CN101913604A - 利用液化天然气冷能的干冰生产装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置及其方法。CO2气体压缩机出口与水冷器、丙烷换热器高温通道、低温换热器的高压盘管、节流阀、干冰收集器、滤网、截止阀、低温换热器的低压盘管、丙烷换热器低温通道、止逆阀、CO2气体压缩机进口依次相连；截止阀与止逆阀之间设有旁通阀；干冰收集器下方设有漏斗；低温泵出口经丙烷换热器低温通道、天然气换热器壳程与低温泵进口相连；天然气换热器管程通有液化天然气。本发明将LNG冷能用于制取干冰，可将CO2压缩机出口压力由没有利用LNG冷能时的2MPa降低到1MPa以下，从而降低压缩机功耗1/3以上，本方法符合节能降耗、发展循环经济的大趋势，具有明显的环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及节能与制冷工程技术领域，尤其涉及一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置及其方法。
背景技术
天然气作为一种优质能源具有污染小、储量丰富、单位质量热值高等优点。但天然气的生产地和消费地往往不同，因此将天然气在低温下(约112K)液化成液化天然气(LNG)后再用LNG船输送到目的地的接受终端。而在接受终端，为满足管输要求，需将LNG通过和海水换热汽化升温至室温。LNG汽化及升温过程释放热值约840kJ/kg，，这部分能量被海水带走造成了巨大浪费，更不说海水循环所消耗的电力。另一方面，发电厂燃烧碳氢化合物产生大量温室效应气体CO2，严重威胁人类生存环境。
由于干冰吸热升华为气体，不产生遗留物质，因此被广泛应用于食品冷冻储藏、医疗、机械、舞台烟雾制造等领域。CO2的三相点温度为-56.56℃，压力为518kPa，在一个大气压时的升华温度为-78.5℃。通常制造干冰的方法是用压缩机将CO2气体压力升高到约2MPa，然后用其他制冷方法通过换热器将CO2气体降温至约-30℃液化后，通过节流阀降压降温后获得干冰。这个过程由于压缩机升压比高达20而消耗大量能源和冷却水，而且用以液化CO2气体的制冷过程也消耗大量能源，因此用常规生产干冰的方法单位电耗很高。
日本专利申请说明书JP2003336965-A公开了一种利用LNG冷能将混合气体中的CO2气体固化从而与其他气体分离的方法，该装置处理对象是气体混合物，目的是分离出其中的CO2气体，所使用的装置和本发明内容完全不同。
日本专利申请说明书JP2006282403-A公开了一种利用LNG冷能生产细小冰粒，然后喷洒到燃烧尾气中，和其中的CO2形成水合物，从而达到分离尾气中CO2的目的。该装置最后的产物是CO2水合物，产生的原理是CO2气体和冰粒化学反应，与本发明内容完全不同。
上述专利申请说明书均未涉及一种利用LNG冷能生产干冰的装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置及其方法。
利用液化天然气冷能的干冰生产装置包括CO2气体压缩机、水冷器、丙烷换热器、低温换热器、节流阀、干冰收集器、滤网、漏斗、天然气换热器、低温泵、旁通阀、截止阀、止逆阀；CO2气体压缩机出口与水冷器、丙烷换热器高温通道、低温换热器的高压盘管、节流阀、干冰收集器、滤网、截止阀、低温换热器的低压盘管、丙烷换热器低温通道、止逆阀、CO2气体压缩机进口依次相连；截止阀与止逆阀之间设有旁通阀；干冰收集器下方设有漏斗；低温泵出口经丙烷换热器低温通道、天然气换热器壳程与低温泵进口相连；天然气换热器管程通有液化天然气。
所述的丙烷换热器为多股流板翅式换热器；所述的天然气换热器为板翅式换热器；所述的低温换热器为管壳式换热器。
所述的干冰收集器为一长方体空腔，空腔顶部纵向排列毛毡，毛毡垂直向下或与垂直呈45°向后，空腔底部连接漏斗用以收集干冰。
利用液化天然气冷能的干冰生产方法包括制取干冰的循环，丙烷循环和液化天然气循环；在制取干冰的循环中，进料CO2气体101与通过丙烷换热器吸热升温返回的CO2气体110混合后，进入压缩机，变成高温高压的CO2气体102经过水冷器预冷成常温高压的CO2气体103，继续通过丙烷换热器冷却成低温高压的汽液两相的CO2104，然后通过低温换热器进一步冷却成低温高压的CO2液体105，接着通过节流阀等焓节流，一部分变成固态CO2即干冰，另一部分则变成低温常压的气态CO2，形成固汽两相流106，干冰在重力及CO2收集器毛毡的作用下，经漏斗收集并进行处理；而低温常压的气体CO2在经过滤网、截止阀后在低温换热器和丙烷换热器中分别与来流的低温高压CO2和常温高压CO2进行换热成常温常压气体109，并与旁通气体混合成常温常压气体110，然后再与进料CO2气体混合再次进入压缩机，如此反复循环下去，从而源源不断的制取干冰；在丙烷循环中，低温丙烷202经过低温泵的作用，流经丙烷换热器与常温高压CO2进行换热，变成温度稍高的丙烷201，然后进入天然气换热器与低温的液化天然气进行换热，又生成低温丙烷202，再次经过低温泵进行循环，将冷量源源不断的传递给CO2气体；在液化天然气循环中，低温天然气301流经天然气换热器进行换热，形成次低温天然气302。
本发明将LNG低温冷能用于制取干冰后，可使干冰产品的单位电耗降低到约常规压缩节流制取方法的不到1/3，同时还节省大量升温LNG需要的冷却水电耗等，产生的干冰易于运输和集中处理，避免直接排到大气中影响全球气候变化。因此，本发明符合节能降耗、发展循环经济的大趋势，具有明显的环境效益和经济效益。
附图说明
图1为利用液化天然气冷能的干冰生产装置结构示意图；
图2为利用液化天然气冷能生产干冰的热力学原理图；
图3为本发明实施例中CO2在各个热力学过程的状态参数；
图中，CO2气体压缩机1、水冷器2、丙烷换热器3、低温换热器4、节流阀5、干冰收集器6、滤网7、漏斗8、天然气换热器9、低温泵10、旁通阀11、截止阀12、止逆阀13。
具体实施方式
如图1所示，利用液化天然气冷能的干冰生产装置包括CO2气体压缩机1、水冷器2、丙烷换热器3、低温换热器4、节流阀5、干冰收集器6、滤网7、漏斗8、天然气换热器9、低温泵10、旁通阀11、截止阀12、止逆阀13；CO2气体压缩机1出口与水冷器2、丙烷换热器3高温通道、低温换热器4的高压盘管、节流阀5、干冰收集器6、滤网7、截止阀12、低温换热器4的低压盘管、丙烷换热器3低温通道、止逆阀13、CO2气体压缩机1进口依次相连；截止阀12与止逆阀13之间设有旁通阀11；干冰收集器6下方设有漏斗8；低温泵10出口经丙烷换热器3低温通道、天然气换热器9壳程与低温泵10进口相连；天然气换热器9管程通有液化天然气。
所述的丙烷换热器3为多股流板翅式换热器；所述的天然气换热器9为板翅式换热器；所述的低温换热器4为管壳式换热器。所述的干冰收集器6为一长方体空腔，空腔顶部纵向排列毛毡，毛毡垂直向下或与垂直呈45°向后，空腔底部连接漏斗7用以收集干冰。
利用液化天然气冷能的干冰生产方法包括制取干冰的循环，丙烷循环和液化天然气循环；在制取干冰的循环中，进料CO2气体101与通过丙烷换热器吸热升温返回的CO2气体110混合后，进入压缩机1，变成高温高压的CO2气体102经过水冷器2预冷成常温高压的CO2气体103，继续通过丙烷换热器3冷却成低温高压的汽液两相的CO2104，然后通过低温换热器4进一步冷却成低温高压的CO2液体105，接着通过节流阀5等焓节流，一部分变成固态CO2即干冰，另一部分则变成低温常压的气态CO2，形成固汽两相流106，干冰在重力及CO2收集器6毛毡的作用下，经漏斗8收集并进行处理；而低温常压的气体CO2在经过滤网7、截止阀12后在低温换热器4和丙烷换热器3中分别与来流的低温高压CO2和常温高压CO2进行换热成常温常压气体109，并与旁通气体混合成常温常压气体110，然后再与进料CO2气体混合再次进入压缩机1，如此反复循环下去，从而源源不断的制取干冰；在丙烷循环中，低温丙烷202经过低温泵10的作用，流经丙烷换热器3与常温高压CO2进行换热，变成温度稍高的丙烷201，然后进入天然气换热器9与低温的液化天然气进行换热，又生成低温丙烷202，再次经过低温泵10进行循环，将冷量源源不断的传递给CO2气体；在液化天然气循环中，低温天然气301流经天然气换热器9进行换热，形成次低温天然气302。
如图3所示，进料CO2气体101，流量为F＝0.3mol/s，温度T＝300K，压力p＝1atm，首先与释放冷量返回的常温常压气体110，流量F～0.7mol/s，T～280K，p＝1atm混合后，总流量变成1mol/s，压力1atm，温度约285K。然后经过压缩机1绝热压缩，压力升高到约10atm，温度约为531K的高温高压CO2气体102，经水冷器2冷却后压力不变，温度下降为305K的常温高压CO2气体103。其中压缩机假设总效率为0.7时，耗功约为10.1kW，水冷器冷却水流量为11mol/s，进出口温度分别为300K和310K。常温高压的CO2气体103经过丙烷换热器3后，温度进一步降低到约234K，由气态变成气液两相流，液态含量约为0.97的低温高压汽液两相流CO2104，这里通过丙烷循环提供大部分冷量的所需天然气流量约为6mol/s，天然气进口温度为200K301，出口温度约为268K302。低温高压的汽液两相流CO2104再通过低温换热器4与节流后返回的低温低压CO2气体108换热，剩余的气体被液化，变成100％的低温高压的CO2液体105后，经过节流阀(5)等焓节流，压力从约10atm下降到约1atm，温度也从约234K下降到约195K，该温度为CO2在1atm时对应的升华温度。在这个过程中，由于压力降低，部分液体汽化吸热，从而使温度下降，并使剩余液体转变为固体CO2(干冰)，流体变为固汽两相流106。由节流前后质量和能量守恒及节流后压力、温度参数，可计算得到固体流量约为0.3mol/s，液固比约为3.33，即得到1mol的固体，节流前需要3.33mol的液体。液固比可以通过降低节流前温度进一步降低。产生的干冰107在重力及CO2收集器6内毛毡的作用下，经漏斗8收集后处理。约0.7mol低温CO2气体108经滤网7过滤掉可能夹带的干冰颗粒后，分别通过低温换热器4和丙烷换热器3释放冷量冷却进料CO2，温度依次上升为213K和280K，最后返回压缩机1入口，从而完成一次干冰生产循环。旁通阀11用于调节流程温度，当低温天然气301波动导致节流阀前低温高压的CO2液体105温度过低到CO2可能固化时，通过将部分低温CO2气体108直接输送到压缩机1入口，不经过两级换热器释放冷量，从而使节流前的低温高压的CO2液体105温度升高到设定值范围，避免固体CO2阻塞换热器内通道和节流阀。
Claims (4)
1.一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置，其特征在于包括CO2气体压缩机(1)、水冷器(2)、丙烷换热器(3)、低温换热器(4)、节流阀(5)、干冰收集器(6)、滤网(7)、漏斗(8)、天然气换热器(9)、低温泵(10)、旁通阀(11)、截止阀(12)、止逆阀(13)；CO2气体压缩机(1)出口与水冷器(2)、丙烷换热器(3)高温通道、低温换热器(4)的高压盘管、节流阀(5)、干冰收集器(6)、滤网(7)、截止阀(12)、低温换热器(4)的低压盘管、丙烷换热器(3)低温通道、止逆阀(13)、CO2气体压缩机(1)进口依次相连；截止阀(12)与止逆阀(13)之间设有旁通阀(11)；干冰收集器(6)下方设有漏斗(8)；低温泵(10)出口经丙烷换热器(3)低温通道、天然气换热器(9)壳程与低温泵(10)进口相连；天然气换热器(9)管程通有液化天然气。
2.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置，其特征在于所述的丙烷换热器(3)为多股流板翅式换热器；所述的天然气换热器(9)为板翅式换热器；所述的低温换热器(4)为管壳式换热器。
3.根据权利要求1所述的一种利用液化天然气冷能的干冰生产装置，其特征在于所述的干冰收集器(6)为一长方体空腔，空腔顶部纵向排列毛毡，毛毡垂直向下或与垂直呈45°向后，空腔底部连接漏斗(7)用以收集干冰。
4.一种使用如权利要求1所述装置的利用液化天然气冷能的干冰生产方法，其特征在于包括制取干冰的循环，丙烷循环和液化天然气循环；在制取干冰的循环中，进料CO2气体101与通过丙烷换热器吸热升温返回的CO2气体110混合后，进入压缩机(1)，变成高温高压的CO2气体102经过水冷器(2)预冷成常温高压的CO2气体103，继续通过丙烷换热器(3)冷却成低温高压的汽液两相的CO2104，然后通过低温换热器(4)进一步冷却成低温高压的CO2液体105，接着通过节流阀(5)等焓节流，一部分变成固态CO2即干冰，另一部分则变成低温常压的气态CO2，形成固汽两相流106，干冰在重力及CO2收集器(6)毛毡的作用下，经漏斗(8)收集并进行处理；而低温常压的气体CO2在经过滤网(7)、截止阀(12)后在低温换热器(4)和丙烷换热器(3)中分别与来流的低温高压CO2和常温高压CO2进行换热成常温常压气体109，并与旁通气体混合成常温常压气体110，然后再与进料CO2气体混合再次进入压缩机(1)，如此反复循环下去，从而源源不断的制取干冰；在丙烷循环中，低温丙烷202经过低温泵(10)的作用，流经丙烷换热器(3)与常温高压CO2进行换热，变成温度稍高的丙烷201，然后进入天然气换热器(9)与低温的液化天然气进行换热，又生成低温丙烷202，再次经过低温泵(10)进行循环，将冷量源源不断的传递给CO2气体；在液化天然气循环中，低温天然气301流经天然气换热器(9)进行换热，形成次低温天然气302。
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- 2010-07-20 CN CN201010231698XA patent/CN101913604B/zh not_active Expired - Fee Related
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