RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 199999 (21) Numer zgłoszenia: 355967 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 11.01.2001 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 11.01.2001, PCT/US01/01011 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 19.07.2001, WO01/51773 PCT Gazette nr 29/01 (51) Int.Cl. F01K 17/00 (2006.01) (54) System energetyczny o zwiększonej sprawności termodynamicznej i kontroli emisji zanieczyszczeń (30) Pierwszeństwo: 14.01.2000,US,09/483,677 (73) Uprawniony z patentu: THERMOENERGY CORP.,Little Rock,US (43) Zgłoszenie ogłoszono: 31.05.2004 BUP 11/04 (72) Twórca(y) wynalazku: Alexander G. Fassbender,Richland,US (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.11.2008 WUP 11/08 (74) Pełnomocnik: Twardowska Aleksandra, Rzecznik Patentowy, JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY, Biuro Patentów i Znaków Towarowych (57) Przedmiotem wynalazku jest sposób działania elektrowni o podwyższonym ciśnieniu do czystego i sprawnego utleniania, gazyfikacji lub spalania paliwa. Paliwo jest utleniane lub gazyfikowane w komorze reakcyjnej przy ciśnieniu w zakresie 700-2000 psia (4,8-13,8 MPa abs.), albo w przybliżeniu 850-1276 psia (5,9-8,8 MPa abs.).produkty spalania z komory mogą być doprowadzane do wymiennika ciepła. Część skroplonej wody może być recyrkulowana do produktów spalania przed wymiennikiem ciepła. Ponadto przed doprowadzeniem do komory reakcyjnej chłodziwo może być kierowane poprzez wymiennik ciepła w układzie z dwoma stopniami ciśnienia. PL 199999 B1
2 PL 199 999 B1 Opis wynalazku Wynalazek ten dotyczy elektrowni lub systemu energetycznego, zwłaszcza powodującej małą emisję zanieczyszczeń elektrowni na paliwo kopalne o zwiększonej sprawności termodynamicznej i kontroli emisji zanieczyszczeń. W elektrowniach, takich jak elektrownie na paliwo kopalne, paliwo kopalne jest zapalane i spalane, utleniane lub palone w komorze reakcyjnej lub komorze spalania w kontrolowanych warunkach generowania ciepła. Ciepło jest przenoszone do płynu cyrkulacyjnego, takiego jak woda, który przepływa przez rury chłodzące, usytuowane w lub przy komorze reakcyjnej, by wytwarzać parę wodną. Para wodna jest następnie przepuszczana przez turbinę parową, by wytwarzać prąd elektryczny. Elektrownie o cyklu kombinowanym ze zintegrowaną gazyfikacją, wykorzystujące paliwo stałe, rozdzielają proces spalania paliwa kopalnego na wiele etapów, gdzie pierwszym etapem jest zwykle etap częściowego utlenienia lub gazyfikacji. Następne etapy spalają wytworzony gaz w turbinach gazowych i kotłach parowych. Sprawność termodynamiczna oraz kontrola emisji zanieczyszczeń były i są nadal ważnymi zagadnieniami przy konstruowaniu elektrowni na paliwo kopalne. Zagadnienia ochrony, wzrastające ceny paliw i coraz surowsze przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń, to tylko kilka spośród czynników, które wymagają lepszych, czyściejszych, sprawniejszych sposobów przetwarzania paliw kopalnych w energię elektryczną. Elektrownie lub systemy energetyczne osiągnęły stosunkowo wysokie poziomy sprawności i kontroli emisji zanieczyszczeń, ale nie są one pozbawione problemów. Przykładowo, ponieważ coraz trudniej jest spełniać normy dotyczące cząstek ciał stałych zawartych w spalinach, od elektrowni wymaga się zwykle wielu różnych procesów i urządzeń służących do usuwania drobnoziarnistych ciał stałych. Zwiększa to koszt i stopień skomplikowania systemu, a takie procesy i urządzenia zwykle wymagają znacznej energii, co prowadzi do znacznych pasożytniczych strat energii i zmniejszenia sprawności. Ponadto, chociaż elektrownie stosują czasami ekonomizery i podobne urządzenia do odzyskiwania części ciepła z gazów w produktach spalania, to jednak nie próbowano odzyskiwać utajonego ciepła parowania takich gazów, ponieważ w warunkach działania takich elektrowni temperatury skraplania takich gazów są zbyt niskie, by odzyskiwanie ciepła przebiegało sprawnie. Zwłaszcza w systemie, w którym podczas spalania wytwarzana jest stosunkowo duża ilość pary wodnej, brak odzyskiwania znacznej części takiego utajonego ciepła parowania może być przyczyną znacznego pogorszenia sprawności termodynamicznej. Celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie zintegrowanej elektrowni lub systemu energetycznego, który odzyskuje ciepło utajone parowania z wytworzonej wody, wypłukuje kwaśne gazy, usuwa zanieczyszczenia chemiczne, takie jak rtęć oraz drobnoziarniste ciała stałe i skrapla oraz odzyskuje ciekły dwutlenek węgla, co stanowi integralną część całego procesu. Kolejnym celem wynalazku jest opracowanie elektrowni lub systemu energetycznego o lepszej sprawności termodynamicznej. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który zapewnia lepszą kontrolę emisji zanieczyszczeń. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który charakteryzuje się zwiększoną elastycznością. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który umożliwia odzyskiwanie przynajmniej części utajonego ciepła parowania wody wytwarzanej podczas utleniania lub spalania. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który działa przy wyższym ciśnieniu, przez co praktycznie możliwe jest pod względem termodynamicznym odzyskiwanie przynajmniej części utajonego ciepła parowania wody wytwarzanej podczas utleniania lub spalania. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który wykorzystuje użyteczne właściwości dwutlenku węgla. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który wykorzystuje recyrkulowaną, odzyskaną wodę wytworzoną podczas utleniania lub spalania, by zmniejszyć koszty urządzeń i zużycie urządzeń. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który wykorzystuje dwustopniowe podwyższanie ciśnienia chłodziwa, by zmniejszyć koszty wymiennika ciepła i zużycie wymiennika ciepła.
PL 199 999 B1 3 Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który zapewnia sprawne odzyskiwanie dwutlenku węgla do późniejszego wykorzystania lub na sprzedaż. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który zapewnia lepsze usuwanie drobnoziarnistego materiału stałego z produktów utleniania lub spalania. Kolejnym celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie systemu powyższego rodzaju, który zapewnia sprawne częściowe utlenianie lub gazyfikację stałych i ciekłych paliw kopalnych. Aby osiągnąć te i inne cele i zalety, zaproponowano elektrownię lub system energetyczny pracujący ze zwiększonym ciśnieniem, który zapewnia czyste i sprawne utlenianie lub spalanie paliwa, takiego jak paliwo kopalne, jak następuje. Paliwo i utleniacz są doprowadzane do komory reakcyjnej, przy czym paliwo jest utleniane w tej komorze przy ciśnieniu zasadniczo w zakresie 4,8-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), korzystniej zasadniczo w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (850-1276 psia). Chłodziwo jest doprowadzane do komory reakcyjnej w układzie wymiany ciepła z paliwem i utleniaczem. Ciśnienie w komorze reakcyjnej wybiera się tak, że jest ono większe niż lub równe ciśnieniu równowagi cieczpara dwutlenku węgla przy temperaturze, przy której elektrownia może odprowadzać ciepło do otoczenia. Produkty spalania z komory mogą być podawane do wymiennika ciepła, a woda może być skraplana z tych produktów spalania w wymienniku ciepła przy ciśnieniu, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 4,83-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), a korzystniej zasadniczo w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (850-1276 psia). Część skroplonej wody może być recyrkulowana do produktów spalania przed wymiennikiem ciepła. Ponadto przed doprowadzeniem do komory reakcyjnej chłodziwo można skierować poprzez wymiennik ciepła w układzie z dwoma stopniami ciśnienia tak, że chłodziwo jest doprowadzane do wymiennika ciepła pod ciśnieniem zasadniczo w zakresie 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia), a jest doprowadzane do komory reakcyjnej pod ciśnieniem zasadniczo w zakresie 13,8-34,5 MPa abs. (2000-5000 psia). Powyższy krótki opis, jak również dalsze cele, właściwości i zalety przedmiotowego wynalazku, staną się lepiej zrozumiałe na podstawie następującego szczegółowego opisu obecnie korzystnych, jednakże ilustracyjnych przykładów realizacji przedmiotowego wynalazku na podstawie załączonych rysunków, gdzie: Figura 1 jest schematyczną reprezentacją systemu energetycznego zawierającego przedmiotowy wynalazek do paliw kopalnych zawierających minimum popiołu lub materiałów tworzących popiół, albo pozbawionych popiołu i takich materiałów tworzących popiół. Figura 2 jest tablicą przedstawiającą korzystny hipotetyczny zestaw warunków pracy systemu pokazanego na fig. 1. Figura 3 jest tablicą pokazującą korzystne, hipotetyczne masowe natężenie przepływu w systemie przedstawionym na fig. 1. Figura 4A i 4B są tablicami przedstawiającymi korzystny hipotetyczny przepływ energii w systemie z fig. 1. Figura 5 jest schematyczną reprezentacją alternatywnego przykładu wykonania systemu energetycznego według przedmiotowego wynalazku na paliwa zawierające popiół lub materiały tworzące popiół. Figura 6 jest tablicą przedstawiającą korzystny hipotetyczny zestaw warunków działania systemu z fig. 5. Figura 7 jest tablicą przedstawiającą korzystne hipotetyczne masowe natężenie przepływu w systemie z fig. 5. Figura 8 jest tablicą przedstawiającą korzystny hipotetyczny przepływ energii w systemie z fig. 5. Figura 9 jest schematyczną reprezentacją alternatywnego przykładu wykonania systemu energetycznego według przedmiotowego wynalazku. Figura 10 jest schematyczną reprezentacją części alternatywnego przykładu realizacji systemu energetycznego według przedmiotowego wynalazku, przewidzianego do wykorzystywania ciekłego dwutlenku węgla do wytwarzania energii dla urządzenia rozdzielającego powietrze. Figura 11 jest schematyczną reprezentacją części alternatywnego przykładu realizacji systemu energetycznego według wynalazku, przeznaczonej do gazyfikacji paliw stałych lub ciekłych, by wytwarzać czysty gaz syntezowy, który może być wykorzystywany do generowania energii w standardowej elektrowni o cyklu Rankine'a lub o cyklu kombinowanym. Poniżej przedstawiono opis korzystnego przykładu wykonania Na fig. 1 przez 100 oznaczono ogólnie zintegrowany system energetyczny według przedmiotowego wynalazku, który integruje spalania paliw kopalnych i sprawne wytwarzanie energii elektrycznej z odzyskiwaniem ciekłego dwutlenku węgla i z eliminowaniem emisji kwaśnych gazów i cząstek. Jak
4 PL 199 999 B1 pokazano na fig. 1 i 2, ciekły tlen ze zbiornika 202 jest pompowany do systemu pod ciśnieniem przez pompę 204. W systemie pokazanym na fig. 1 ciśnienie jest korzystnie w zakresie 4,8-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), a korzystniej zasadniczo w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (850-1276 psia). Ten zakres ciśnienia umożliwia stosowanie standardowych konstrukcji sprzętu i obejmuje krytyczne ciśnienie dwutlenku węgla (7,382 MPa lub 1071 psi). W dalszych stopniach systemu, kiedy woda i dwutlenek węgla są kolejno skraplane, ten podwyższony zakres ciśnienia w układzie umożliwia skraplanie dwutlenku węgla przy najwyższej możliwej temperaturze i skraplanie wody przy użytecznej temperaturze z równoczesną optymalizacją ciśnienia w systemie i zmniejszeniem do minimum całkowitych nakładów kapitałowych. Użyteczna temperatura do wytwarzania skroplonej wody jest temperaturą wystarczająco wysoką, by konwencjonalne wyniki ciepła mogły łatwo przenosić ciepło parowania wytwarzanej wody do chłodziwa. Strumień 101 ciekłego tlenu pod ciśnieniem panującym w systemie przechodzi poprzez wymiennik ciepła 206, gdzie tlen zostaje odparowany, a jego temperatura zostaje zwiększona do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia. Ciepło chłodzenia z odparowania tlenu jest odzyskiwane i przenoszone do urządzenia wytwarzającego tlen. Gazowy tlen w strumieniu 102 jest nadal ogrzewany w wymienniku ciepła 208, a następnie mieszany z gazowym dwutlenkiem węgla ze strumienia 106. Ta mieszanina tlenu i dwutlenku węgla w strumieniu 107 jest wykorzystywana jako utleniacz w reakcji wysokociśnieniowej lub w komorze spalania 210. Mieszanie dwutlenku węgla z tlenem przed komorą reakcyjną ma wiele zalet. Przykładowo pomaga kontrolować temperatury spalania przez zmniejszanie szczytowych stężeń tlenu w komorze reakcyjnej. Chociaż powyżej utleniacz opisano jako mieszaninę tlenu i dwutlenku węgla, jest zrozumiałe, że można stosować wiele różnych utleniaczy. Przykładowo utleniacz może być złożony z powietrza lub korzystnie powietrza wzbogaconego tlenem, mieszanin tlenu i azotu, dwutlenku węgla lub innych gazów obojętnych, albo najkorzystniej tlenem z urządzenia rozdzielającego składniki powietrza, zawierającym w swym składzie więcej niż 80% obj. tlenu. Paliwo, takie jak gaz ziemny z przesyłowego rurociągu 108, jest sprężane do ciśnienia systemu w sprężarce 212 gazu ziemnego i przesyłane w strumieniu 109 do wymiennika ciepła 214, gdzie jest podgrzewane. Podgrzany gaz łączy się z utleniaczem w wysokociśnieniowej komorze reakcyjnej, by wytwarzać ciepło. Ciepło powstałe w komorze reakcyjnej jest przenoszone do chłodziwa, takiego jak woda, w strumieniu 144, który odparowuje w parę strumieniem 145. Chłodziwo, takie jak woda zasilająca kocioł i para wodna, cyrkuluje w strumieniach 139-148. Woda jest magazynowana przy temperaturze otoczenia lub przy temperaturze bliskiej temperatury otoczenia i zasadniczo pod ciśnieniem atmosferycznym w zbiorniku 216 wody zasilającej kocioł. Temperatura otoczenia jest w tym przypadku najniższą temperaturą, przy której elektrownia może rutynowo oddawać ciepło do środowiska. Woda przechodzi ze zbiornika 216 wody zasilającej kocioł do pompy 218 przy temperaturze i ciśnieniu otoczenia w strumieniu 139. Stan tego strumienia jest ustawiany przy temperaturze otoczenia, aby zapewnić największą siłę napędzającą turbinę parową i dzięki temu wytwarzać najwięcej energii z tego procesu. Pompa 218 zwiększa ciśnienie wody do ciśnienia pośredniego, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia), a korzystniej w przybliżeniu 4,14 MPa abs. (600 psia). Zastosowanie ciśnienia pośredniego jako części dwustopniowego wzrostu ciśnienia chłodziwa ma wiele zalet. Przykładowo zastosowanie ciśnienia pośredniego umożliwia, by strumień 113 pod ciśnieniem 8,8 MPa abs. (1276 psia) wchodził w wymiennik ciepła 224 po stronie rurowej, a strumień 142 pod ciśnieniem 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia) wchodził w wymiennik ciepła 224 po stronie obudowy. Ciśnienie wymiennika ciepła 224 po stronie obudowy przy ciśnieniu pośrednim 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia) jest znacznie mniejsze niż typowe ciśnienie 24,15 MPa abs. (3500 psia) pary pod wysokim ciśnieniem. Upraszcza to konstrukcję wymiennika ciepła 224 i przyczynia się do przedłużenia trwałości systemu. Zrozumiałe jest, że woda zasilająca kocioł w strumieniu 142 może być podawana do wymiennika ciepła 224 w szerokim zakresie ciśnienia. Ciśnienie jest korzystnie wybrane tak, że jest większe niż ciśnienie wody nasyconej przy wyjściowej temperaturze wymiennika ciepła 224. Pompa 218 dostarcza strumieniem 140 wodę o temperaturze otoczenia i o ciśnieniu pośrednim do podgrzewacza 220. Z podgrzewacza podgrzana woda płynie strumieniem 141 do wymiennika ciepła 222 i strumieniem 142 do wymiennika ciepła 224. Podgrzana woda zasilająca kocioł pod ciśnieniem pośrednim przepływa z wymiennika ciepła 224 do pompy 226 w stanie ciekłym strumieniem 143. Pompa 226 zwiększa ciśnienie podgrzanej wody zasilającej kocioł do ciśnienia, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 13,8-34,5 MPa abs. (2000-5000 psia), a korzystniej wynosi w przybliżeniu 24,15 MPa abs. (3500 psia).
PL 199 999 B1 5 Woda zasilająca kocioł przepływa w strumieniu 144 poprzez komorę reakcyjną w stanie wymiany ciepła ze spalanym paliwem tak, że spalane paliwo oddaje swe ciepło spalania wodzie i parze w rurach kotła. W korzystnym przykładzie wykonania istnieje wystarczająca powierzchnia wymiany ciepła tak, że produkty spalania wychodzą z komory reakcyjnej strumieniem 111 o temperaturze 627 C (900 K lub 1160 F). Woda zasilająca kocioł jest przetwarzana w parę wodną i przepływa w strumieniu 145 do turbiny parowej 228, by wytwarzać energię elektryczną, zanim przepłynie strumieniem 146 do podgrzewacza 220 i strumieniem 147 do skraplacza 230. Skroplona woda przepływa strumieniem 148 do zbiornika 216 wody zasilającej kocioł do dalszej cyrkulacji poprzez strumienie 139-148. Produkty spalania lub utleniania wychodzą z komory reakcyjnej 210 w strumieniu 111 i przechodzą przez katalityczny reaktor 232. Produkty spalania zawierają dwutlenek węgla, tlenek węgla, nadmiar azotu, tlenki siarki, tlenki azotu, rozcieńczone gazy, takie jak azot i gazy obojętne, wytworzoną wodę w postaci pary wodnej oraz cząstki popiołu, jeżeli istnieją materiały wytwarzające popiół. Katalizatory w reaktorze 232 mogą być wybrane tak, aby uzyskać specyficzne żądane wyniki. Można stosować katalizatory utleniania, by całkowicie utlenić tlenek węgla, tlenki siarki i tlenki azotu do dwutlenku węgla, trójtlenku siarki i dwutlenku azotu. Katalizatory selektywnej redukcji katalitycznej można zastosować z dodatkiem amoniaku, by redukować tlenki azotu do azotu. Można stosować różne złoża katalizatorów w połączeniu, by uzyskać żądany efekt. Substancje reagujące, takie jak amoniak, doprowadzane są do katalitycznego reaktora 232 w strumieniu 112. Oczyszczone gazy w strumieniu 113 są mieszane z wytworzoną wodą recyrkulowaną ze strumienia 123, by utworzyć strumień 114 za wymiennikiem ciepła 224. Stopień recyrkulacji wytworzonej wody w strumieniu 123 jest wybrany tak, że część, ale nie cała woda, będzie parować i zmniejszać temperaturę strumienia 114, zawierającego recyrkulowaną wytworzoną wodę i produkty spalania, do temperatury nasycenia wody przy ciśnieniu panującym w systemie. Mieszanina recyrkulowanej wytworzonej wody i spalin przepływa w strumieniu 114 poprzez rurową stronę wymiennika ciepła 224. Wymiennik ciepła 224 przenosi ciepło z produktów spalania przepływających przez stronę rurową wymiennika ciepła 24 strumieniami 114 i 115 do chłodziwa przepływającego przez stronę obudowy wymiennika ciepła strumieniami 142 i 143. Ponieważ strumień 114 jest pod ciśnieniem panującym w systemie, temperatura nasycenia wody przy tym ciśnieniu jest wystarczająco wysoka, by umożliwić użyteczne przenoszenie ciepła i odzyskiwanie utajonego ciepła parowania wytworzonej wody. Ciśnienie w systemie jest dobrane tak, że woda skrapla się z produktów spalania przy temperaturze korzystnie powyżej 232 C (450 F), a korzystniej powyżej 260 C (500 F). W konwencjonalnych elektrowniach pracujących przy ciśnieniu atmosferycznym lub bliskim ciśnienia atmosferycznego, ciepło z energii parowania wody wytworzonej podczas spalania nie może być opłacalnie odzyskiwane, ponieważ temperatura nasycenia wody lub temperatura nasycenia pary wodnej w równowadze para-ciecz wynosi w przybliżeniu 93-104 C (200-220 F), to znaczy jest zbyt niska. Przykładowo woda zasilająca kocioł miałaby zwykle temperaturę w przybliżeniu 27 C (80 F), a ilość energii, jaką woda zasilająca kocioł mogłaby pochłonąć, jest ograniczona do zmiany entalpii w zakresie od 27 C (80 F) do około 100 C (212 F), gdyby możliwa była doskonała wymiana ciepła. Praktycznie doskonała wymiana ciepła nie jest ekonomicznie możliwa i potrzebna jest znaczna termiczna siła napędzająca, by uzyskać użyteczne przenoszenie ciepła. Oznacza to, że ilość utajonej energii cieplnej w wodzie zawartej w spalinach, jaka mogłaby praktycznie zostać wchłonięta przez wodę zasilającą kocioł, jest znacznie mniejsza niż zmiana entalpii pomiędzy 27 C (80 F) a około 100 C (212 F). Przy typowym ciśnieniu panującym w konwencjonalnych systemach woda skrapla się przy niskiej temperaturze i po prostu jest niewystarczająca cieplna siła napędzająca i niewystarczający wzrost temperatury w płynie chłodzącym, by opłacalnie odzyskiwać ciepło parowania wytworzonej wody. Przedmiotowy system energetyczny oferuje inne zalety wymiennika ciepła 224. Przykładowo zastosowanie recyrkulacji wytworzonej wody w strumieniu 126 zmniejsza szczytową temperaturę, jakiej podlega wymiennik ciepła 224, przy równoczesnym umożliwianiu, by całe lub zasadniczo całe ciepło użyteczne było przenoszone przy temperaturze nasycenia wody. Współczynnik przenoszenia ciepła skraplającej się wody jest zwykle większy niż współczynnik przenoszenia ciepła płynącego gazu. Zmniejsza to koszty sprzętu i zużycie sprzętu. Ponadto, gdy gazowa woda jest skraplana w wymienniku ciepła 224, kwaśne gazy i cząstki będą stanowić zarodki powstawania kropelek skroplin, by uzyskać działanie płuczące. Aspekt ten jest szczególnie użyteczny w podobnych systemach wykorzystujących paliwa takie jak olej opałowy lub węgiel, ponieważ z takimi paliwami zwykle związane są wyższe poziomy zawartości kwaśnych gazów i cząstek stałych.
6 PL 199 999 B1 W korzystnym trybie działania wymiennik ciepła 224 jest skonstruowany i działa tak, że skroplona woda w strumieniu 115 jest cieczą przechłodzoną, a dwutlenek węgla w strumieniu 115 ma temperaturę wyższą niż temperatura krytyczna dwutlenku węgla. Znaczna większość wody w strumieniu 115 jest usuwana przez separator lub zbiornik 234 jako skropliny w strumieniu 117. Stężenie dwutlenku węgla w skroplonej wodzie w strumieniu 117 wynosi w przybliżeniu 2% mol. Gazowy dwutlenek węgla opuszcza separator 234 w strumieniu 116. Strumień 116 dopływa do wymiennika ciepła 214 by podgrzać gaz ziemny ze strumienia 109. Gazowy dwutlenek węgla wypływa z wymiennika ciepła 214 strumieniem 119 i przechodzi do wymiennika ciepła 236, by odparować rozcieńczony dwutlenek węgla ze strumienia 105. Recyrkulowana wytworzona woda i wytworzona woda z separatora 234 są pompowane za pomocą pompy 238 do strumienia 120, który jest rozdzielany na strumienie 118 i 123. Woda w strumieniu 118 przechodzi przez wymienniki ciepła 222 i 240, a następnie przechodzi przez zawór bezpieczeństwa 242. Recyrkulowana wytworzona woda w strumieniu 123 dalej płynie w obwodzie recyrkulacji do połączenia z produktami spalania w strumieniu 113 przed wymiennikiem ciepła 224. Strumień 122 może być wykorzystany do umożliwienia regulacji współczynnika ph i do doprowadzania innych środków chemicznych, jeśli trzeba. Takie dodatkowe środki chemiczne mogą być stosowane do obróbki skroplonych kwasów. Po osiągnięciu temperatury rosy kwasu, trójtlenek siarki SO 3 reaguje z wodą tworząc kwas siarkowy, który po skropleniu tworzy fazę ciekłą. NO 2 może reagować z odpowiednim środkiem redukującym, takim jak kwas mrówkowy lub hydroksyloamina, by wytworzyć gazowy azot zgodnie z reakcjami hydrotermalnymi: 4NH 2 OH + NO 2 2"N 2 + 6H 2 O lub 4HCOOH + 2NO 2 N 2 + 4H 2 O + 4CO 2 Inna możliwa reakcja polega na zastosowaniu kwasu szczawiowego i hydroksyloaminy w celu przetworzenia tlenków azotu w azotan amonowy bez dalszego wytwarzania monotlenku azotu: HOOCCOOH + 2NH 2 OH + 2NO 2 2NH 4 NO 3 + 2CO 2 Oddzielanie tlenków siarki i azotu od głównego strumienia gazowego przeprowadzane jest jako samoistna równoczesna część działania przedmiotowego systemu. Odzyskiwanie ciepła parowania z wytworzonej wody i skraplanie dwutlenku węgla stanowią dwie oddzielne operacje zmiany fazy, które zapewniają wystarczającą sposobność i siłę napędzającą przetwarzanie i rozdzielanie tlenków azotu i siarki. Wiadomo, że cząstki w fazie gazowej, o wielkości ziarna 0,1-2,5 μm, gwałtownie zarodkują skraplanie nasyconych gazów. Małe zawieszone cząstki zmniejszają stopień przesycenia potrzebny do zarodkowania skroplin do poziomów pomijalnie małych. Przedmiotowy system ma dwie operacje zmiany fazy, dotyczące skraplania nasyconych gazów, wody i CO 2. Dlatego przewiduje się, że wszystkie cząstki, łącznie z najmniejszymi cząstkami submikronowymi, będą wypłukiwane i odzyskiwane w fazie skroplonej. Wymiennik ciepła 236 kontynuuje proces chłodzenia dwutlenku węgla w strumieniu 119. Strumień 127 przechodzi z wymiennika ciepła 236 do separatora 244, gdzie rozpuszczona woda jest oddzielana i wydmuchiwana jako skroplmy w strumieniu 128. Gazowy dwutlenek węgla w strumieniu 129 przechodzi do wymiennika ciepła 246, gdzie zostaje zasadniczo skroplony i zamieniony w ciecz. Skraplający się dwutlenek węgla zapewnia jeszcze dalsze korzystne płukanie, by dodatkowo usuwać materiał cząstkowy. Chłodziwo lub woda chłodząca w strumieniach 153 i 154, używana w wymienniku ciepła 246, może również być wykorzystana ponownie w skraplaczu 230. Krytyczna temperatura dwutlenku węgla wynosi 31 C (88 F). Poniżej tej temperatury dwutlenek węgla może skraplać się w ciecz. Elektrownie i większość zakładów chemicznych odprowadzają ciepło do środowiska naturalnego. Często miejscami odprowadzania ciepła są jeziora, rzeki lub oceany. Przykładowo elektrownia może pobierać wodę z jeziora, rzeki lub oceanu, by wytwarzać płyn chłodzący do wymienników ciepła, takich jak wymienniki 230 i 246. Woda taka może być pobierana i zwracana w dużych ilościach tak, że wzrost temperatury wody jest niewielki. Odprowadzanie ciepła do środowiska naturalnego można również uzyskać przez odparowanie wody w powietrze. W najkorzystniejszym przykładzie realizacji urządzenia i systemy wykorzystujące lub zawierające przedmiotowy wynalazek będą odprowadzać ciepło do upustu cieplnego, np. jako płyn chłodzący płynący przewodami 153 i 154 z fig. 1, przy temperaturze poniżej punktu krytycznego dwutlenku węgla. Taki upust cieplny z temperaturą poniżej temperatury krytycznej dwutlenku węgla umożliwia bezpośrednie skraplanie nadkrytycznego lub gazowego dwutlenku węgla pod ciśnieniem, by wytwarzać ciekły dwutlenek węgla.
PL 199 999 B1 7 Ciekły dwutlenek węgla w strumieniu 130 może być doprowadzany do chłodnicy impulsowej 248, gdzie część strumienia może być gwałtownie rozprężana, aby zapewnić chłodzenie reszty strumienia. Gazy nie nadające się do skroplenia, takie jak azot i nadmiar tlenu, są również wypłukiwane z chłodnicy impulsowej 248 i wypuszczane strumieniami 131 i 135. Wytworzony i zawrócony do obiegu ciekły dwutlenek węgla przechodzi w strumieniu 132 poprzez wymiennik ciepła 208 i w strumieniach 137 i 138 odpowiednio do urządzenia transportowego 250 i do magazynu 252. Jest zrozumiałe, że nie ma konieczności skraplania całości dwutlenku węgla w strumieniu 129. Zamiast tego część gazowego dwutlenku węgla można zawrócić do obiegu do zmieszania z tlenem przed reakcyjną komorą 210. Dzięki temu zmniejsza się obciążenie wymiennika ciepła i odprowadzanie ciepła. Na fig. 5 przez 300 oznaczono alternatywny przykład wykonania zintegrowanego systemu według przedmiotowego wynalazku. W tym przykładzie wykonania paliwem jest stałe paliwo kopalne zawierające popiół lub materiały tworzące popiół, takie jak węgiel bitumiczny. Przy niewielkiej modyfikacji urządzenia doprowadzającego paliwo ten sam przykład realizacji można wykorzystać do paliw ciekłych zawierających popiół lub materiały wytwarzające popiół, takich jak olej ciężki i ropa naftowa. Ponadto jako surowiec można zastosować kwaśny gaz. System taki może spalać CO, CS 2 i H 2 S w celu uzyskania energii i otrzymania kwasu siarkowego lub siarczanu. Ponadto z katalizatorem można zintegrować proces Clausa, z ponownym doprowadzaniem H 2 S i katalitycznym przetwarzaniem SO X i H 2 S w H 2 O i stopioną/gazową siarkę. Paliwo zawierające stały popiół lub materiał tworzący popiół, taki jak węgiel, doprowadzane jest do młyna kulowego lub podobnego urządzenia 402, które przeprowadza sproszkowanie paliwa stałego. Z tego młyna kulowego paliwo stałe podawane jest do zbiornikowej pompy 404 i poprzez strumień 301 pod ciśnieniem panującym w systemie lub zbliżonym do niego podawane jest do mieszarki 406. W systemie przedstawionym na fig. 5 ciśnienie jest korzystnie w zakresie 4,8-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), a korzystniej w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (870-1276 psia). Ten zakres ciśnienia umożliwia zastosowanie standardowych konstrukcji sprzętowych i obejmuje krytyczne ciśnienie dwutlenku węgla (7,382 MPa lub 1071 psi). W dalszych etapach takiego systemu, kiedy woda i dwutlenek węgla są kolejno skraplane, ten zakres ciśnienia w systemie umożliwia skraplanie dwutlenku węgla przy najwyższej możliwej temperaturze. Skraplanie wody uzyskuje się przy użytecznej temperaturze przy równoczesnym optymalizowaniu ciśnienia w systemie i zmniejszaniu do minimum całkowitych kosztów kapitałowych. Chociaż przedmiotowy system omówiono z zastosowaniem węgla w charakterze paliwa, zrozumiałe jest, że w systemie tym można stosować inne paliwa, takie jak olej opałowy. Oczywiście, jeśli urządzenie jest przeznaczone do spalania tylko oleju opałowego, można pominąć młyn kulowy 402 i zbiornikową pompę 404, a zamiast tego wprowadzić wysokociśnieniową pompę olejową. Jak to omówiono bardziej szczegółowo poniżej, ciekły dwutlenek węgla dodaje się do mieszarki w strumieniu 304. Do mieszarki tej można również dodawać wodę, środki powierzchniowo czynne, modyfikatory współczynnika ph i inne środki chemiczne. Po zmieszaniu paliwo zmieszane z dwutlenkiem węgla doprowadzane jest w strumieniu 302 do pompy 408 przed doprowadzeniem do komory reakcyjnej lub komory spalania 410 w strumieniu 307. Mieszanina paliwa i dwutlenku węgla może być również łączona z tlenem przed komorą reakcyjną (fig. 9). W przypadku oleju opałowego można stosować mieszarkę lub nie stosować jej zależnie od właściwości oleju opałowego. Może być korzystne wytwarzanie emulsji z oleju opałowego i ciekłego dwutlenku węgla przed doprowadzeniem do komory reakcyjnej. Woda i środki powierzchniowo czynne mogą potencjalnie pomóc w tworzeniu emulsji oleju opałowego o małej lepkości i odpowiedniej stabilności. Mieszarka może nie być potrzebna, zwłaszcza do olejów opałowych, ponieważ kiedy mieszanina dwutlenku węgla i węgla lub emulsja złożona z dwutlenku węgla i oleju opałowego wchodzi do komory reakcyjnej, wówczas gwałtowne rozprężenie i zmiana fazy dwutlenku węgla zapewnia silne ścinanie mechaniczne i siły rozpraszania, by wspomagać mieszanie. Ciekły dwutlenek węgla jest przechowywany w magazynowym zbiorniku 412. Ciekły dwutlenek węgla przepływa z magazynowego zbiornika 412 do pompy 414 w strumieniu 303, a pompa 414 zwiększa ciśnienie ciekłego dwutlenku węgla do ciśnienia panującego w systemie. Za pompą 414 ciekły dwutlenek węgla przepływa strumieniami 304 i 308 do mieszarki 406 i wymiennika ciepła 416. W korzystnym przykładzie realizacji wystarczająco dużo dwutlenku węgla przepływa do mieszarki strumieniem 304, by zapewnić zasadniczo jednakową masę dwutlenku węgla i węgla w mieszarce. W korzystnym przykładzie realizacji dwutlenek węgla w strumieniu 308 jest początkowo strumieniem ciekłego dwutlenku węgla. Aby osiągnąć dobre mieszanie z gazowym tlenem w strumieniu 306, korzystne jest odparowanie dwutlenku węgla w strumieniu 308 przed zmieszaniem go z tlenem w strumieniu 306.
8 PL 199 999 B1 Można to osiągnąć przez doprowadzanie strumienia 308 do wymiennika ciepła 416, zanim dwutlenek węgla dojdzie w strumieniu 309 do strumienia 306, by zmieszać się z tlenem i utworzyć strumień 310. Ciekły tlen jest przechowywany w magazynowym zbiorniku 418. Gazowy tlen pod ciśnieniem można otrzymać przez sprężanie ciekłego tlenu i następnie ogrzanie i odparowanie go przy temperaturze w przybliżeniu 240şK w przeciw przepływowym wymienniku ciepła (nie pokazano). Zimny ciekły tlen można zastosować, by pomóc w chłodzeniu strumieni technologicznych w urządzeniu rozdzielania powietrza. Sprężony gazowy tlen w strumieniu 305 jest ponadto podgrzewany w wymienniku ciepła 422, który jest wykorzystywany do chłodzenia wytworzonego dwutlenku węgla. Sprężony tlen podawany jest z wymiennika ciepła 422 w strumieniu 306 i jest gotowy do zmieszania z dwutlenkiem węgla w strumieniu 309. Ilość tlenu w strumieniu 306 jest określana przez prędkość doprowadzania paliwa i oczekiwane produkty spalania. W korzystnym przykładzie realizacji prędkości doprowadzania paliwa i tlenu są kontrolowane, aby zapewnić niewielki nadmiar tlenu wobec dokładnie stechiometrycznego stosunku pomiędzy paliwem a tlenem. Przed wprowadzeniem do komory reakcyjnej, gazowy tlen w strumieniu 306 jest mieszany z gazowym dwutlenkiem węgla w strumieniu 309, aby zapewnić szczytowe stężenia tlenu w komorze reakcyjnej. W korzystnym przykładzie realizacji zastosowano jednakowe masy tlenu w strumieniu 306 i dwutlenku węgla w strumieniu 309. W komorze reakcyjnej strumienie paliwa i utleniacza są łączone w szeregu stopni spalania z małą ilością utleniacza, by kontrolować szczytowe temperatury i przenoszenie ciepła. Nawet przy rozcieńczeniu dużymi ilościami dwutlenku węgla cząstkowe ciśnienie tlenu w komorze reakcyjnej będzie dość wysokie w pobliżu dysz wlotowych. Zapłonnik (nie pokazano) może być złożony z elektrycznie ogrzewanej kształtki ogniotrwałej w pobliżu strumieni doprowadzających paliwo i utleniacz, albo też jest to zapłonnik chemiczny, taki jak trietyloglin, który zapala się sam w obecności tlenu. Jeżeli brak jest azotu, gazowe tlenki NO X nie są wytwarzane. Jeżeli jest azot, wówczas mogą być wytwarzane tlenki NO X. Między innymi produkty spalania lub utleniania zawierają spaliny, w skład których wchodzi wytworzona woda w postaci pary wodnej, oraz cząstki popiołu. Produkty spalania wychodzą z komory reakcyjnej w strumieniu 311 i podawane są do wymiennika ciepła 424, który usuwa ciepło ze strumienia 311 i przenosi je do strumienia 323, który tworzy część pętli dla wody doprowadzanej do kotła i dla pary wodnej. Chłodziwo, takie jak woda doprowadzana do kotła i para wodna, cyrkuluje w strumieniach 321-327. Woda jest magazynowana przy temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem panującym w zbiorniku 426 wody dla kotła. Woda przepływa ze zbiornika 426 wody dla kotła do pompy 428 przy temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem w strumieniu 321. Stan tego strumienia jest ustawiany przy temperaturze otoczenia, aby zapewniać największą siłę napędzającą turbinę parową i aby z tego procesu otrzymać największą moc. Pompa 428 spręża wodę do ciśnienia pośredniego, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 2,07-4,14 MPa (300-600 psi), a korzystniej wynosi w przybliżeniu 4,14 MPa abs. (600 psia). Zastosowanie pośredniego ciśnienia jako części dwustopniowego wzrostu ciśnienia chłodziwa ma wiele zalet. Zastosowanie pośredniego ciśnienia pozwala, by strumień 312 o ciśnieniu 8,8 MPa abs. (1276 psia) dopływał do wymiennika ciepła 424 po rurowej stronie, a strumień 322 pod ciśnieniem 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia) dopływał do wymiennika ciepła 424 po stronie obudowy. Ciśnienie wymiennika ciepła 424 po stronie obudowy przy ciśnieniu pośrednim w przybliżeniu 2,07-4,14 MPa abs. (300-600 psia) jest znacznie mniejsze niż typowe wysokie ciśnienie pary wodnej 24,15 MPa abs. (3500 psia). Upraszcza to konstrukcję wymiennika ciepła 424 i przyczynia się do przedłużenia trwałości systemu. Podgrzana woda zasilająca kocioł pod ciśnieniem pośrednim przepływa z wymiennika ciepła 424 do pompy 430 w stanie ciekłym w strumieniu 323. Pompa 430 zwiększa ciśnienie podgrzanej wody zasilającej kocioł do ciśnienia, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 13,8-34,5 MPa abs. (2000-5000 psia), a korzystniej wynosi w przybliżeniu 24,15 MPa abs. (3500 psia). Woda zasilająca kocioł przechodzi przez reakcyjną komorę 410 w układzie wymiany ciepła ze spalanym paliwem, tak że spalane paliwo oddaje swe ciepło spalania wodzie i parze wodnej w rurach kotła. W korzystnym przykładzie realizacji dostępna jest wystarczająca powierzchnia wymiany ciepła, tak, że produkty spalania wychodzą z komory reakcyjnej 410 w strumieniu 311 przy temperaturze w przybliżeniu 547 C (820 K lub 1016 F). Woda zasilająca kocioł jest przetwarzana w parę wodną i podawana w strumieniu 325 do parowej turbiny 432, by wytwarzać energię elektryczną, zanim przepłynie w strumieniu 326 do skraplacza 434. Skroplona woda przepływa w strumieniu 326 do zbiornika 426 wody zasilającej kocioł do dalszej cyrkulacji w strumieniach 321-327.
PL 199 999 B1 9 Wracając do wymiennika ciepła 424, część przeznaczona do odprowadzania ciepła z gazów spalinowych ma działać przy ciśnieniu, które jest korzystnie zasadniczo w zakresie 4,8-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), a korzystniej jest zasadniczo w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (850-1276 psia). Ciśnienie to wybiera się tak, że woda skrapla się z produktów spalania przy temperaturze, która jest korzystnie powyżej w przybliżeniu 232 C (450 F), a korzystniej powyżej 260 C (500 F). Ważną zaletą działania komory reakcyjnej i wymiennika ciepła przy podwyższonym ciśnieniu jest to, że utajone ciepło parowania wody w produktach spalania można odzyskiwać. Przy podwyższonym ciśnieniu w systemie temperatura nasycenia przy równowadze para-ciecz dla pary wodnej jest również podwyższona do użytecznej temperatury (korzystnie powyżej 232 C (450 F), a korzystniej powyżej 260 C (500 F). W konwencjonalnych elektrowniach działających przy ciśnieniu atmosferycznym lub w pobliżu tej wartości ciepło parowania wody wytworzonej w procesie spalania nie może być opłacalnie odzyskiwane, ponieważ temperatura nasycenia przy równowadze para-ciecz dla pary wodnej wynosi w przybliżeniu 93-104 C (200-220 F), co jest wartością zbyt niską. Przykładowo woda zasilająca kocioł miałaby zwykle temperaturę w przybliżeniu 27 C (80 F), a ilość energii, jaką woda zasilająca kocioł mogłaby pochłonąć, jest ograniczona do zmiany entalpii pomiędzy 27 C (80 F) a około 100 C (212 F), gdyby możliwa była doskonała wymiana ciepła. W praktyce doskonała wymiana ciepła jest ekonomicznie niemożliwa i potrzebna jest znaczna cieplna siła napędzająca, by uzyskać użyteczne przenoszenie ciepła. Oznacza to, że ilość utajonej energii cieplnej w wodzie zawartej w spalinach, jaką mogłaby praktycznie wchłonąć woda zasilająca kocioł, jest znacznie mniejsza niż zmiana entalpii pomiędzy 27 C (80 F) a około 100 C (212 F). Przy typowym ciśnieniu w konwencjonalnych systemach woda skrapla się przy niskiej temperaturze i po prostu jest niewystarczająca cieplna siła napędzająca i niewystarczający wzrost temperatury w płynie chłodzącym dla opłacalnego odzyskiwania ciepła parowania wytworzonej wody. Jak wspomniano powyżej, zrozumiałe jest, że zamiast węgla można zastosować olej opałowy, a w takim przypadku wytwarzane będzie mniej popiołu, a więcej wody, zaś ciepło odzyskiwane z utajonego ciepła parowania wytworzonej wody będzie większe. Aby to skompensować, należy regulować ciśnienie pośrednie. Skraplanie wody i kwaśnych gazów w wymienniku ciepła 424 ma również inną zaletę. Podczas skraplania wody i kwaśnych gazów następuje naturalne wypłukiwanie cząstek stałych. Gdy nasycone gazy są schłodzone poniżej swego punktu nasycenia, powstawanie kropelek jest zarodkowane na cząstkach popiołu zawieszonych w strumieniu gazu. Zjawisko płukania przy skraplaniu polepsza oddzielanie cząstek popiołu i zwiększa możliwości usuwania cząstek stałych z systemu. Wymiennik ciepła 424 jest również skonstruowany i działa tak, że temperatura wyjściowa strumienia 313 jest większa niż temperatura krytyczna dwutlenku węgła. Powoduje to zwiększone oddzielanie skroplonej wody i kwaśnych gazów od dwutlenku węgla i polepsza jakość wytwarzanego i przechwytywanego dwutlenku węgla. Ochłodzone produkty spalania, zawierające gazowy dwutlenek węgla i skroploną wodę, przechodzą z wymiennika ciepła 424 do separatora 436 w strumieniu 313. W separatorze 436 ciekła woda, rozpuszczony kwas i cząstki popiołu są oddzielane od strumienia gazowego dwutlenku węgla. Oddzielona woda, kwasy i popiół przepływają z separatora 436 do oddzielacza hydrocyklonowego 438 w strumieniu 314, gdzie popiół jest oddzielany od wody. Popiół i część wody przepływa z oddzielacza hydrocyklonowego w strumieniu 316 do chłodnicy 450. Z chłodnicy 450 ochłodzona woda i popiół przepływa w strumieniu 317 do połączenia ze strumieniami 334, 332 i 335 skroplonej wody z separatorów 444 i 458, aby utworzyć strumień 318, który płynie do urządzeń 452 obniżania ciśnienia. Urządzenia rozdzielające, takie jak filtry lub systemy 454 oparte na odwrotnej osmozie można stosować do oczyszczania strumienia 318 wody i popiołu. Część oczyszczonej wody z oddzielacza hydrocyklonowego 438 przepływa w strumieniu 315 do pompy 440, a następnie jest pompowana w strumieniu 320 z powrotem do strumienia 312 przed wymiennik ciepła 424. Dodatki, takie jak amoniak, soda kaustyczna lub wapno hydratyzowane, mogą być dodawane do tej recyrkulowanej wody w strumieniu 319, by ustawiać wartość współczynnika ph strumienia recyrkulowanej wody. Zaletą, recyrkulacji wody jest natychmiastowe chłodzenie strumienia 311. Po wprowadzeniu wody temperatura w strumieniu 311 spadłaby do lub w pobliże temperatury równowagi woda-para przy ciśnieniu systemu (296,85 C- 570 K, 566 F). Jawna energia cieplna w spalinach wypływających z komory reakcyjnej przy temperaturze 547 C (1016 F) byłaby przetwarzana w utajone ciepło pary wodnej przy znacznie niższej temperaturze. W przedmiotowym systemie temperatura ta wynosi w przybliżeniu 297 C (566 F). Konstruowanie i budowanie wymiennika ciepła 424 na szczytową temperaturę i ciśnienie w obudowie w przybliżeniu 297 C (566 F) i 4,14 MPa abs. (600 psia) jest łatwiejsze niż konstruowanie wymiennika ciepła
10 PL 199 999 B1 na szczytową temperaturę w przybliżeniu 547 C (1016 F) i około 8,8 MPa abs. (1276 psia). Oprócz zalet obniżenia temperatury skraplanie pary wodnej ma doskonałe właściwości przenoszenia ciepła, a dodatkowy przepływ wody pomoże zapewnić, by cząstki popiołu były ciągle wypłukiwane przez wymiennik ciepła. Gazowy strumień 328 wypływający z separatora 436 może zawierać dwutlenek węgla i azot. Zawierać będzie również tlen i nieco NO oraz SO 2, NO i SO 2 są utleniane resztkami tlenu w złożu katalitycznym 456 do NO 2 i SO 3. Strumień 329 jest w układzie wymiany ciepła ze strumieniem 308 w wymienniku ciepła 416. Gdy strumień 329 jest chłodzony do strumienia 330, dodatkowa woda będzie się skraplać z fazy gazowej. Całkowicie utlenione związki NO 2 i SO 3 są łatwo wypłukiwane wodą i przetwarzane w materiały możliwe do odzyskania. Ta woda i kwas są odzyskiwane w strumieniu 332. Odzyskane NO 2 i SO 3 są rozdzielane na strumienie 331 i 332 w separatorze 458. Ochłodzony dwutlenek węgla, azot i tlen wchodzą do skraplacza 442 w strumieniu 331. Strumień 343 może być wykorzystywany do zapewnienia regulacji współczynnika ph i w razie potrzeby doprowadzania innych środków chemicznych. Takie dodatkowe środki chemiczne mogą być wykorzystywane do oczyszczania skroplonych kwasów. Po osiągnięciu punktu rosy trójtlenek siarki SO 3 reaguje z wodą tworząc kwas siarkowy, który skrapla się do fazy ciekłej. NO 2 może reagować z odpowiednim środkiem redukującym, takim jak kwas mrówkowy lub hydroksyloamina, by utworzyć gazowy azot, według następujących reakcji hydrotermalnych: 4NH 2 OH + NO 2 2"N 2 + 6H 2 O lub 4HCOOH + 2NO 2 N 2 + 4H 2 O + 4CO 2 Inną potencjalną reakcją jest wykorzystanie kwasu szczawiowego i hydroksyloaminy do przetwarzania tlenków azotu w azotan amonowy bez późniejszego wytwarzania mono-tlenku azotu: HOOCCOOH + 2NH 2 OH + 2NO 2 2NH 4 NO 3 + 2CO 2 Oddzielanie tlenków siarki i azotu z ogólnego strumienia gazowego przeprowadzane jest jako samoistna równoczesna część działania przedmiotowego systemu. Odzyskiwanie ciepła parowania wytworzonej wody i skraplanie dwutlenku węgla stanowią dwie oddzielne operacje zmiany fazy, które tworzą w pełni wystarczającą sposobność i siłę napędzającą do przetwarzania, zbierania i oddzielania tlenków azotu i siarki. W alternatywnym przykładzie realizacji, pokazanym na fig. 9, woda, popiół i skroplony kwas w strumieniu 512 są po prostu chłodzone i usuwane z systemu poprzez zbiorniki obniżania ciśnienia lub inne urządzenia zmniejszające ciśnienie. Jest wysoce prawdopodobne, że tlenki wapnia i magnezu w popiele z węgla będą reagować z kwasem siarkowym w wodzie tworząc siarczan wapnia i siarczan magnezu. Wytworzona woda będzie oczyszczana i wypuszczana, albo wykorzystywana jako woda chłodząca. Wracając do przykładu wykonania pokazanego na fig. 5, gazowy dwutlenek węgla opuszcza separator 458 w strumieniu 331. Strumień 331 przechodzi do skraplacza 442, gdzie dwutlenek węgla jest zasadniczo skraplany i zamieniany w ciecz. Ciekły dwutlenek węgla w strumieniu 333 może następnie przechodzić do impulsowej chłodnicy 444, gdzie część tego strumienia może być gwałtownie rozprężana, aby zapewnić chłodzenie reszty strumienia. W korzystnym przykładzie realizacji w przybliżeniu 20% dwutlenku węgla jest gwałtownie rozprężana. Przy gwałtownym rozprężeniu ciekły dwutlenek węgla będzie chłodzić się przez rozprężanie Joule'a-Thompsona. To zjawisko chłodzenia można wykorzystywać do ochładzania reszty ciekłego dwutlenku węgla w strumieniu 336. Nieskroplone gazy, takie jak azot, nadmiar tlenu i argon, są również wypłukiwane z chłodnicy impulsowej i odprowadzane w strumieniu 337. Przy takim gwałtownym rozprężeniu dla fachowców jest oczywiste, że może nie być konieczne stosowanie czystego tlenu. Zamiast tego system może wykorzystywać 90-96% tlenu wytwarzanego przez urządzenia adsorpcyjne zmiennociśnieniowe, albo też może wykorzystywać powietrze lub też powietrze wzbogacone tlenem. Wytwarzany i recyrkulowany ciekły dwutlenek węgla przepływa w strumieniu 336 przez wymiennik ciepła 422 i przechodzi w strumieniu 338 do pompy 446, która przepuszcza dwutlenek węgla w strumieniu 341 i 340 odpowiednio do magazynowania 412 i transportu 448. Jest zrozumiałe, że nie trzeba skraplać całego dwutlenku węgla w strumieniu 331. Zamiast tego część gazowego dwutlenku węgla można zawracać do obiegu do zmieszania z tlenem przed komorą reakcyjną 410. Pozwala to na zmniejszenie wymiennika ciepła i odprowadzania ciepła. Opcjonalne wykorzystanie nadmiaru ciekłego dwutlenku węgla przedstawiono na fig. 10. Nadmiar ciekłego dwutlenku węgla można wykorzystywać do zapewnienia energii potrzebnej do wytworzenia ciekłego tlenu. W tym przykładzie wykonania ciekły dwutlenek węgla ze zbiornika 812 przepły-
PL 199 999 B1 11 wa w strumieniu 751 do pompy 814, gdzie jest pompowany do ciśnienia większego niż jego ciśnienie krytyczne (około 7,382 MPa lub 1071 psia). Dwutlenek węgla pod wysokim ciśnieniem przepływa następnie w strumieniu 752 do wymiennika ciepła 816, gdzie jest ogrzewany powyżej punktu krytycznego za pomocą odpadowego ciepła. Ponieważ temperatura krytyczna dwutlenku węgla jest tak niska (31,04 C - 304,19 K lub 87,5 F), ciepło odpadowe może być wykorzystywane do przetworzenia sprężonego ciekłego dwutlenku węgla w gazowy dwutlenek węgla. Ciepło to może pochodzić z różnych części elektrowni lub z ciepła wytwarzanego przez sprężarki 817 powietrza i tlenu w urządzeniu do rozdzielania powietrza. Wysokociśnieniowy gazowy dwutlenek węgla przepływa następnie przez turbinę 820. aby wytworzyć energię kinetyczną do napędzania sprężarek 817 w urządzeniu rozdzielającym powietrze. Może to być operacja wielostopniowa z dodatkowym ogrzewaniem dwutlenku węgla pomiędzy pośrednimi stopniami. Zużyty dwutlenek węgla może być wypuszczany do atmosfery w miejscu 822, a wytwarzany ciekły tlen może być podawany w strumieniu 753 poprzez resztę urządzenia 824 rozdzielania powietrza z odpowietrznikiem 825 i pompą 826 do zbiornika magazynowego 818. Podejście takie wykorzystuje doskonałe naturalne właściwości dwutlenku węgla. Wyrównanie obciążenia eksportu mocy elektrycznej uzyskuje się przez zmienianie ilości energii elektrycznej kierowanej do wytwarzania tlenu. W cyklu dobowym, w okresach małego poboru energii elektrycznej, większa część mocy wyjściowej elektrowni jest poświęcana na produkcję ciekłego tlenu. W okresach szczytowego poboru mocy elektrycznej zmagazynowany ciekły tlen jest wykorzystywany, a niewielka część wytwarzanej energii elektrycznej jest kierowana do urządzenia rozdzielania powietrza. Poniżej przedstawiono inne modyfikacje, zmiany i zastąpienia, a w pewnych przypadkach niektóre właściwości wynalazku będą wykorzystywane bez odpowiedniego wykorzystania innych cech. Przykładowo recyrkulacja wody w strumieniach takich jak 120, 123 i 315, nie musi być lub może być wykorzystywana w połączeniu z innymi konstrukcjami. Ponadto dwuetapowe zwiększanie ciśnienia chłodziwa przez strumienie 139-144, 321-324 i 521-524 nie musi być stosowane lub może być stosowane w połączeniu z innymi konstrukcjami. Ponadto usytuowanie wymienników ciepła może znacznie zmieniać się, a różne strumienie mogą być kierowane do określonych wymienników ciepła w dowolnej liczbie konfiguracji. Dodatkowo system ten może być stosowany z łączeniem dwutlenku węgla z paliwem, tlenem lub powietrzem przed komorą reakcyjną lub w komorze reakcyjnej, albo bez takiego łączenia. Ponadto zrozumiałe jest, że przechwytywanie i oddzielanie dwutlenku węgla nie musi być stosowane i że przechwytywanie i oddzielanie wody nie musi być stosowane. Podobnie selektywna redukcja katalityczna lub utlenianie katalityczne nie musi być stosowane. Ponadto jest zrozumiałe, że wszystkie przykłady i ilościowe wartości i zakresy, takie jak wartości temperatury i ciśnienia, są podane ilustracyjnie bez zamiaru ograniczania zakresu wynalazku. Załączone zastrzeżenia patentowe są zatem skonstruowane odpowiednio szeroko i w sposób zgodny z zakresem wynalazku. Na fig. 11 przez 900 oznaczono alternatywny przykład realizacji zintegrowanego systemu według przedmiotowego wynalazku. W tym przykładzie wykonania paliwem jest kopalne paliwo stałe zawierające popiół lub materiały tworzące popiół, takie jak węgiel bitumiczny. Z niewielką modyfikacją urządzeń doprowadzających paliwo ten sam przykład wykonania można wykorzystywać do paliw ciekłych zawierających popiół lub materiały tworzące popiół, takich jak olej ciężki i ropa naftowa. Paliwo jest częściowo utleniane lub zgazowywane, by wytworzyć gaz syntezowy zawierający energię. Produkcja gazu syntezowego wykorzystuje podstechiometryczną ilość tlenu i dlatego wymaga mniej utleniacza niż całkowite spalanie. Paliwo zawierające stały popiół lub materiał tworzący popiół, takie jak węgiel, jest doprowadzane do młyna kulowego 1002 lub podobnego urządzenia, które przerabia paliwo stałe na proszek. Z tego młyna kulowego paliwo stałe podawane jest do zbiornikowej pompy 1004 i przechodzi w strumieniu 901 pod ciśnieniem panującym w systemie lub zbliżonym do niego do mieszarki 1006. W systemie przedstawionym na fig. 11 ciśnienie systemu jest korzystnie w zakresie 4,8-13,8 MPa abs. (700-2000 psia), a korzystniej zasadniczo w zakresie 5,9-8,8 MPa abs. (870-1276 psia). Ten zakres ciśnienia umożliwia stosowanie standardowych konstrukcji sprzętu i obejmuje ciśnienie krytyczne dwutlenku węgla (7,382 MPa lub 1071 psi). W ostatnich stopniach przedmiotowego systemu, kiedy woda i dwutlenek węgla są kolejno skraplane, ten zakres ciśnienia w systemie umożliwia skraplanie dwutlenku węgla przy najwyższej możliwej temperaturze. Skraplanie wody osiąga się przy użytecznej temperaturze przy równoczesnej optymalizacji ciśnienia w systemie i minimalizacji całkowitych kosztów kapitałowych. Chociaż obecny system jest omawiany przy zastosowaniu węgla w charakterze paliwa, jest zrozumiałe, że w systemie tym można stosować inne paliwa, takie jak olej opałowy. Oczywiście, jeśli elek-