一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置

1.本发明涉及一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置，属于lng冷能利用、烟气中碳捕集技术领域。


背景技术：

2.现有的lng接收站中有多管程换热器、燃气锅炉、火炬等燃烧排放设备，天然气在燃烧时发生燃烧反应产生二氧化碳排放。lng接收站存在大量lng冷能，现有的冷能利用技术局限于冷能空分和冷能发电技术，未实现冷量的梯级利用。因此需要启动lng接收站碳捕集技术研究，在研究国内外碳捕集技术现状的基础上，同时突破现有冷能空分、冷能发电的lng冷能利用技术瓶颈，开展lng接收站低能耗二氧化碳捕集技术开发，助力节能降耗，是急需开展的技术方向。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置，该装置利用lng冷能耦合多管程换热器，结合低能耗lng冷能碳捕集技术研究，突破现有冷能空分、冷能发电的lng冷能利用技术瓶颈，研究利用lng冷能实现二氧化碳的低温低压低能耗液化，实现中间能量转化发电，减少投资成本，提高生产能力。
4.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
5.一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置，包括：
6.本发明装置由两个循环系统和两个相变过程组成，分别是二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和lng再气化过程，每个循环系统和相变过程功能不同，各自独立可实现相应的功能，但又通过换热设备将其互相关联。其中一方面所述二氧化碳液化过程，烟气进入装置后经二氧化碳液化过程处理后可将烟气中二氧化碳液化，并将液态二氧化碳与剩余废气分离。
7.所述二氧化碳液化过程，工业烟气进入一级蒸发器和二级蒸发器，为二氧化碳超临界朗肯循环和有机朗肯循环提供热量后，经冷凝器冷却至气液混合物，然后进入一级分离器将液态水分离出来，分离出液态水的烟气进入一级换热器换热后经过二级分离器再次进行气液分离，将水分离出去的二氧化碳进入多管程换热器被lng冷却为液态，之后液态二氧化碳混合废气进行旋流分离器实现气液分离过程，液态二氧化碳由底部出口回收利用，废气由顶部出口排空，由此完成烟气中二氧化碳的液化分离过程。
8.所述lng再气化过程是利用lng冷能梯级利用系统，实现lng逐级换冷过程，完成冷量交换后气化为天然气。
9.所述lng再气化过程是lng先通过一级加压泵加压后进入多管程换热器将来自二级分离器的二氧化碳冷凝成低温低压液体，然后进入一级换热器与二氧化碳水合物和有机工质进行换热，逐渐气化成为天然气，此过程完成了lng的再气化。
10.所述多管程换热器包括封闭式的壳体以及设置于所述壳体内部交错排布的二氧
化碳换冷管道、烟气换冷管道和lng管道，所述二氧化碳换冷管道和烟气换冷管道组成多管程换热器内的换热管束，所述lng管道进口与一级加压泵相连，出口与一级换热器相连；所述烟气换冷管道进口连接来自二级分离器出口的烟气，烟气换冷管道出口连接旋流分离器进口；所述二氧化碳换冷管道进口连接来自一级回热器的气态二氧化碳，经lng冷凝后变成液态二氧化碳由二氧化碳换冷管道出口输送至二级加压泵。
11.进一步的，所述二氧化碳换冷管道和烟气换冷管道在空间上呈十字交叉排布。
12.所述二氧化碳超临界朗肯循环系统，利用二氧化碳的相变过程进行热量交换和膨胀做功，实现二氧化碳超临界朗肯循环发电。
13.所述二氧化碳超临界朗肯循环系统是二氧化碳在多管程换热器中被lng冷凝为低温低压饱和液体后，经二级加压泵加压、二级加压泵加热升温，通入一级蒸发器中再次被加热至高温高压气体，之后进入一级膨胀机做功，带动发电机发电，经降温降压后的气体先进入一级回热器预冷，再回到多管程换热器与lng换热，构成封闭的二氧化碳超临界朗肯循环回路系统。
14.所述有机朗肯循环系统中的有机工质与烟气和lng进行热量交换，实现能量的储存和释放，使膨胀机做功发电。
15.所述有机朗肯循环系统，有机工质经三级加压泵加压、二级回热器预热后进入二级蒸发器被加热为高温高压气体，之后进入二级膨胀机做功，带动发电机发电，做功后的低压气体先返回二级回热器预冷，再经过一级换热器与低温天然气进行换热，之后返回三级加压泵，完成整个有机朗肯循环过程。
16.所述有机工质可为r245fa等蒸发潜热值和比热比较大的系列有机工质。
17.所述二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和lng再气化过程中所有管线和设备均进行保温或保冷处理。
18.所述多管程换热器的壳体、所述二氧化碳换冷管道、烟气换冷管道或所述旋流分离器上设置有至少一个可视化窗口。
19.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
20.(1)本发明的技术方案设计了内部管束构成管网的多管程换热器，为突破现有冷能空分、冷能发电的lng冷能利用技术瓶颈，实现lng冷能梯级利用、充分利用lng冷能的构思提供了可能；
21.(2)本发明技术方案将二氧化碳超临界朗肯循环系统和有机朗肯循环系统耦合于烟气利用lng冷能捕集二氧化碳的工艺路线中，两个循环系统各自独立、管路封闭自成循环，又借助各自循环中的设备与整个工艺耦合为紧凑的整体，充分、高效地同步达到lng冷能梯级利用的目的，较现有的烟气中碳捕集装置能够降低生产成本、提高生产能力；
22.(3)装置中包含可视化窗口，便于观察二氧化碳液化相变过程，工艺流程完整，系统结构紧凑，二氧化碳的液化、净化及分离效果好、效率高。
附图说明
23.图1为本发明提供的二氧化碳捕集装置的工艺流程图；
24.图2为本发明工艺流程中多管程换热器结构示意图；
25.图中各标记如下：
26.1-lng进口、2-一级加压泵、3-二级加压泵、4-一级回热器、5-一级蒸发器、6-一级膨胀机、7-多管程换热器、8-烟气进口、9-二级蒸发器、10-冷凝器、11-一级分离器、12-一级换热器、13-二级分离器、14-旋流分离器、15-顶部出气口、16-底部出液口、17-三级加压泵、18-二级回热器、19-二级膨胀机、20-天然气出口、21-一级出水口、22-二级出水口、23-二氧化碳换冷管道、24-烟气换冷管道、25-lng管道。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
29.本发明针对现有的lng接收站存在大量lng冷能，现有的冷能利用技术局限于冷能空分和冷能发电技术，未实现冷量的梯级利用的问题，而提出一种工业烟气中的碳捕集装置，该装置对现有的浸没式燃烧气化结构进行反向使用，将lng冷能利用和烟气中二氧化碳的捕集两者耦合于一体，充分、高效的同步达到两个目的，较现有的烟气中碳捕集装置能够降低生产成本、提高生产能力。
30.下面结合具体实例对本发明的技术方案进行详细说明。
31.如图1所示，是本发明提供的二氧化碳捕集装置的工艺流程图，本发明的工业烟气中的二氧化碳捕集装置由两个循环系统和两个相变过程组成，分别是二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和lng再气化过程，实际运行过程中每个循环系统和相变过程相互独立又互相关联。lng再气化过程包括lng进口1，依次连接一级加压泵2、多管程换热器7和一级换热器12，完成热量交换后形成的天然气自天然气出口20排空，lng再气化过程是利用lng冷能梯级利用系统，实现lng逐级换冷过程，完成冷量交换后气化为天然气，lng先通过一级加压泵2加压后进入多管程换热器7将来自二级分离器13的二氧化碳冷凝成低温低压液体，然后进入一级换热器12与二氧化碳水合物和有机工质进行换热，逐渐气化成为天然气，此过程完成了lng的再气化。
32.二氧化碳液化过程包括工业烟气进口8，依次连接一级蒸发器5、二级蒸发器9、冷凝器10、一级分离器11、一级换热器12、二级分离器13、多管程换热器7和旋流分离器14，工业烟气进入一级蒸发器5和二级蒸发器9，为二氧化碳超临界朗肯循环和有机朗肯循环提供热量后，经冷凝器10冷却至气液混合物，然后进入一级分离器11将液态水分离出来，分离出液态水的烟气进入一级换热器12换热后经过二级分离器13再次进行气液分离，将水分离出去的二氧化碳进入多管程换热器7被lng冷却为液态，同时控制工况参数(如压缩烟气至压力12bar，控制烟气温度降温至-50℃以下)，之后液态二氧化碳混合废气进行旋流分离器14
实现气液分离过程，液态二氧化碳由底部出口16回收利用，废气由顶部出口15排空，由此完成烟气中二氧化碳的液化分离过程。
33.二氧化碳超临界朗肯循环系统和有机朗肯循环系统是耦合在整个工艺流程中的冷能利用系统，以与lng再气化过程、二氧化碳液化过程协同实现对lng冷能的梯度利用。其中二氧化碳超临界朗肯循环系统依次连接有多管程换热器7、二级加压泵3、一级回热器4、一级蒸发器5、一级膨胀机6和一级回热器4，之后返回多管程换热器7，形成一个完整的二氧化碳超临界朗肯循环系统，其利用二氧化碳的相变过程进行热量交换和膨胀做功，实现二氧化碳超临界朗肯循环发电。二氧化碳在多管程换热器7中被lng冷凝为低温低压饱和液体后，经二级加压泵3加压、二级加压泵3加热升温，通入一级蒸发器5中再次被加热至高温高压气体，之后进入一级膨胀机6做功，带动发电机发电，经降温降压后的气体先进入一级回热器4预冷，再回到多管程换热器7与lng换热，构成封闭的二氧化碳超临界朗肯循环回路系统。
34.有机朗肯循环系统依次连接有三级加压泵17、二级回热器18、二级蒸发器9、二级膨胀机19、二级回热器18和一级换热器12，之后返回三级加压泵17，形成一个完整的有机朗肯循环系统。有机朗肯循环系统中的有机工质r245fa与烟气和lng进行热量交换，实现能量的储存和释放，使膨胀机做功发电，有机工质经三级加压泵17加压、二级回热器18预热后进入二级蒸发器9被加热为高温高压气体，之后进入二级膨胀机19做功，带动发电机发电，做功后的低压气体先返回二级回热器18预冷，再经过一级换热器12与低温天然气进行换热，之后返回三级加压泵17，完成整个有机朗肯循环过程。
35.如图2所示，为多管程换热器7内部结构示意图，其包括二氧化碳换冷管道23、烟气换冷管道24和lng管道25，其中，lng管道25可由多管程换热器7壳体内部空间直接构成，其进口与一级加压泵2相连，出口与一级换热器12相连，所述烟气换冷管道24为多管并行的管束结构，该管束结构的进口处和出口处均通过独立空间汇流后连通至多管程换热器7的壳体外部，且烟气换冷管道24的位于多管程换热器7壳体外部的进口(图中未示出)连接来自二级分离器13出口的烟气，烟气换冷管道24位于多管程换热器7壳体外部的出口连接旋流分离器14进口；所述二氧化碳换冷管道23也设置为多管并行的管束结构，其管束结构的进口处和出口处也均通过独立空间汇流后连通至多管程换热器7的壳体外部，区别之处在于，所述烟气换冷管道24的管束结构与所述二氧化碳换冷管道23的管束结构间隔均匀的相互垂直设置，构成类管网结构以扰流lng流体，使其均匀分布的流过多管程换热器7，提高冷能交换效率。
36.二氧化碳换冷管道23的位于多管程换热器7壳体外部的进口(图中未示出)连接来自一级回热器4的气态二氧化碳，经lng冷凝后变成液态二氧化碳由二氧化碳换冷管道23位于多管程换热器7壳体外部的出口输送至二级加压泵3，实现多管程换热器中多组分共同换冷。所述烟气换冷管道24的管束结构与所述二氧化碳换冷管道23的管束结构间隔均匀的相互垂直设置，即二氧化碳换冷管道23和烟气换冷管道24在空间上呈十字交叉排布，优选的，二氧化碳换冷管道23和烟气换冷管道24的管束结构的每一单管均采用螺旋管、翅片管等类型的管道，以增加烟气在多管程换热器7内部吸收lng冷能的效率，在流通时间内将温度降低至二氧化碳的液化温度之下。
37.二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和lng再气
化过程中所有管线和设备均进行保温或保冷处理。
38.多管程换热器7的壳体、二氧化碳换冷管道23和烟气换冷管道24的某区域或区段上，以及旋流分离器14中可采用耐低温玻璃等材料设置多个可视化窗口，便于观察深冷液化二氧化碳的相变过程。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置，其特征在于，包括二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和lng再气化过程，所述lng再气化过程释放冷能，所述二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程共同实现冷能梯度利用；还包括多管程换热器，lng进口管道连通所述多管程换热器，lng在多管程换热器内部释放冷能后经管道连通至一级换热器，在一级换热器内部进一步释放冷能后的气态天然气外输，该线路构成所述lng再气化过程；工业烟气进口管路依次连接一级蒸发器、二级蒸发器、冷凝器、一级分离器、一级换热器、二级分离器、多管程换热器和旋流分离器，烟气在一级蒸发器和二级蒸发器内释放热量，然后经冷凝器冷却出其中水分，所述一级分离器用于分离出烟气中水分，分离出水分的烟气进入一级换热器并在一级换热器中与天然气逆流接触交换热量，以再次冷却出水分，所述二级分离器将水气分离后气态烟气进入多管程换热器，在多管程换热器中吸收lng释放的冷能使烟气中二氧化碳冷却至液态，之后液态二氧化碳混合废气进行旋流分离器实现气液分离过程，液态二氧化碳由底部出口回收利用，废气由顶部出口排空，该线路构成二氧化碳液化过程；所述二氧化碳超临界朗肯循环系统和所述有机朗肯循环系统均通过工质独立循环耦合于上述二氧化碳液化过程和lng再气化过程。2.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述二氧化碳超临界朗肯循环系统包括依次连接以构成循环回路的多管程换热器、二级加压泵、一级回热器、一级蒸发器、一级膨胀机和一级回热器，该循环回路中工质为二氧化碳，气态二氧化碳在多管程换热器中吸收lng释放的冷能冷却至液态，液态二氧化碳经二级加压泵加压输送至一级回热器中释放冷能，然后进入一级蒸发器被二氧化碳液化过程的烟气加热至高温高压气体，高温高压气体进入一级膨胀机做功，带动发电机发电，经降温降压后的气体二氧化碳先进入一级回热器预冷，再回到多管程换热器构成循环。3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述有机朗肯循环系统包括依次连接以构成循环回路的三级加压泵、二级回热器、二级蒸发器、二级膨胀机、二级回热器和一级换热器，该循环回路中工质为制冷剂，工质经三级加压泵加压、二级回热器预热后进入二级蒸发器被加热为高温高压气体，之后进入二级膨胀机做功，带动发电机发电，做功后的低压气体先返回二级回热器预冷，再经过一级换热器与低温天然气进行换热，之后返回三级加压泵构成循环。4.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，还包括一级加压泵，所述一级加压泵设置在lng进口管道与多管程换热器之间。5.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述二氧化碳液化过程中，控制工况参数使从二级分离器进入多管程换热器后的烟气压力为12bar，温度降低至-50℃以下。6.根据权利要求3所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述有机朗肯循环系统的工质为有机工质r245fa。7.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述多管程换热器包括封闭式的壳体以及设置于所述壳体内部的二氧化碳换冷管道、烟气换冷管道；所述壳体上设
置与其内部空间连通的lng进口和lng出口，壳体内部空间构成lng管道；所述烟气换冷管道为多管并行的管束结构，该管束结构的进口处和出口处均通过独立空间汇流后连通至多管程换热器的壳体外部，且烟气换冷管道的位于多管程换热器壳体外部的进口连接来自二级分离器出口的烟气，烟气换冷管道位于多管程换热器壳体外部的出口连接旋流分离器进口；所述二氧化碳换冷管道也设置为多管并行的管束结构，其管束结构的进口处和出口处也均通过独立空间汇流后连通至多管程换热器的壳体外部，二氧化碳换冷管道的位于多管程换热器壳体外部的进口连接一级回热器，二氧化碳换冷管道的位于多管程换热器壳体外部的出口连通至二级加压泵。8.根据权利要求7所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述二氧化碳换冷管道和烟气换冷管道的管束结构均采用螺旋管或翅片管。9.根据权利要求7或8所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述二氧化碳换冷管道和烟气换冷管道的管束结构在空间上呈十字交叉排布。10.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集装置，其特征还在于，所述多管程换热器的壳体、所述二氧化碳换冷管道、烟气换冷管道或所述旋流分离器上设置有至少一个可视化窗口。

技术总结
本发明提供了一种工业烟气中的二氧化碳捕集装置，包括二氧化碳超临界朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、二氧化碳液化过程和LNG再气化过程，该装置利用LNG冷能耦合多管程换热器，结合低能耗LNG冷能碳捕集技术研究，突破现有冷能空分、冷能发电的LNG冷能利用技术瓶颈，研究利用LNG冷能实现二氧化碳的低温低压低能耗液化，实现中间能量转化发电，减少投资成本，提高生产能力。提高生产能力。提高生产能力。


技术研发人员：李强 雷毛 陈海平 王勇 孟松 李虎霖 张秀霞 王振波
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/6/26