CN104948246A - 一种利用lng冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法 - Google Patents

一种利用lng冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，属于环保领域，具体涉及一种利用液化天然气冷能，在矿石熔炼产生的废气中对二氧化碳的捕集方法。其特征在于：利用LNG冷能和矿石熔炼中的废气余热，采用朗肯循环冷能发电，使天然气气化，同时制取液态二氧化碳和干冰。本发明可使无组织排放的二氧化碳全部集中捕集，大大减少菱镁矿熔炼过程中的碳排放。结合了两级朗肯循环发电，实现温度对口，梯级利用。不需要压缩二氧化碳使其增压，只需引风机将二氧化碳气体从中引出，如此可以大幅降低二氧化碳的捕集功耗，比现有低压法（2.0MPa）可节能70%以上。

Description

一种利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法
技术领域：
本发明属于环保领域，具体涉及一种利用液化天然气冷能，在矿石熔炼产生的废气中对二氧化碳的捕集方法。
背景技术：
我国菱镁矿资源丰富，分布广泛。其中辽宁储量最为丰富，辽宁菱镁矿石的储量、产量及镁质耐火材料生产量、出口量均居世界首位。菱镁矿总探明储量30.06×109t，保有储量29.19×109t，占全省的82.2%。根据菱镁矿熔炼过程中的主反应式可以估算，每生产1t的氧化镁成品，就会伴随产生1.1t的二氧化碳气体。2013年辽宁省生产氧化镁产品为7.837×106 t，以此计算，伴随产生8.661×106 t二氧化碳气体，而这些气体经过简单的除尘处理，直接被排放到空气中，可以看出，辽宁省菱镁矿产业每年的二氧化碳排放量是相当巨大的。目前二氧化碳的捕集过程中，高压法（8.0MPa）压缩机的功耗居高不下是制约其发展的主要瓶颈，低压法（1.6MPa~2.5MPa）压缩机的功耗相对要小得多，但是需要多次节流膨胀降压以获得额外的冷量，节流过程存在能量损失，如能找到额外的冷源，可以进一步优化二氧化碳的捕集方法。
近年来我国液化天然气（LNG）市场迅速发展，2013年辽宁省共进口液化天然气1.87×106 t。LNG一般不能直接加以利用，必须要重新气化成气态天然气。目前天然气的气化方法虽然初期建设成本低，但是在运行过程中消耗能量的同时，却没有回收利用LNG冷能资源，造成极大的浪费。根据已有研究，LNG冷能利用可以有多种发展方式，如冷能发电、空气分离、轻烃回收、海水淡化、干冰制造等等。为LNG冷能寻找合适的利用方法和用户也是节能降耗的有效途径。
针对菱镁矿熔炼废气中二氧化碳的大量无组织排放以及LNG冷能的大量放散问题，本发明提供了一种液化天然气冷能利用的菱镁矿熔炼废气中二氧化碳捕集方法，不仅利用了LNG的液态冷能制取液态二氧化碳，同时利用LNG的相变冷能和二氧化碳的废气余热进行发电，真正实现LNG冷能的梯级利用，同时可以降低二氧化碳捕集压力，从而降低压缩机功耗，达到节能减排的目的。 发明内容：
发明目的：本发明通过对菱镁矿的研究，对其熔炼过程中产生的二氧化碳进行捕集，利用了LNG的液相和气相冷能制取液态二氧化碳或干冰，同时利用LNG的相变冷能和二氧化碳的废气余热进行发电，将天然气温度从-162℃升到20℃的同时，可大大降低碳的排放量，同时对外输出电能。
技术方案：
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：利用LNG冷能和矿石熔炼中的废气余热，采用朗肯循环冷能发电，使天然气气化，同时制取液态二氧化碳和干冰。
所述的利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：具体步骤如下：
液化天然气从储罐经过泵抽出，进入朗肯循环发电系统中的发电循环，为冷凝器提供冷量，将发电系统中的循环工质由气体冷凝成过冷液体后，液化天然气温度升高，进入到前端换热器中；
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭矿熔炼电炉中由风机引出，经过除尘器后分为两路，第一路二氧化碳气体经蒸发器后二氧化碳气体温度下降并被液化，之后进入混合器中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器后，温度降低并被液化，之后进入混合器中；混合后的液态二氧化碳经过末端换热器，放热后冷凝成干冰；
在朗肯循环发电系统中的发电循环中，液态工质被泵升压后进入蒸发器中，吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入透平机做功发电，而后进入冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体，完成一次循环。
所述的利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：所采用的朗肯循环发电系统为两级朗肯发电循环系统，第一级发电循环工作工质为乙烯，第二级发电循环工作工质为乙烷；具体步骤如下：
液化天然气从储罐经过泵抽出，进入双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环，为乙烯冷凝器提供冷量，将发电系统的循环工质乙烯由气体冷凝成过冷液体后，液化天然气温度升高并进入末端换热器中，冷却经混合器混合的二氧化碳，之后液化天然气进入双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环，为乙烷冷凝器提供冷量，将循环工质乙烷冷凝成过冷液体后，液化天然气温度进一步升高，最后进入到前端换热器中；
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭矿熔炼电炉中由风机引出，经过除尘器后分为两路，第一路二氧化碳气体经乙烷蒸发器降温之后再经过乙烯蒸发器，二氧化碳气体温度继续下降并被液化，之后进入混合器中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器后，温度降低并被液化，之后也进入混合器中；混合后的液态二氧化碳经过末端换热器，放热后冷凝成干冰；
在双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环中，液态乙烯被乙烯泵升压后进入乙烯蒸发器中，吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烯透平机做功发电，而后进入乙烯冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体；在双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环中，液态乙烷被乙烷泵升压后进入乙烷蒸发器中吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烷透平机做功发电，而后进入乙烷冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体，完成一次循环。
所述的矿石熔炼是针对菱镁矿石的熔炼。
优点及效果：
1、减少菱镁矿熔炼过程碳排放。本发明针对菱镁矿熔炼废气中大量排放的二氧化碳，设计了一种利用LNG冷能的捕集方法，若结合封闭式菱镁矿熔炼炉（CN201010190750），使无组织排放的二氧化碳全部集中捕集，可大大减少菱镁矿熔炼过程中的碳排放。
2、增加冷能发电环节。本发明结合了两级朗肯循环发电，利用LNG冷能分别液化乙烯和乙烷，利用二氧化碳的显热和潜热气化乙烯和乙烷并推动透平机发电，所发电能同样可以供给菱镁矿熔炼过程。
3、充分利用LNG冷能。LNG冷能分别用于冷凝乙烯，制取干冰，冷凝乙烷，制取液态二氧化碳，温度由-162℃逐步升高至20℃，如此可以充分利用LNG冷能，实现温度对口，梯级利用。
4、取消二氧化碳压缩机。LNG低温足以在0.15MPa左右使二氧化碳液化，因此不需要压缩二氧化碳使其增压，只需引风机将二氧化碳气体从电弧炉中引出，如此可以大幅降低二氧化碳的捕集功耗，比现有低压法（2.0MPa）可节能70%以上。
附图说明：
图1为本发明的利用LNG冷能的菱镁矿熔炼废气中二氧化碳的捕集方法示意图。
图中所示：储罐1，泵2，乙烯冷凝器3，末端换热器4，混合器5，乙烷冷凝器6，前端换热器7，熔炼电炉8，除尘器9，乙烷透平机10，乙烷蒸发器11，乙烷泵12，乙烯透平机13，乙烯蒸发器14，乙烯泵15。
具体实施方式：
本发明一种利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：利用LNG冷能和矿石熔炼中的废气余热，采用朗肯循环冷能发电，，同时制取液态二氧化碳和干冰，使天然气气化。天然气温度从-162℃升到20℃的同时，可大大降低二氧化碳液化过程中的压力（0.15MPa左右），同时对外输出电能。
液化天然气从储罐经过泵抽出，进入朗肯循环发电系统中的发电循环，为冷凝器提供冷量，将发电系统中的循环工质由气体冷凝成过冷液体后，液化天然气温度升高，进入到前端换热器中；
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭矿熔炼电炉中由风机引出，经过除尘器后分为两路，第一路二氧化碳气体经蒸发器后二氧化碳气体温度下降并被液化，之后进入混合器中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器后，温度降低并被液化，之后进入混合器中；混合后的液态二氧化碳经过末端换热器，放热后冷凝成干冰；
在朗肯循环发电系统中的发电循环中，液态工质被泵升压后进入蒸发器中，吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入透平机做功发电，而后进入冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体，完成一次循环。
下面结合实例对本发明进一步具体描述，但本发明的实施不限于此，给出的运行参数可以更改。
LNG从储罐1中抽出流量为1.15kg/s，经过泵2，压力由0.14MPa升高到气化压力0.6MPa，然后进入双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环，为乙烯冷凝器3提供冷量，将发电系统的循环工质乙烯由气体冷凝成过冷液体后，LNG温度升高到-130.9℃，随后进入末端换热器4中，冷却经气体混合器5混合的二氧化碳气体后，LNG温度升高到-126℃，二氧化碳气体温度降至-129.7℃，之后LNG进入双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环，为乙烷冷凝器6提供冷量，将循环工质乙烷冷凝成过冷液体后，LNG温度升高到-100℃，最后进入到前端换热器7中，温度上升到20℃。
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭菱镁矿熔炼电炉8中由风机引出，经过除尘器9后分为两路，第一路二氧化碳气体经乙烷蒸发器11后温度由52℃降为9℃，流量为5kg/s，之后经过乙烯蒸发器14，二氧化碳气体温度降为-82℃并被液化，之后进入混合器5中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器7后，流量为3kg/s，温度降低为-82℃并被液化，之后进入混合器5中；混合后的二氧化碳气体经过末端换热器4，放热后冷凝成干冰。
在双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环中，液态乙烯被乙烯泵15升压至0.75MPa，乙烯泵15的输入功率为0.63kW，进入乙烯蒸发器14中吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烯透平机13做功，输出功率为68kW，而后进入乙烯冷凝器3中与LNG换热冷凝成为液体；在双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环中，液态乙烷被乙烷泵12升压至3.7MPa，乙烷泵12的输入功率为2kW，进入乙烷蒸发器11中吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烷透平机10做功，输出功率46kW，而后进入乙烷冷凝器6中与LNG换热冷凝成为液体，完成一次循环工作。
该方法可以适用于其他产生二氧化碳的矿物熔炼。

Claims (4)

1.一种利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：利用LNG冷能和矿石熔炼中的废气余热，采用朗肯循环冷能发电，使天然气气化，同时制取液态二氧化碳和干冰。
2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：具体步骤如下：
液化天然气从储罐经过泵抽出，进入朗肯循环发电系统中的发电循环，为冷凝器提供冷量，将发电系统中的循环工质由气体冷凝成过冷液体后，液化天然气温度升高，进入到前端换热器中；
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭矿熔炼电炉中由风机引出，经过除尘器后分为两路，第一路二氧化碳气体经蒸发器后二氧化碳气体温度下降并被液化，之后进入混合器中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器后，温度降低并被液化，之后进入混合器中；混合后的液态二氧化碳经过末端换热器，放热后冷凝成干冰；
在朗肯循环发电系统中的发电循环中，液态工质被泵升压后进入蒸发器中，吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入透平机做功发电，而后进入冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体，完成一次循环。
3.根据权利要求2所述的利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：所采用的朗肯循环发电系统为两级朗肯发电循环系统，第一级发电循环工作工质为乙烯，第二级发电循环工作工质为乙烷；具体步骤如下：
液化天然气从储罐经过泵抽出，进入双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环，为乙烯冷凝器提供冷量，将发电系统的循环工质乙烯由气体冷凝成过冷液体后，液化天然气温度升高并进入末端换热器中，冷却经混合器混合的二氧化碳，之后液化天然气进入双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环，为乙烷冷凝器提供冷量，将循环工质乙烷冷凝成过冷液体后，液化天然气温度进一步升高，最后进入到前端换热器中；
在二氧化碳气体系统中，二氧化碳气体从封闭矿熔炼电炉中由风机引出，经过除尘器后分为两路，第一路二氧化碳气体经乙烷蒸发器降温之后再经过乙烯蒸发器，二氧化碳气体温度继续下降并被液化，之后进入混合器中；第二路二氧化碳气体经过前端换热器后，温度降低并被液化，之后也进入混合器中；混合后的液态二氧化碳经过末端换热器，放热后冷凝成干冰；
在双级朗肯循环发电系统中的第一级发电循环中，液态乙烯被乙烯泵升压后进入乙烯蒸发器中，吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烯透平机做功发电，而后进入乙烯冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体；在双级朗肯循环发电系统中的第二级发电循环中，液态乙烷被乙烷泵升压后进入乙烷蒸发器中吸收二氧化碳气体的热量气化，随后进入乙烷透平机做功发电，而后进入乙烷冷凝器中与液化天然气换热冷凝成为液体，完成一次循环。
4.根据权利要求1或2所述的利用LNG冷能的矿石熔炼废气中二氧化碳的捕集方法，其特征在于：所述的矿石熔炼是针对菱镁矿石的熔炼。
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