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CN102589249A - 二氧化碳液化系统 - Google Patents

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CN102589249A
CN102589249A CN2012100140671A CN201210014067A CN102589249A CN 102589249 A CN102589249 A CN 102589249A CN 2012100140671 A CN2012100140671 A CN 2012100140671A CN 201210014067 A CN201210014067 A CN 201210014067A CN 102589249 A CN102589249 A CN 102589249A
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perhaps
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A·K·阿南德
V·穆泰亚
J·A·费尔古森
P·R·小斯卡博罗
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及二氧化碳液化系统。具体而言，文中公开了用于在对含碳气体加压时提高能量利用的系统。此类系统包括二氧化碳(CO2)液化系统(10)。该CO2液化系统(10)包括能够冷却CO2气体(74)以使大于大约50％的CO2气体(74)液化的第一冷却系统(28)。第一冷却系统(28)产生第一CO2液体(30)。CO2气体(74)压力小于大约3450千帕(500每平方英寸绝对磅数)。

Description

二氧化碳液化系统
技术领域
本文公开的主题涉及用于使含碳气体液化的系统。
背景技术
各种各样的系统可产生和/或使用含碳气体，例如二氧化碳(CO2)。典型地，CO2在例如通过管道输送到下游系统之前进行高度加压。例如，可将CO2加压到介于大约15,000千帕(kPa)或2200每平方英寸绝对磅数(psia)与17,250kPa(2500psia)之间的压力。这种加压可能使用大量能量。加压系统可能未在考虑使设备中的能效最大化的情况下设计。因此，加压系统会降低设备的总体效率。
发明内容
以下归纳范围与原始要求保护的发明相当的特定实施例。这些实施例并非意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供对本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖与以下陈述的实施例可能相似或不同的各种形式。
在第一实施例中，一种系统包括二氧化碳(CO2)液化系统。该CO2液化系统包括能够冷却CO2气体以使大于大约50％的CO2气体液化的第一冷却系统。该第一冷却系统产生第一CO2液体。CO2气体压力小于大约3450千帕(500每平方英寸绝对磅数)。
在第二实施例中，一种系统包括具有空气分离单元的低温冷却系统。该空气分离单元能够将空气分离成氧气和氮气。该系统还包括能够使用空气分离单元的低温冷却系统来冷却含碳气体的液化系统。该低温冷却系统能够至少使含碳气体的第一部分液化以产生第一含碳液体。
在第三实施例中，一种系统包括能够从合成气体捕集含碳气体的碳捕集系统，以及液化系统。该液化系统包括第一冷却系统，该第一冷却系统能够冷却含碳气体以至少使含碳气体的第一部分液化而产生第一含碳液体和第一残余含碳气体。该液化系统还包括构造成用以压缩第一残余含碳气体的压缩系统。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，全部附图中同样的标记表示同样的零件，其中：
图1描绘了与上游系统和下游系统的实施例交互操作的液化系统的实施例的方框图；
图2描绘了使用制冷系统的液化系统的实施例的方框图；
图3描绘了使用多个低温冷却系统的液化系统的实施例的方框图；
图4描绘了使用低温冷却系统的液化系统的实施例的方框图；
图5描绘了使用包括低温冷却系统的空气分离单元(ASU)的液化系统的实施例的方框图；
图6描绘了使用CO2压缩机和包括低温冷却系统的ASU的液化系统的实施例的方框图；
图7描绘了使用制冷系统、分离单元、压缩机和冷却器的液化系统的实施例的方框图；
图8描绘了使用热交换器、闪蒸罐、压缩机、调温冷却器(trimcooler)、泵和溶剂激冷器的液化系统的实施例的方框图；以及
图9描绘了具有液化系统的实施例的整体气化联合循环(IGCC)动力设备的实施例的方框图。
零件清单
8     交互操作系统
10    液化系统
12    CO2泵送系统
14    碳捕集系统
16    动力设备
18    化工生产设备(chemical production plant)
20    化工精炼设备
22    管道系统
24    碳封存设备
26    EOR活动(activity)
28    第一CO2液化系统
30    液态CO2
32    残余CO2气体
34    CO2压缩系统
36    第二CO2液化系统
38    残余液态CO2
40    第一泵
42    第二泵
74    CO2气体
76    箭头
78    第一再生系统
80    箭头
82    箭头
84    箭头
86    箭头
88    箭头
90    第二制冷系统
92    箭头
94     箭头
96     箭头
126    第一低温冷却系统
128    第二低温冷却系统
160    低温冷却系统
162    液态CO2泵
164    箭头
166    箭头
168    箭头
180    空气分离单元
182    箭头
184    箭头
186    箭头
200    CO2压缩机
202    箭头
204    箭头
230    分离单元
232    压缩机
234    冷却器
236    压缩机
238    冷却器
240    分离单元
242    箭头
244    蒸发器
246    通路
248    压缩机
250    通路
252    冷凝器
254    通路
256    膨胀阀
258    通路
260    箭头
262    箭头
264    箭头
266    箭头
268    箭头
270    箭头
272    箭头
274    箭头
276    蒸发器
278    通路
280    压缩机
282    通路
284    冷凝器
286    通路
288    膨胀阀
290    通路
292    箭头
294    箭头
296    箭头
298    残余气体
330    再生热交换器
332    制冷热交换器
334    闪蒸罐
336    溶剂激冷器
338    溶剂激冷器
340    调温冷却器
342    调温冷却器
344    再生热交换器
346    制冷热交换器
348    闪蒸罐
350    箭头
352    箭头
354    冷制冷剂
356    箭头
358    箭头
360    温热制冷剂
362    箭头
364    箭头
366    箭头
368    箭头
370    箭头
372    箭头
374    温热溶剂
376    箭头
378    箭头
380    冷溶剂
382    箭头
384    箭头
386    温热溶剂
388    箭头
390    箭头
392    冷溶剂
394    箭头
396    箭头
398    箭头
400    箭头
402    箭头
404    箭头
406    冷制冷剂
408    箭头
410    箭头
412    温热制冷剂
414    箭头
416    箭头
418    箭头
420    箭头
422    箭头
424    箭头
426    泵
500    IGCC动力设备
502    燃料源
504    给料制备单元
506    气化器
508    渣料
510    气体处理单元
512    硫
514    硫处理装置
516    盐
518    水处理单元
520    气体处理装置
522    残余气体成分
524    冷却塔
526    燃烧器
528    燃气涡轮发动机
530    空气分离单元
532    补充空气压缩机
534    DGAN压缩机
536    涡轮
538    驱动轴
540    压缩机
542    负载
544    蒸汽涡轮发动机
546    热回收蒸汽发生器系统
548    第二负载
550    冷凝器
具体实施方式
在下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了尽量提供对这些实施例的简明描述，说明书中可能未描述实际实施方案的所有特征。应当理解的是，在任何这种实际实施方案的开发过程中，如在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多特定实施方案的决定以实现开发者的特定目标，例如服从与系统相关和商业相关的约束，这可能在一种实施方案与另一实施方案而有所不同。此外，应当理解的是，这种开发努力可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员来说不过是一项常规的设计、制造和生产事项。
当介绍本发明各种实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个这样的元件。用语“包含”、“包括”和“具有”旨在成为包含性的且意味着可能存在所列元件以外的附加元件。
所公开的实施例包括用于在后续的压缩系统之前或在无后续压缩系统的情况下使用冷却系统来使诸如含碳气体之类的气体液化的系统。例如，所公开的实施例可包括采用制冷系统或低温冷却系统作为用以使气体液化的主要机构的一个或多个液化系统。在一些实施例中，液化系统可采用设备中的另一构件的制冷系统或低温冷却系统。例如，液化系统可采用包括低温冷却系统的空气分离单元(ASU)来使含碳气体例如二氧化碳(CO2)液化。在使用ASU的实施例中，液化系统可完全依赖于ASU的低温冷却系统来使含碳气体液化，或者液化系统可包括上游或下游冷却系统或压缩系统以对ASU进行补充。
鉴于前述，在论述液化系统的细节之前论述可并入如文中所述技术的系统的实施例可能是有益的。图1描绘了交互操作系统8的实施例的方框图。更具体而言，该图描绘了尤其与碳捕集系统14、动力设备16、化工生产设备18和化工精炼设备20的实施例交互操作的液化系统10。在所描绘的实施例中，动力设备16、化工生产设备18和化工精炼设备20中的每一者都能够产生具有含碳物质(例如CO2)的产品。碳捕集系统14可用于从各类工业设备如设备16、18和20提取CO2。这种碳捕集系统14的一个实例由通用电气公司(General ElectricCompany，Schenectady，New York)制造，其名称作GE Carbon IslandTM。实际上，可采用碳捕集系统14的多个实施例，以便最佳地与各设备16、18和20相结合地操作。亦即，各设备16、18和20均可与可能已进行匹配以最佳地结合该特定的设备实施例工作的单独的碳捕集系统14一起操作。
CO2的液化可例如有益于减少形成高度加压的CO2所需的能量。因此，液化系统10可用于使采用碳捕集系统14捕集的CO2液化。液化系统10使用第一CO2液化系统28来从所提取的CO2中产生液态CO230和残余CO2气体32。在图示的实施例中，第一CO2液化系统28不包括压缩机，且依赖于诸如冷却之类的液化技术。液态CO2 30可呈相对较纯的形式，例如，液态CO2 30可为大于90％、95％或98％的纯CO2。相反，残余CO2气体32可为其中包含CO2、一氧化碳、氢气和氮气的具有不同比例的气体的混合物。使用CO2压缩系统34对残余CO2气体32作进一步处理，以在通过产生残余液态CO238的第二CO2液化系统36液化之前压缩该气体。CO2压缩系统34可提供足够的压缩以使残余CO2气体32由第二液化系统36液化，但仍保持由CO2泵送系统12执行的一定加压，以便减少系统8中的能量消耗。与第一CO2液化系统28相似，第二CO2液化系统36不包括压缩机，且依赖于诸如冷却之类的液化技术。在某些实施例中，液化系统10可不包括压缩残余CO2气体32且使其液化，而是相反，系统10可主要包括第一CO2液化系统28而不进行任何压缩。在任一情况下，系统10都可充分降低温度，以使CO2在一定压力下液化。例如，系统10可在低于2050、2750或3450kPa(或低于300、400或500psia)的压力下从碳捕集系统14接收CO2气体。然后，第一CO2液化系统28使CO2气体液化而不进行压缩。
液化系统10还能够与CO2泵送系统12交互操作，以便将液态CO230和残余液态CO238加压到高压力。例如，CO2泵送系统12可将液态CO230和残余液态CO238泵送到介于大约10,500与21,000kPa(或1500与3000psia)之间的压力，例如，大约15,000kPa(2200psia)。在CO2泵送系统12内，第一泵40用于泵送液态CO230，而第二泵42用于泵送残余液态CO238。在一些实施例中，CO2泵送系统12可仅包括用于液态CO230和残余CO238两者的一个泵，而在其它实施例中，多个泵可串联地用来对液态CO230加压。
此外，液化系统10能够与管道系统22交互操作以便从CO2泵送系统12输送高压液态CO2，以例如由碳封存设备24和/或EOR活动26在下游使用。在某些实施例中，碳封存设备24可包括诸如咸水层之类的地质层组。在其它实施例中，其它类型的地质层组可使用CO2。EOR活动26可包括诸如气体喷射之类的油井采收活动。气体喷射活动能在高压力下喷射所提取的CO2，以便使地下油移位。实际上，通过二氧化碳液化系统10液化的CO2可具有许多有益用途且可售卖。
图2描绘了使用制冷系统78和90的液化系统10的实施例的方框图。液化系统10包括第一CO2液化系统28、CO2压缩系统34和第二CO2液化系统36。CO2气体74如借助于箭头76所示那样流到第一CO2液化系统28。在一些实施例中，CO2气体74可来自碳捕集系统。另外，CO2气体74可为包含其它物质尤其是诸如一氧化碳、氢气和氮气的含碳气体的一部分。在某些实施例中，CO2气体74可在小于大约700、1400、2050、2750、3450、4150或4850kPa(或100、200、300、400、500、600或700psia)的压力下进入液化系统10。例如，CO2气体74的压力可为大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)。
第一CO2液化系统28包括第一制冷系统78。第一制冷系统78可利用诸如蒸气压缩循环或蒸气吸收循环之类的制冷循环。例如，第一制冷系统78可包括具有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀的蒸气压缩循环。当CO2气体74经过第一制冷系统78时，CO2气体74冷却成液态CO230。通过此种液化系统10，CO2气体74可冷却到大约-40至-29摄氏度(或-40至-20华氏度)。虽然保留了一些残余CO2气体32，但大部分CO2气体74液化，例如，大于大约50％、60％、70％、80％或90％。例如，可使50％至100％、75％至100％、85％至100％或95％至100％的CO2气体74液化。液态CO230在箭头80处离开第一CO2液化系统28，然后如借助于箭头82所示那样流到CO2泵送系统12。CO2泵送系统12将液态CO230泵送至高压力，例如大约10,500至17,250、13,800至16,550，或15,000至22,050kPa(或者1500至2500、2000至2400，或2200至3200psia)，例如15,000kPa(2200psia)。使CO2液化然后泵送CO2的过程可使用比用于对CO2进行加压的基于压缩的方法更少的能量。
残余CO2气体32如通过箭头84所示那样离开第一CO2液化系统28，然后如借助于箭头86所示那样流到CO2压缩系统34。于是，CO2压缩系统34使用一个或多个压缩机来升高残余CO2气体32的压力。例如，残余CO2气体32的压力可从大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)例如2100kPa(300psia)的压缩前压力上升到大约6900至10,500、7600至9650，或8600至10,000kPa(或者1000至1500、1100至1400，或1250至1450psia)例如8300kPa(1200psia)的压缩后压力。CO2压缩系统34可使用任何类型的压缩机，例如离心压缩机、混流式压缩机、往复式压缩机或旋转螺杆式压缩机。
经压缩的残余CO2气体32如借助于箭头88所示那样从CO2压缩系统34流到第二CO2液化系统36。在系统36内，第二制冷系统90将一部分残余CO2气体32冷却成残余液态CO238。通过此种制冷系统90，可将残余CO2气体32冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)。第二液化系统90可使全部或基本上全部残余CO2气体32液化。例如，系统90可使大于大约60％、70％、80％或90％的残余CO2气体32液化。第二制冷系统90可使用由第一制冷系统78利用的一些或全部构件，或者它可以使用其自身的与第一制冷系统78相同或不同的构造中的构件。同样，液化系统10可仅包含一个CO2液化系统，该CO2液化系统对第一液化系统28和第二液化系统36执行文中所述的功能。
残余液态CO238如通过箭头92所示那样离开第二CO2液化系统36，然后如通过箭头94所描绘那样流到CO2泵送系统12。同样，CO2泵送系统12将残余液态CO238泵送到高压力，例如大约10,500至17,250、13,800至16,550，或15,000至22,050kPa(或者1500至2500、2000至2400，或2200至3200psia)，例如15,000kPa(2200psia)。经加压的液态CO2现在包括液态CO230和残余液态CO238。经加压的液态CO2如通过箭头96所示那样离开CO2泵送系统12并用于各种下游应用，例如用在碳封存设备中。
图3描绘了使用多个低温冷却系统126和128的液化系统10的实施例的方框图。使CO2气体74液化以产生液态CO230和残余液态CO238接着使用CO2泵送系统12进行加压的过程类似于图2的实施例。然而，第一CO2液化系统28使用第一低温冷却系统126来将CO2气体74冷却成液态CO230。此外，第二CO2液化系统36使用第二低温冷却系统128来将残余CO2气体32冷却成残余液态CO238。
第一低温冷却系统126利用第一低温冷却系统126内存在的极冷温度来将CO2气体74冷却成液态CO230。例如，第一低温冷却系统126可使用诸如大约-196至-150、-185至-170，或-190至-157摄氏度(或者-320至-240、-300至-275，或-310至-250华氏度)例如-185摄氏度(-300华氏度)的温度。尽管可单独建立低温冷却系统126以便在第一CO2液化系统28内使用，但低温冷却系统126的某些实施例可具有与第一CO2液化系统28不相关的其它一般用途，同时允许在第一CO2液化系统28中利用其未使用的冷却能力。由此，第一低温冷却系统126在不利用任何附加能量的情况下将CO2气体74冷却成液态CO230。例如，第一低温冷却系统126可为空气分离单元(ASU)的一部分。通过此种液化系统10，可将CO2气体74冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)。第二低温冷却系统128以与第一低温冷却系统126大致相同的方式工作，并且在一些实施例中可为同一总体系统的一部分。如能理解的那样，能量可由此种系统保存，该系统使用低温冷却系统来使CO2气体液化，接着将液态CO2泵送到所需压力。同样，第二低温冷却系统128可专用于第二CO2液化系统36，或者系统128可用于冷却多种类型的设备。例如，第二低温冷却系统128可为ASU的一部分。在某些实施例中，系统126和128可为单个的低温冷却系统或独立的低温冷却系统。
图4描绘了使用低温冷却系统160的液化系统10的实施例的方框图。CO2气体74如通过箭头164所描绘那样流到低温冷却系统160。例如，CO2气体74可处在小于大约700、1400、2050、2750、3450、4150或4850kPa(或者100、200、300、400、500、600或700psia)的压力。然后，低温冷却系统160如通过箭头166所示那样冷却CO2气体74以产生液态CO230。例如，低温冷却系统160可使用极冷温度，例如大约-196至-150、-185至-170，或-190至-157摄氏度(或者-320至-240、-300至-275，或-310至-250华氏度)，例如-185摄氏度(-300华氏度)。通过此种液化系统10，可将CO2气体74冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)。然后，液态CO230如通过箭头168所示那样流到CO2泵送系统12的液态CO2泵162。液态CO2泵162将液态CO230加压到所需压力，例如大约13,800至21,000、15,000至17,250，或16,550至22,050kPa(或者2000至3000、2200至2500，或2400至3200psia)，例如17,250kPa(2500psia)。如前文所述，可通过此种系统保存能量，该系统使用低温冷却系统来使CO2气体液化，然后将液态CO2泵送到所需压力。在图示的实施例中，系统10不包括压缩机。因此，系统10可描述为主要包括(或仅包括)低温冷却系统160(或者系统160和泵162)，例如作为单个的套件(package)或组件。
图5描绘了使用包括低温冷却系统160的空气分离单元(ASU)180的液化系统10的实施例的方框图。ASU 180使用低温冷却系统160来将大气空气分离成其成分，例如氮气和氧气。在图示的实施例中，ASU 180构造成用以允许运送CO2的路径经过其低温冷却系统160。在一些实施例中，ASU 180可向液化系统10的单独的热交换器输出冷却剂流，由此允许离开ASU 180的CO2气体74的冷却和液化。在任一实施例中，低温冷却系统160从CO2传递充分的热量以使CO2气体74液化。ASU 180的其它未使用的冷却能力由液化系统10捕集，从而消除对于单独的冷却系统(例如单独的制冷系统、低温冷却系统等)的需要。
具体而言，CO2气体74如箭头182所描绘那样流到ASU 180内的低温冷却系统160。例如，CO2气体74可处在小于大约700、1400、2050、2750、3450、4150或4850kPa(或者100、200、300、400、500、600或700psia)的压力。然后，低温冷却系统160如通过箭头184所示那样冷却CO2气体74以产生液态CO230。例如，低温冷却系统160可使用极冷温度，例如大约-196至-150、-185至-170，或-190至-157摄氏度(或者-320至-240、-300至-275，或-310至-250华氏度)，例如-185摄氏度(-300华氏度)。通过此种液化系统10，可将CO2气体74冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)。然后，液态CO230如通过箭头186所示那样流到CO2泵送系统12的液态CO2泵162。液态CO2泵162将液态CO230泵送到所需压力，例如大约13,800至21,000、15,000至17,250，或16,550至22,050kPa(或者2000至3000、2200至2500，或2400至3200psia)，例如17,250kPa(2500psia)。通过此种系统，可通过使用低温冷却系统使CO2气体液化接着将液态CO2泵送到所需压力来保存能量。在图示的实施例中，液化系统10可描述为主要包括(或仅包括)针对CO2气体74流进行修改的ASU 180(或者ASU 180和外部热交换器)，例如作为单个套件或组件。
图6描绘了使用CO2压缩机200和包括低温冷却系统160的ASU180的液化系统10的实施例的方框图。类似于图5的实施例，ASU 180包括低温冷却系统160并且可主要用于将空气分离成其诸如氮气和空气之类的成分。然而，ASU 180还进行了修改以使CO2气体74冷却并液化成液态CO230，如由箭头184所示。此外，液态CO2泵162将液态CO230泵送到所需压力，如通过箭头186所示。相比于图1至图5的实施例，液化系统10包括CO2压缩机200，而非不包括CO2压缩机。
CO2气体74如通过箭头202和204所示那样在它流到ASU 180之前流到CO2压缩机200。由此，CO2压缩机200在液化之前压缩CO2气体74，以便减小随后冷却和加压以使CO2气体74液化的量。例如，在一个实施例中，CO2压缩机200可将CO2气体74压缩到大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)，例如2100kPa(300psia)，而在另一实施例中，将CO2气体74压缩到大约6900至10,500、7600至9650，或8600至10,000kPa(或者1000至1500、1100至1400，或1250至1450psia)，例如8300kPa(1200psia)。然而，液化系统10在CO2压缩机200一定程度上延迟通向液态CO2泵162的CO2气体74的加压的情形中仍可减少所使用的能量。此外，ASU 180的低温冷却系统160用于避免采用单独的冷却系统，由此降低成本并提高设备的总体效率。
图7描绘了使用制冷系统78、90、分离单元230、240、压缩机232、236和冷却器234、238的液化系统10的实施例的方框图。CO2气体74首先如通过箭头242所示那样进入第一制冷系统78。例如，CO2气体74可处在小于大约700、1400、2050、2750、3450、4150或4850kPa(或者100、200、300、400、500、600或700psia)的压力。在第一制冷系统78内，制冷循环冷却CO2气体74以使CO2气体74的至少一部分液化。如能理解的那样，系统78的制冷循环可包括冷却剂(例如制冷剂或溶剂)，该冷却剂流经蒸发器244、通向压缩机248的通路246、通向冷凝器252的通路250、通向膨胀阀256的通路254和回到蒸发器244的通路258。在蒸发器244处，冷却剂从CO2气体74吸热，这使得CO2气体74冷却成液态CO230，同时保留残余CO2气体32。CO2气体74可冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)，以产生液态CO230。
然后，液态CO230和残余CO2气体32如通过箭头260所示那样流到分离单元230。分离单元230使液态CO230与残余CO2气体32分离，其中液态CO230如通过箭头262所示那样在一个位置离开，而残余CO2气体32如通过箭头264所示那样在另一个位置离开。分离单元230可为闪蒸罐，或用于使液体与气体分离的其它类型的装置。在某些实施例中，可使用CO2泵送系统来将液态CO230泵送到高压力。例如，可将液态CO230泵送到管道和/或下游应用，例如碳封存。在某些条件下，大部分离开第一制冷系统78的流体可为液态CO230。例如，至少90％或95％的离开第一制冷系统78的流体可为液态CO230，而5％或10％的流体可为残余CO2气体32。其它实施例可具有大于大约50％、60％、70％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％或99％的离开流体为液态CO230。
然后，残余CO2气体32经历通过第一级压缩机232和第二级压缩机236以及冷却器234和238进行压缩、冷却、压缩和冷却的步骤，以逐渐地冷却残余CO2气体32并对其进行加压。例如，残余CO2气体32如通过箭头266所示那样流到第一级压缩机232。第一级压缩机232提供对残余CO2气体32的第一压缩量，从而使压力和温度上升。然后，冷却器234如通过箭头268、270所示那样在第二级压缩机236之前冷却CO2气体32，由此减少压缩机236所需的功。同样，第二级压缩机236使CO2气体32的压力和温度上升。因此，冷却器238在随后通过第二制冷系统90液化之前冷却CO2气体32。尽管图示的实施例包括在第二级制冷系统90之前的压缩和冷却两级，但任何合适数量的压缩机和冷却器都可用于系统10中(例如1至5个)。
第一级压缩机232使残余CO2气体32的温度和压力两者都上升。例如，该压力可以大约0.1至5或1.5至2.5的倍数上升，且该温度可以10至200或50至150摄氏度的量上升。当残余CO2气体32进入第一级压缩机232时，该压力可为大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)，例如2100kPa(300psia)。当残余CO2气体32离开第一级压缩机232时，该压力可为大约2750至4850、3450至4150，或4150至4850kPa(或者400至700、500至600，或600至700psia)，例如4200kPa(600psia)。此外，当残余CO2气体32进入第一级压缩机232时，该温度可为大约-40至-7、-34至-12，或-29至0摄氏度(或者-40至20、-30至10，或-20至32华氏度)，例如-20摄氏度(0华氏度)。当残余CO2气体32离开第一级压缩机232时，该温度可为大约0至66、27至50，或32至93摄氏度(或者32至150、80至120，或90至200华氏度)，例如50摄氏度(120华氏度)。
然后，残余CO2气体32如通过箭头268所描绘那样从第一级压缩机232流到冷却器234。在冷却器234处，可将残余CO2气体32冷却到大约环境温度，例如大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。冷却器234使用冷却剂(例如水或空气)来降低残余CO2气体32的温度。然后，残余CO2气体32如箭头270所示那样流到第二级压缩机236。
第二级压缩机236使残余CO2气体32的温度和压力两者都上升。例如，该压力可以大约0.1至5或1.5至2.5的倍数上升，且该温度可以10至200或50至150摄氏度的量上升。当残余CO2气体32进入第二级压缩机236时，该压力可为大约2750至4850、3450至4150，或4150至4850kPa(或者400至700、500至600，或600至700psia)，例如4200kPa(600psia)。当残余CO2气体32离开第二级压缩机236时，该压力可为大约6900至10,500、7600至9650，或8600至10,000kPa(或者1000至1500、1100至1400，或1250至1450psia)，例如8300kPa(1200psia)。此外，当残余CO2气体32进入第二级压缩机236时，该温度可为大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。当残余CO2气体32离开第二级压缩机236时，该温度可为大约38至93、66至82，或70至93摄氏度(或者100至200、150至180，或160至200华氏度)，例如70摄氏度(160华氏度)。
然后，残余CO2气体32如通过箭头272所描绘那样流到冷却器238。在冷却器238处，可将残余CO2气体32冷却到大约环境温度，例如大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。冷却器238使用冷却剂(例如空气或水)来降低残余CO2气体32的温度。然后，残余CO2气体32如通过箭头274所示那样流到第二制冷系统90。在某些实施例中，冷却器234、238可使用同一冷却器系统，例如使用具有多个冷却通道的同一热交换器。此外，冷却器234、238可为第一制冷系统78和/或第二制冷系统90的一部分。
第二制冷系统90类似于第一制冷系统78。如前文所述，系统90的制冷循环可包括冷却剂(例如制冷剂或溶剂)，该冷却剂流经蒸发器276、通向压缩机280的通路278、通向冷凝器284的通路282、通向膨胀阀288的通路286和回到蒸发器276的通路290。在蒸发器276处，冷却剂从CO2气体74吸热，这使得残余CO2气体32冷却成液态CO238，同时保留残余气体298。残余CO2气体32可冷却到大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)，例如-40摄氏度(-40华氏度)，以产生液态CO238。
然后，液态CO238和残余气体298如通过箭头292所示那样流到分离单元240。分离单元240使液态CO238与残余气体298分离，其中液态CO238如通过箭头294所示那样在一个位置离开，而残余气体298如通过箭头296所示那样在另一个位置离开。在某些实施例中，可使用CO2泵送系统来将液态CO238泵送到高压力。例如，可将液态CO238泵送到管道和/或下游应用，例如碳封存。在某些条件下，大部分离开第二制冷系统90的流体可为液态CO238。例如，大约60％、65％或70％的离开第二制冷系统90的流体可为液态CO230，而30％、35％或40％的流体可为残余气体298。其它实施例可具有大于大约50％、60％、70％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％或99％的离开流体为液态CO230。如能理解的那样，使用液化系统10来产生加压液态CO2可减少加压所需的能耗。
图8描绘了使用热交换器330、332、344、346、闪蒸罐334、348、压缩机232、236、调温冷却器340、342、泵162、426和溶剂激冷器336、338的液化系统10的实施例的方框图。CO2气体74首先如通过箭头350所示那样通过再生热交换器330。CO2气体74可在诸如大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)例如2100kPa(300psia)的压力进入液化系统10。在再生热交换器330内，已冷却的液态CO230从CO2气体74吸热，这可使CO2气体74的温度降低。经冷却的液态CO230可具有大约-51至-18、-34至-12，或-40至-23摄氏度(或者-60至0、-30至10，或-40至-10华氏度)例如-32摄氏度(-26华氏度)的温度。CO2气体74的温度开始可为大约-18至18、-7至7，或0至27摄氏度(或者0至65、20至45，或32至80华氏度)，例如0摄氏度(32华氏度)，然后降低到大约-29至-12、-23至-18，或-18至-12摄氏度(或者-20至10、-10至10，或0至10华氏度)，例如-22摄氏度(-7华氏度)。
然后，CO2气体74如通过箭头352所示那样流到制冷热交换器332。制冷热交换器332使用在箭头356处进入的冷制冷剂354以将热量从CO2气体74传递到制冷剂354。这种热交换使得冷制冷剂354作为温热制冷剂360离开制冷热交换器332，如通过箭头358所示。制冷剂354、360可为溶剂或其它用于传热的溶液。此外，制冷热交换器332和再生热交换器330可为单个制冷系统的一部分，该单个制冷系统还可包括其它热交换器、激冷器和冷却器。在热量从CO2气体74传递到制冷剂354之后，至少一部分CO2气体74液化为液态CO230，而另一部分CO2气体74作为残余CO2气体32保留。液态CO230可具有大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)的温度，例如-40摄氏度(-40华氏度)。
然后，液态CO230和残余CO2气体32如通过箭头362所示那样流到闪蒸罐334。闪蒸罐334使液态CO230与残余CO2气体32分离，其中液态CO230如通过箭头364所示那样在一个位置离开，而残余CO2气体32如通过箭头382所示那样在另一个位置离开。在其它实施例中，闪蒸罐334可由用于从气体分离液体的任何类型的分离单元替代。在特定条件下，大部分离开闪蒸罐334的流体可为液态CO230。例如，大约90％至95％的离开闪蒸罐334的流体可为液态CO230，而5％至10％的流体可为残余CO2气体32。其它实施例可具有大于大约50％、60％、70％、75％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％或99％的离开流体为液态CO230。
然后，液态CO230如通过箭头366所示那样流到泵162，该泵构造成用以将液态CO230泵送到高压力，诸如大约10,500至17,250、13,800至16,550，或15,000至22,050kPa(或者1500至2500、2000至2400，或2200至3200psia)，例如15,000kPa(2200psia)。液态CO230的温度可在通过闪蒸罐334和泵162之后上升到大约-51至-18、-34至-12，或-40至-23摄氏度(或者-60至0、-30至10，或-40至-10华氏度)，例如-32摄氏度(-26华氏度)。此时，液态CO230如通过箭头368所示那样流到再生热交换器330。激冷的液态CO230具有显著的冷却能力，而液态CO230的下游应用可能不需要液态CO230的低温。例如，下游应用可能需要液态CO230的环境温度和高压力。因此，再生热交换器330利用液态CO2的冷却能力来预冷却制冷热交换器332上游的CO2气体74，由此在对液态CO230加温时减少热交换器332的冷却需求。在热交换期间，液态CO230温度可上升到大约-18至7、-7至0，或-23至-12摄氏度(或者0至45、20至32，或-10至10华氏度)，例如-14摄氏度(7华氏度)。
在液态CO230离开再生热交换器330之后，如通过箭头370所示，液态CO230进入溶剂激冷器336。液态CO230起到冷却剂的作用，以从如通过箭头376所示那样进入溶剂激冷器336的温热溶剂374传热。液态CO230使温热溶剂374激冷而导致产生冷溶剂380，冷溶剂380在箭头378处离开溶剂激冷器336。温热溶剂374可在大约0至32、10至27，或18至38摄氏度(或者32至90、50至80，或65至100华氏度)例如10摄氏度(50华氏度)的温度下进入溶剂激冷器336，并且在大约-18至7、-7至0，或-23至-12摄氏度(或者0至45、20至32，或-10至10华氏度)例如-12摄氏度(10华氏度)的温度下作为冷溶剂380离开。溶剂374、384可为任何溶剂，例如甲醇、SelexolTM、PurisolTM或RectisolTM。例如，溶剂374、384可如下文所述那样用于气体处理单元中。其它实施例可以不使用溶剂激冷器，或者可使用由制冷剂或其它冷却剂替代溶剂的激冷器。液态CO230在温度可为环境温度，例如大约10至32、18至30，或27至37摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)，如通过箭头372所示那样离开溶剂激冷器336。液态CO230可用于各种各样的下游应用中。例如，液态CO230可以用于碳封存或提高油采收率(EOR)。
返回至闪蒸罐334，残余CO2气体32如通过箭头382、384所示那样从闪蒸罐334流到溶剂激冷器338。残余CO2气体32用作冷却剂以从如通过箭头388所示那样进入溶剂激冷器338的温热溶剂386传热。残余CO2气体32使温热溶剂386激冷而导致产生在箭头390处离开溶剂激冷器338的冷溶剂392。温热溶剂386可在大约0至32、10至27，或18至38摄氏度(或者32至90、50至80，或65至100华氏度)例如10摄氏度(50华氏度)的温度进入溶剂激冷器338，并且在大约-51至-18、-34至-12，或-40至-23摄氏度(或者-60至0、-30至10，或-40至-10华氏度)例如-30摄氏度(-20华氏度)的温度作为冷溶剂392离开。残余CO2气体32如通过箭头394所示那样离开溶剂激冷器338，并流到第一级压缩机232。离开的残余CO2气体32可具有大约-40至-7、-34至-12，或-29至0摄氏度(或者-40至20、-30至10，或-20至32华氏度)的温度，例如-20摄氏度(0华氏度)。
第一级压缩机232提供对残余CO2气体32的第一压缩量，导致使压力和温度上升。然后，残余CO2气体如通过箭头396所示那样流经调温冷却器340，如通过箭头398所示那样流经第二级压缩机236，且如通过箭头400所示那样流经调温冷却器342。调温冷却器340在第二级压缩机236之前冷却CO2残余气体32，由此减少压缩机236所需的功。同样，第二级压缩机236使残余CO2气体32的温度和压力上升。因此，调温冷却器342在随后的液化之前冷却CO2气体32。虽然图示的实施例包括压缩和冷却两级，但任何合适数量的压缩机和冷却器都可用于系统10中(例如1至5个)。
第一级压缩机232使残余CO2气体32的温度和压力上升。当残余CO2气体32进入第一级压缩机232时，该压力例如可为大约700至3450、1400至2750，或1700至2400kPa(或者100至500、200至400，或250至350psia)，例如2100kPa(300psia)。当残余CO2气体32离开第一级压缩机232时，该压力可为大约2750至4850、3450至4150，或4150至4850kPa(或者400至700、500至600，或600至700psia)，例如4200kPa(600psia)。此外，当残余CO2气体32进入第一级压缩机232时，该温度可为大约-40至-7、-34至-12，或-29至0摄氏度(或者-40至20、-30至10，或-20至32华氏度)，例如-20摄氏度(0华氏度)。当残余CO2气体32离开第一级压缩机232时，该温度可为大约0至66、27至50，或32至93摄氏度(或者32至150、80至120，或90至200华氏度)，例如50摄氏度(120华氏度)。
残余CO2气体32接下来如通过箭头396所描绘那样从第一级压缩机232流到调温冷却器340。在调温冷却器340处，可将残余CO2气体32冷却到大约环境温度，例如10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。调温冷却器340使用冷却剂(例如水或空气)来降低残余CO2气体32的温度。然后，残余CO2气体32如通过箭头398所示那样流到第二级压缩机236。
第二级压缩机236使残余CO2气体32的温度和压力上升。当残余CO2气体32进入第二级压缩机236时，该压力可为大约2750至4850、3450至4150，或4150至4850kPa(或者400至700、500至600，或600至700psia)，例如4200kPa(600psia)。当残余CO2气体32离开第二级压缩机236时，该压力可为大约6900至10,500、7600至9650，或8600至10,000kPa(或者1000至1500、1100至1400，或1250至1450psia)，例如8300kPa(1200psia)。此外，当残余CO2气体32进入第二级压缩机236时，该温度可为大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。当残余CO2气体32离开第二级压缩机236时，该温度可为大约38至93、66至82，或70至93摄氏度(或者100至200、150至180，或160至200华氏度)，例如70摄氏度(160华氏度)。
然后，残余CO2气体32如通过箭头400所示那样流到另一调温冷却器342。在调温冷却器342处，可将残余CO2气体32冷却到环境温度，诸如大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)。调温冷却器342使用冷却剂(例如水或空气)来降低残余CO2气体32的温度。在某些实施例中，调温冷却器340、342可为同一调温冷却器系统例如带有多个冷却剂通道的单个热交换器的一部分。此外，调温冷却器340、342可与其它热交换器330、332、344、346一体形成。
然后，残余CO2气体32如通过箭头402所示那样流到另一再生热交换器344。在第二再生热交换器344内，已冷却的液态CO238从残余CO2气体32吸热，这可使残余CO2气体32的温度降低。经冷却的液态CO238可具有大约-51至-18、-34至-12，或-40至-23摄氏度(或者-60至0、-30至10，或-40至-10华氏度)例如-36摄氏度(-32华氏度)的温度。残余CO2气体32的温度开始可处在大约10至32、18至30，或27至38摄氏度(或者50至90、65至85，或80至100华氏度)，例如30摄氏度(85华氏度)，然后降低到大约18至18、-7至7，或0至27摄氏度(或者0至65、20至45，或32至80华氏度)，例如7摄氏度(44华氏度)。
然后，残余CO2气体32如通过箭头404所示那样流到制冷热交换器346。制冷热交换器346使用在箭头408处进入的冷制冷剂406来将热量从残余CO2气体32传递到制冷剂406。这种热交换使得冷制冷剂406作为温热制冷剂412离开制冷热交换器346，如通过箭头410所示。制冷剂406、412可为溶剂或其它用于传热的溶液。此外，制冷热交换器346和再生热交换器344可为单个制冷系统的一部分，该单个制冷系统还可包括其它热交换器、激冷器和冷却器。在热量从残余CO2气体32传递到制冷剂406之后，至少一部分残余CO2气体32液化为液态CO238，而一部分残余CO2气体32作为残余气体298保留。液态CO238可具有大约-51至-18、-40至-29，或-34至-23摄氏度(或者-60至0、-40至-20，或-30至-10华氏度)的温度，例如-40摄氏度(-40华氏度)。
液态CO238和残余气体298如通过箭头414所示那样流到闪蒸罐348。闪蒸罐348使液态CO230与残余气体298分离，其中液态CO238如通过箭头416所示那样在一个位置离开，而残余气体298如通过箭头424所示那样在另一个位置离开。在其它实施例中，闪蒸罐348可由用于从气体分离液体的任何类型的分离单元替代。在特定条件下，大部分离开闪蒸罐348的流体可为液态CO238。例如，大约60％、65％或70％离开闪蒸罐348的液体可为液态CO238，而30％、35％或40％的流体可为残余气体298。其它实施例可具有大于50％、60％、70％、75％、80％、90％、92.5％、95％、97.5％或99％的离开流体为液态CO238。
然后，液态CO238如通过箭头418所示那样流到泵426，该泵构造成用以将液态CO238泵送到高压力，诸如大约10,500至17,250、13,800至16,550，或15,000至22,050kPa(或者1500至2500、2000至2400，或2200至3200psia)，例如15,000kPa(2200psia)。液态CO238在通过泵426之后其温度可上升到大约-51至-18、-34至-12，或-40至-23摄氏度(或者-60至0、-30至10，或-40至-10华氏度)，例如-36摄氏度(-32华氏度)。此时，液态CO238如通过箭头420所示那样流到再生热交换器344。激冷的液态CO238具有显著的冷却能力，而液态CO238的下游应用可能不需要液态CO238的低温。例如，下游应用可能需要液态CO238的环境温度和高压力。因此，再生热交换器344利用液态CO238的冷却能力来预冷却制冷热交换器346上游的CO2气体32，由此在对液态CO238加温时减少对热交换器346的冷却需求。在热交换期间，液态CO238温度可上升到大约-18至7、-7至0，或-23至-12摄氏度(或者0至45、20至32，或-10至10华氏度)，例如-14摄氏度(7华氏度)。在液态CO238在箭头422处所示离开再生热交换器344之后，液态CO238可用于各种各样的下游应用中，例如碳封存或提高油采收率。在图示的实施例中，液化系统10通过在不同构件之间换热且主要依赖于冷却来使CO2气体74液化而不采用在先的压缩，显著减少了能耗并提高了设备的效率。
图9描绘了作为在图1中图示的动力设备16的实施例的IGCC动力设备500。在所描绘的实施例中，IGCC动力设备500可产生并燃烧合成气体，即合成气。IGCC动力设备500的元件可包括燃料源502，例如含碳给料，其可用作用于IGCC动力设备500的能量源。燃料源502可包括煤、石油焦、生物质、木质材料、农业废料、焦油、焦炉煤气、奥里油(orimulsion)、褐煤以及沥青，或者其它含碳物。
燃料源502的燃料可传送至给料制备单元504。给料制备单元504可例如通过切斩、碾磨、切碎、磨碎、压制或码垛燃料源502以产生给料而重新形成燃料源502的尺寸或形状。另外，可对给料制备单元504中的燃料源502添加水或其它适当的液体以形成浆状给料。在某些实施例中，不对燃料源添加液体，从而产生干给料。该给料可传送到气化器506中以用于气化操作。
气化器506可将给料转化成合成气，例如一氧化碳和氢气的混合物。根据所用给料的类型，此转化可通过使给料在升高的压力(例如从大约4200至8300kPa(或者600至1200psia))和升高的温度(例如大约1200至1500摄氏度(或者2200至2700华氏度))经历受控量的任何缓和剂和有限的氧气来完成。给料在热解工艺期间的加热可产生固体(例如炭)和残余气体(例如一氧化碳、氢气，以及氮气)。
然后，在气化器506中可发生部分燃烧过程。部分燃烧可包括向炭和残余气体引入氧气。炭和残余气体可与氧气发生反应，以形成给后续的气化反应提供热量的CO2和一氧化碳(CO)。在部分燃烧过程期间的温度范围可为从大约1200至1500摄氏度(或者2200至2700华氏度)。另外，可将蒸汽引入气化器506内。气化器506利用蒸汽和有限的氧气来允许一些给料燃烧以产生一氧化碳和能量，这可驱动将更多给料转化为氢气和另外的二氧化碳的第二反应。
以此方式，由气化器506制造合成气体。该合成气体可包括成相等比例的大约85％的一氧化碳和氢气，以及氩气、CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S(基于给料的硫含量)。这种合成气体可称作未经处理的合成气，因为它包含例如H2S。气化器506也可产生废料，例如渣料508，其可为湿灰材料。这种渣料508可从气化器506去除并将其例如作为路基或作为其它建筑材料进行处置。为了处理未经处理的合成气，可利用气体处理单元510。在一个实施例中，气体处理单元510可包括一个或多个水气变换反应器。水气变换反应器可有助于通过将合成气中的CO和H2O转化成CO2和H2(例如酸变换)而提高燃料中氢气(H2)和CO2的水平。气体处理单元510还可洗涤未经处理的合成气以从未经处理的合成气去除HCl、HF、COS、HCN和H2S，该洗涤可包括在气体处理单元510的硫处理装置514构件中分离硫512。此外，气体处理单元510可经由水处理单元518使盐516与未经处理的合成气分离，该水处理单元518可利用水净化技术来从未经处理的合成气产生可用的盐516。随后，来自气体处理单元510的气体可包括带有痕量的其它化学品例如NH3(氨)和CH4(甲烷)的经处理的合成气(例如，已从合成气去除硫512)。
气体处理装置520可用于从经处理的合成气去除另外的残余气体成分522，例如氨和甲烷，以及甲醇或任何残余化学品。还可回收氩气。氩气是可使用例如低温技术回收的有价值的产品。然而，从经处理的合成气去除残余气体成分是任选的，因为经处理的合成气即使含有残余气体成分例如尾气时也可用作燃料。
碳捕集系统14可提取和处理含碳气体，例如CO2。碳捕集系统14可与包括硫处理装置514的气体处理单元510交互操作，以在燃烧之前从合成气去除CO2(即燃烧前提取)。另外，可使用碳捕集技术在合成气燃烧之后提取CO2(即燃烧后提取)。此外，可使用燃烧技术来协助在燃烧期间去除CO2(即经改良的燃烧)。包括前、后和经改良的燃烧方式的一些示例性的用于CO2提取的技术如下。可使用物理吸收技术，其在硫处理装置514中的酸性气体还原(AGR)期间采用其中诸如甲醇、SelexolTM、PurisolTM或RectisolTM之类的物理溶剂来溶解酸性气体，例如来自合成气的H2S和CO2。然后，可对富含H2S和CO2的液体作进一步处理，以例如通过使用再生容器(例如汽提器)去除并分离H2S和CO2。可使用采用胺、腐蚀剂和其它化学溶剂来洗涤例如与溶剂相接触的冷却烟道气的化学吸收技术。然后，CO2可变成结合到化学溶剂中。之后，可通过诸如前述再生容器之类的技术使增浓的溶剂释放CO2。
也可使用物理吸附技术，其中诸如基于沸石、二氧化硅等的吸附剂之类的固态吸附剂结合CO2例如烟道气中的CO2以便从烟道气去除CO2。也可以类似方式使用采用例如金属氧化物的化学吸附技术。也可使用基于隔膜的技术，其中使用塑料、陶瓷、金属等作为可渗透的阻隔物来从含有CO2的流分离CO2。也可使用诸如氧燃料和化学循环(looping)之类的经改良的燃烧技术来提取CO2。在氧燃料中，使用大致纯氧替代空气作为主氧化剂。燃料在氧气中燃烧以便产生富含CO2和水蒸气的烟道气。然后，可更容易地从烟道气和水蒸气提取CO2。氧气的使用还减少了当使用空气时可产生的氮氧化物(NOx)。在化学循环中，使用采用例如金属氧化物的双流化床系统来提取CO2。金属氧化物作为提供用于燃烧的氧的床材料工作。氧气作为氧化剂取代空气且用于燃烧燃料。CO2提取技术可更容易地提取富含CO2的烟道气。随后还原的金属转移到第二床，以重新氧化。然后，将经重新氧化的金属重新引入第一床内且再次用于燃烧，从而使环路闭合。可使用能够将烟道气冷却到去升华(desublimation)温度(例如大约-100至-135摄氏度(-148至-211华氏度))的低温技术。固态CO2可由于冷却而形成，且随后从烟道流去除。实际上，在碳捕集系统14中可包括诸如前述技术的任何数量和组合的碳捕集技术。
然后，CO2可由液化系统10液化并由泵送系统12泵送到高压力。液化系统10利用IGCC设备500的空气分离单元(ASU)530。ASU 530的低温冷却系统内的低温冷却CO2气体，以使其液化。CO2气体从液化系统10流到ASU 530，然后作为液态CO2返回液化系统10。在其它实施例中，液化系统10可使用制冷系统或其它冷却机构来使CO2液化。然后，CO2流到泵送系统12而被泵送到高压力。例如，可将CO2泵送到大约10,500至17,250、13,800至16,550，或15,000至22,050kPa(或者1500至2500、2000至2400，或2200至3200psia)的高压力，例如15,000kPa(2200psia)。然后，高压、液化后的CO2可由管道系统22输送。然后，可将CO2重新引入碳封存系统24和/或EOR 26内。因此，通过为其它用途重新引导所提取的CO2，可减少或消除所提取的CO2向大气的排放。此外，使用ASU 530来使CO2气体液化可减少用以产生高压、液化的CO2的能耗。
在某些实施例中，可将IGCC设备500设计为结合到液化系统10和泵送系统12作为原始设备或改装套件。实际上，可以对各种现有的IGCC设备500改装液化系统10和泵送系统12。改装后的液化系统10可包括与ASU 530一体形成的系统、碳捕集系统14、泵送系统12，以及管道22。
在已从合成气捕集CO2之后，然后可将经处理的合成气作为可燃燃料传输到燃气涡轮发动机528的燃烧器526例如燃烧室。ASU 530可操作以通过例如蒸馏技术来将空气分离成成分气体。ASU 530可使氧气与从补充空气压缩机532供应给它的空气相分离，并且ASU 530可将分离后的氧气转移到气化器506。另外，ASU 530可将分离后的氮气传送到稀释氮气(DGAN)压缩机534。
DGAN压缩机534可将从ASU 530接收的氮气至少压缩到与燃烧器526中相等的压力水平，以便不会与合成气的恰当燃烧发生干涉。这样，一旦DGAN压缩机534已将氮气充分压缩到恰当水平，则DGAN压缩机534可将经压缩的氮气传输到燃气涡轮发动机528的燃烧器526。例如，可使用氮气作为稀释剂以有利于排放物的控制。
如前文所述，经压缩的氮气可从DGAN压缩机534传输到燃气涡轮发动机528的燃烧器526。燃气涡轮发动机528可包括涡轮536、驱动轴538和压缩机540，以及燃烧器526。燃烧器526可接收可从燃料喷嘴加压喷射的燃料，例如合成气。该燃料可与压缩空气及来自DGAN压缩机534的压缩氮气混合，并在燃烧器526内燃烧。这种燃烧可形成热加压排气。
燃烧器526可将排气引向涡轮536的排气出口。随着来自燃烧器526的排气经过涡轮536，排气迫使涡轮536中的涡轮叶片以使驱动轴538沿着燃气涡轮发动机528的轴线旋转。如图所示，驱动轴538连接到燃气涡轮发动机528的各种构件，包括压缩机540。
驱动轴538可将涡轮536连接到压缩机540以形成转子。压缩机540可包括联接到驱动轴538的叶片。因此，涡轮536中的涡轮叶片的旋转可使将涡轮538连接到压缩机540的驱动轴538旋转压缩机540内的叶片。压缩机540中的叶片的这种旋转使压缩机540压缩经由压缩机540中的进气口(air intake)所接收的空气。然后，压缩空气可供给到燃烧器526并与燃料和压缩氮气混合，以允许更高效的燃烧。驱动轴538也可连接到动力设备中的负载542，该负载可为静止负载，例如用于发电的发电机。实际上，负载542可为通过燃气涡轮发动机528的旋转输出驱动的任何合适装置。
IGCC动力设备500还可包括蒸汽涡轮发动机544和热回收蒸汽发生(HRSG)系统546。蒸汽涡轮发动机544可驱动第二负载548。第二负载548也可为用于发电的发电机。然而，第一负载542和第二负载548两者均可为能够由燃气涡轮发动机528和蒸汽涡轮发动机544驱动的其它类型的负载。另外，尽管燃气涡轮发动机528和蒸汽涡轮发动机544可驱动单独的负载542和548，如图示的实施例中所示，但燃气涡轮发动机528和蒸汽涡轮发动机544也可一前一后地用于经由单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机544及燃气涡轮发动机528的特定构造可针对实施方案并且可包括任何区段组合。
系统500还可包括HRSG 546。来自燃气涡轮发动机528的经加热的排出气体可输送到HRSG 546内并用于加热水且产生用于驱动蒸汽涡轮发动机544的蒸汽。来自例如蒸汽涡轮发动机544的低压区段的排气可引入冷凝器550内。冷凝器550可利用冷却塔524来以激冷水交换经加热的水。冷却塔524用于给冷凝器550提供冷却水，以协助冷凝从蒸汽涡轮发动机544传输到冷凝器550的蒸汽。继而，来自冷凝器550的冷凝物又可引入HRSG 546内。同样，来自燃气涡轮发动机528的排气也可引入HRSG 546内，以加热来自冷凝器550的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC动力设备500之类的联合循环动力设备中，热排气可从燃气涡轮发动机528流动并传送到HRSG 546，在其中它可用于产生高压、高温蒸汽。然后，由HRSG 546产生的蒸汽可传送经过蒸汽涡轮发动机544以用于发电。另外，所产生的蒸汽也可供应给任何其它可使用蒸汽的工艺，例如供应给气化器506。燃气涡轮发动机528发电循环通常称作“至顶循环”，而蒸汽涡轮发动机544发电循环通常称作“及底循环”。通过如图9中所示组合这两个循环，IGCC动力设备500可在两个循环中达到更大的效率。特别地，可捕集来自至顶循环的排气热并将其用于产生用于至顶循环中的蒸汽。
本书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和利用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的同等结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
二氧化碳(CO2)液化系统(10)，包括：
第一冷却系统(28)，所述第一冷却系统构造成用以冷却CO2气体(74)以使大于大约50％的所述CO2气体(74)液化而产生第一CO2液体(30)，其中所述CO2气体(74)的压力小于大约3450千帕(500每平方英寸绝对磅数)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述CO2气体(74)的压力小于大约2400千帕(350每平方英寸绝对磅数)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一冷却系统(28)构造成用以冷却所述CO2气体(74)以使大于大约50％的所述CO2气体(74)液化而产生所述第一CO2液体(30)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一冷却系统(28)包括第一低温冷却系统(160)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述液化系统(10)包括具有所述第一低温冷却系统(160)的空气分离单元(180)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一冷却系统(28)包括第一制冷系统(78)。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造成用以压缩来自所述第一冷却系统(28)的第一残余气体(32)的压缩系统(34)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述压缩系统(34)包括多个压缩级(232，236)。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述压缩系统(34)包括经过第一压缩机(232)、第一冷却器(234)、第二压缩机(236)以及第二冷却器(238)的所述第一残余气体(32)的残余气体流路(266)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括构造成用以冷却所述第一残余气体(32)以使至少一部分所述第一残余气体(32)液化的第二冷却系统(36)。
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