CN116123818A - 一种利用lng冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法 - Google Patents

一种利用lng冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法。所述提纯系统包括依次连接的预冷器、气液分离罐、压缩机、冷却器、冷凝器、轻组分脱除塔、重组分脱除塔和二氧化碳储罐，形成二氧化碳提纯单元；轻组分脱除塔用于脱除轻组分杂质；重组分脱除塔用于脱除重组分杂质；二氧化碳提纯单元的冷量来自于中间介质换热单元；中间介质换热单元的冷量来自于LNG。本发明可有效降低原生产工艺的制冷能耗；利用LNG提供的高品位冷能，在达到相同分离效果的前提下，降低了提纯系统的操作压力，降低压缩机能耗，降低生产成本；中间介质在换热器间进行串联，实现了冷能的梯级利用，实现了制冷利用效率的最优化，避免了冷能的浪费。

Description

一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法
技术领域
本发明涉及一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法，属于液化天然气技术领域。
背景技术
液化天然气(简称“LNG”)作为我国能源体系的重要组成部分，在正常利用过程中需要将LNG转化为气态天然气，中间过程会释放大量的冷能。目前在LNG接收站或各类分布式能源站，LNG主要通过与海水、空气等换热气化，LNG中蕴含的大量高品位冷能没有得到有效的利用。充分利用LNG高品质冷能为接收站创造新的利润增长点，是各个LNG接收站降低生产成本、提高市盈率的关键。
当前，我国食品级/电子级二氧化碳的制备主要采用合成气净化装置的高浓度CO2(浓度约为95％)作为提纯的原料气，故提纯装置一般毗邻化工厂，提纯过程中使用的冷量一般通过电力制冷，能耗较高。因此若改进二氧化碳提纯工艺，利用LNG冷能对二氧化碳进行提纯，可有效降低二氧化碳提纯成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统及方法，本发明利用LNG与换热中间介质传递LNG冷量构建LNG与二氧化碳换热系统，有效地降低了传统二氧化碳提纯工艺的耗能，提升了系统的提纯水平；本发明可以根据不同的二氧化碳产品需求通过多级LNG冷能梯度利用/多级精馏的方式，有效地降低食品级/电子级二氧化碳的生产能耗，实现食品级/电子级二氧化碳的提纯系统的节能增效。
本发明所提供的利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统，包括依次连接的预冷器、气液分离罐、压缩机、冷却器、冷凝器、轻组分脱除塔、重组分脱除塔和二氧化碳储罐，形成二氧化碳提纯单元；
所述轻组分脱除塔用于脱除轻组分杂质，如氧气、氮气、氩气、乙烷等等；
所述重组分脱除塔用于脱除重组分杂质，如二氧化硫、二氧化氮、羰基硫等；
所述二氧化碳提纯单元的冷量来自于中间介质换热单元；
所述中间介质换热单元的冷量来自于LNG。
优选地，所述冷却器与所述冷凝器之间设有吸附分离罐，进行深度脱水。
优选地，所述中间介质换热单元包括依次连接的中间介质冷凝器、中间介质储罐和中间介质泵；
通过所述中间介质冷凝器，所述中间介质换热单元接收来自LNG的冷量，并传递至所述二氧化碳提纯单元；
所述中间介质泵形式为变频泵。
优选地，所述中间介质泵的出口连接设于所述轻组分脱除塔的塔顶冷凝器；
所述塔顶冷凝器的中间介质出口分为两路，一路与设于所述重组分脱除塔的塔顶冷凝器连接，另一路依次与所述冷凝器、所述冷却器和所述预冷器连接；
所述重组分脱除塔的塔顶冷凝器的中间介质出口与设于所述轻组分脱除塔的塔底再沸器连接；
所述组分脱除塔的塔底再沸器和所述预冷器的中间介质出口均与所述中间介质冷凝器的中间介质入口连接，以使中间介质与LNG换热后进入下一个循环。
优选地，所述提纯系统采用的换热器包括管壳式换热器、印刷电路板式换热器、绕管式换热器或夹套式换热器。
在所述提纯系统的基础上，本发明进一步提供了一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的方法，包括如下步骤：
将来自燃气电厂的CO2粗气通过所述预冷器进入所述提纯系统中的所述二氧化碳提纯单元，得到提纯后的二氧化碳输入至所述二氧化碳储罐中；
来自LNG接收站的带压LNG与中间介质进行换热，换热后的所述中间介质通过所述中间介质换热单元将冷量传递给所述二氧化碳提纯单元，实现对二氧化碳的提纯。
具体地，所述中间介质为R290丙烷、R1270丙烯、R717氨、R22二氟一氯甲烷、R23三氟甲烷和R404A五氟乙烷/三氟乙烷/四氟乙烷的混合物中至少一种；
所述CO2粗气包括但不限于CO2、O2、N2、NO2、NO、SO2、Ar等，CO2的体积浓度为80％～99.9％；
所述轻组分脱除塔和所述重组分脱除塔为填料塔，采用的填料为拉西环填料、鲍尔环填料或θ环填料；
所述吸附分离罐采用的吸附剂为分子筛、氧化铝或二氧化硅。
具体地，可根据实际二氧化碳产品的纯度需求调整所述轻组分脱除塔和所述重组分脱除塔的操作温度、压力、回流比等条件。
所述压缩机的出口压力为0.7～1.5MPag，精馏分离正常操作压力为0.6～2.5MPag；
所述中间介质泵的出口压力为0.2～0.7MPag。
通入的LNG可根据中间介质冷量需求进行流量调节，若中间介质冷凝器出口LNG出口温度如果无法满足天然气外输需求，可在后面设置小型气化装置。
本发明利用LNG冷能对电厂捕集的CO2进行提纯，制备食品级/电子级液体二氧化碳，兼具LNG气化功能，相较传统采用电力制冷的二氧化碳提纯系统，具有以下技术优势：通过LNG、中间介质、二氧化碳之间的热量交换，可有效降低原生产工艺的制冷能耗，降低成本；利用LNG提供的高品位冷能，在达到相同分离效果的前提下，相较低品位冷能供给，降低了提纯系统的操作压力，从而降低了压缩机能耗，降低了生产成本；中间介质在换热器间进行串联，实现了冷能的梯级利用，实现了制冷利用效率的最优化，避免了冷能的浪费。
附图说明
图1为本发明利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统示意图；
设备编号说明：1-预冷器；2-气液分离罐；3-压缩机；4-冷却器；5-吸附分离罐；6-冷凝器；7-轻组分脱除塔；8-轻组分脱除塔塔顶冷凝器；9-轻组分脱除塔顶气液分离罐；10-轻组分脱除塔塔底再沸器；11-重组分脱除塔；12-重组分脱除塔塔顶冷凝器；13-重组分脱除塔塔底再沸器；14-液体CO2储罐；15-中间介质冷凝器；16-中间介质储罐；17-中间介质泵；
介质编号说明：18-CO2粗气；19-废液；20-压缩机入口低压CO2；21-冷却器入口CO2；22-吸附分离罐入口CO2；23-冷凝器入口CO2；24-轻组分脱除塔入口CO2；25-轻组分杂质；26-重组分脱除塔入口CO2；27-重组分脱除塔产品CO2；28-重组分杂质；29-低温液化天然气；30-天然气；31-中间介质流股；32-泵入口中间介质；33-轻组分脱除塔塔顶冷凝器中间介质；34-冷凝器中间介质；35-重组分脱除塔塔顶冷凝器中间介质；36-轻组分脱除塔塔底再沸器中间介质；37-中间介质冷凝器中间介质；38-冷却器中间介质；39-预冷器中间介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，为本发明提供的利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统，能够实现二氧化碳提纯制备食品级/电子级二氧化碳的功能。本发明系统借助中间介质在中间介质冷凝器、轻组分脱除塔、重组分脱除塔、冷凝器、预冷器等换热器间循环实现LNG冷能向二氧化碳的传递，实现二氧化碳的提纯功能。
如图1所示，本发明提纯系统包括依次连接的预冷器1、气液分离罐2、压缩机3、冷却器4、吸附分离罐5、冷凝器6、轻组分脱除塔7、重组分脱除塔11和二氧化碳储罐14，形成二氧化碳提纯单元，其中，轻组分脱除塔7用于脱除轻组分杂质，如氧气、氮气、氩气等，重组分脱除塔11用于脱除重组分杂质，如二氧化硫、二氧化氮等。二氧化碳提纯单元的冷量来自于中间介质换热单元，中间介质换热单元的冷量来自于LNG。
如图1所示，中间介质换热单元包括依次连接的中间介质冷凝器15、中间介质储罐16和中间介质泵17，通过中间介质冷凝器15，中间介质换热单元接收来自LNG的冷量，并传递至二氧化碳提纯单元，中间介质泵17优选为变频泵。中间介质换热单元的具体结构如下：中间介质泵17的出口连接设于轻组分脱除塔塔顶冷凝器8，轻组分脱除塔塔顶冷凝器8的中间介质出口分为两路，一路与重组分脱除塔塔顶冷凝器12连接，另一路依次与冷凝器6、冷却器4和预冷器1连接；重组分脱除塔塔顶冷凝器12的中间介质出口与轻组分脱除塔塔底再沸器10连接；轻组分脱除塔塔底再沸器10和预冷器1的中间介质出口均与中间介质冷凝器15的中间介质入口连接，以使中间介质与LNG换热后进入下一个循环。
本发明提纯系统中，换热器包括管壳式换热器、印刷电路板式换热器、绕管式换热器或夹套式换热器。
采用本发明提纯系统进行CO2提纯时，可按照下述步骤进行：
来自LNG接收站下游燃气电厂的CO2粗气18经提纯系统入口总管进入预冷器1的管程中，作为热源与来自冷却器4的冷端出口的中间介质39进行换热，CO2粗气中的水分初步被凝结。混合的气液两相流进入气液分离罐2，分离的液相(废液19)经由排水口排入废液收集罐，罐顶部出口的气相(压缩机入口低压CO2)经由气相管道进入压缩机3加压，加压后的气体流股(冷却器入口CO2)进入冷却器4的管程，作为热源与来自冷凝器6冷端出口的中间介质38进行换热。吸附分离罐入口CO222的温度降低至适宜温度后进入吸附分离罐5进行水分的深度脱除，吸附分离罐5中可根据分离罐中吸附剂的吸水程度进行分离罐的切换。经过脱水的CO2气体作为热源进入冷凝器6的管程，与来自轻组分脱除塔塔顶冷凝器8冷端出口的中间介质(冷凝器中间介质34)进行换热，冷凝器6出口的轻组分脱除塔入口CO2大部分冷凝成液体，与部分不凝气进入轻组分脱除塔7，轻组分脱除塔7中沸点较CO2低的组分进入塔顶冷凝器8、闪蒸分离罐9，其中的不凝气(轻组分杂质25)通过管道进行放空，冷凝液体返回至轻组分脱除塔7的顶层塔板。轻组分脱除塔7中CO2及沸点较CO2低的组分进入塔底再沸器10，其中气相返回至轻组分脱除塔7的塔底，液相(重组分脱除塔入口CO226)经由塔底出口管道输送至重组分脱除塔11。重组分脱除塔11中沸点较CO2高的组分进入塔底再沸器13，其中气相返回至重组分脱除塔11塔底，液相(重组分杂质28)经由塔底出口管道排入废液罐中；重组分脱除塔11中CO2及沸点较CO2低的组分经由重组分脱除塔塔顶冷凝器12部分返回至重组分脱除塔11顶层塔板，部分外输至二氧化碳储罐14。
在中间介质的换热系统中，液态的中间介质从中间介质储罐16通过中间介质泵入口32进入中间介质泵17，经过泵加压的中间介质通过轻组分脱除塔塔顶冷凝器中间介质入口33进入轻组分脱除塔塔顶冷凝器8中作为冷源，冷凝轻组分脱除塔7塔顶的气相流股。轻组分脱除塔塔顶冷凝器8冷端出口的中间介质分成2路，一路输送至冷凝器6，作为冷源与冷凝器入口CO223进行换热，冷凝器6冷端出口的冷却器中间介质38再依次通过冷却器4、气液分离罐2，作为冷源分别与冷凝器入口CO223和CO2粗气18进行换热；另一路输送至重组分脱除塔塔顶冷凝器12，作为冷源与重组分脱除塔11塔顶气相换热，重组分脱除塔塔顶冷凝器12冷端出口的中间介质(轻组分脱除塔塔底再沸器中间介质36)再通过轻组分脱除塔塔底再沸器10，与轻组分脱除塔7塔底液相进行换热。两路中间介质汇合后进入中间介质冷凝器15，作为热源与来自接收站的带压LNG流股(低温液化天然气29)进行换热冷凝，冷凝后的中间介质流股31返回至中间介质储罐16进行储存。
其中，CO2粗气的组分包括但不限于CO2、O2、N2、NO2、NO、SO2、Ar、COS、C2H6等，CO2粗气中CO2浓度范围在80％～99.9％之间。
上述方法中，压缩机3出口压力优选为0.8MPag，正常操作压力范围为0.6～2.5MPag。
上述方法中，各换热器形式包括且不限于管壳式换热器、印刷电路板式换热器、绕管式换热器或夹套式换热器，其他可用换热器亦可。
上述方法中，吸附分离罐5中的吸附剂包括且不限于分子筛、氧化铝、二氧化硅，其他形式吸附剂亦可。
上述方法中，轻组分脱除塔7和重组分脱除塔11为填料塔，填料种类包括且不限于拉西环、鲍尔环、θ环，其他可用填料亦可。
上述方法中，中间介质为丙烷、丙烯及其他单一或复合换热介质。
上述方法中，中间介质泵的出口压力优选为0.35MPag，正常操作压力范围为0.2～0.7MPag。
应用实例1、
在某实施例中，35℃、105kPa的97％的CO2粗气18经过预冷器1减温至-40℃，简单气液分离后经压缩机3压力升至800kPa。原料气进入换热器4与吸附罐5后水含量降低至8PPM左右。脱水后原料气在冷却器6中冷却至-37℃液化，通入理论塔板数为16的轻组分脱除塔7，脱除轻关键组分丙烷至4.5PPM，通入理论塔板数为15的重组分脱除塔11，脱除重关键组分COS至0.1PPM，得到CO2的纯度达到99.9995％。
在本实施例中，采用-60℃中间介质R23作为循环制冷剂，经中间介质泵17加压至388kPa。R23分别与6/8/12换热，气化减压至320kPa，-58.16℃，在中间介质冷凝器15中低温液化天然气29气化将R23冷凝至-60℃。
本发明利用LNG冷能实现电厂捕集二氧化碳的提纯，通过中间介质优化LNG冷能的梯度利用水平，优化实现了LNG冷能供给下的二氧化碳提纯工艺，更大程度地实现了LNG冷能的回收利用，提高了食品级/电子级二氧化碳制备的经济性。

Claims (10)

1.一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的提纯系统，包括依次连接的预冷器、气液分离罐、压缩机、冷却器、冷凝器、轻组分脱除塔、重组分脱除塔和二氧化碳储罐，形成二氧化碳提纯单元；
所述轻组分脱除塔用于脱除轻组分杂质；
所述重组分脱除塔用于脱除重组分杂质；
所述二氧化碳提纯单元的冷量来自于中间介质换热单元；
所述中间介质换热单元的冷量来自于LNG。
2.根据权利要求1所述的提纯系统，其特征在于：所述冷却器与所述冷凝器之间设有吸附分离罐。
3.根据权利要求1或2所述的提纯系统，其特征在于：所述中间介质换热单元包括依次连接的中间介质冷凝器、中间介质储罐和中间介质泵；
通过所述中间介质冷凝器，所述中间介质换热单元接收来自LNG的冷量，并传递至所述二氧化碳提纯单元；
所述中间介质泵形式为变频泵。
4.根据权利要求3所述的提纯系统，其特征在于：所述中间介质泵的出口连接设于所述轻组分脱除塔的塔顶冷凝器；
所述塔顶冷凝器的中间介质出口分为两路，一路与设于所述重组分脱除塔的塔顶冷凝器连接，另一路依次与所述冷凝器、所述冷却器和所述预冷器连接；
所述重组分脱除塔的塔顶冷凝器的中间介质出口与设于所述轻组分脱除塔的塔底再沸器连接；
所述组分脱除塔的塔底再沸器和所述预冷器的中间介质出口均与所述中间介质冷凝器的中间介质入口连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的提纯系统，其特征在于：所述提纯系统采用的换热器包括管壳式换热器、印刷电路板式换热器、绕管式换热器或夹套式换热器。
6.一种利用LNG冷能制备食品级/电子级二氧化碳的方法，包括如下步骤：
将来自燃气电厂的CO2粗气通过所述预冷器进入权利要求1-4中任一项所述提纯系统中的所述二氧化碳提纯单元，得到提纯后的二氧化碳输入至所述二氧化碳储罐中；
来自LNG接收站的带压LNG与中间介质进行换热，换热后的所述中间介质通过所述中间介质换热单元将冷量传递给所述二氧化碳提纯单元，实现对二氧化碳的提纯。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述中间介质为R290、R1270、R717、R22、R23和R404A中至少一种。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述CO2粗气中，CO2的体积浓度为80％～99.9％。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于：所述轻组分脱除塔和所述重组分脱除塔为填料塔，采用的填料为拉西环填料、鲍尔环填料或θ环填料；
所述吸附分离罐采用的吸附剂为分子筛、氧化铝或二氧化硅。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其特征在于：所述压缩机的出口压力为0.7～1.5MPag，精馏分离正常操作压力为0.6～2.5MPag；
所述中间介质泵的出口压力为0.2～0.7MPag。
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CN115501632A (zh) * 2022-10-19 2022-12-23 北京石油化工工程有限公司 一种二氧化碳提纯工艺及二氧化碳提纯系统

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