УСТАНОВКА КОНДЕНСАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
CONDENSATION UNIT OF CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к энергетике, а именно к установкам для конденсации углекислого газа в составе энергетических установок, например парогазовой установке выработки тепловой и электрической энергии.
Известна установка для выработки механической и тепловой энергии (см. патент РФ 2665794 опубл. 04.09.2018), выбранная в качестве наиболее близкого аналога, включающая установку конденсации углекислого газа. При этом, установка для выработки механической и тепловой энергии которая состоит из последовательно соединенных первого охладителя отработанных газов, первого контактного охладителя отработанных газов, компрессора, второго контактного охладителя отработанных газов и второго охладителя отработанных газов, причем первый охладитель содержит теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода и теплообменник регенеративного нагревателя воды, второй охладитель содержит теплообменник регенеративного нагревателя кислорода, теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива и испаритель теплового насоса, соединенный с конденсатором теплового насоса, первый контактный охладитель, выполненный с возможностью конденсации по меньше мере части воды, содержащейся в отработанных газах, и содержащий по меньшей мере один ярус инжекторов, выполненных с возможностью подачи воды из первого контактного охладителя через циркуляционный насос и теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода, причем водяной контур первого охладителя отработанных газов выполнен с возможностью подачи воды в камеру сгорания через теплообменник регенеративного нагревателя воды с помощью водяного насоса-регулятора и в теплосеть с помощью теплофикационного насоса, второй контактный охладитель содержит инжекторы подачи воды, выполненные с возможностью подачи воды из контактного охладителя через циркуляционный насос и блок охлаждения воды, а вход парогазовой турбины соединен с выходом камеры сгорания, которая соединена с источником кислорода через насос-регулятор кислорода, теплообменник регенеративного нагревателя кислорода, смеситель, соединенный с накопителем жидкого диоксида углерода, и теплообменник регенеративного нагревателя смеси диоксида углерода и кислорода в блоке охлаждения воды второго контактного охладителя отработанных газов, с источником углеродсодержащего топлива через топливный насос-регулятор, теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива во втором охладителе отработанных газов и теплообменник регенеративного нагревателя углеродсодержащего топлива в блоке охлаждения воды второго контактного охладителя отработанных газов, с расположенным на выходе из второго охладителя отработанных газов накопителем жидкого диоксида углерода через углекислотный насос-регулятор, регенеративный нагреватель диоксида углерода и теплообменник регенеративного нагревателя диоксида углерода в первом охладителе отработанных газов. Таким образом, общими признаками известного устройства с заявленным изобретением являются установка включает линию подачи углекислого газа от источника углекислого газа, представляющим собой камеру сгорания установки для выработки механической и тепловой энергий, источники холода, которыми являются сжиженный кислород, поступающий в установку и сжиженный углеродсодержащий газ тепломассообменный аппарат (второй охладитель), холодильную установку, представляющую собой тепловой насос, выполненный с возможностью отведения тепла от конденсатора теплового насоса в окружающую среду через градирню. К недостаткам наиболее близкого аналога относятся повышенный расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также отсутствие рекуперации энергии, затраченной на такую конденсацию.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.
Технический результат заключается в снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл в виде тепла углекислого газа в сверхкритическом состоянии.
Технический результат достигается установкой конденсации углекислого газа, включающей линию (2) подачи углекислого газа от источника углекислого газа (1), по меньшей мере один источник (7) холода, тепломассообменный аппарат, холодильную установку (19), при этом содержит утилизатор (3) остаточного холода, тепломассообменный аппарат является тепломассообменным аппаратом (4) низкого давления, дополнительно содержит тепломассообменный аппарат (6) высокого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления, при этом каждый тепломассообменный аппарат (4, 5, 6) включает по меньшей мере один теплообменник (8) линии подачи холода, соединенный с по меньшей мере одним источником (7) холода и утилизатором (3) остаточного холода, также каждый тепломассообменный аппарат (4, 5, 6) включает барботер (9), при этом барботер (9) тепломассообменного аппарата (4) низкого давления соединен с линией (2) подачи углекислого газа от источника (1) углекислого газа, внутренние объемы тепломассообменных аппаратов (4, 5, 6) соединены между собой через дроссели (14), выполненные с возможностью регулирования уровня сконденсированного углекислого газа в каждом тепломассообменном аппарате (4, 5, 6), тепломассообменный аппарат
(4) низкого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат
(5) промежуточного давления соединены с линиями (10) отвода газообразного углекислого газа, при этом каждая линия (10) отвода газообразного углекислого газа включает компрессор (11), выполненный с возможностью подачи газообразного углекислого газа через утилизатор (3) остаточного холода в барботер (9) тепломассообменного аппарата следующей ступени давления, кроме того тепломассообменный аппарат (4) низкого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления соединены с линией (12) отвода сжиженного углекислого газа насосами (13), выполненными с возможностью отвода из этих тепломассообменных аппаратов (4, 5) сконденсированного углекислого газа в тепломассообменный аппарат (6) высокого давления, линию (15) отвода из тепломассообменного аппарата (6) высокого давления сжиженного углекислого газа, выполненную с возможностью отвода по меньшей мере части жидкого углекислого газа на захоронение, а другой части - насосом (16) высокого давления через утилизатор (3) остаточного холода к потребителям.
Линия (10) отвода газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления выполнена с возможностью прохождения углекислого газа через теплообменник (17) «газ-жидкость» линии (10) отвода газообразного углекислого газа по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата более высокой ступени давления, но отличного от тепломассообменного аппарата, к барботеру (9) которого подводится газообразный углекислый газ из теплообменного аппарата (4) низкого давления.
По меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления содержит по меньшей мере один теплообменник (18) «жидкость-жидкость» линии (12) отвода сжиженного углекислого газа, соединенный с линией (12) отвода сжиженного углекислого газа таким образом, что сжиженный углекислый газ в него поступает из тепломассообменного аппарата предыдущей ступени давления.
При количестве тепломассообменных аппаратов (5) промежуточного давления больше одного, по меньшей мере один из них, имеющий рабочее давление выше, чем другой тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления, включает по меньшей мере один теплообменник «газ-жидкость» линии отвода газообразного углекислого газа, выполненный с возможностью поступления в него газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления.
Холодильная установка (19) представляет собой тепловой насос, испаритель (20) которого установлен в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления.
По меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления и тепломассообменный аппарат (6) высокого давления включают по меньшей мере один теплообменник (21) «газ-жидкость» линии (2) подачи углекислого газа от источника углекислого газа.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.
На представленном чертеже показана схема установки. На представленном чертеже обозначены следующие элементы конденсатора углекислого газа.
1 - Источник углекислого газа;
2 - Линия подачи углекислого газа от источника 1;
3 - Утилизатор остаточного холода;
4 - Тепломассообменный аппарат низкого давления;
5 - Тепломассообменный аппарат промежуточного давления;
6 - Тепломассообменный аппарат высокого давления;
7 - Источник холода;
8 - Теплообменники линии подачи холода;
9 - Барботер;
10 - Линии отвода газообразного углекислого газа;
11 - Компрессоры линии отвода газообразного углекислого газа;
12 - Линия отвода сжиженного углекислого газа в тепломассообменный аппарат (6) высокого давления;
13 - Насосы линии отвода сжиженного углекислого газа;
14 - Дроссели;
15 - Линия отвода сжиженного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (6) высокого давления;
16 - Насос высокого давления линии (15);
17 - Теплообменник «газ-жидкость» линии (10) отвода газообразного углекислого газа;
18 - Теплообменник «жидкость-жидкость» линии (12) отвода сжиженного углекислого газа;
19 - Холодильная установка,
20 - Испаритель холодильной установки;
21 - Теплообменник «газ-жидкость» линии (2) подачи углекислого газа от источника (1) углекислого газа.
Установка конденсации углекислого газа включает линию (2) подачи углекислого газа от источника (1) углекислого газа, по меньшей мере один источник (7) холода, тепломассообменный аппарат, холодильную установку (19). Также установка содержит утилизатор (3) остаточного холода. Указанный тепломассообменный аппарат является тепломассообменным аппаратом (4) низкого давления. Установка дополнительно содержит тепломассообменный аппарат (6) высокого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления. При этом каждый тепломассообменный аппарат (4, 5, 6) включает по меньшей мере один теплообменник (8) линии подачи холода, соединенный с по меньшей мере одним источником (7) холода и утилизатором (3) остаточного холода. Кроме того, каждый тепломассообменный аппарат (4, 5, 6) включает барботер (9), при этом барботер (9) тепломассообменного аппарата (4) низкого давления соединен с линией (2) подачи углекислого газа от источника (1) углекислого газа. Внутренние объемы тепломассообменных аппаратов (4, 5, 6) соединены между собой через дроссели (14), выполненные с возможностью регулирования уровня сконденсированного углекислого газа в каждом тепломассообменном аппарате (4, 5, 6), что позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл. Тепломассообменный аппарат (4) низкого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления соединены с линиями (10) отвода газообразного углекислого газа, при этом каждая линия (10) отвода газообразного углекислого газа включает компрессор (9), выполненный с возможностью подачи газообразного углекислого газа через утилизатор (3) остаточного холода в барботер (9) тепломассообменного аппарата следующей ступени давления, что позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл. Кроме того, тепломассообменный аппарат (4) низкого давления и по меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления соединены с линией (12) отвода сжиженного углекислого газа насосами (8), выполненными с возможностью отвода из этих тепломассообменных аппаратов (4, 5) сконденсированного углекислого газа в тепломассообменный аппарат (6) высокого давления, таким образом достигается снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа за счет возвращения по меньшей мере части затраченной энергии в цикл. Линия отвода (15) из тепломассообменного аппарата (6) высокого давления сжиженного углекислого газа выполнена с возможностью отвода по меньшей мере части жидкого углекислого газа на захоронение, а другой части - насосом (16) высокого давления через утилизатор (3) остаточного холода к потребителям. Линия (10) отвода газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления выполнена с возможностью прохождения углекислого газа через теплообменник (17) «газ-жидкость» линии (10) отвода газообразного углекислого газа по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата более высокой ступени давления, но отличного от тепломассообменного аппарата, к барботеру (9) которого подводится газообразный углекислый газ из теплообменного аппарата (4) низкого давления, что дополнительно позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл.
По меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления содержит по меньшей мере один теплообменник (18) «жидкость-жидкость» линии (12) отвода сжиженного углекислого газа, соединенный с линией (12) отвода сжиженного углекислого газа таким образом, что сжиженный углекислый газ в него поступает из тепломассообменного аппарата предыдущей ступени давления, что дополнительно позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл.
При количестве тепломассообменных аппаратов (5) промежуточного давления больше одного, по меньшей мере один из них, имеющий рабочее давление выше, чем другой тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления, включает по меньшей мере один теплообменник «газ-жидкость» линии (10) отвода газообразного углекислого газа, выполненный с возможностью поступления в него газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления, что также дополнительно позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл.
Холодильная установка (19) представляет собой тепловой насос, испаритель (20) которого установлен в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления, что обеспечивает поддержание необходимого уровня сжиженного углекислого газа как в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления, так и в установке в целом, что в свою очередь за счет аккумулирования холода в сжиженном углекислом газе может обеспечить рекуперацию по меньшей мере части затраченной энергии обратно в цикл.
По меньшей мере один тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления и тепломассообменный аппарат (6) высокого давления включают по меньшей мере один теплообменник (21) «газ-жидкость» линии (2) подачи углекислого газа от источника углекислого газа. Таким образом, количество различных теплообменников, содержащихся в установке, позволяет добиться более полной рекуперации тепловой энергии в установке, что уменьшит затраты энергии на конденсацию углекислого газа. Устройство работает следующим образом.
Поток углекислого газа от источника углекислого газа (1), например, выхлоп бескомпрессорной ПТУ, по линии (2) подачи углекислого газа поступает в утилизатор (3) остаточного холода, где охлаждается до температуры жидкой двуокиси углерода в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления и проходит через по меньшей мере один теплообменник (21) «газ-жидкость» тепломассообменного аппарата (6) высокого давления. Затем проходит через по меньшей мере один теплообменник (21) «газ-жидкость» по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата (5) промежуточного давления, где охлаждается до температуры близкой к температуре жидкой двуокиси углерода в тепломассообменном аппарате (4) низкого давления. После этого, охлажденный углекислый газ подается к барботеру (9) тепломассообменного аппарата (4) низкого давления и барботируется. Часть барботированного газа конденсируется в зависимости от того, сколько холода подведено в тепломассообменный аппарат (4) низкого давления от по меньшей мере одного источника (7) холода, которым может быть, например, сжиженный кислород и/или сжиженный природный газ, при этом холод от по меньшей мере одного источника (7) холода по линии подачи холода направляют через по меньшей мере один теплообменник (8) линии подачи холода каждого тепломассообменного аппарата (4, 5, 6), а не сконденсировавшийся газ поступает в линию (10) отвода газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления и с помощью компрессора (11) его давление повышается до давления, соответствующего давлению в очередном тепломассообменном аппарате (5) промежуточного давления, к барботеру (9) которого подводится углекислый газ из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления, при этом газообразный углекислый газ по линии (10) отвода газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления также проходит через утилизатор (3) остаточного холода и по меньшей мере один теплообменник (17) «газ-жидкость» по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата, имеющего рабочее давление больше, чем тепломассообменный аппарат (5) промежуточного давления, к барботеру которого подается газообразный углекислый газ из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления, после чего углекислый газ барботируются в тепломассообменном аппарате (5) промежуточного давления, где часть углекислого газа конденсируется, а несконденсированный углекислый газ аналогичным образом отводится из тепломассообменного аппарата (5) промежуточного давления в линию (10) отвода газообразного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (5) и очередным компрессором (11) через утилизатор (3) остаточного холода подается к барботеру (9) тепломассообменного аппарата следующей ступени давления, что позволяет достичь снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл в виде тепла углекислого газа в сверхкритическом состоянии. Таким образом, несконденсированный углекислый газ подается из одного тепломассообменного аппарата, имеющим относительно более низкое давление, в следующий тепломассообменный аппарат, имеющим относительно более высокое давление, при этом, чем больше ступеней давлений конденсации, соответствующих количеству тепломассообменных аппаратов, имеет установка, то есть чем больше тепломассообменных аппаратов (5) промежуточного давления, тем большее снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, достигается, а также повышается возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл в виде тепла углекислого газа в сверхкритическом состоянии.
2
Сжиженный углекислый газ по линии (12) отвода сжиженного углекислого газа из тепломассообменного аппарата (4) низкого давления насосом (13) перекачивается в тепломассообменный аппарат (6) высокого давления через по меньшей мере один теплообменник (18) «жидкость-жидкость» по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата (5) промежуточного давления. А из по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата (5) промежуточного давления сжиженный углекислый газ насосом (13) отвода сжиженного углекислого газа из по меньшей мере одного тепломассообменного аппарата (5) промежуточного давления направляется в эту же линию (12) отвода сжиженного углекислого газа и поступает в тепломассообменный аппарат (6) высокого давления, что позволяет поддерживать требуемый уровень сжиженного углекислого газа в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления и в установке в целом, а также обеспечивает снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа. Далее из тепломассообменного аппарата (6) высокого давления требуемая часть сжиженного углекислого газа насосом (16) высокого давления через утилизатор (3) остаточного холода подается в соответствующую систему. Излишнее количество сжиженного углекислого газа может быть направлено на захоронение. Если в каком-либо по меньшей мере одном тепломассообменном аппарате (5) промежуточного или низкого (6) давления уровень сжиженного углекислого газа продолжает падать при наименьшем расходе откачиваемого сконденсированного углекислого газа, то включается соответствующий дроссель (14) системы регулирования уровня сжиженного СО и поддерживает его требуемый уровень за счет распределения сжиженного углекислого газа между тепломассообменными аппаратами (4, 5, 6), что также обеспечивает снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, так как сжиженный углекислый газ в тепломассообменных аппаратах является аккумулятором холода, а количество этого сжиженного углекислого газа обеспечивает необходимую «мощность» конденсации в зависимости от количества газа, поступающего из источника (1) углекислого газа. Компрессоры (11) служат регуляторами давления в тепломассообменных аппаратах (4, 5, 6) и соответственно температуры (жидкая и газообразная фазы двуокиси углерода в этих аппаратах находятся в равновесном состоянии, поэтому давление и температура однозначно связаны), что также обеспечивает циркуляцию углекислого газа в установке с возможностью снижения расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл в виде тепла углекислого газа в сверхкритическом состоянии. Также дополнительным источником холода является холодильная установка (19), представляющая собой тепловой насос, испаритель (20) которого установлен в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления, что позволяет обеспечить поддержание заданного уровня сконденсированного углекислого газа в тепломассообменном аппарате (6) высокого давления.
Таким образом, чтобы сконденсировать углекислый газ надо затратить энергию на повышение его давления и на работу холодильной установки (19). Давление надо, как минимум, повысить до 0,6 МПа в тепломассообменном аппарате (4) низкого давления (при более низком давлении будет переход сразу в твердую фазу). Если конденсировать при 0,6 МПа, расход энергии на повышение давления будет минимальный, но температура конденсации будет около 220 К. Конденсация при температуре потребует значительных затрат энергии на привод холодильной установки (19). Во-первых, потому, что будет использоваться не весь холод имеющихся источников (7) холода (только до температуры конденсации). А во-вторых, при снижении температуры конденсации резко падает коэффициент преобразования энергии холодильной установки (19). Другой крайний случай, можно конденсировать при температуре выше температуры окружающей среды. Тогда нет необходимости в холодильной установке (19), но затраты энергии на повышение давления конденсируемого газа будут очень большие. Наличие низкотемпературных источников (7) холода позволяет часть углекислого газа сконденсировать при более низких температурах.
Таким образом, достигается снижение расхода энергии, затрачиваемой на конденсацию углекислого газа, а также возвращение по меньшей мере части затраченной энергии в цикл в виде тепла углекислого газа в сверхкритическом состоянии.