本發(fā)明涉及一種用于氣流中、尤其煙氣流中的二氧化碳的分離設備。此外，本發(fā)明涉及一種用于從氣流中、尤其從煙氣流中分離二氧化碳的方法。
背景技術：
在氣候變化的背景下，全球目標是減少到大氣中的有害物質的排放。這尤其適用于二氧化碳(CO2)的排放，二氧化碳在大氣中聚集，阻礙地球的熱輻射，進而作為溫室效應引起地表溫度的升高。
尤其在礦物燃料燃燒的用于產(chǎn)生電能或熱量的發(fā)電廠中，通過燃燒礦物燃料，產(chǎn)生含二氧化碳的氣體或煙氣。為了避免或減少到大氣中的二氧化碳排放，必須將二氧化碳從煙氣中分離。相應地，尤其在現(xiàn)有的礦物燃料燃燒的發(fā)電廠中，討論適合的措施，以便在燃燒之后將產(chǎn)生的二氧化碳從煙氣中分離(Post-Combustion-Capture，燃燒后捕獲)。
作為技術上的實施方案，為此將包含在煙氣中的二氧化碳在分離設備中通過借助于適合的清洗介質或吸收介質的吸收-解吸過程從相應的煙氣流中洗出。在這種過程中，需要對在分離設備中使用的設備部件或相應的流體流進行冷卻。因此，例如需要在進入到分離設備的吸收器之前對氣流進行冷卻，對用于吸收二氧化碳的清洗介質進行冷卻，同樣需要在解吸器頂部處對富含二氧化碳的氣體出流進行冷卻。
通常為此使用液體冷卻的冷卻單元和尤其水冷卻的冷卻單元。然而，水冷卻尤其在如下地點是成問題的，在所述地點，無水可用或僅少量的水可用。水冷卻的冷卻單元的使用在此是不經(jīng)濟的，因為水至期望的地點的供應與高的耗費關聯(lián)進而因此與相應高的成本關聯(lián)。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明基于的第一目的是，對于用于二氧化碳的分離設備，提出一種盡可能成本適宜的且在方法以及設備方面可盡可能簡單實現(xiàn)的用于冷卻所使用的設備部件的可能性。
本發(fā)明基于的第二目的是，提出一種用于分離二氧化碳的方法，其中對流體流的必要的冷卻是盡可能成本適宜且有效的。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的第一目的通過一種用于氣流中、尤其煙氣流中的二氧化碳的分離設備來實現(xiàn)，所述分離設備包括：吸收器，所述吸收器用于借助于清洗介質將二氧化碳從氣流中分離；與吸收器流體連接的解吸器，所述解吸器用于從清洗介質中釋放吸收的二氧化碳；在吸收器上游流體連接的氣體冷卻器，所述氣體冷卻器用于冷卻氣流；以及在氣體冷卻器下游連接的處理單元，所述處理單元構建和構成為用于清潔出自氣體冷卻器的水。
在第一步驟中，本發(fā)明基于如下事實：在無法獲取水的地點，代替常用的水冷卻的冷卻單元，通常使用空氣冷卻的冷卻單元。然而，在這種空氣冷卻器中，由于高的氣體側的傳熱阻力，需要大的冷卻面和高性能的風扇，使得空氣冷卻器具有相應大的空間需求并且造成高的噪音排放以及高的投資和運行成本。然而，在缺少替選方案的情況下，容忍上述缺點。
在第二步驟中，本發(fā)明考慮如下事實：由于包含在燃料中的含氫的化合物，水此外作為燃燒產(chǎn)物包含在礦物燃料燃燒的發(fā)電廠的煙氣中。因為煙氣在進入到分離設備或相應的吸收器之前必須冷卻，所以包含在煙氣中的水在吸收器上游連接的氣體冷卻器中冷凝出來。為了在盡管出現(xiàn)冷凝物的情況下仍將用于冷卻煙氣的冷卻劑的量保持恒定，必須在運行時從氣體冷卻器中提取相應的子流。所述子流通常未經(jīng)使用地作為廢水丟棄。
在考慮上述內容的情況下，本發(fā)明在第三步驟中令人驚訝地認識到，能夠將從氣體冷卻器中提取的子流——代替丟棄——有針對性地用作為冷卻水。這能夠通過在氣體冷卻器下游連接的處理單元實現(xiàn)，借助于所述處理單元，能夠有針對性地清潔氣體冷卻器中的過量的水。
能夠將從氣體冷卻器中提取的水的子流輸送給處理單元，將其在所述處理單元中清潔并且然后在用于二氧化碳的分離過程的范圍中用于冷卻設備部件和/或流體流。作為替選方案，能夠儲備在處理單元中清潔的水，以備稍后的使用。換言之，通過提取和隨后清潔至今丟棄的廢水，能夠在現(xiàn)場生成冷卻水并且有針對性地使用所述冷卻水。
尤其，清潔的水能夠用于無腐蝕地噴射冷卻(Spraycooling)已經(jīng)使用的空氣冷卻器。在此，清潔的水近似無殘留地蒸發(fā)。通過排出蒸發(fā)焓，冷卻空氣流并且改進熱傳遞。由此，一方面空氣冷卻器的尺寸能夠更小地設計，并且另一方面能夠在工藝方面實現(xiàn)更低的溫度。
總的來說，對廢氣組分水的有針對性的獲取、清潔和可能的儲存和其隨后的使用有利于用于氣流中的二氧化碳的分離過程的更有效的冷卻。由此，在使用空氣冷卻器時，除了節(jié)約投資和運行成本之外，同時能夠實現(xiàn)減少所需要的安置面和噪音排放。附加地，在現(xiàn)場有針對性地生成冷卻水能夠即使在無法直接獲取水的地點也實現(xiàn)水冷卻的冷卻單元的使用。
在氣體冷卻器下游連接的處理單元例如能夠在冷凝側上與所述氣體冷卻器流體連接，使得能夠將要清潔的水從冷卻器直接輸送給處理單元。作為替選方案，使用不直接連接的處理單元也是可行的，將要清潔的水首先運輸至所述處理單元并且在那里清潔。
作為氣體冷卻器優(yōu)選使用常規(guī)的煙氣冷卻器、所謂的煙道-氣體-冷卻器。對從氣體冷卻器提取的水的清潔和隨后——間接地或直接地——繼續(xù)使用的可能性同樣使得使用水冷卻的冷卻單元是可行的，所述水冷卻的冷卻單元迄今在相應的分離設備的地點處缺水的情況下是不可行的或僅在有限的情況下是可行的。
在本發(fā)明的一個有利的設計方案中，處理單元經(jīng)由輸入管路與氣體冷卻器的冷凝側流體連接。輸入管路在此能夠直接與氣體冷卻器連接，并且能夠實現(xiàn)將在氣體冷卻器中產(chǎn)生的水的至少一個子流輸送至處理單元。在此，從氣體冷卻器提取所產(chǎn)生的水適當?shù)爻掷m(xù)進行，以便在運行時將在氣體冷卻器之內的冷卻氣流所需要的水量保持恒定。也就是說，作為冷凝物從煙氣中產(chǎn)生的水在典型的煙道-氣體-冷卻器中與用于冷卻氣流的水混合。在此，提取的水量尤其與通過冷卻從氣流或煙氣中冷凝出的水量相關。換言之，取出的水量基本上與從煙氣中冷凝出的水量成比例。
在一個優(yōu)選的變型方案中，氣體冷卻器連接到冷卻劑回路中，所述冷卻劑回路經(jīng)由輸入管路與處理單元流體連接。冷卻劑回路適當?shù)匕崴苈?、冷水管路以及在這兩個管路之間設置的冷卻單元。輸入管路優(yōu)選連接于冷卻劑回路的熱水管路。在氣體冷卻器中加熱的冷卻水經(jīng)由熱水管路尤其與出自氣體冷卻器的冷凝物一起引出。經(jīng)由輸入管路，將從氣體冷卻器中流出的水的子流輸送給處理單元并且在那里相應地清潔。將其余的水、即主流輸送給冷卻單元，在那里冷卻，并且經(jīng)由冷水管路再次輸送給氣體冷卻器，以重新冷卻流入的氣流。
為了能夠實現(xiàn)對輸送給處理單元的廢水的期望的清潔，處理單元優(yōu)選包括反滲透設備。在此，將廢水擠壓穿過合成的半滲透的薄膜，所述薄膜允許水穿過，然而不允許包含的雜質穿過。清潔的水在薄膜的一側上聚集，隨后能夠輸送所述水以使用和/或儲存。在薄膜的另一側上，能夠將分離的雜質作為廢物流丟棄。
能夠將在處理單元中尤其借助于反滲透設備清潔的水隨后輸送給暫時的儲存裝置并且根據(jù)需要使用。對此，在一個有利的設計方案中，處理單元包括儲備箱。儲備箱例如能夠流體連接于反滲透設備。作為替選方案，使用單獨分開的儲備箱是可行的，將清潔的水從處理單元開始運輸至所述儲備箱。
如果在分離設備中使用的冷卻單元構成為空氣冷卻器，那么對清潔的水的儲存或儲備是特別有利的。因此，尤其能夠在外界溫度低時并且與季節(jié)和/或白晝相關地儲存清潔的水，并且借助純的空氣冷卻運行分離設備。在室外溫度較高時，當純的空氣冷卻不再足夠時，能夠將儲存的水用于空氣冷卻器的噴射冷卻法。在此，在儲備箱中儲存的水原則上能夠用于冷卻所有在分離設備中使用的冷卻單元。
對在儲備箱之內暫時儲存清潔的水替選地或附加地，將水在其在處理單元中清潔之后直接使用也是可行的。
在一個有利的設計方案中，處理單元構成為用于將清潔的水輸出給氣體冷卻器。適當?shù)?，在此，連接于處理單元的輸出管路連接于氣體冷卻器。因此，在處理單元中清潔的水能夠作為冷卻劑直接輸送給氣體冷卻器，并且在那里用于冷卻煙氣并且與之關聯(lián)地用于進一步冷凝水。
在另一有利的設計方案中，處理單元構成為用于將清潔的水輸出給氣體冷卻器的冷卻劑回路。適當?shù)?，處理單元為此還包括輸出管路，所述輸出管路與冷卻劑回路連接。作為替選方案，清潔的水也能夠輸送給連接到冷卻劑回路中的冷卻單元，并且在那里在換熱器中用于冷卻從氣體冷卻器中提取的、通過冷卻煙氣加熱的冷卻水。
適當?shù)?，作為氣體冷卻器使用直接接觸冷卻器。在直接接觸冷卻器(direct contact cooler)中，將要冷卻的混合物、在此為氣流或煙氣流在直接換熱中引導穿過冷卻劑、如冷水進而被冷卻。直接接觸冷卻器通常具有呈物質交換元件形式的裝入件，如篩底、填充體或包裝。
為了分離在煙氣中存在的二氧化碳，將在氣體冷卻器中冷卻的煙氣輸送給分離設備的吸收器。通過與在吸收器中存在的清洗介質的接觸，吸收包含在煙氣中的二氧化碳。然后，加載有二氧化碳的清洗介質流動到解吸器中，在那里二氧化碳通過熱解吸從清洗介質中釋放。為此，吸收器適當?shù)亟?jīng)由輸出管路與解吸器的輸入管路流體連接。在解吸器中再生的清洗介質隨后再次引回到吸收器中，以重新吸收煙氣中的二氧化碳，為此解吸器的輸出管路與吸收器的輸入管路連接。
因為從解吸器輸送給吸收器的清洗介質在進入到吸收器之前必須冷卻到吸收二氧化碳所需要的低溫上，所以此外有利的是，將與處理單元流體連接的冷卻單元連接到吸收器的輸入管路中，所述冷卻單元用于冷卻輸送給吸收器的清洗介質。適當?shù)?，處理單元為此包括輸出管路，所述輸出管路與冷卻單元流體連接。冷卻單元用于對從解吸器中流出的再生的清洗介質在進入到解吸器之前進行冷卻。通過處理單元的輸出管路與冷卻單元的流體連接，為此能夠使用在處理單元中清潔的水。
從解吸器提取的富含二氧化碳的氣體出流也必須在繼續(xù)使用或可能的儲存之前冷卻。在本發(fā)明的另一有利的設計方案中，解吸器包括用于氣體出流的輸出管路，與處理單元流體連接的冷卻單元連接到所述輸出管路中。在此適當?shù)氖?，處理單元包括輸出管路，所述輸出管路與冷卻單元連接。在解吸器頂部處的氣體出流基本上包括從清洗介質中釋放的二氧化碳。在此，由于處理單元的輸出管路與輸出管路的流體連接，在處理單元中清潔的水也能夠用于冷卻。
總的來說，清潔的、過量的水能夠用于冷卻所有在分離設備之內使用的冷卻單元。冷卻單元、尤其在吸收器的輸入管路中的、在解吸器的輸出管路中的和在氣體冷卻器的冷卻劑回路中的冷卻單元能夠是空氣冷卻的或水冷卻的。與冷卻單元的類型無關地，清潔的水能夠從處理單元開始輸送給冷卻單元，或者在期望的應用的時間點之前事先儲存在儲備箱中。
在此，各個過程步驟的或各個設備部件的可選的冷卻同樣是可能的，如多個或所有在上文中描述的過程和/或設備部件的共同的冷卻。
此外，有利的是，解吸器經(jīng)由輸出管路連接有貯壓器，以輸送在解吸器中由二氧化碳清潔的清洗介質。貯壓器優(yōu)選構成為用于所謂的貧液閃蒸(Lean-Solvent-Flash)。在此，在貯壓器之內，壓力降低，使得流入的清洗介質膨脹，并且一部分在形成氣相和液相的條件下蒸發(fā)。
優(yōu)選地，貯壓器經(jīng)由構成為蒸汽管路的輸出管路與解吸器流體連接。經(jīng)由輸出管路，將在貯壓器中產(chǎn)生的氣態(tài)的清洗介質作為第一子流輸送給解吸器。通過蒸汽狀的清洗介質隨后在解吸器之內冷凝，能夠獲取從清洗介質中解吸二氧化碳所需要的熱量。
更有利的是，貯壓器的另一輸出管路與吸收器的輸入管路連接。因此，液態(tài)的清洗介質能夠作為第二子流從貯壓器引回到吸收器中。通過氣相作為第一子流已經(jīng)發(fā)生的分離，清洗介質在經(jīng)過貯壓器之后幾乎完全釋放所吸收的二氧化碳。
在另一優(yōu)選的設計方案中，吸收器的輸出管路連接有用于提取已加載的清洗介質的第一子流的支路，所述支路與解吸器的輸入管路流體連接。因此，從吸收器中提取的清洗介質能夠分成至少兩個子流。所述方法作為分路饋給法已知。
適當?shù)兀馕鬟B接有再沸器。再沸器作為所謂的池式蒸發(fā)器為將所吸收的CO2與清洗介質分離提供必要的再生熱量。在此，已加載的清洗介質通過在再沸器中產(chǎn)生的蒸汽再生。為了在再沸器之內產(chǎn)生蒸汽，通常用輸入的蒸汽、例如出自連接的蒸汽發(fā)電廠的蒸汽加熱所述再沸器。
優(yōu)選地，作為吸收介質使用氨基酸鹽溶液。含水的氨基酸鹽溶液在此是適當?shù)摹０被猁}尤其由于其幾乎不可覺察的蒸汽壓力是適合的，所述蒸汽壓力防止到大氣中的排放。優(yōu)選的氨基酸鹽是金屬的鹽、尤其是堿金屬的鹽。不同的氨基酸鹽的混合物也能夠用作為吸收介質的活性成分。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的第二目的通過一種用于從氣流中、尤其從煙氣流中分離二氧化碳的方法來實現(xiàn)，其中將氣流輸送給氣體冷卻器，其中在氣體冷卻器之內在水冷凝的條件下冷卻氣流，其中從氣體冷卻器提取水，其中將從氣體冷卻器提取的水的至少一個子流輸送給處理單元，在所述處理單元中，清潔水以用于繼續(xù)使用，并且其中將冷卻的氣流輸送給分離設備的吸收器，在所述吸收器中，借助于清洗介質將包含在氣流中的二氧化碳從氣流中分離。
借助于這種方法，能夠將用于冷卻氣流的氣體冷卻器的迄今未經(jīng)使用地丟棄的廢水清潔，并且隨后將其有針對性地用于有效地冷卻在二氧化碳的分離過程中使用的流體流和/或設備部件。
使用的氣體冷卻器優(yōu)選借助水作為冷卻劑運行。通過附加地從煙氣流中冷凝出的水，出現(xiàn)水的過量。將過量的水與冷卻所需要的水分離，并且輸送給處理單元。在所述處理單元之內，對水進行清潔，由此所述水作為冷卻水在分離過程的范圍中使用是可行的。
在此，清潔的水優(yōu)選用于用作為空氣冷卻器的冷卻單元的噴射冷卻，其中所述清潔的水能夠根據(jù)需要在使用之前儲存。同樣，原則上，清潔的水在水冷卻的冷卻單元中的使用是可行的。
方法的其他有利的實施變型方案從針對方法的從屬權利要求中得出。針對分離設備及其有利的改進方案提到的優(yōu)點能夠按意義轉用于方法及其改進方案。
附圖說明
在下文中，根據(jù)附圖詳細闡述本發(fā)明的一個實施例。
具體實施方式
圖1示出用于煙氣流中的二氧化碳的分離設備1。分離設備1包括吸收器3和與吸收器3流體連接的解吸器5。在吸收器3上游流體連接有構成為煙氣冷卻器的氣體冷卻器7，所述氣體冷卻器配設有用于水的處理單元9。
為了清潔例如在發(fā)電廠中燃燒礦物燃料時作為燃燒廢氣出現(xiàn)的煙氣，并且尤其為了將包含在煙氣中的二氧化碳從所述煙氣中分離，將煙氣流經(jīng)由煙氣管路11首先輸送給分離設備1。煙氣經(jīng)由煙氣管路11流動到煙氣冷卻器7中，所述煙氣冷卻器構成為直接接觸冷卻器并且借助水作為冷卻劑運行。在將煙氣輸送給分離設備1的吸收器3之前，在煙氣冷卻器7中冷卻煙氣。
煙氣冷卻器7本身連接到冷卻劑回路13中，所述冷卻劑回路包括熱水管路15、冷水管路17和在這兩個管路15、17之間連接的、構成為空氣冷卻器的冷卻單元19。經(jīng)由熱水管路15，將在冷卻煙氣時加熱的水從煙氣冷卻器7中引出，在冷卻單元19中冷卻，并且為了重新冷卻煙氣流經(jīng)由冷水管路17再次輸送給煙氣冷卻器7。
因為在煙氣中除了二氧化碳之外作為燃燒產(chǎn)物也包含水，所述水在煙氣在煙氣冷卻器7中冷卻時冷凝出來，并且與冷卻水流混合。因此，為了將在冷卻劑回路13之內需要用于冷卻煙氣的水量保持恒定，從煙氣冷卻器7中當前持續(xù)地將過量的水從經(jīng)由熱水管路15離開氣體冷卻器7的水流21中提取，為此提取子流23。
代替通常將水的過量的部分如至今那樣丟棄，將水的子流23從煙氣冷卻器7經(jīng)由輸入管路25輸送給處理單元9。在處理單元9中，借助于相應的反滲透設備27中的反滲透，對取出的水進行清潔。然后，將清潔的水儲存在儲備箱29之內，所述儲備箱是處理單元9的一部分。
在儲備箱29中儲存的水現(xiàn)在能夠根據(jù)需要用于冷卻在分離設備1中使用的設備部件和/或流體流。在此，出自儲備箱29的水尤其用于以噴射冷卻的形式來冷卻冷卻劑回路13中的空氣冷卻器19，這通過虛線31表明。換言之，儲備箱29或處理單元9連接于空氣冷卻器19，以便為了冷卻的目的輸送水。作為替選方案，也能夠將水以其他方式從儲備箱29運輸至空氣冷卻器19。處理單元9也能夠構成為用于將清潔的水輸出給冷卻劑回路13和/或氣體冷卻器7。這在圖1中通過相應的輸出管路30示出。
為了確保將二氧化碳從煙氣中期望地分離，在煙氣冷卻器7中冷卻的煙氣經(jīng)由輸入管路33流動到分離設備1的吸收器3中。在此，所述煙氣與清洗介質、即含鉀的氨基酸鹽接觸，在所述清洗介質中吸收包含在煙氣中的二氧化碳。將加載有二氧化碳的清洗介質從吸收器3輸送給解吸器5。為此，將已加載的清洗介質從吸收器3中經(jīng)由輸出管路35提取。
第一子流37經(jīng)由連接于吸收器3的輸出管路35的支路39引導到在吸收器3下游連接的解吸器5的第一解吸級41中，為此支路39與解吸器5的輸入管路43流體連接。第一子流37在不在解吸器5的頂部45處預加熱的情況下輸送給第一解吸級41。
第二子流47經(jīng)由輸出管路35與解吸器5的另一輸入管路51的流體連接輸送給解吸器5的第二解吸級49。在此，第二子流47首先經(jīng)過換熱器53，并且通過從解吸器5引回的、再生的清洗介質預加熱。
在解吸器5之內，將在清洗介質中吸收的二氧化碳釋放并且在解吸器5的頂部45處經(jīng)由輸出管路55取出。構成為空氣冷卻器的另一冷卻單元57連接到輸出管路55中，所述另一冷卻單元用于冷卻氣體出流。所述空氣冷卻器57同樣用水冷卻，所述水已經(jīng)在處理單元9中清潔。將為此需要的水量從儲備箱29中提取并且用于空氣冷卻器55的噴射冷卻。在此，所述使用也通過虛線59表明。虛線59尤其能夠是用于水的連接管路或用于水的運輸連接裝置。最后，將冷卻的氣體出流例如為了儲存和/或為了可能進一步使用二氧化碳而輸送給相應的應用裝置60。
已釋放二氧化碳的清洗介質聚集在解吸器5的底部61處并且輸送給構成為用于貧液閃蒸法的貯壓器63。為此，解吸器5經(jīng)由輸出管路65與貯壓器63連接。在貯壓器63之內，清洗介質在構成氣相和液相的條件下膨脹。氣體經(jīng)由貯壓器63的輸出管路67輸送給解吸器5。通過蒸汽狀的清洗介質隨后在解吸器5中冷凝，為了解吸二氧化碳，能夠從清洗介質中得到需要的熱量。
附加地，解吸器5連接有再沸器69，所述再沸器作為池式蒸發(fā)器同樣為釋放在清洗介質中吸收的二氧化碳提供再生熱量的一部分。
將清洗介質的液相從貯壓器63開始引回到吸收器3中，為此將貯壓器63的輸出管路71與吸收器3的輸入管路73連接。在引回時，再生的清洗介質同樣經(jīng)過換熱器53，并且在此通過將熱量輸出給從吸收器3中加載的清洗介質而冷卻。
為了確保：清洗介質在進入到吸收器3之前具有吸收煙氣中的二氧化碳所需的低溫，另一冷卻單元75連接到通向吸收器3的輸入管路73中，借助于所述另一冷卻單元，將清洗介質在進入到吸收器5之前進一步冷卻。所述冷卻單元75也構成為空氣冷卻器，并且用從儲備箱29中提取的水通過噴射冷卻來冷卻，這通過虛線77表明。虛線77尤其能夠是用于水的連接管路或運輸連接裝置。
附加地，包括回收設備79，所述回收設備為了進一步處理清洗介質——尤其通過去除氮氧化物(NOx)和硫氧化物(SOx)——從輸入管路73中取出清洗介質的一部分，并且相應地處理所述部分。然后，將清洗介質在完成清潔和處理之后輸送給吸收器3，并且在那里能夠重新用于吸收煙氣中的二氧化碳。
將冷卻單元19、57、75借助于出自儲備箱29的水進行冷卻原則上是可選的。因此，可行的是，一個、多個或如上文所描述的那樣所有冷卻單元19、57、75用儲存在儲備箱29中的水來冷卻。同樣還可行的是，代替空氣冷卻器19、57、75，使用水冷卻的冷卻單元。在水冷卻的冷卻單元中，例如能夠使用換熱器，所述換熱器將在處理單元9中清潔的水作為冷卻劑在相應的冷卻劑回路中使用。冷卻單元能夠直接經(jīng)由水管路與處理單元9連接。作為替選方案，也能夠將已處理的水通過運送裝置運輸至冷卻單元。