一种工业尾气液化储能发电系统及发电方法与流程

本发明涉及能源环保技术领域，具体涉及一种工业尾气液化储能发电系统及发电方法。

背景技术：

目前，工业燃煤、燃油、燃气等能源发电排出的尾气虽然经过常规的除尘、脱硫、脱销等净化处理，污染物单位浓度达标后才排放至大气，初步实现了节能环保，但在实际工业尾气排放过程中还存在如下问题：1、环保减排问题。排放的工业尾气中污染物单位浓度虽然达标，但没有从根本上解决温室气体二氧化碳和污染物累积总量等环保减排问题。特别是工业尾气集中排放地区累积排放总量大，容易形成雾霾和温室效应，严重污染环境。2、节能降耗问题。工业尾气中的水蒸气、氮气、二氧化碳、二氧化硫等宝贵的资源和能量没有全部回收利用。特别是高温尾气中的热能，气体压缩的热能、液态气体的冷能和气化膨胀的压力能等没有充分有效利用，综合能效和资源利用率低。3、储能调峰问题。发电用电高峰负荷和低谷负荷差距大，大规模电能储存和转化困难，目前普遍采取的方式是建储能电站或调峰电站，按照用电最高峰负荷配套调峰发电机组、输配电设施和供水供燃料管网，不仅配套投资大、资源利用低，而且远程输送的电能损耗大、成本高，安全性和稳定性差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是工业尾气的综合回收再利用，提供一种工业尾气液化储能发电系统及发电方法，解决当前工业燃煤、燃油、燃气的尾气排放到大气中引起的环境污染问题，及建储能电站或调峰电站导致的成本高昂的问题，以及尾气没有进行综合回收再利用引起的资源浪费问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种工业尾气液化储能发电系统，包括尾气净化储热单元、尾气涡轮发电单元、液化分离储存单元和增压气化发电单元，其中，

所述尾气净化储热单元外接工业尾气，用于对工业尾气进行冷凝净化处理，并储存冷凝净化过程中产生的热能；

所述尾气涡轮发电单元连接尾气净化储热单元，用于接入冷凝净化后的工业尾气，驱动涡轮发电机输出电能；

所述液化分离储存单元连接尾气涡轮发电单元，用于对尾气涡轮发电单元输出的工业尾气进行降温处理，液化分离出工业尾气中的有用气体进行储存；

所述增压气化发电单元连接液化分离单元，用于驱动液化分离单元储存的液化的有用气体气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能。

特别地，所述尾气净化储热单元包括热水罐、冷水罐、冷凝净化器和压缩机，冷凝净化器对工业尾气进行冷凝净化，冷凝净化后的工业尾气经压缩机增压后输出至尾气涡轮发电单元，同时冷水罐的冷水循环至冷凝净化器，冷凝净化过程中冷水转化为热水，循环至热水罐进行储存。

特别地，所述尾气涡轮发电单元包括第一涡轮发电机，冷凝净化后的工业尾气经第一涡轮发电机输出电能。

特别地，所述液化分离储存单元包括液化分离储硫装置、液化分离储碳装置、液化分离储氧装置和液化分离储氮装置中的至少一种，尾气涡轮发电单元输出的工业尾气经液化分离储硫装置、液化分离储碳装置、液化分离储氧装置和液化分离储氮装置进行降温处理，分别分离出液硫、液碳、液氧、液氮进行储存。

特别地，所述液化分离储硫装置包括低温液硫分离器和液硫罐，尾气涡轮发电单元输出的工业尾气，经低温液硫分离器进行降温，分离出工业尾气中的液硫，储存至液硫罐；所述液化分离储碳装置包括低温液碳分离器和液碳罐，尾气涡轮发电单元输出的工业尾气，经低温液碳分离器进行降温，分离出工业尾气中的液碳，储存至液碳罐；所述液化分离储氧装置包括低温液氧分离器和液氧罐，尾气涡轮发电单元输出的工业尾气，经低温液氧分离器进行降温，分离出工业尾气中的液氧，储存至液氧罐；所述液化分离储氮装置包括低温液氮分离器和液氮罐，尾气涡轮发电单元输出的工业尾气，经低温液氮分离器进行降温，分离出工业尾气中的液氮，储存至液氮罐。

特别地，所述增压气化发电单元包括液碳增压气化发电装置和/或液氮增压气化发电装置，分别驱动液化分离储碳装置储存的液碳和液化分离储氮装置储存的液氮气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能。

特别地，所述液碳增压气化发电装置包括液碳泵、液碳气化器和第二涡轮发电机，液碳泵将液化分离储碳装置储存的液碳增压输出到液碳气化器进行加热气化，气化后的超临界二氧化碳气体驱动第二涡轮发电机输出电能；所述液氮增压气化发电装置包括液氮泵、液氮气化器和第三涡轮发电机，液氮泵将液化分离储氮装置储存的液氮增压输出到液氮气化器进行加热气化，气化后的氮气驱动第三涡轮发电机输出电能。

一种应用上述工业尾气液化储能发电系统发电的方法，具体包括以下步骤：

A、尾气净化储热单元对工业尾气进行冷凝净化，并储存冷凝净化过程中产生的热能；

B、尾气涡轮发电单元接入冷凝净化后的工业尾气，驱动涡轮发电机输出电能；

C、液化分离储存单元对尾气涡轮发电单元输出的工业尾气进行降温处理，液化分离出工业尾气中的有用气体进行储存

D、增压气化发电单元驱动液化分离储存单元储存的液化的有用气体增压和加热气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能。

特别地，所述步骤A具体包括：冷凝净化器对工业尾气进行冷凝净化，冷凝净化后的工业尾气经压缩机增压后输出至尾气涡轮发电单元，同时冷水罐的冷水循环至冷凝净化器，冷凝净化过程中冷水转化为热水，循环至热水罐进行储存。

特别地，所述步骤B具体包括：接入冷凝净化后的工业尾气驱动第一涡轮发电机输出电能。

特别地，所述步骤C至少包括以下步骤中的一步：

C1:工业尾气经液化分离储硫装置进行降温处理，分离出液硫进行储存；

C2:工业尾气经液化分离储碳装置进行降温处理，分离出液碳进行储存；

C3:工业尾气经液化分离储氧装置进行降温处理，分离出液氧进行储存；

C4:工业尾气经液化分离储氮装置进行降温处理，分离出液氮进行储存。

特别地，

所述步骤C1具体为：工业尾气经低温液硫分离器进行降温处理，分离出工业尾气中的液硫，储存至液硫罐；

所述步骤C2具体为：工业尾气经低温液碳分离器进行降温处理，分离出工业尾气中的液碳，储存至液碳罐；

所述步骤C3具体为：工业尾气经低温液氧分离器进行降温处理，分离出工业尾气中的液氧，储存至液氧罐；

所述步骤C4具体为：工业尾气经低温液氮分离器进行降温处理，分离出工业尾气中的液氮，储存至液氮罐。

特别地，所述步骤D具体包括：

D1：液碳增压气化发电装置将液化分离储碳装置储存的液碳进行增压和加温气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能；

D2：液氮增压气化发电装置将液化分离储氮装置储存的液氮进行增压和加温气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能。

特别地，

所述步骤D1具体为：液碳泵将液碳罐中的液碳增压输出到液碳气化器，经过加热气化的二氧化碳气体驱动第二涡轮发电机输出电能；

所述步骤D2具体为：液氮泵将液氮罐中的液氮增压输出到液氮气化器，经过加热气化的氮气驱动第三涡轮发电机输出电能。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、高效节能综合减排，本发明所述一种工业尾气液化储能电力系统及发电方法，能够将工业尾气液化分离储存和气化发电，实现电能、热能、冷能和气体膨胀能联供和高效转化，提高工业尾气综合利用率和减排率，有利于高效节能减排和环境保护。

2、尾气液化综合利用，本发明所述一种工业尾气液化储能发电系统及发电方法，将原来普遍直接排放的工业尾气中的二氧化碳、二氧化硫、氮气等分别液化、储存、外输和综合利用，变废为宝，节约资源。特别是温室气体二氧化碳液化后的液碳，便于大规模远距离运输到油气田用于二氧化碳钻井、压裂、驱油、驱气、吞吐、注入等，最终实现二氧化碳永久地下埋藏，达到国际CCUS 碳减排目标。

3、液态储能高效调峰，本发明所述一种工业尾气液化储能发电系统及发电方法，在用电低谷时，将难储存的电能转化成易储存的液态气体膨胀能、热水热能和冷水冷能；在用电高峰时，可及时高效地将就地储存的液态气体膨胀能转化成电能，高效的解决调峰填谷能源补偿问题，节省配套发电机组、输配电设施和供气管网等投资，降低远程供电损耗和运行成本，提高供电调峰的安全性、稳定性和经济性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1提供的工业尾气液化储能发电系统原理框图。

图2为本发明实施例2提供的工业尾气液化储能发电方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为本发明实施例1提供的工业尾气液化储能系统结构框图。

本实施例中，一种工业尾气液化储能发电系统包括尾气净化储热单元、尾气涡轮发电单元、液化分离储存单元和增压气化发电单元。

所述尾气净化储热单元包括热水罐、冷水罐、第一冷凝净化器、第二冷凝净化器、第一压缩机、第二压缩机，工业尾气进入第一冷凝净化器，对工业尾气进行降温、水蒸气冷凝和固相烟尘沉降等第一次冷凝净化处理，第一压缩机将第一次冷凝净化处理后的工业尾气增压至第二冷凝处理器，对工业尾气进行第二次冷凝净化处理，使尾气中水蒸气进一步降温冷凝净化、氮氧化物氧化溶入低温高压冷凝水输出，第二压缩机将第二次冷凝净化处理后的工业尾气和空气混合增压输出至尾气涡轮发电单元。其中，第二冷凝净化器输出的尾气固相含量低于5 mg/Nm3，水蒸气含量低于50PPM。上述对工业尾气进行冷凝净化处理的过程中， 冷水罐中的冷水密闭循环至冷凝净化器，与工业尾气热交换升温后形成热水输出至热水罐储存，从而实现了工业尾气处理过程中热能的储存。

需要说明的是上述尾气净化储热单元还具有多种实施方式，如压缩的次数可采用一次、二次、三次及三次以上，冷凝净化的次数也可采用一次、二次、三次及三次以上，压缩机和冷凝净化器的数量也相应地变化。

所述尾气涡轮发电单元连接尾气净化储热单元，包括第一涡轮发电机，第二压缩机输出的冷凝净化后的工业尾气进入第一涡轮发电机，驱动第一涡轮发电机输出电能并膨胀降温，第一涡轮发电机输出的工业尾气进入液化分离储存单元，从而实现了工业尾气处理过程中电能的产生。

所述液化分离储存单元连接增压气化发电单元，包括液化分离储硫装置、液化分离储碳装置、液化分离储氧装置和液化分离储氮装置。所述液化分离储硫装置包括低温液硫分离器和液硫罐；所述液化分离储碳装置包括低温液碳分离器和液碳罐；所述液化分离储氧装置包括低温液氧分离器和液氧罐；所述液化分离储氮装置包括低温液氮分离器和液氮罐。尾气涡轮发电单元输出的工业尾气依次经低温液硫分离器、低温液碳分离器、低温液氧分离器和低温液氮分离器进行降温处理，低温液硫分离器的温度在-10℃与-56℃之间，分离出液硫储存在液硫罐中，低温液碳分离器的温度在-56℃与-78℃之间，分离出液碳储存在液碳罐中，低温液氧分离器的温度在-183℃与-196℃之间，分离出液氧储存在液氧罐中，低温液氮分离器的温度在-196℃与-209℃之间，分离出液氮储存在液氮罐中，从而提取出工业尾气中的硫、碳、氧、氮等有用液态气体，该有用液态气体可以外输进行综合利用，从而提高了工业尾气的综合利用率。

需要说明的是上述液化分离储存单元还具有多种实施方式，可根据具体的应用情况选择液化分离储硫装置、液化分离储碳装置、液化分离储氧装置和液化分离储氮装置中的任一种或选择几种进行组合。例如，根据不同的工业尾气，组合不同的分离器。对于无硫全氧燃烧的工业尾气，其中所含气体种类较少，仅采用液碳分离器和液碳罐，分离出尾气中的液碳储存；对于不含硫的工业尾气，取消液硫分离器和液硫罐；对于所含气体种类较多的工业尾气，根据不同气体对应不同的液化温度，通过进一增加不同温度的低温分离器，液化分离出不同的有用气体。

所述增压气化发电单元连接液化分离单元，包括液碳增压气化发电装置和液氮增压气化发电装置。所述液碳增压气化发电装置包括液碳泵、液碳气化器和第二涡轮发电机，液碳泵将液碳罐中的液碳增压输送到液碳气化器加温气化成超临界二氧化碳高压气体（温度不低于31.26℃，压力不低于7.37Mpa），驱动第二涡轮发电机输出电能。上述液碳气化发电过程中，经第二涡轮发电机膨胀降压降温后的二氧化碳气体可回输至液化分离储碳装置重复利用，同时，热水罐中的热水密闭循环经过液碳气化器和液碳冷能交换后变成冷水输至冷水罐储存，并可外输冷能。所述液氮增压气化发电单元包括液氮泵、液氮气化器和第三涡轮发电机，液氮泵将液氮罐中的液氮增压输送到液氮气化器加温气化成高压氮气驱动第三涡轮发电机输出电能。上述液氮气化发电过程中，经第三涡轮发电机膨胀降压降温后的氮气可回输至液化分离储氮装置重复利用。同时，热水罐中的热水密闭循环经过液氮气化器进行冷能交换后变成冷水输至冷水罐储存并可外输冷能。从而实现了工业尾气处理过程中电能和冷能的产生。

需要说明的是上述增压气化发电单元还具有多种实施方式，通过进一步增加泵、气化器和涡轮发动机，气化液化分离储存单元液化的其他有用气体，产生电能和冷能。

实施例2

如图2所示，图2为本发明实施例2提供的工业尾气液化储能发电方法流程图。

本实施例中，采用实施例一中所述工业尾气液化储能发电系统发电的方法包括以下步骤：

S201、尾气净化储热单元对工业尾气进行冷凝净化，并储存冷凝净化过程中产生的热能。

第一冷凝器对接入的工业尾气进行降温、水蒸气冷凝和固相烟尘沉降等第一次冷凝净化处理，第一压缩机将第一次冷凝净化处理后的工业尾气和空气混合增压至第二冷凝处理器，对工业尾气进行第二次冷凝净化处理，使尾气中水蒸气进一步降温冷凝净化、氮氧化物氧化溶入低温高压冷凝水输出，第二压缩机将第二次冷凝净化处理后的工业尾气和空气混合增压输出至尾气涡轮发电单元。其中，第二冷凝净化器输出的尾气固相含量低于5 mg/Nm3，水蒸气含量低于50PPM。上述对工业尾气进行冷凝净化处理的过程中，冷水罐中的冷水密闭循环至冷凝净化器，与工业尾气热交换升温后形成热水输出至热水罐储存，从而实现了工业尾气处理过程中热能的储存。

S202、尾气涡轮发电单元接入冷凝净化后的工业尾气，驱动涡轮发电机输出电能。

第二压缩机输出的冷凝净化后的工业尾气进入第一涡轮发电机，驱动第一涡轮发电机输出电能，从而实现了工业尾气处理过程中电能的产生。

S203、液化分离储存单元对尾气涡轮发电单元输出的工业尾气进行降温处理，液化分离出工业尾气中的有用气体进行储存。

尾气涡轮发电单元输出的工业尾气依次经低温液硫分离器、低温液碳分离器、低温液氧分离器和低温液氮分离器进行降温处理，低温液硫分离器的温度在-10℃与-56℃之间，分离出液硫储存在液硫罐中，低温液碳分离器的温度在-56℃与-78℃之间，分离出液碳储存在液碳罐中，低温液氧分离器的温度在-183℃与-196℃之间，分离出液氧储存在液氧罐中，低温液氮分离器的温度在-196℃与-209℃之间，分离出液氮储存在液氮罐中，从而提取出工业尾气中的硫、碳、氧、氮等有用气体，该有用气体可以外输进行综合利用，从而提高了工业尾气的综合利用率。

S204、增压气化发电单元对液化分离储存单元储存的液化的有用气体进行增压和加温气化，进一步驱动涡轮发电机输出电能。

液碳泵将液碳罐中的液碳增压输送到液碳气化器加温气化成超临界二氧化碳高压气体（温度不低于31.26℃，压力不低于7.37Mpa），驱动第二涡轮发电机输出电能。上述液碳气化发电过程中，经第二涡轮发电机膨胀降压降温后的二氧化碳气体可回输至液化分离储碳装置重复利用，同时，热水罐中的热水密闭循环经过液碳气化器和液碳冷能交换后变成冷水输至冷水罐储存，并可外输冷能。

液氮泵将液氮罐中的液氮增压输送到液氮气化器加温气化成高压氮气驱动第三涡轮发电机输出电能。上述液氮气化发电过程中，经第三涡轮发电机膨胀降压降温后的氮气可回输至液化分离储氮装置重复利用。同时，热水罐中的热水密闭循环经过液氮气化器进行冷能交换后变成冷水输至冷水罐储存并可外输冷能。从而实现了工业尾气处理过程中电能和冷能的产生。从而实现了工业尾气处理过程中电能和冷能的产生。

需要说明的是，对应实施例一所述工业尾气液化储能发电系统的多种实施方式，本实施例也具有与之对应的多种实施方式。

本发明的技术方案通过尾气净化储热单元对工业尾气进行冷凝净化，同时储存冷凝净化过程中产生的热能，通过尾气涡轮发电单元利用冷凝净化后的尾气产生电能，通过液化分离储存单元从尾气涡轮发电单元输出的尾气中液化分离出硫、碳、氧、氮等有用气体并储存，通过增压气化发电单元驱动液化分离单元的液化的有用气体气化，进一步产生电能。从而，实现了工业尾气液化、分离、储存和气化发电，实现电能、热能、冷能和气体膨胀能联供和高效转化，提高工业尾气综合利用率和减排率，有利于高效节能减排和环境保护。同时，实现了在用电低谷时，将难储存的电能转化成易储存的液态气体膨胀能、热水热能和冷水冷能；在用电高峰时，可及时高效地将就地储存的液态气体膨胀能转化成电能。高效的解决调峰填谷能源补偿问题，节省建储能电站或调峰电站的配套发电机组、输配电设施和供气管网等投资，降低远程供电损耗和运行成本，提高供电调峰的安全性、稳定性和经济性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。