CN108332507A - 一种利用lng冷能制取流体冰晶的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置及其方法,包括喷淋床、沸腾床、氮气启停车吹扫系统、抽真空系统、管路连接系统和控制系统，LNG进口管路与喷淋床下方连通，喷淋床呈中空圆柱状，上下两端具有锥形封头，喷淋床内部上方设有喷淋系统，喷淋系统上方设置有气固分离器，经过气固分离器分离的气体上升至喷淋床顶部的排气口，并通过与排气口连通的第一排气管路排出，第一排气管路通过NG回流管路与沸腾床的下部连接，NG回流管路中通入沸腾床的NG，NG回流管路上设置有氮气启停吹扫系统。本发明造冰速度快，耗时短，产量高，容易控制，极大的节省了电能，具有极强的工业化前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种制取流体冰晶的装置，更具体的涉及一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置及其方法，属于能源综合利用技术领域。
背景技术
流体冰晶是一种不同于传统固体冰的全新概念的冰，它是一种近圆形颗粒的冰晶，既具有流体的特性，可用管道进行输送，又具有冰的特性，冷却快，潜热大。
流体冰晶相对于传统的雪片冰因为具有巨大的表(接触)面积、超强的传热性能、可保持恒温、能极速冷却与降温等性能，在渔业捕捞、海产品加工、家禽加工、蔬菜保鲜、超市保鲜、(发酵)工业工艺、冰蓄冷空调、人工造雪、井下降温等领域具有广泛的利用前景。
目前，流体冰晶的制造技术也是一种不同于传统固体冰制造技术的全新制冰技术。其原理为冷却盐溶液达到一定的温度，使溶液中水分结晶析出为细小的球状冰晶而游离于溶液中，从而形成具有流动性的冰浆，在一定条件下，实现冰晶体和液体的分离，从而形成纯固体微粒冰晶体。
然而采用冷却盐溶液制造流体冰的方法需要消耗大量的电能，而且这种方法耗时长，造流体冰速度非常慢，不容易控制，产量有限不利于工业化。
另一方面，液化天然气(LNG)作为一种深冷(-162℃)液体，属高品位冷源，作为清洁燃料，需经过气化和加热到15℃以上才便于利用，在此过程中释放大量冷能。
我国每年进口数千万吨天然气，绝大部分以液体船运方式进口，这部分数额巨大的冷能没有得到有效利用，除少部分用于空分行业和冰库制冷，大量冷能通过海水加热气化，不但浪费了能源，而且污染了海洋环境。
在我国国民经济中，制冷行业耗能约占社会终端用能地10％，耗能和节能潜力巨大,因此社会上对安全、经济可以方便移动的冷源需求巨大。近年来，在建筑节能领域冰蓄冷方兴未艾，在夏季，冰蓄冷合理利用夜间电网用电波谷的电能制冰，在日间将存蓄冷能放出。但这种方法也存在制冷效能低的弊端。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用LNG气化过程中释放的冷能来制取流体冰晶的装置及其方法，本发明结构设计合理，流程简单，成本低廉，制取流体冰晶的效率高。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置,利用LNG气化过程释放的冷能制取流体冰晶，装置包括喷淋床、沸腾床、氮气启停车吹扫系统、抽真空系统、管路连接系统和控制系统，LNG进口管路与喷淋床下方连通，喷淋床呈中空圆柱状，上下两端具有锥形封头，喷淋床内部上方设有喷淋系统，此种设置可使得水与LNG直接接触，并且喷淋系统中使用的喷淋头具有耐低温的性能；喷淋系统上方设置有气固分离器，经过气固分离器分离的气体上升至喷淋床顶部的排气口，并通过与排气口连通的第一排气管路排出，第一排气管路通过NG回流管路与沸腾床的下部连接，NG回流管路中通入沸腾床的NG，其温度控制在-35℃～-50℃。沸腾床的顶部连接有下降管的一端，下降管的另一端连接至喷淋床的底部，NG回流管路上设置有氮气启停吹扫系统。
进一步地，第一排气管路还连接有气气换热器的一端，气气换热器的另一端连接有第二排气管路，气气换热器中的使用的热流体为常温空气或低沸点工质，其使用的冷流体为第一排气管路排出的冷天然气，冷天然气经换热后温度达到常温。
进一步地，第二排气管路上设置有抽真空系统。
进一步地，沸腾床的底部连接有流体冰晶排出管路，沸腾床的中部连接有旁路管的一端，旁路管的另一端连接至喷淋床的中部，旁路管连接沸腾床与喷淋床，其通入喷淋床内部的冷NG可帮助在喷淋床内壁上形成一层冷NG气层，防止流体冰晶粘贴在喷淋床的壁面上。
进一步地，喷淋系统外接蒸汽进口管路。
进一步地，控制系统包括设置于流体冰晶排出管路上的第一控制阀、设置于下降管上的第二控制阀、设置于NG回流管路上的第三控制阀、设置于抽真空系统上的第四控制阀、设置于第二排气管路上的第五控制阀以及设置于LNG进口管路上的第六控制阀，第一控制阀还带有伴热系统，防止在设备运行过程中控制阀结冰。
一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置的方法，包括工作步骤和停止步骤，工作步骤包括以下：
1)打开抽真空系统，将喷淋床、沸腾床、氮气启停车吹扫系统、管路连接系统和控制系统中的各个阀门抽真空至甲烷的爆炸极限,一般使得甲烷在混合气中的体积分数低于4.9％；
2)打开氮气启停吹扫系统，吹扫各管路及阀门，控制吹扫流量为小流量，时间根据工程经验来决定；随后关闭第五控制阀，打开第六控制阀，使氮气内循环，直至旁路管连接在喷淋床的一端温度达到-100℃后，关闭氮气启停吹扫系统；
3)打开第六控制阀，使得LNG从LNG进口管路进入喷淋床，随后打开喷淋系统，随着水从喷淋系统中喷出后，喷淋床内的LNG与水接触并换热瞬间凝固成流体冰晶，流体冰晶在重力作用下沉淀至喷淋床底部；
4)随着流体冰晶累积至距喷淋床底部三分之一处时，打开下降管上的第二控制阀，使得流体冰晶从喷淋床经下降管排至沸腾床内部；
5)进入沸腾床的流体冰晶、通过NG回流管路排入沸腾床的温度为-35℃～-55℃的NG以及LNG进行换热，LNG进行气化沸腾，另外沸腾床内的NG经旁路管送至喷淋床，再经第一排气管路排至气气换热器及NG回流管路。
6)NG在气气换热器内换热至常温后排入第二排气管路后经第四控制阀开启输送至用户端。
7)流体冰晶定期从沸腾床底部的流体冰晶排出管路排出，装入储存设备。
进一步地，停止步骤包括以下：
1)关闭LNG进口管路；
2)当喷淋床底部的LNG液线到达喷淋床的流体冰晶冰线时，关闭喷淋系统，并打开蒸汽进口管路上的控制阀，直至喷淋系统内的残留水排尽后，关闭蒸汽进口管路上的控制阀；
3)打开蒸汽进口管路上的控制阀的同时，打开氮气启停吹扫系统，此刻为小流量开启，直至喷淋床内的LNG和流体冰晶全部进入沸腾床内后，加大氮气启停吹扫系统的吹扫流量；
4)当流体冰晶排出管路内的流体冰晶全部融化为水后，排尽残留水，并关闭流体冰晶排出管路上的第一控制阀；
5)氮气启停吹扫系统一直开启，直至所有控制阀达到常温后关闭。
进一步地，步骤4中流体冰晶排出流体冰晶排出管路的过程中，伴热系统一直打开，防止在设备运行过程中控制阀结冰。
本发明的有益之处在于：一方面，本发明利用液化天然气(LNG)气化和回热过程中释放的冷能，将高品位冷能用于制取流体冰晶，还实现了较低品位的冷能梯级利用；并且制取的流体冰晶的温度在-40℃到-50℃之间，属高品质冷源。而且由于流体冰晶的结构特点，使得其可以流动，极大的方便了运输和输送。另一方面，水通过喷淋床直接与气化天然气(NG)接触，水从喷淋系统喷出，和喷淋床内的气态天然气(NG)直接混和进行热交换，能瞬间凝固成冰晶，造冰速度快，耗时短，产量高，容易控制，极大的节省了电能，具有极强的工业化前景。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图中：1-沸腾床；2-下降管；3-LNG进口管路；4-蒸汽进口管路；5-喷淋系统；6-气固分离器；7-第一排气管路；8-抽真空系统；9-第二排气管路；10-气气换热器；11-氮气启停车吹扫系统；12-NG回流管路；13-旁路管；14-第一回流管；15-流体冰晶排出管路；16-喷淋床；17-第一控制阀；18-第二控制阀；19-第三控制阀；20-第四控制阀，21-第五控制阀，22-第六控制阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
实施例1
本发明提供一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置,利用LNG气化过程释放的冷能制取流体冰晶，装置包括喷淋床16、沸腾床1、氮气启停车吹扫系统11、抽真空系统8、管路连接系统和控制系统，LNG进口管路3与喷淋床16下方连通，喷淋床呈中空圆柱状，上下两端具有锥形封头，喷淋床16内部上方设有喷淋系统5，此种设置可使得水与LNG直接接触，并且喷淋系统中使用的喷淋头具有耐低温的性能；喷淋系统5上方设置有气固分离器6，经过气固分离器6分离的气体上升至喷淋床顶部的排气口，并通过与排气口连通的第一排气管路7排出，第一排气管路7通过NG回流管路12与沸腾床1的下部连接，NG回流管路中通入沸腾床的NG，其温度控制在-35℃～-50℃。沸腾床的顶部连接有下降管2的一端，下降管2的另一端连接至喷淋床16的底部，NG回流管路12上设置有氮气启停吹扫系统11。第一排气管路7还连接有气气换热器10的一端，气气换热器10的另一端连接有第二排气管路9，气气换热器中的使用的热流体为常温空气或低沸点工质，其使用的冷流体为第一排气管路排出的冷天然气，冷天然气经换热后温度达到常温。第二排气管路9上设置有抽真空系统8。沸腾床1的底部连接有流体冰晶排出管路15，沸腾床1的中部连接有旁路管13的一端，旁路管13的另一端连接至喷淋床16的中部，旁路管连接沸腾床与喷淋床，其通入喷淋床内部的冷NG可帮助在喷淋床内壁上形成一层冷NG气层，防止流体冰晶粘贴在喷淋床的壁面上。喷淋系统外接蒸汽进口管路4。控制系统包括设置于流体冰晶排出管路15上的第一控制阀17、设置于下降管2上的第二控制阀18、设置于NG回流管路上的第三控制阀19、设置于抽真空系统上的第四控制阀20、设置于第二排气管路9上的第五控制阀21以及设置于LNG进口管路3上的第六控制阀22，第一控制阀17还带有伴热系统，防止在设备运行过程中控制阀结冰。
本发明的方法，包括工作步骤和停止步骤，工作步骤包括以下：
1)打开抽真空系统，将喷淋床16、沸腾床1、氮气启停车吹扫系统11、管路连接系统和控制系统中的各个阀门抽真空至甲烷的爆炸极限,一般使得甲烷在混合气中的体积分数低于4.9％；
2)打开氮气启停吹扫系统11，吹扫各管路及阀门，控制吹扫流量为小流量，时间根据工程经验来决定；随后关闭第五控制阀21，打开第六控制阀22，使氮气内循环，直至旁路管13连接在喷淋床16的一端温度达到-100℃后，关闭氮气启停吹扫系统11；
3)打开第六控制阀22，使得LNG从LNG进口管路3进入喷淋床16，随后打开喷淋系统5，随着水从喷淋系统中喷出后，喷淋床内的LNG与水接触并换热瞬间凝固成流体冰晶，流体冰晶在重力作用下沉淀至喷淋床底部；
4)随着流体冰晶累积至距喷淋床底部三分之一处时，打开下降管2上的第二控制阀18，使得流体冰晶从喷淋床16经下降管2排至沸腾床1内部；
5)进入沸腾床1的流体冰晶、通过NG回流管路12排入沸腾床1的温度为-35℃～-55℃的NG以及LNG进行换热，LNG进行气化沸腾，另外沸腾床1内的NG经旁路管送至喷淋床，再经第一排气管路7排至气气换热器10及NG回流管路12。
6)NG在气气换热器10内换热至常温后排入第二排气管路9后经第四控制阀开启输送至用户端。
7)流体冰晶定期从沸腾床底部的流体冰晶排出管路15排出，装入储存设备。
停止步骤包括以下：
1)关闭LNG进口管路；
2)当喷淋床底部的LNG液线到达喷淋床的流体冰晶冰线时，关闭喷淋系统，并打开蒸汽进口管路4上的控制阀，直至喷淋系统内的残留水排尽后，关闭蒸汽进口管路4上的控制阀；
3)打开蒸汽进口管路4上的控制阀的同时，打开氮气启停吹扫系统11，此刻为小流量开启，直至喷淋床内的LNG和流体冰晶全部进入沸腾床内后，加大氮气启停吹扫系统的吹扫流量；
4)当流体冰晶排出管路15内的流体冰晶全部融化为水后，排尽残留水，并关闭流体冰晶排出管路上的第一控制阀17，流体冰晶排出流体冰晶排出管路15的过程中，伴热系统一直打开，防止在设备运行过程中控制阀结冰。；
5)氮气启停吹扫系统一直开启，直至所有控制阀达到常温后关闭。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置,包括喷淋床(16)、沸腾床(1)、氮气启停车吹扫系统(11)、抽真空系统(8)、管路连接系统和控制系统，其特征在于：LNG进口管路(3)与喷淋床(16)下方连通，所述喷淋床(16)内部上方设有喷淋系统(5)，所述喷淋系统(5)上方设置有气固分离器(6)，经过所述气固分离器(6)分离的气体上升至喷淋床顶部的排气口，并通过与排气口连通的第一排气管路(7)排出，所述第一排气管路(7)通过NG回流管路(12)与沸腾床(1)的下部连接，所述沸腾床的顶部连接有下降管(2)的一端，所述下降管(2)的另一端连接至喷淋床(16)的底部，所述NG回流管路(12)上设置有氮气启停吹扫系统(11)。
2.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置，其特征在于：所述第一排气管路(7)还连接有气气换热器(10)的一端，所述气气换热器(10)的另一端连接有第二排气管路(9)。
3.根据权利要求2所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置，其特征在于：所述第二排气管路(9)上设置有抽真空系统(8)。
4.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置，其特征在于：所述沸腾床(1)的底部连接有流体冰晶排出管路(15)，所述沸腾床(1)的中部连接有旁路管(13)的一端，所述旁路管(13)的另一端连接至喷淋床(16)的中部。
5.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置，其特征在于：所述喷淋系统外接蒸汽进口管路(4)。
6.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置，其特征在于：所述控制系统包括设置于流体冰晶排出管路(15)上的第一控制阀(17)、设置于下降管(2)上的第二控制阀(18)、设置于NG回流管路上的第三控制阀(19)、设置于抽真空系统上的第四控制阀(20)、设置于第二排气管路(9)上的第五控制阀(21)以及设置于LNG进口管路(3)上的第六控制阀(22)，所述第一控制阀(17)还带有伴热系统。
7.一种如权利要求1-6任一权利要求所述的利用LNG冷能制取流体冰晶的装置的方法，其特征在于，包括工作步骤和停止步骤，所述工作步骤包括以下：
1)打开抽真空系统，将喷淋床(16)、沸腾床(1)、氮气启停车吹扫系统(11)、管路连接系统和控制系统中的各个阀门抽真空至甲烷的爆炸极限；
2)打开氮气启停吹扫系统(11)，吹扫各管路及阀门；随后关闭第五控制阀(21)，打开第六控制阀(22)，使氮气内循环，直至旁路管(13)连接在喷淋床(16)的一端温度达到-100℃后，关闭氮气启停吹扫系统(11)；
3)打开第六控制阀(22)，使得LNG从LNG进口管路(3)进入喷淋床(16)，随后打开喷淋系统(5)，随着水从喷淋系统中喷出后，喷淋床内的LNG与水接触并换热瞬间凝固成流体冰晶，流体冰晶在重力作用下沉淀至喷淋床底部；
4)随着流体冰晶累积至距喷淋床底部三分之一处时，打开下降管(2)上的第二控制阀(18)，使得流体冰晶从喷淋床(16)经下降管(2)排至沸腾床(1)内部；
5)进入沸腾床(1)的流体冰晶、通过NG回流管路(12)排入沸腾床(1)的NG以及LNG进行换热，LNG进行气化沸腾，另外沸腾床(1)内的NG经旁路管送至喷淋床，再经第一排气管路(7)排至气气换热器(10)及NG回流管路(12)。
6)NG在气气换热器(10)内换热至常温后排入第二排气管路(9)后经第四控制阀开启输送至用户端。
7)流体冰晶定期从沸腾床底部的流体冰晶排出管路(15)排出，装入储存设备。
8.根据权利要求7所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置的方法，其特征在于，所述停止步骤包括以下：
1)关闭LNG进口管路；
2)当喷淋床底部的LNG液线到达喷淋床的流体冰晶冰线时，关闭喷淋系统，并打开蒸汽进口管路(4)上的控制阀，直至喷淋系统内的残留水排尽后，关闭蒸汽进口管路(4)上的控制阀；
3)打开蒸汽进口管路(4)上的控制阀的同时，打开氮气启停吹扫系统(11)，此刻为小流量开启，直至喷淋床内的LNG和流体冰晶全部进入沸腾床内后，加大氮气启停吹扫系统的吹扫流量；
4)当流体冰晶排出管路(15)内的流体冰晶全部融化为水后，排尽残留水，并关闭流体冰晶排出管路上的第一控制阀(17)；
5)氮气启停吹扫系统一直开启，直至所有控制阀达到常温后关闭。
9.根据权利要求8所述的一种利用LNG冷能制取流体冰晶的装置的方法，其特征在于：步骤4中流体冰晶排出流体冰晶排出管路(15)的过程中，伴热系统一直打开。
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