耦合LNG冷能和湿烟气余热的多联产系统及工作方法

本发明属于lng冷能利用，涉及冷能发电、低温碳捕集、烟气余热回收的多联产领域，特别涉及一种基于lng冷能利用的多联产系统及工作方法。

背景技术：

1、液化天然气（liquefiednaturalgas，简写为lng）作为天然气主要储运方式之一。在接收站一般需要将lng气化后，输送至下游用户，而气化时必然会释放大量的冷能，其值约为830kj/kg。若将冷能全部转化为电力，则1吨lng释放的冷能相当于240kw·h。目前，我国lng接受站的总接受能力可达1.0957亿吨/年，其蕴含的冷量折合电力约为263亿kw·h/年。在传统的气化工艺中，lng携带的冷量被海水或空气带走，造成了能源的极度浪费，同时使得附近海域或站区环境受到严重的冷污染。lng冷能的利用技术，不仅对节约能源、保护环境具有重要的意义，而且能够产生可观的经济效益和社会效益，故此，lng冷能的利用逐渐受到广泛关注。

2、通常lng冷能的利用过程分为直接利用和间接利用两种。直接利用包括冷能发电、深冷空气分离、轻烃分离、制造液态co2（碳捕集）、汽车空调、海水淡化、空调制冷等；间接利用包括低温粉碎、低温医疗等。但是，在工业化生产过程中lng的冷能未能得到合理的利用，lng的冷能利用未能依据冷量的品质进行合理的梯级利用，造成lng大量冷能的浪费。

3、目前，现有技术如申请号cn202311382282.1名为一种用于天然气制氢中变气的低温碳捕集工艺，系统所需的冷量由低温净化气和一个独立的蒸汽压缩式混合制冷剂制冷循环提供，因此系统需要电能驱动，造成碳捕集过程中能量的消耗。现有技术如公开号cn114961899a名为一种带碳捕集功能的lng动力船余热和冷能综合利用系统，包括空气分离子系统，烟气余热回收利用子系统和低温碳捕集子系统，该系统通过空气分离回收高品位lng冷能，但是整个系统能耗较高。

4、因此，设计高效节能的lng冷能利用多联产系统，作好系统之间的能量协调管理，从而提升lng冷能利用效率，对lng冷能的梯级利用的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供耦合lng冷能和湿烟气余热的多联产系统及工作方法，旨在改善现有lng冷能利用技术中冷能利用率低，冷能利用效率低的问题，并为进一步减少lng发电站全周期二氧化碳碳排，提供行之有效的能量利用方案，实现节能减排。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：耦合lng冷能和湿烟气余热的多联产系统，包括低温朗肯发电子系统、多级膨胀子系统、低温碳捕集子系统和废烟气发电子系统；

3、低温朗肯发电子系统包括换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ、溶液泵、膨胀机ⅰ；

4、换热器ⅰ包括换热器ⅰ热端出口、换热器ⅰ热端进口，换热器ⅰ冷端出口，换热器ⅰ冷端进口；换热器ⅱ包括换热器ⅱ热端出口、换热器ⅱ热端进口，换热器ⅱ冷端出口，换热器ⅱ冷端进口；换热器ⅲ包括换热器ⅲ热端出口、换热器ⅲ热端进口，换热器ⅲ冷端出口，换热器ⅲ冷端进口；溶液泵包括溶液泵进口，溶液泵出口；膨胀机ⅰ包括膨胀机ⅰ进口，膨胀机ⅰ出口；

5、换热器ⅰ的热侧出口通过管道连接水分离器ⅰ进口端，换热器ⅰ的冷侧出口通过管道与膨胀机ⅰ进口端相连接，膨胀机ⅰ的出口通过管道与换热器ⅱ的热侧入口连接，换热器ⅱ热侧出口通过管道与换热器ⅲ热侧进口相连，换热器ⅲ热侧出口通过管道与溶液泵进口连接，溶液泵出口通过管道与换热器ⅱ的冷侧进口连接，换热器ⅱ的冷侧出口通过管道与换热器ⅰ的冷侧进口相连接；

6、多级膨胀子系统包括水分离器ⅰ、换热器ⅳ、换热器ⅴ、所述换热器ⅵ、水分离器ⅱ、压缩机ⅰ、换热器ⅶ、膨胀机ⅱ、膨胀机ⅲ、换热器ⅷ、压缩机ⅱ、换热器ⅸ、压缩机ⅲ、换热器ⅹ、换热器；

7、分离器ⅰ包括水分离器ⅰ进口端，水分离器ⅰ气体出口端，水分离器ⅰ液体出口端；换热器ⅳ包括换热器ⅳ热端出口、换热器ⅳ热端进口，换热器ⅳ冷端出口，换热器ⅳ冷端进口；换热器ⅴ包括换热器ⅴ热端出口、换热器ⅴ热端进口，换热器ⅴ冷端出口，换热器ⅴ冷端进口；换热器ⅵ包括换热器ⅵ热端出口、换热器ⅵ热端进口，换热器ⅵ冷端出口，换热器ⅵ冷端进口；水分离器ⅱ包括水分离器ⅱ进口端，水分离器ⅱ气体出口端，水分离器ⅱ液体出口端；压缩机ⅰ包括压缩机ⅰ进口端，压缩机ⅰ出口端；换热器ⅶ包括换热器ⅶ热端出口、换热器ⅶ热端进口，换热器ⅶ冷端出口，换热器ⅶ冷端进口；换热器ⅷ包括换热器ⅷ热端出口、换热器ⅷ热端进口，换热器ⅷ冷端出口，换热器ⅷ冷端进口；压缩机ⅱ包括压缩机ⅱ进口端，压缩机ⅱ出口端；膨胀机ⅲ包括膨胀机ⅲ进口端，膨胀机ⅲ出口端；换热器ⅸ包括换热器ⅸ热端出口、换热器ⅸ热端进口，换热器ⅸ冷端出口，换热器ⅸ冷端进口；压缩机ⅲ包括压缩机ⅲ进口端，压缩机ⅲ出口端；换热器ⅹ包括换热器ⅹ热端出口、换热器ⅹ热端进口，换热器ⅹ冷端出口，换热器ⅹ冷端进口；换热器a包括换热器a热端出口、换热器a热端进口，换热器a冷端出口，换热器a冷端进口；

8、换热器ⅰ的热侧出口通过管道与水分离器ⅰ进口相连接，水分离器ⅰ的气体出口端通过管道与换热器ⅳ热侧进口端连接，换热器ⅳ热侧出口通过管道与换热器ⅴ热侧进口相连接，换热器ⅴ的热侧出口通过管道与换热器ⅵ的热侧进口连接，换热器ⅵ的热侧出口通过管道与水分离器ⅱ的进口连接，水分离器ⅱ的气体出口通过管道与压缩机ⅰ的进口相连接，压缩机ⅰ出口端通过管道与换热器ⅶ热侧入口相连接，换热器ⅶ的热侧出口通过管道与压缩机ⅱ相连接，压缩机ⅱ的出口端通过管道与换热器ⅸ热侧进口相连，换热器ⅸ的热侧出口通过管道与换热器ⅷ热侧入口相连，换热器ⅷ热侧出口端通过管道与压缩机ⅲ入口连接，压缩机ⅲ出口通过管道与换热器ⅹ热侧进口端连接，换热器ⅹ的热侧出口通过管道与换热器a热侧进口相连，换热器a热侧出口通过管道与阀门进口相连，换热器a冷侧出口通过管道与换热器ⅷ冷侧进口相连，换热器ⅷ冷侧进口通过管道与膨胀机ⅲ进口相连，膨胀机ⅲ出口通过管道与换热器ⅳ冷侧进口相连，换热器ⅳ冷侧出口通过管道与膨胀机ⅱ进口相连，膨胀机ⅱ出口通过管道与换热器ⅶ冷侧进口相连，换热器ⅶ冷侧出口则为天然气出口端；

9、低温碳捕集系统包括阀门、气液分离器ⅰ、换热器b、气液分离器ⅱ、低温泵ⅰ、lng储液罐、co2储液罐、低温泵ⅱ、混合器；

10、阀门包括阀门进口端，阀门出口端；气液分离器ⅰ包括气液分离器ⅰ进口端，气液分离器ⅰ气体出口端，气液分离器ⅰ液体出口端；换热器b包括换热器b热端出口、换热器b热端进口，换热器b冷端出口，换热器b冷端进口；气液分离器ⅱ包括气液分离器ⅱ进口端，气液分离器ⅱ气体出口端，气液分离器ⅱ液体出口端；低温泵ⅰ包括低温泵ⅰ进口端，低温泵ⅰ出口端；lng储液罐包括lng储液罐进口端，lng储液罐出口端；co2储液罐包括co2储液罐进口端，co2储液罐出口端；低温泵ⅱ包括低温泵ⅱ进口端，低温泵ⅱ出口端；混合器包括混合器进口端a，混合器进口端b，混合器出口端；

11、阀门出口端通过管道气液分离器ⅰ进口端相连，气液分离器ⅰ气体出口通过管道与换热器b热侧进口端相连接，换热器b热侧出口端通过管道与气液分离器ⅱ进口相连接，气液分离器ⅱ气体出口端通过管道与换热器ⅵ冷侧进口相连，lng储液罐出口通过管道与低温泵ⅰ进口端相连，低温泵ⅰ出口端通过管道与换热器b冷侧进口相连，换热器b冷侧出口通过管道与低温泵ⅱ的进口端相连，气液分离器ⅱ的液体出口端通过管道与混合器进口端a相连，气液分离器ⅰ的液体出口端通过管道与混合器进口端b相连；

12、废烟气发电子系统包括换热器ⅴ、所述换热器ⅵ、膨胀机ⅳ、膨胀机ⅴ、冷却器；

13、换热器ⅴ包括换热器ⅴ热端出口、换热器ⅴ热端进口，换热器ⅴ冷端出口，换热器ⅴ冷端进口；换热器ⅵ包括换热器ⅵ热端出口、换热器ⅵ热端进口，换热器ⅵ冷端出口，换热器ⅵ冷端进口；膨胀机ⅳ包括膨胀机ⅳ进口端，膨胀机ⅳ出口端；膨胀机ⅴ包括膨胀机ⅴ进口端，膨胀机ⅴ出口端；冷却器包括冷却器热端出口、冷却器热端进口，冷却器冷端出口，冷却器冷端进口。

14、换热器ⅵ冷侧出口通过管道与膨胀机ⅳ进口相连，膨胀机ⅳ出口通过管道与换热器ⅴ冷侧进口相连接，换热器ⅴ冷侧出口通过管道与膨胀机ⅴ进口连接，膨胀机ⅴ出口通过管道与冷却器进口相连，冷却器出口则是废烟气出口端。

15、作为一种优选的方案，所述的换热器ⅰ中的热端进口介质可选择湿烟气或者其他低品位余热。

16、作为一种优选的方案，所述换热器ⅸ冷侧进口端与换热器ⅹ冷侧出口端相连，所述的换热器ⅹ进口的介质可以选择冷水、冷却液等。

17、作为一种优选的方案，低温朗肯发电子系统中循环的工质可选用丙烷，可以选择双组分载冷剂。

18、作为一种优选的方案，所述冷却器主要是回收膨胀机ⅴ出口的余冷用于制冷，制冷剂可以选用水或者其他制冷剂。

19、作为一种优选的方案，通过调节阀门的出口压力来调节气液分离器ⅰ的压力，从而获得相应的液态二氧化碳纯度。

20、作为一种优选的方案，水分离器ⅰ与水分离器ⅱ中液体出口端收集出的冷凝水作为水资源循环利用。

21、作为一种优选的方案，本发明的湿烟气选用天然气富氧燃烧后的湿烟气作为热源。

22、本发明还公开了一种耦合lng冷能和湿烟气余热的工作方法，包括湿烟气两级除湿方法、三级气体压缩方法、两级低温碳捕集方法：

23、1）湿烟气两级除湿方法：

24、高温高湿的烟气先后进入两个水分离器中进行两级除湿，具体如下：高温高湿的烟气进入换热器ⅰ1中被低温循环介质冷却，湿烟气温度降低，部分水蒸气冷凝，当烟气流经水分离器ⅰ中经过分离，冷凝水从水分离器ⅰ的液体出口端流出，干燥的烟气从水分离器ⅰ的气体出口端流出，随后依次进入换热器ⅳ、换热器ⅴ、换热器ⅵ的热侧进行再次冷却，冷却后的湿烟气温度降低15℃以下，当烟气进入水分离器ⅱ中分离后，烟气中的含湿量降至最低。

25、2）三级气体压缩方法：

26、经过两级干燥后的烟气进入压缩机ⅰ中进行压缩加压，温度上升，然后进入换热器ⅶ的热侧被低温天然气冷却至常温后，进入到压缩机ⅱ中进行压缩，温度再次上升，随后依次进入换热器ⅸ、换热器ⅷ的热侧，再次被冷却至常温，然后进入压缩机ⅲ中进行压缩，烟气压力达到二氧化碳液化的压力，随后进入换热器a被再次冷却至常温。

27、3）两级低温碳捕集方法：

28、常温烟气达到二氧化碳液化压力后流经阀门中被节流，烟气中二氧化碳开始初步液化，随后烟气进入气液分离器ⅰ中被分离，液化的二氧化碳从气液分离器ⅰ的液体出口端流出进入混合器中，未液化的烟气从气液分离器ⅰ中气体出口端流出，进入换热器b中再次被冷却，烟气温度降低造成烟气中剩余二氧化碳再次液化，然后进入气液分离器ⅱ中分离，液化的二氧化碳从气液分离器ⅱ的液体出口端流出，进入混合器中，气液分离器ⅱ中剩余烟气从气液分离器ⅱ的气体出口端流出，混合器中的液化二氧化碳从液体出口端流出进入co2储液罐中。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1、该系统结合低温朗肯发电系统、多级膨胀发电系统、低温碳捕集系统、废气发电系统。其中，低温碳捕集子系统最具特色，可分为初步低温碳捕集和深度低温碳捕集，利用lng高品位冷能对低温烟气进行深度碳捕集，为气化前的lng进行预热，降低lng气化换热温差，利用中品位lng冷能对高压烟气进行初步碳捕集，经过双重冷凝液化二氧化碳，烟气中的碳捕集程度更高。

31、2、利用高品位lng冷能用于液化二氧化碳，从而为lng预热，中品位lng冷能用于低温发电与初步碳捕集，低品位lng冷能用于湿烟气的冷凝除湿。依据所需冷量品位不同，将lng在气化过程中释放的冷量依次进行梯级利用。

32、3、在提高了能量利用率的同时，还丰富了系统的产品种类，为用户提供电力、天然气、液态二氧化碳、供冷和供热等功能。

33、3、在提高了能量利用率的同时，还丰富了系统的产品种类，为用户提供电力、天然气、液态二氧化碳、供冷和供热等功能。