CN110332764B - 一种利用lng冷能梯级复合循环回收co2的零排放动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，所述系统包括LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统。LNG梯级汽化达到常温后供入内燃机燃烧，内燃机产生的高温烟气脱硝后经换热器梯级回收余热变成常温氮气、二氧化碳、水蒸气混合物，该混合物经吸附装置去除水蒸气后依次进入冷却器、压气机和气液热交换器达到二氧化碳的沸点和临界压力，最后氮气和液态二氧化碳的混合物进入气液分离器分离，分离出的低温氮气经换热器梯级升温到常温后排向空气，分离出的液态二氧化碳进行封存，该系统依据气体沸点的差异利用LNG冷能进行液化分离，实现了低成本碳捕获的零碳排放功能，适用于机车、汽车、轮船及锅炉等所有燃烧天然气的场所。

Description

一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统
技术领域
本发明涉及一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，通过LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统的耦合，将内燃机产生的二氧化碳低成本捕获，实现零碳排放，属于环境保护和能源利用领域。
背景技术
长久以来，我国对煤炭的依赖度程度非常高，随着我国对气候问题及能源结构的不断关注和优化，中国对天然气产业的发展越来越重视。LNG使用前需要进行气化，在气化过程中将释放大量冷能，约为830-860kJ/kg。如果冷量不加以利用，将造成巨大冷能资源的浪费和环境的冷污染。所以，研发一种可以回收并利用LNG气化所释放冷能的系统已经迫在眉睫。
烟气排放使得更多的二氧化碳排入空气中，引起了温室效应。温室效应带来的全球变暖已经给人类生存造成一定的威胁，所以我们应该倡导低碳经济，低碳生活，从源头上控制和减少温室气体的排放，进而优化人类的生活。
公开号为CN104236252A，名称为“利用LNG冷能制备液体二氧化碳及干冰的方法和装置”的发明专利，公开了利用LNG冷能制备液体二氧化碳及干冰的工艺及其装置。该装置通过LNG 冷能的多次换热将二氧化碳气体原料制备为液体二氧化碳及干冰。二氧化碳气体的来源多为高温的烟气，分离高温烟气中的二氧化碳也是工业中的重要一步，故本发明专利结合了烟气分离的过程，把LNG梯级汽化和烟气梯级降温相耦合，系统地介绍了零碳排放的过程。
公开号为CN108579361A，名称为“一种LNG发电厂尾气中二氧化碳低能耗捕集装置”的发明专利，公开了一种LNG发电厂尾气中二氧化碳低能耗捕集的装置，该装置包括LNG冷能回收系统、气体水合物生成系统和气体水合物分解系统，该装置需要先生成气体水合物然后再利用烟气余热分解气体水合物，烟气经过多个系统组件导致热量损失严重，无法保证剩余烟气余热能够分解全部气体水合物，该系统工艺复杂且高温气体水合物会产生腐蚀，设备使用不持久，1kgLNG燃烧大约产生2.75kg二氧化碳和13.17kg氮气，仅利用LNG冷能1kg可以液化大约1.08kg二氧化碳，剩余二氧化碳气体还是会随氮气排向大气，故本发明专利采用梯级复合循环回收二氧化碳，不仅充分利用了LNG冷能，还回收了氮气升温冷量，使得每1kgLNG 可液化2.14kg二氧化碳，回收效率从39％上升到77.8％，仅有少量二氧化碳会随氮气排放。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，进而提供一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统。通过将LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统相耦合，实现了二氧化碳的零排放功能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，包括LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统两部分，其中所述LNG梯级升温子系统包括：LNG泵、气液热交换器、第二冷却器、第一冷却器、内燃机，所述LNG泵通过管道连接所述气液热交换器的a 接口，所述气液热交换器的b接口通过管道连接所述第二冷却器的g接口，所述第二冷却器的h接口通过管道连接所述第一冷却器的m接口，所述第一冷却器的n接口通过管道连接所述内燃机；所述烟气梯级降温子系统包括：SCR脱硝装置、余热利用装置、第三冷却器、吸附装置、压气机、气液分离器、液态二氧化碳出口，所述内燃机的右接口通过管道连接所述 SCR脱硝装置的左接口，所述SCR脱硝装置的右接口通过管道连接所述余热利用装置的左接口，所述余热利用装置的右接口通过管道连接所述第三冷却器的左接口，所述第三冷却器的右接口通过管道连接所述吸附装置的左接口，所述吸附装置的右接口通过管道连接所述第一冷却器的o接口，所述第一冷却器的p接口通过管道连接所述第二冷却器的i接口，所述第二冷却器的j接口通过管道连接所述压气机的左接口，所述压气机右接口通过管道连接所述气液热交换器的c接口，所述内燃机的上接口通过轴与所述压气机的上接口相连，所述气液热交换器的d接口通过管道连接所述气液分离器的左接口，所述气液分离器的下接口设为所述液态二氧化碳出口，所述气液分离器的上接口通过管道连接所述气液热交换器的e接口，所述气液热交换器的f接口通过管道连接所述第二冷却器的l接口，所述第二冷却器的k接口通过管道连接所述第一冷却器的q接口。
进一步，所述液态二氧化碳出口设有储液罐。
进一步，所述SCR脱硝装置中设有催化剂和还原剂，所述的催化剂为金属氧化物或沸石分子筛，所述的还原剂为尿素或液氨。
进一步，所述吸附装置中设有吸附剂，所述的吸附剂为活性炭或活性氧化铝。
进一步，所述余热利用装置利用余热发电或供热。
进一步，所述第一冷却器的r接口通向大气。
进一步，所述第三冷却器为空冷器或水冷器。
进一步，该系统适用于机车、汽车、轮船及锅炉等所有燃烧天然气的场所。
一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统的工作方法为：
(a)LNG经所述LNG泵依次进入所述气液热交换器、所述第二冷却器和所述第一冷却器汽化释放冷量，汽化后的LNG达到常温被输送到所述内燃机中燃烧做功，小部分做功量带动所述压气机工作；
(b)所述内燃机燃烧产生的高温烟气在所述SCR脱硝装置中脱硝将氮氧化物还原成氮气和水蒸汽，高温的氮气、水蒸气和二氧化碳三者的气体混合物被所述余热利用装置吸收大部分热量来发电或供热后降至30℃左右，随后该气体混合物进入所述第三冷却器降至15℃左右，变成更利于吸附剂吸附的常温气体混合物，该常温气体混合物进入所述吸附装置由吸附剂吸附水蒸气后依次进入所述第一冷却器和所述第二冷却器吸收来自低温氮气和LNG释放的冷量变成只含氮气和二氧化碳的低温气体混合物，该低温气体混合物进入所述压气机将压力增加到二氧化碳的临界压力后进入所述气液热交换器进行最后一次降温至-56.6℃，此次降温将所述低温气体混合物中的二氧化碳液化，由氮气和液态二氧化碳组成的气液混合物进入所述气液分离器进行气液分离，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳出口排出，低温氮气则依次进入所述气液热交换器、所述第二冷却器和所述第一冷却器吸热升温，达到环境温度后排出，如此循环。
本发明主要在以下几个方面具有突出优点和有益效果：
1、本发明采用多级回热，梯级复合循环利用LNG冷能，并将LNG梯级升温系统和烟气梯级降温系统相耦合，不仅改善了内燃机的工作条件，还降低了每一级的换热温差，大大减小了
Figure BDA0002073118250000031
损失。
2、1kgLNG燃烧大约产生2.75kg二氧化碳，仅利用LNG冷能1kg可以液化大约1.08kg二氧化碳，故本发明专利在系统中增设了多级换热器，不仅充分利用了LNG冷能，还回收了氮气升温冷量，使得在单次循环中每1kgLNG可液化2.14kg二氧化碳，回收效率从39％上升到77.8％，而在多次循环中二氧化碳的回收率可达90％以上，仅有少量二氧化碳会随氮气排放。
3、本发明专利在压气机前增设两级冷却器，利用低温氮气的冷能将液体二氧化碳的制备压力从原来的2.5MPa降低至1MPa以下，降低电耗约30％，同时避免了低温氮气直接排向空气的冷污染，并且压气机直接由内燃机驱动，无需附加额外驱动装置，降低了成本。
4、现有发明工艺复杂，用高温烟气生产的高温气体水合物会腐蚀设备，缩短设备使用寿命，而本发明仅利用LNG产生的冷量即可达到相同目的，无腐蚀产生，且高温烟气得到了合理的利用，可以减轻供电压力或提供工人日常生活用热水。
5.现有技术属于敞开式二氧化碳回收技术，不考虑每千克LNG产生的烟气量及回收的二氧化碳量，只是达到了目的而并未考虑效率，而本发明给出了每千克LNG产生的烟气量和可回收的二氧化碳量，通过多级回热使二氧化碳回收率达到最高，并且所述装置独立可移动，适用于机车、汽车、轮船及锅炉等所有燃烧天然气的场所。
6、本发明由于解决了利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统的技术问题，所以本发明具有实际的工程意义，可供工程人员参考，具有可观的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种利用LNG冷能梯级回收CO2的零排放动力系统的结构原理示意图；
图中：1为LNG泵、2为气液热交换器、3为第二冷却器、4为第一冷却器、5为内燃机、6为SCR脱硝装置、7为余热利用装置、8为第三冷却器、9为吸附装置、10为压气机、11 为气液分离器、12为液态二氧化碳出口。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特性和优点更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体施例做详细说明。
如图1所示，为本发明实施例的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，包括LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统两部分，其中所述LNG梯级升温子系统包括：LNG泵1、气液热交换器2、第二冷却器3、第一冷却器4、内燃机5，所述LNG 泵1通过管道连接所述气液热交换器2的a接口，所述气液热交换器2的b接口通过管道连接所述第二冷却器3的g接口，所述第二冷却器3的h接口通过管道连接所述第一冷却器4 的m接口，所述第一冷却器4的n接口通过管道连接所述内燃机5；所述烟气梯级降温子系统包括：SCR脱硝装置6、余热利用装置7、第三冷却器8、吸附装置9、压气机10、气液分离器11、液态二氧化碳出口12，所述内燃机5的右接口通过管道连接所述SCR脱硝装置6 的左接口，所述SCR脱硝装置6的右接口通过管道连接所述余热利用装置7的左接口，所述余热利用装置7的右接口通过管道连接所述第三冷却器8的左接口，所述第三冷却器8的右接口通过管道连接所述吸附装置9的左接口，所述吸附装置9的右接口通过管道连接所述第一冷却器4的o接口，所述第一冷却器4的p接口通过管道连接所述第二冷却器3的i接口，所述第二冷却器3的j接口通过管道连接所述压气机10的左接口，所述压气机10右接口通过管道连接所述气液热交换器2的c接口，所述内燃机5的上接口通过轴与所述压气机10的上接口相连，所述气液热交换器2的d接口通过管道连接所述气液分离器11的左接口，所述气液分离器11的下接口设为所述液态二氧化碳出口12，所述气液分离器11的上接口通过管道连接所述气液热交换器2的e接口，所述气液热交换器2的f接口通过管道连接所述第二冷却器3的l接口，所述第二冷却器3的k接口通过管道连接所述第一冷却器4的q接口。
其中，所述液态二氧化碳出口12设有储液罐；所述SCR脱硝装置6中的催化剂选择沸石分子筛，因为金属氧化物作催化剂时需加入助催化剂来增强催化剂的活性和热稳定性，而沸石分子筛则主要用于温度较高的燃气电厂和内燃机；还原剂选择液氨，液氨的汽化过程比尿素更简单，成本更低；所述吸附装置9中的吸附剂选择活性氧化铝，因为活性氧化铝具有吸附容量大和热稳定性高等优点；所述余热利用装置7利用余热发电或供热。所述第一冷却器4的r接口通向大气。所述第三冷却器8根据应用场合不同选择空冷器或水冷器；该系统适用于机车、汽车、轮船及锅炉等所有燃烧天然气的场所。
本发明的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统的工作方法为：
(a)LNG经所述LNG泵1依次进入所述气液热交换器2、所述第二冷却器3和所述第一冷却器4汽化释放冷量，汽化后的LNG达到常温被输送到所述内燃机5中燃烧做功，小部分做功量带动所述压气机10工作；
(b)所述内燃机5燃烧产生的高温烟气在所述SCR脱硝装置6中脱硝将氮氧化物还原成氮气和水蒸汽，高温的氮气、水蒸气和二氧化碳三者的气体混合物被所述余热利用装置7 吸收大部分热量来发电或供热后降至30℃左右，随后该气体混合物进入所述第三冷却器8降至15℃左右，变成更利于吸附剂吸附的常温气体混合物，该常温气体混合物进入所述吸附装置9由吸附剂吸附水蒸气后依次进入所述第一冷却器4和所述第二冷却器3吸收来自低温氮气和LNG释放的冷量变成只含氮气和二氧化碳的低温气体混合物，该低温气体混合物进入所述压气机10将压力增加到二氧化碳的临界压力后进入所述气液热交换器2进行最后一次降温至-56.6℃，此次降温将所述低温气体混合物中的二氧化碳液化，由氮气和液态二氧化碳组成的气液混合物进入所述气液分离器11进行气液分离，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳出口12排出，低温氮气则依次进入所述气液热交换器2、所述第二冷却器3和所述第一冷却器 4吸热升温，达到环境温度后排出，如此循环。
以上为本发明的具体说明，仅为本发明的最佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神及原则之内的修改、等同替换等，应均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于，包括LNG梯级升温子系统和烟气梯级降温子系统，其中所述LNG梯级升温子系统包括：LNG泵(1)、气液热交换器(2)、第二冷却器(3)、第一冷却器(4)、内燃机(5)，所述LNG泵(1)通过管道连接所述气液热交换器(2)的a接口，所述气液热交换器(2)的b接口通过管道连接所述第二冷却器(3)的g接口，所述第二冷却器(3)的h接口通过管道连接所述第一冷却器(4)的m接口，所述第一冷却器(4)的n接口通过管道连接所述内燃机(5)；所述烟气梯级降温子系统包括：SCR脱硝装置(6)、余热利用装置(7)、第三冷却器(8)、吸附装置(9)、压气机(10)、气液分离器(11)、液态二氧化碳出口(12)，所述内燃机(5)的右接口通过管道连接所述SCR脱硝装置(6)的左接口，所述SCR脱硝装置(6)的右接口通过管道连接所述余热利用装置(7)的左接口，所述余热利用装置(7)的右接口通过管道连接所述第三冷却器(8)的左接口，所述第三冷却器(8)的右接口通过管道连接所述吸附装置(9)的左接口，所述吸附装置(9)的右接口通过管道连接所述第一冷却器(4)的o接口，所述第一冷却器(4)的p接口通过管道连接所述第二冷却器(3)的i接口，所述第二冷却器(3)的j接口通过管道连接所述压气机(10)的左接口，所述压气机(10)右接口通过管道连接所述气液热交换器(2)的c接口，所述内燃机(5)的上接口通过轴与所述压气机(10)的上接口相连，所述气液热交换器(2)的d接口通过管道连接所述气液分离器(11)的左接口，所述气液分离器(11)的下接口设为所述液态二氧化碳出口(12)，所述气液分离器(11)的上接口通过管道连接所述气液热交换器(2)的e接口，所述气液热交换器(2)的f接口通过管道连接所述第二冷却器(3)的l接口，所述第二冷却器(3)的k接口通过管道连接所述第一冷却器(4)的q接口；所述系统的工作方法是：
(a)LNG经所述LNG泵(1)依次进入所述气液热交换器(2)、所述第二冷却器(3)和所述第一冷却器(4)汽化释放冷量，汽化后的LNG达到常温被输送到所述内燃机(5)中燃烧做功，小部分做功量带动所述压气机(10)工作；
(b)所述内燃机(5)燃烧产生的高温烟气在所述SCR脱硝装置(6)中脱硝将氮氧化物还原成氮气和水蒸汽，高温的氮气、水蒸气和二氧化碳三者的气体混合物被所述余热利用装置(7)吸收大部分热量来发电或供热后降至30℃左右，随后该气体混合物进入所述第三冷却器(8)降至15℃左右，变成更利于吸附剂吸附的常温气体混合物，该常温气体混合物进入所述吸附装置(9)由吸附剂吸附水蒸气后依次进入所述第一冷却器(4)和所述第二冷却器(3)吸收来自低温氮气和LNG释放的冷量变成只含氮气和二氧化碳的低温气体混合物，该低温气体混合物进入所述压气机(10)将压力增加到二氧化碳的临界压力后进入所述气液热交换器(2)进行最后一次降温至-56.6℃，此次降温将所述低温气体混合物中的二氧化碳液化，由氮气和液态二氧化碳组成的气液混合物进入所述气液分离器(11)进行气液分离，液态二氧化碳通过所述液态二氧化碳出口(12)排出，低温氮气则依次进入所述气液热交换器(2)、所述第二冷却器(3)和所述第一冷却器(4)吸热升温，达到环境温度后排出，如此循环。
2.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述液态二氧化碳出口(12)设有储液罐。
3.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述SCR脱硝装置(6)中设有催化剂和还原剂，所述的催化剂为金属氧化物或沸石分子筛，所述的还原剂为尿素或液氨。
4.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述吸附装置(9)中设有吸附剂，所述的吸附剂为活性炭或活性氧化铝。
5.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述余热利用装置(7)利用余热发电或供热。
6.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述第一冷却器(4)的r接口通向大气。
7.根据权利要求1所述的一种利用LNG冷能梯级复合循环回收CO2的零排放动力系统，其特征在于：所述第三冷却器(8)为空冷器或水冷器。
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