02 ；其中，步驟b)中的氣流的壓力高于大氣壓力。在現(xiàn)有技術(shù)方法和系統(tǒng)(諸如US7，073，348中描述的用于氣流中的C02的反升華 的系統(tǒng))中，C02的反升華或"結(jié)霜"在差不多等于大氣壓力的壓力以下來執(zhí)行。本發(fā)明基于以下理解可在結(jié)霜容器中進行結(jié)霜所處的溫度，且因而結(jié)霜容器的 冷制冷劑中所需的溫度，是控制反升華系統(tǒng)的總體能量消耗的重要因素。即便是冷制冷劑 的溫度的略微的增加都可導(dǎo)致反升華系統(tǒng)的總體能量消耗的顯著的減少。根據(jù)本發(fā)明，結(jié)霜步驟以相對于大氣壓力而言升高的壓力來執(zhí)行。這允許升高冷 制冷劑的溫度，同時仍然保持結(jié)霜容器的C02捕獲效率。作為一個實例，在圖2所示的C02 去除系統(tǒng)的一個實施例中，去除氣流中的C02的90%所需的溫度可從結(jié)霜以大氣壓力(即 大約1. 0巴)執(zhí)行時的-121°C升高到結(jié)霜以2. 0巴的升高的壓力執(zhí)行時的-115°C。冷卻功 率很大程度上沒有變化。然而，與關(guān)于在大氣壓力處操作的過程的功率消耗相比，以更熱的 溫度產(chǎn)生相同的制冷所需的輸入功率可降低大約6%。輸入功率的該降低對應(yīng)于用于C02 去除過程的操作成本的顯著降低。步驟b)中的氣流的壓力可優(yōu)選為顯著地高于大氣壓力(即大約1.0巴)的壓力， 優(yōu)選為高于1.2巴的壓力，更優(yōu)選高于1.5巴或2.0巴。升高的壓力可例如在1.2至30.0 巴的范圍中，諸如在1.5至30.0巴或2.0至30.0巴的范圍。由于實用性的原因，壓力可保 持低于10.0巴，因為這可允許構(gòu)造成用于以大氣壓力操作的現(xiàn)有的系統(tǒng)除了插入壓縮機 之外以很小的修改或不用修改-例如在從1. 2至10. 0巴的范圍中，諸如在1. 5至10. 0巴 或2.0至10.0巴的范圍中-來使用。在一個實施例中，步驟b)中的氣流的壓力高于1.5巴，優(yōu)選高于2.0巴。在一個 實施例中，步驟b)中的氣流的壓力低于10.0巴。在一個實施例中，在其被引入結(jié)霜容器中之前，氣流的壓力由壓縮機升高。在一個實施例中，在已經(jīng)執(zhí)行步驟b)之后，氣流的壓力被降低。壓力降低可優(yōu)選 被轉(zhuǎn)換成機械能或電能。能量轉(zhuǎn)換可例如由渦輪膨脹器或能夠?qū)鈮恨D(zhuǎn)換成機械能和/或 電能的其它裝置執(zhí)行。在一個實施例(其中氣流的壓力由壓縮機來增大，且氣流的壓力被轉(zhuǎn)換成機械能 或電能)中，所產(chǎn)生的機械能或電能至少部分地在壓縮機中再循環(huán)。在一個實施例中，在氣流被引入到結(jié)霜容器中之前，氣流的溫度在一個或多個預(yù) 冷卻步驟中被降低。以結(jié)霜容器中使用的非常低的溫度(諸如，例如-115°C的溫度)來冷卻氣流是非 常耗能的。因此，優(yōu)選的是在氣流被引入結(jié)霜容器中之前在較高的溫度處預(yù)冷卻氣流。預(yù) 冷卻可在一個或多個預(yù)冷卻步驟中執(zhí)行，例如包括用來將氣流的溫度降低到大約0到10°C 的范圍的水冷，以及用來將氣流的溫度降低到大約-20到-60°c的范圍的一個或多個傳統(tǒng) 的制冷步驟。為了進一步降低氣流的溫度，從結(jié)霜容器排放的冷的氣流可用于熱交換器中， 以便降低將被引入結(jié)霜容器中的氣流的溫度。在該熱交換器中，氣流的溫度可優(yōu)選被進一 步降低到大約-80到-100°C的范圍中的溫度。在一個實施例中，當(dāng)氣流被引入到結(jié)霜容器中時，該氣流的溫度在-80到-100°C 的范圍中。
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在本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于從氣流中去除C02的反升華系統(tǒng)，包括構(gòu)造成以便接收氣流的結(jié)霜容器，所述結(jié)霜容器包括低溫制冷裝置，其構(gòu)造成用 于將所述結(jié)霜容器中的氣流的至少一部分的溫度降低到固體C02通過反升華而沉積所處 的溫度；以及構(gòu)造成以便提高供給到結(jié)霜容器的氣流的氣壓的壓縮機。低溫制冷系統(tǒng)可優(yōu)選能夠在布置成以便接觸氣流的結(jié)霜容器中的表面處提供C02 的反升華可發(fā)生的溫度，諸如-110°C或更低，或者-115°c或更低，或者-120°c或更低的溫 度。低溫制冷系統(tǒng)可優(yōu)選構(gòu)造成以便利用合適的低溫制冷劑作為獨立的單元來操作?？赡?適用于與反升華系統(tǒng)一起使用的低溫制冷系統(tǒng)的實例包括但是不限于氣體循環(huán)制冷系統(tǒng)、 串聯(lián)制冷系統(tǒng)以及集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)。在一個實施例中，低溫制冷裝置包括氣體循環(huán)制 冷系統(tǒng)、串聯(lián)制冷系統(tǒng)或集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)。結(jié)合了選自氣體循環(huán)制冷系統(tǒng)、串聯(lián)制冷系 統(tǒng)或集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)的低溫制冷裝置與結(jié)霜容器中的氣流的升高的壓力的一個實施 例是有利的，因為這種制冷裝置的功率消耗很大程度上取決于所需的溫度。因此，其中選自 氣體循環(huán)制冷系統(tǒng)、串聯(lián)制冷系統(tǒng)或集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)的低溫制冷裝置與結(jié)霜容器中的 氣流的升高的壓力結(jié)合在一起的實施例，可提供反升華系統(tǒng)的總體操作成本的顯著降低。壓縮機可優(yōu)選構(gòu)造成能夠?qū)饬鞯膲毫μ岣叩礁哂诖髿鈮毫?即大約1. 0巴)， 優(yōu)選高于1. 2巴，更優(yōu)選高于1. 5巴或2. 0巴。該壓縮機可例如能夠?qū)饬鞯膲毫μ岣叩?1.2至30.0巴的范圍中，諸如在1.5到30.0巴或2.0到30.0巴的范圍中。由于實用性的 原因，壓力可保持低于10. 0巴，例如在從1. 2到10. 0巴的范圍中，諸如在1. 5到10. 0巴或 2. 0到10. 0巴的范圍中，因為這可允許除了引入壓縮機之外在很小的修改或者不用修改的 情況下使用構(gòu)造成用于以大氣壓力操作的現(xiàn)有的反升華系統(tǒng)。在一個實施例中，反升華系統(tǒng)進一步包括構(gòu)造成以便接收從結(jié)霜容器中排放的、 處于升高的壓力的氣流并且將壓力轉(zhuǎn)換成機械能或電能的換能器。該換能器可例如包括渦輪膨脹器或能夠?qū)鈮恨D(zhuǎn)換成機械能和/或電能的其它 裝置。在包括換能器的一個實施例中，該換能器和壓縮機可處于機械連接或電連接，使得在 換能器中產(chǎn)生的機械能或電能可至少部分地在壓縮機中再循環(huán)。該反升華系統(tǒng)可包括并聯(lián)的兩個或者更多個結(jié)霜容器。這允許一個或多個結(jié)霜容 器以結(jié)霜模式操作，而一個或多個其它結(jié)霜容器可以化霜模式操作。因而，包括兩個或者更 多個結(jié)霜容器的反升華系統(tǒng)可構(gòu)造成以便差不多持續(xù)地在運行-備用(duty-standby)循 環(huán)中操作，而不會有關(guān)于化霜的中斷。因而，在一個實施例中，該反升華系統(tǒng)進一步包括另 外的結(jié)霜容器，其中兩個結(jié)霜容器并列布置，從而允許這兩個結(jié)霜容器以運行-備用循環(huán) 來操作。如上所述，關(guān)于第一方面，氣流的溫度可優(yōu)選在引入結(jié)霜容器中之前降低。因此， 反升華系統(tǒng)可包括布置在結(jié)霜容器的上游并且構(gòu)造成以便將氣流冷卻到對于引入結(jié)霜容 器而言合適的溫度的一個或多個預(yù)冷卻裝置。在一個實施例中，該反升華系統(tǒng)進一步包括布置在結(jié)霜容器的上游且構(gòu)造成以便 將氣流冷卻到0到10°C的范圍中的溫度的第一預(yù)冷卻裝置。該第一預(yù)冷卻裝置可例如包括 冷卻塔。該反升華系統(tǒng)可進一步包括布置在結(jié)霜容器的上游且構(gòu)造成以便將氣流冷卻到-20到-60°C的范圍中的溫度的第二預(yù)冷卻裝置。18。該第二預(yù)冷卻裝置可例如包括工 業(yè)制冷裝置。從結(jié)霜容器排放的減少了 C02的冷的氣流可有利地用于冷卻將被引入結(jié)霜容器 中的氣流。在一個實施例中，反升華系統(tǒng)進一步包括熱交換器，其構(gòu)造成以便接收從結(jié)霜容 器排放的冷的氣流，并且使用它來降低將被引入該結(jié)霜容器中的氣流的溫度?？扇Q于例如是否最大化熱交換器中的冷卻效率或換能器產(chǎn)生的機械能或電能 來選擇結(jié)霜容器的上游的壓縮機的位置，以及結(jié)霜容器的下游的換能器的位置。在一個實施例中，壓縮機布置在熱交換器的上游。在一個實施例中，換能器布置在熱交換器的下游。本發(fā)明的所有方面的所有實施例的所有特征可以它們的任何可行的組合來使用， 只要這樣的組合如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有進行不恰當(dāng)試驗的情況下確定的那樣并非 可證明是不可行的。在本公開中，用語"氣流"可指包含C02的任何氣體混合物的流。然而，“氣流" 可典型地為由于有機材料(諸如可再生或非可再生燃料)的燃燒產(chǎn)生的煙氣流。如果將要 根據(jù)本發(fā)明來處理的氣流包括不適于處于反升華系統(tǒng)中，或不適于本發(fā)明的其它特征的化 學(xué)物類或微粒，則這種物類或微?？勺畛跬ㄟ^技術(shù)人員已知的分離技術(shù)來去除。本文中的用語"化霜"指冰到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。特別地，其指C02冰(即固體 C02)到另一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。本公開中所使用的用語"上游"和"下游"指的是沿著氣流的位置。本公開中的氣壓以"巴"為單位給出，除非另有規(guī)定。本文所使用的單位"巴" 指的是絕對壓力，即相對于諸如完全真空中的絕對零壓力的壓力。


圖1是構(gòu)造成以便以升高的壓力操作的反升華系統(tǒng)的一個實施例的圖示。圖2是構(gòu)造成以便以升高的壓力操作的反升華系統(tǒng)的一個實施例的圖示。
具體實施例方式大體上，用于從氣流中去除C02的反升華系統(tǒng)包括預(yù)冷卻系統(tǒng)，以及包括低溫制 冷系統(tǒng)的結(jié)霜容器。預(yù)冷卻系統(tǒng)大體包括構(gòu)造成以便在引入結(jié)霜容器中之前降低氣流的溫 度的一些冷卻級。該預(yù)冷卻允許最小化結(jié)霜容器的冷卻容量。當(dāng)經(jīng)預(yù)冷卻的氣流被引入結(jié) 霜容器時，該經(jīng)預(yù)冷卻的氣流的溫度可大體在-80到-100°C的范圍中。在結(jié)霜容器中，借助 于低溫制冷系統(tǒng)，氣流的溫度被進一步降低到C02的反升華發(fā)生所處的溫度。在反升華期 間，存在于氣流中的C02凝結(jié)，并且被沉積在結(jié)霜容器的冷表面上。當(dāng)固體C02的層已經(jīng)積 聚，使得已達到結(jié)霜容器的裝載容量時，停止引入氣體，沉積的二氧化碳被來自低溫制冷系 統(tǒng)的熱的制冷劑流加熱，被加壓及液化，而熔合能和升華能由制冷過程回收。然后液化的二 氧化碳被排到存儲罐。氣流還可在引入結(jié)霜容器之前經(jīng)受其它預(yù)處理，例如水蒸氣的冷凝，和/或滌氣 或過濾，以去除包含在氣流中的特定物質(zhì)和其它污染物。
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下文中，將參照附圖詳細地描述構(gòu)造成用于在升高的壓力處反升華C02的反升華 系統(tǒng)的實施例。圖1表示了構(gòu)造成以便以升高的壓力操作的反升華系統(tǒng)的一個實施例。在圖1 所示的實施例中，該反升華系統(tǒng)包括結(jié)霜容器101，其包括構(gòu)造成以便接收氣流的氣體入口 102、氣體出口 103和液體出口 104。該結(jié)霜容器進一步包括低溫制冷系統(tǒng)105，其帶有構(gòu) 造成以便接收低溫制冷劑以及從穿過結(jié)霜容器的氣流吸收熱量的熱交換器106。低溫制冷 系統(tǒng)105可優(yōu)選能夠在布置成以便接觸氣流的熱交換器106的表面(本文中也稱為"冷 表面")處提供C02的反升華可發(fā)生所處的溫度，諸如-110°C或更低、或-115°C或更低、 或-120°C或更低的溫度。低溫制冷系統(tǒng)105可優(yōu)選包括能夠提供足夠低的溫度的工業(yè)制冷 系統(tǒng)107。可適于與反升華系統(tǒng)一起使用的工業(yè)制冷系統(tǒng)的實例包括但不限于氣體循環(huán)制 冷系統(tǒng)、串聯(lián)制冷系統(tǒng)以及集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)。熱交換器106可優(yōu)選構(gòu)造成以便有助于 與從氣體入口到氣體出口穿過結(jié)霜容器的氣流的接觸，以及提供暴露于與氣流的接觸的冷 表面的高的表面積。圖1所示的反升華系統(tǒng)的實施例進一步包括用于提高氣流的氣壓的裝置108(本 文中也稱為"壓縮機")。壓縮機108可沿著氣流在結(jié)霜容器的上游布置在任何合適的位 置或與結(jié)霜容器的氣體入口 102直接連接。壓縮機108可優(yōu)選構(gòu)造成能夠?qū)饬鞯膲毫μ?高到高于大氣壓力(即大約1.0巴)，優(yōu)選高于1.2巴，更優(yōu)選高于1.5巴或2.0巴。壓縮 機可例如能夠?qū)饬鞯膲毫μ岣叩教幱?. 2到30. 0巴的范圍中，諸如處于1. 5到30. 0巴 或2. 0到30. 0巴的范圍中。由于實用性的原因，壓力可保持低于10. 0巴，例如在從1. 2到 10. 0巴的范圍中，諸如在1. 5到10. 0巴或2. 0到10. 0巴的范圍中，因為這可允許在除了插 入壓縮機之外有很小的修改或者不用修改的情況下使用構(gòu)造成用于以大氣壓力操作的現(xiàn) 有的反升華系統(tǒng)。技術(shù)人員能夠選擇合適的壓縮機，以用于反升華系統(tǒng)的任何具體實施例。圖1所示的反升華系統(tǒng)的實施例進一步包括換能器109，其構(gòu)造成以便接收以升 高的壓力和低溫通過氣體出口 103從結(jié)霜容器排放的氣流，并且隨著氣體膨脹到更低的壓 力和升高的溫度將壓力轉(zhuǎn)換成機械能或電能。換能器109例如可為渦輪膨脹器，其中氣流 可膨脹到更低的壓力，并且產(chǎn)生機械功率和/或電功率(例如通過交流發(fā)電機)。機械功 率和/或電功率可被回收，以便補償壓縮機108中的壓縮功。此外，氣體將通過膨脹過程冷 卻，從而進一步降低系統(tǒng)的總體制冷需求。換能器109可沿著氣流在結(jié)霜容器101下游布置在任何合適的位置上或與結(jié)霜容 器的氣體出口 103直接連接。技術(shù)人員能夠選擇合適的換能器以用于反升華系統(tǒng)的任何具 體實施例。該反升華系統(tǒng)可布置成以半連續(xù)或分批的模式來操作。在半連續(xù)模式中，在結(jié)霜 期間允許氣流連續(xù)地流動通過結(jié)霜容器，直到已經(jīng)達到該結(jié)霜容器的C02裝載容量。當(dāng)已 經(jīng)達到結(jié)霜容器的C02裝載容量時，停止通過入口引入氣體，并且回收沉積在結(jié)霜容器中 的C02。在分批的模式中，預(yù)定量的氣體通過氣體入口被引入結(jié)霜容器，經(jīng)受C02結(jié)霜且隨 后通過氣體出口被釋放。該循環(huán)可重復(fù)，例如，直到已達到結(jié)霜容器的C02裝載容量，在此 之后回收沉積在結(jié)霜容器中的C02(例如通過使C02化霜且以液體或壓縮氣體的形式來收 集它)。低溫制冷系統(tǒng)105也可構(gòu)造成以便用于反升華系統(tǒng)的化霜模式-例如通過構(gòu)造成用于將熱的低溫制冷劑，或其它合適的熱交換介質(zhì)提供到熱交換器106，以便加速沉積在結(jié) 霜容器101中的固體C02的熔融或升華?；腃02可優(yōu)選通過液體出口 104排放以及以 液體形式收集在液體C02收集罐110中(例如通過閥111和泵112)。圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的反升華系統(tǒng)的另一個實施例。在圖2所示的實施例中， 反升華系統(tǒng)包括第一結(jié)霜容器201a和第二結(jié)霜容器201b，第一冷卻級213和第二冷卻級 214，以及熱交換器215。第一冷卻級213和第二冷卻級214以及熱交換器215構(gòu)造成用于 在氣流被引入第一結(jié)霜容器201a或第二結(jié)霜容器201b中之前預(yù)冷卻該氣流。第一冷卻級213和第二冷卻級214包括構(gòu)造成以便降低氣流的溫度的熱交換器裝 置。第一冷卻級213可例如構(gòu)造成以便將氣流從大約25到50°C冷卻到大約0到10°C，而 第二冷卻級214可例如構(gòu)造成以便將氣流從大約0到10°C冷卻到大約-20到-60°C。第一 冷卻級213可例如包括冷卻塔。第二冷卻裝置214可例如包括傳統(tǒng)的工業(yè)制冷單元。第一 冷卻級213和第二冷卻級214可構(gòu)造成以便采用從第一結(jié)霜容器或第二結(jié)霜容器排放的冷 的氣流，以便進一步降低將要被引入結(jié)霜容器的氣流的溫度。第一冷卻級和第二冷卻級也 可為串聯(lián)制冷系統(tǒng)、氣體循環(huán)制冷系統(tǒng)或其它類型的制冷系統(tǒng)的一部分。熱交換器215布置成以便通過使氣流與從第一結(jié)霜容器或第二結(jié)霜容器排放的 冷的氣流進行接觸以便與該冷的氣流進行熱交換來在氣流被引入第一結(jié)霜容器201a或第 二結(jié)霜容器201b之前進一步降低該氣流的溫度。從第一結(jié)霜容器或第二結(jié)霜容器排放的 冷的氣流的溫度可大體低于_80°C。熱交換器可例如構(gòu)造成以便將氣流的溫度從大約-20 到-60°C降低到大約-80到-100°C。第一結(jié)霜容器201a和第二結(jié)霜容器201b各自包括構(gòu)造成以便從熱交換器215接 收經(jīng)預(yù)冷卻的氣流的氣體入口 2(^a、202b，氣體出口 203a、20;3b和液體出口 2(Ma、204b。該 結(jié)霜容器進一步包括低溫制冷系統(tǒng)205，其具有構(gòu)造成以便接收低溫制冷劑以及從穿過該 結(jié)霜容器的氣流中吸收熱量的熱交換器206a，206b。低溫制冷系統(tǒng)205可優(yōu)選能夠在布置 成以便接觸氣流的熱交換器206a，206b的表面(本文中也稱為"冷表面")處提供C02的 反升華可發(fā)生所處的溫度，諸如-120°C或更低的溫度。熱交換器206a，206b可優(yōu)選構(gòu)造成 以便有助于與從氣體入口到氣體出口穿過結(jié)霜容器201a，201b的氣流接觸，并且有助于提 供暴露于與氣流的接觸的冷表面的高的表面積。該反升華系統(tǒng)可進一步包括布置成以便在化霜期間從結(jié)霜容器接收液體C02的 液體C02收集罐210。C02收集罐與結(jié)霜容器201a和201b的液體出口 204a，204b流體連 接。該流體連接可優(yōu)選包括閥211a或211b以及泵212。當(dāng)該系統(tǒng)以結(jié)霜模式操作時，熱交換器206a，206b構(gòu)造成以便從低溫制冷系統(tǒng) 205接收低溫制冷劑，以及從穿過結(jié)霜容器201a，201b的氣流吸收熱量。低溫制冷系統(tǒng)205 可優(yōu)選能夠在布置成以便接觸氣流的熱交換器206a，206b的表面(本文中也稱為"冷表 面")上提供C02的反升華可發(fā)生所處的溫度，諸如-120°C或更低的溫度。熱交換器206a， 206b可優(yōu)選構(gòu)造成以便有利于與從氣體入口 202到氣體出口 203穿過結(jié)霜容器的氣流的接 觸，以及提供暴露于與氣流的接觸的冷表面的高的表面積。該低溫制冷系統(tǒng)205還可構(gòu)造成以便用于反升華系統(tǒng)的化霜模式中-例如通過構(gòu) 造成用于將熱的低溫制冷劑或其它合適的熱交換介質(zhì)提供到熱交換器206a，206b，以加速 沉積在結(jié)霜容器中的固體C02的熔融或升華?；腃02可優(yōu)選通過液體出口 204a，204b排放，并且以液體形式收集在液體C02收集罐210中。圖2所示的反升華系統(tǒng)可以運行-備用循環(huán)操作。這意味著第一結(jié)霜容器用于結(jié) 霜模式(運行循環(huán))中，而第二結(jié)霜容器用于化霜模式(備用循環(huán))中。一旦第一容器中 的結(jié)霜操作和/或第二容器中的化霜操作完成，就可反轉(zhuǎn)操作。這允許系統(tǒng)基本連續(xù)地操 作(即便各個結(jié)霜容器的操作是半連續(xù)的)。圖2所示的反升華系統(tǒng)的實施例進一步包括用于提高氣流的氣壓的裝置208(本 文中也稱為"壓縮機")。在該實施例中，壓縮機布置在結(jié)霜容器的上游、第二冷卻級214 與熱交換器215之間。然而，壓縮機208可備選地沿著氣流在結(jié)霜容器的上游布置在任何 合適的位置，或者與結(jié)霜容器的氣體入口直接連接。壓縮機208可優(yōu)選構(gòu)造成能夠?qū)饬?的壓力提高到高于大氣壓力(即大約1. 0巴)，優(yōu)選高于1. 2巴，更優(yōu)選高于1. 5巴或2. 0 巴。壓縮機可優(yōu)選構(gòu)造成能夠?qū)饬鞯膲毫μ岣叩礁哂诖髿鈮毫?即大約1. 0巴)，優(yōu)選高 于1. 2巴，更優(yōu)選高于1. 5巴或2. 0巴。壓縮機可例如能夠?qū)饬鞯膲毫μ岣叩教幱?. 2 到30.0巴的范圍中，諸如處于1.5到30.0巴或2.0到30.0巴的范圍中。由于實用性的 原因，壓力可保持低于10. 0巴，例如在從1. 2到10. 0巴的范圍中，諸如在1. 5到10. 0巴或 2. 0到10. 0巴的范圍中，因為這可允許在除了插入壓縮機之外只有很小的修改或不用修改 的情況下使用構(gòu)造成用于以大氣壓力來操作的現(xiàn)有的系統(tǒng)。技術(shù)人員能夠選擇合適的壓縮 機，以用于反升華系統(tǒng)的任何具體實施例。圖2所示的反升華系統(tǒng)的實施例進一步包括換能器209，其構(gòu)造成以便接收以升 高的壓力從結(jié)霜容器排放的氣流，并且將壓力轉(zhuǎn)換成機械能或電能。換能器209可例如為 渦輪膨脹器，其中氣流可膨脹到更低壓力并且產(chǎn)生機械功率?？苫厥赵摍C械功率以便補償 壓縮機208中的壓縮的功。此外，氣體將通過膨脹過程而冷卻，從而進一步降低了系統(tǒng)的總 體制冷需求。在該實施例中，換能器209布置在結(jié)霜容器下游、在結(jié)霜容器201a，201b與熱 交換器215之間。然而，換能器可備選地沿著氣流在結(jié)霜容器的下游布置在任何合適的位 置上，或者與結(jié)霜容器的氣體出口直接連接。技術(shù)人員能夠取決于例如機械功率和制冷之 間的期望的平衡來確定換能器的最合適的位置。技術(shù)人員能夠選擇合適的換能器，以用于 反升華系統(tǒng)的任何具體實施例?，F(xiàn)在將描述使用如圖1所示的反升華系統(tǒng)從氣流中去除C02的過程。將要從其 中去除C02的氣流，可選地在去除水、微粒和其它污染物之后首先經(jīng)受預(yù)冷卻階段，其中氣 流的溫度在一個或多個冷卻步驟中被逐步地降低。氣流的溫度可例如在第一冷卻步驟中、 例如使用利用水作為冷卻介質(zhì)的冷卻塔從大約25到50°C或更高的溫度被降低到大約0到 10°C的溫度，且在第二冷卻步驟中使用傳統(tǒng)的制冷方法從大約0到10°C的溫度被降低到大 約-20到-60°C的溫度。預(yù)冷卻階段可進一步包括另外的冷卻步驟，其中氣流的溫度在熱交 換器中通過使用從在其中執(zhí)行結(jié)霜的結(jié)霜容器中排放的冷的氣流而被進一步降低。在該熱 交換器中，氣流的溫度可例如從大約-20到_60°C被降低到大約-80到-100°C。氣流進一步經(jīng)歷壓縮階段，其中氣流的氣壓增大(例如通過壓縮機)到超過大氣 壓力的壓力。壓縮可在預(yù)冷卻階段之前、期間或者之后執(zhí)行，但是其可優(yōu)選在預(yù)冷卻階段 后執(zhí)行，或者在緊接在與從結(jié)霜容器排放的冷的氣流進行熱交換之前的預(yù)冷卻階段期間執(zhí) 行。氣流的壓力可優(yōu)選被提高到顯著地高于大氣壓力(即大約1.0巴)的壓力，優(yōu)選被提 高到高于1. 2巴、更優(yōu)選高于1. 5巴或2. 0巴的壓力。升高的壓力可例如在1. 2到30. 0巴
10的范圍中，諸如在1. 5到30. 0巴或2. 0到30. 0巴的范圍中。由于實用性的原因，壓力可保 持低于10. 0巴，例如在從1. 2到10. 0巴的范圍中，諸如在1. 5到10. 0巴或2. 0到10. 0巴 的范圍中。在結(jié)霜階段，經(jīng)預(yù)冷卻的以及經(jīng)壓縮的氣流通過氣體入口被引入結(jié)霜容器中，在 結(jié)霜容器中執(zhí)行C02的反升華。在該結(jié)霜容器中，使氣流與低溫制冷系統(tǒng)的冷表面進行 接觸。冷表面足夠冷到引起存在于氣流中的C02氣體的反升華，以在冷表面上形成固體 C02冰的沉積物。冷表面的至少一部分可具有-110°C或更低，優(yōu)選_115°C或更低，且更優(yōu) 選_120°C或更低的表面溫度。然后減少了 C02的氣流通過氣體出口排放，仍然處于低溫和 升高的壓力。然后減少了 C02的冷的排放氣流可經(jīng)歷膨脹階段，其中氣流的氣壓例如在渦輪膨 脹器中被降低。在膨脹階段中，在產(chǎn)生機械功率和/或電功率期間氣流的溫度升高，且氣流 的壓力降低。此外，例如通過渦輪膨脹器而在膨脹階段中產(chǎn)生的功率可有利地用來補償在 壓縮階段中壓縮氣流所需的功率。在膨脹階段之前或者之后，也可有利地使用從結(jié)霜容器排放的冷的氣體來在預(yù)冷 卻階段中冷卻進入氣流。從結(jié)霜容器排放的冷的氣體可例如用于以逐步地更高的溫度在熱 交換器中和預(yù)冷卻階段的一個或多個冷卻步驟中提供制冷。
權(quán)利要求
1.一種用于通過反升華從氣流中去除C02的方法，包括以下步驟a)將包含C02的氣流引入結(jié)霜容器；b)將所述結(jié)霜容器中的氣流的至少一部分的溫度降低到固體C02通過反升華而沉積 所處的溫度；c)從所述結(jié)霜容器排放減少了C02的氣流；以及d)回收沉積的固體C02；其中，步驟b)中的氣流的壓力高于大氣壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟b)中的氣流的壓力高于1.5巴。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟b)中的氣流的壓力高于2.0巴。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，步驟b)中的氣流的壓力低 于10. 0巴。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述氣流的壓力在該氣流 被引入到所述結(jié)霜容器中之前由壓縮機提高。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，在已經(jīng)執(zhí)行了步驟b)之后 降低所述氣流的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，壓力的降低被轉(zhuǎn)換成機械能或電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述機械能或電能在所述壓縮機中至少 部分地被再循環(huán)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，所述氣流的溫度在該氣流 被引入所述結(jié)霜容器中之前在一個或多個預(yù)冷卻步驟中被降低。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，當(dāng)氣流被引入所述結(jié)霜容 器時，所述氣流的溫度在-80到-100°C的范圍中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其特征在于，回收所述沉積的固體C02 包括使所述沉積的固體C02液化；以及從所述結(jié)霜容器中排出液化的C02。
12.一種用于從氣流中去除C02的反升華系統(tǒng)，包括構(gòu)造成以便接收氣流的結(jié)霜容器，所述結(jié)霜容器包括低溫制冷裝置，該低溫制冷裝置 構(gòu)造成用于將所述結(jié)霜容器中的氣流的至少一部分的溫度降低到固體C02通過反升華而 沉積所處的溫度；以及壓縮機，該壓縮機構(gòu)造成以便提高供給到所述結(jié)霜容器的氣流的氣壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述低溫制冷裝置包括氣體循 環(huán)制冷系統(tǒng)、串聯(lián)制冷系統(tǒng)或集成式串聯(lián)制冷系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12-13中任一項所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述反升華系統(tǒng)進 一步包括構(gòu)造成以便接收以升高的壓力從所述結(jié)霜容器排放的氣流并且將壓力轉(zhuǎn)換成機 械能或電能的換能器。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一項所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述反升華系統(tǒng)進 一步包括另外的結(jié)霜容器，其中這兩個結(jié)霜容器并列地布置，從而允許這兩個結(jié)霜容器以 運行-備用循環(huán)操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述反升華系統(tǒng)進 一步包括布置在所述結(jié)霜容器的上游且構(gòu)造成以便將氣流冷卻到0到10°C的范圍中的溫 度的第一預(yù)冷卻裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述第一預(yù)冷卻裝置包括冷卻塔。
18.根據(jù)權(quán)利要求16-17中的任一項所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述反升華系統(tǒng) 進一步包括布置在所述結(jié)霜容器的上游且構(gòu)造成以便將氣流冷卻到-20到-60°C的范圍中 的溫度的第二預(yù)冷卻裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述第二預(yù)冷卻裝置包括工業(yè) 制冷裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-19中的任一項所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述反升華系統(tǒng) 進一步包括構(gòu)造成以便接收從所述結(jié)霜容器排放的冷的氣流并且使用它來降低將要被引 入所述結(jié)霜容器中的氣流的溫度的熱交換器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機布置在所述熱交換 器的上游。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的反升華系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器布置在所述熱交換 器的下游。
全文摘要
一種通過反升華從氣流中去除CO2的方法，包括以下步驟a)將包含CO2的氣流引入結(jié)霜容器；b)將所述結(jié)霜容器中的該氣流的至少一部分的溫度降低到固體CO2通過反升華而沉積的溫度；c)從結(jié)霜容器中排放減少了CO2的氣流；以及d)回收沉積的固體CO2；其中步驟b)中的氣流的壓力高于大氣壓力。一種用于從氣流中去除CO2的反升華系統(tǒng)，包括構(gòu)造成以便接收氣流的結(jié)霜容器(101)，所述結(jié)霜容器包括低溫制冷裝置(107)，其構(gòu)造成用于將所述結(jié)霜容器中的氣流的至少一部分的溫度降低到固體CO2通過反升華而沉積所處的溫度；以及壓縮機(108)，其構(gòu)造成以便提高供給到結(jié)霜容器的氣流的氣壓。
文檔編號B01D53/00GK102112830SQ200980131144
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者C·M·蒙勒, W·G·黑斯 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司