在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)中進(jìn)行二氧化碳捕捉的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)中進(jìn)行二氧化碳捕捉的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請(qǐng)為2012年4月26日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的PCT專(zhuān)利申請(qǐng)“在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)中進(jìn)行二氧化碳捕捉的系統(tǒng)和方法”(申請(qǐng)?zhí)?201080049819.7，申請(qǐng)人:通用電氣公司)的分案申請(qǐng)。
[0002]發(fā)明背景
本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及用于在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)中進(jìn)行二氧化碳捕捉的系統(tǒng)和方法。
[0003]在許多行業(yè)中空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)被用于多種應(yīng)用。例如，在產(chǎn)生和存儲(chǔ)能量方面，一個(gè)這種應(yīng)用是將空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)用作渦輪機(jī)。壓縮空氣能量存儲(chǔ)(CAES)系統(tǒng)典型地包括具有一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)的壓縮系，該一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)壓縮進(jìn)口空氣，并且將壓縮的進(jìn)口空氣提供給洞、地下存儲(chǔ)器或其它壓縮空氣存儲(chǔ)構(gòu)件。然后在以后使用壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)渦輪，以產(chǎn)生能量，諸如例如電能。在CAES系統(tǒng)的壓縮級(jí)的運(yùn)行期間，壓縮的進(jìn)口空氣在存儲(chǔ)之前典型地被冷卻到洞的溫度。在膨脹級(jí)的運(yùn)行期間，空氣從地下存儲(chǔ)器中排出通過(guò)渦輪，并且膨脹，使得空氣在環(huán)境壓力下離開(kāi)渦輪。
[0004]作為在高峰功率時(shí)間期間將能量注入電網(wǎng)中的源，CAES系統(tǒng)有效地幫助公用發(fā)電廠的功率發(fā)生的混合，同時(shí)在非高峰時(shí)間期間存儲(chǔ)多余的能量。CAES系統(tǒng)還可使用從風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的能量來(lái)對(duì)壓縮系提供動(dòng)力，而壓縮空氣被輸送到能量存儲(chǔ)洞等。
[0005]雖然CAES系統(tǒng)可改進(jìn)能量發(fā)生的效率，以及/或者在高峰時(shí)間期間對(duì)電網(wǎng)提供輔助能量，但是公用發(fā)電廠(例如煤發(fā)電廠和天然氣發(fā)電廠)會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳(co2)，二氧化碳會(huì)增加大氣溫室氣體。
[0006]因此，設(shè)計(jì)一種減少在公用發(fā)電廠中實(shí)現(xiàn)的CAES系統(tǒng)所產(chǎn)生的C02的系統(tǒng)和方法將是合乎需要的。
[0007]
發(fā)明簡(jiǎn)述
本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)中進(jìn)行二氧化碳捕捉的系統(tǒng)和方法。
[0008]因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種氣體壓縮和膨脹系統(tǒng)包括壓縮系統(tǒng)，該壓縮系統(tǒng)流體地聯(lián)接到存儲(chǔ)隔室上，并且構(gòu)造成壓縮用于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)隔室中的第一量的氣體，壓縮系統(tǒng)包括構(gòu)造成使第一量的氣體傳輸通過(guò)其中的壓縮路徑。該氣體壓縮和膨脹系統(tǒng)還包括膨脹系統(tǒng)，該膨脹系統(tǒng)流體地聯(lián)接到存儲(chǔ)隔室上，并且構(gòu)造成使來(lái)自存儲(chǔ)隔室的第二量的氣體膨脹，膨脹系統(tǒng)包括構(gòu)造成使第二量的氣體傳輸通過(guò)其中的膨脹路徑。另外，該氣體壓縮和膨脹系統(tǒng)包括:第一路徑，其流體地聯(lián)接到壓縮路徑上，并且構(gòu)造成將第一量的氣體傳輸?shù)酱鎯?chǔ)隔室；第二路徑，其流體地聯(lián)接到膨脹路徑上，并且構(gòu)造成將第二量的氣體從存儲(chǔ)隔室傳輸?shù)脚蛎浵到y(tǒng)；以及流體地聯(lián)接到第一路徑、第二路徑、壓縮路徑和膨脹路徑中的一個(gè)上的二氧化碳分離單元，其中，二氧化碳分離單元構(gòu)造成從第一量的氣體和第二量的氣體中的一個(gè)中移除一定量的二氧化碳。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)的方法包括:將壓縮機(jī)構(gòu)造成壓縮用于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容積中的空氣流；將第一空氣流路徑聯(lián)接到壓縮機(jī)上，并且將第一空氣流路徑構(gòu)造成把壓縮空氣流輸送到存儲(chǔ)容積；以及將渦輪構(gòu)造成接收一定量的壓縮空氣流，并且使該量的壓縮空氣流膨脹。該方法還包括將第二空氣流路徑聯(lián)接到渦輪上，并且將第二空氣流路徑構(gòu)造成把該量的壓縮空氣流從存儲(chǔ)容積輸送到渦輪；以及沿著第一空氣流路徑和第二空氣流路徑中的至少一個(gè)聯(lián)接二氧化碳過(guò)濾器，并且將二氧化碳過(guò)濾器構(gòu)造成從壓縮空氣流中過(guò)濾出一定量的二氧化碳。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種壓縮空氣能量存儲(chǔ)(CAES)系統(tǒng)包括具有入口和出口的壓縮機(jī)組件，壓縮機(jī)構(gòu)造成在壓縮機(jī)組件的出口處排出壓縮工作流體。CAES系統(tǒng)還包括:存儲(chǔ)容積，其定位在壓縮機(jī)的出口的下游，并且構(gòu)造成接收和存儲(chǔ)壓縮工作流體；渦輪組件，其定位在存儲(chǔ)容積的下游，并且構(gòu)造成在渦輪組件的入口處接收來(lái)自存儲(chǔ)洞的壓縮工作流體，以及在渦輪組件的出口處排出膨脹工作流體；以及定位在壓縮機(jī)組件的出口的下游和渦輪組件的入口的上游的二氧化碳分離單元，其中，二氧化碳分離單元構(gòu)造成從壓縮工作流體中移除一定量的二氧化碳。
[0011]根據(jù)以下詳細(xì)描述和附圖，將使得各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。
[0012]附圖簡(jiǎn)沐
圖示出了在目前為了執(zhí)行本發(fā)明而構(gòu)想的優(yōu)選實(shí)施例。
[0013]在圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性CAES系統(tǒng)的框圖。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的示例性CAES系統(tǒng)的框圖。
[0015]詳細(xì)描沐
關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)壓縮空氣能量存儲(chǔ)(CAES)系統(tǒng)和具有排氣再循環(huán)的CAES系統(tǒng)來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明的實(shí)施例同樣能夠應(yīng)用來(lái)與其它空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)一起使用。
[0016]參照?qǐng)D1，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)100(諸如例如CAES系統(tǒng))的框圖。CAES系統(tǒng)100包括馬達(dá)/發(fā)電機(jī)單元102、聯(lián)接到壓縮系統(tǒng)106上的第一傳動(dòng)軸104，以及聯(lián)接到膨脹系統(tǒng)110上的第二傳動(dòng)軸108。離合器112、114選擇性地分別使馬達(dá)/發(fā)電機(jī)單元102與壓縮系統(tǒng)106和膨脹系統(tǒng)110脫開(kāi)。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，壓縮系統(tǒng)106包括單個(gè)壓縮機(jī)單元，該壓縮機(jī)單元構(gòu)造成在壓縮系統(tǒng)106的入口側(cè)118處接收工作流體116，將工作流體116壓縮到存儲(chǔ)壓力(例如大約50巴-150巴)，以及在壓縮機(jī)系統(tǒng)106的出口側(cè)122處排出壓縮工作流體120。備選地，壓縮系統(tǒng)106可包括許多串聯(lián)地聯(lián)接在一起的壓縮機(jī)單元。照這樣，該許多壓縮機(jī)單元構(gòu)造成以許多壓力級(jí)將工作流體116從第一壓力壓縮到第二壓力，各個(gè)壓縮機(jī)單元構(gòu)造成將工作流體116壓縮小于第一壓力和第二壓力之間的差的壓力。例如，該許多壓縮機(jī)單元可構(gòu)造成將工作流體116從環(huán)境壓力壓縮到存儲(chǔ)壓力。同樣，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，膨脹系統(tǒng)110包括構(gòu)造成使一定量的存儲(chǔ)工作流體124從第三壓力膨脹到第四壓力的一個(gè)膨脹器單元或渦輪。備選地，膨脹系統(tǒng)110可包括串聯(lián)地聯(lián)接在一起且構(gòu)造成以許多壓力級(jí)運(yùn)行的許多膨脹器單元，各個(gè)膨脹器單元構(gòu)造成使存儲(chǔ)工作流體124膨脹小于第三壓力和第四壓力之間的差的壓力。膨脹系統(tǒng)110構(gòu)造成在膨脹系統(tǒng)110的入口 126處接收該量的存儲(chǔ)工作流體124，使存儲(chǔ)工作流體124膨脹到排出壓力(例如大約1巴)，以及在膨脹系統(tǒng)110的出口 128處排出膨脹工作流體168。
[0018]工作流體116在壓縮系統(tǒng)106的入口側(cè)118處進(jìn)入CAES系統(tǒng)100，并且在工作流體116行進(jìn)通過(guò)壓縮機(jī)路徑130時(shí)，工作流體116被壓縮系統(tǒng)106壓縮。壓縮工作流體120離開(kāi)壓縮機(jī)系統(tǒng)106的出口側(cè)122，并且在壓縮系統(tǒng)106和壓縮空氣存儲(chǔ)容積134 (諸如例如天然洞或鹽洞)之間沿著第一路徑132行進(jìn)。在它沿著第一路徑132行進(jìn)時(shí)，壓縮工作流體120傳送通過(guò)用以在存儲(chǔ)之前冷卻壓縮工作流體120的可選的熱交換器或后冷卻器136 (以虛線顯示)，并且進(jìn)入二氧化碳(C02)分離系統(tǒng)138，在0)2分離系統(tǒng)138中，從壓縮工作流體120中過(guò)濾或分離出C02。如圖1中顯示的那樣，0)2分離系統(tǒng)138在壓縮系統(tǒng)106的下游和膨脹系統(tǒng)110的上游定位在CAES系統(tǒng)100內(nèi)。0)2分離系統(tǒng)138包括C0 2分離單元140，諸如例如基于溶劑的0)2捕捉單元或基于隔膜的C02捕捉單元。0)2分離系統(tǒng)138還包括:可選的處理系統(tǒng)142，其可包含調(diào)溫冷卻器144 (以虛線顯示)，以將壓縮工作流體120冷卻到0)2分離溫度；以及/或者可選的預(yù)處理裝置146 (以虛線顯示)，其可定位在0)2分離單元140的上游，以從工作流體116中移除微粒。C0 2稀薄或不含C0 2的工作流體148離開(kāi)0)2分離系統(tǒng)138，并且存儲(chǔ)在壓縮空氣存儲(chǔ)容積134中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，分離出的C02150可被引導(dǎo)到可選的0)2存儲(chǔ)系統(tǒng)152 (以虛線顯示)。
[0019]因?yàn)楣ぷ髁黧w116在傳送通過(guò)0)2分離單元140之前被壓縮，所以工作流體116的0)2分壓增大，從而基本增大用于分離C02的驅(qū)動(dòng)力。而且，因?yàn)閭魉屯ㄟ^(guò)0)2分離系統(tǒng)138的工作流體116的容積由于壓縮而減小，所以可在CAES系統(tǒng)100中結(jié)合較小的C02分離單元，從而降低裝備成本。
[0020]許多閥154、156、158定位在壓縮系統(tǒng)106、膨脹系