专利名称：工业废气深冷净化与发电的工艺方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境保护和电力工业，特别涉及一种对工业废气尤其是工业火炉烟气的深冷净化并利用废气热量作功发电的工艺方法及其装置。
现代工业生产中排放的废气对大气严重污染，废气中有毒有害的气体成分对人类生存构成威胁，世界范围的环境保护已显得十分重要，而解决工业废气污染的现有技术仅限于消烟除尘与简单脱硫等方法来减轻污染。迄今为止，几乎所有工业火炉的废气都采用依靠烟囱排放到大气空间的方式，直接向大气层排污。
本发明的目的是提供一种新的工业废气深冷净化与发电的工艺方法及其装置，它采用纯相变无热制冷技术，高效制取深冷冷量，并用深冷冷量首先液化废气中的有毒有害成分使之与洁净气体分离，彻底净化工业废气，并利用工业废气中的热量作功发电。
本发明的技术方案如下一种工业废气深冷净化与发电的工艺方法，其前置部分由纯相变无热制冷技术的二级以上的多级制冷循环构成，由纯相变无热制冷工艺方法高效提供深冷冷量，运用深冷冷量，将导入后置部分的热工业废气分层逐步冷却，利用工业废气中的有毒有害成分液化沸点温度均比洁净气体氧气和氮气的沸点温度高的特点，首先让废气在冷却温梯的对应沸点温度区段内分别分层液化，使之与洁净气体完全分离，然后分别作为化工原料收集；与此同时，利用纯相变无热制冷工艺方法中末级相变以冷制冷循环中的制冷工质，一面释放显冷和潜冷，将工业废气中的洁净气体成分最后液化，一面从中吸收热量汽化成压力饱和蒸气，驱动透平膨胀发电机组作功发电，然后末级制冷工质经透平后，降温降压，进入末级制冷循环的冷凝空间，重新液化；与此同时，利用被完全液化的工业废气中的洁净气体成分作为工质，从不断进入的热工业废气中的高温区段吸热汽化，成为高压蒸气，驱动透平膨胀发电机组作功发电，高压洁净气体透平后降温降压自由排放；与此同时，将与深冷液态洁净气体快速换热后初步冷却的工业废气流实行机械加压，使其增大密度并升温，为末级制冷工质快速汽化蒸发成为压力饱和蒸气提供热量；与此同时，利用导入后置部分的热工业废气流突然遇冷而产生的负压，与热工业废气流进入后置部分之前所处常压状况的压力之差，利用气压差与热工业废气流的流量所形成的作功能量，通过风轮机形成机械动力，对初步冷却后的工业废气流机械加压工艺进行动能补充。
一种工业废气深冷净化与发电的装置，其前置部分由纯相变无热制冷技术的二级以上的多级制冷循环构成，由纯相变无热制冷装置高效提供深冷冷量，其后置部分包括后置保温压力容器，工质泵，在后置保温压力容器内安装的与前置部分末级制冷循环相同的换热器、电动机、轴流式风轮机、离心式空气压缩机、烟尘收集器和液态废气收集器，以及透平膨胀机组和发电机组；所述后置保温压力容器的中间设有隔离层，隔离层的上部是负压冷却区，隔离层的下部是增压冷却区；所述换热器分别设置在负压冷却区和增压冷却区内，电动机与离心式空气压缩机和轴流式风轮机通过连接轴传动连接，所述轴流式风轮机安装在负压冷却区的进口，在该进口处还安装第一烟尘收集器，热工业废气被导入后置保温压力容器，并推动轴流式风轮机的风叶离心分离烟尘，烟尘被初次收集；所述离心式空气压缩机安装在隔离层上，即安装在增压冷却区的进口，在该进口处还安装第二烟尘收集器，烟尘再次被离心分离和收集；所述液态废气收集器分别设置在负压冷却区和增压冷却区内换热器的间隙中，使已被冷凝液化的有毒有害成分分别作为化工原料收集，而废气中的氧气和氮气成分最后冷凝成为液体，积存在后置保温压力容器的增压冷却区底部；所述工质泵通过第一保温压力管与负压冷却区内换热器进口管连接，负压冷却区内换热器出口管则通过第二保温压力管与第一透平膨胀机组连接，增压冷却区内换热器进口管通过工质输液管与前置部分末级制冷循环中的工质泵连接，增压冷却区内换热器出口管则通过第一保温回气管与第二透平膨胀机组连接；所述第一透平膨胀机组和第二透平膨胀机组分别通过联接轴与发电机组连接，第一透平膨胀机组的另一端是洁净气体出口，第二透平膨胀机组的另一端则通过第二保温回气管连接到前置部分末级制冷循环的冷凝空间。
本发明将工业废气导入所述装置，逐步冷却到深冷低温温度，工业废气中的有毒有害成分均在相应的温度区段被冷凝成液体，收集其中有毒有害的液态废气成分作为化工原料，废气中剩余的是直至最后才能冷凝液化的氧气和氮气等洁净气体，由此废气得到彻底净化。工业废气在冷却冷凝过程中，利用深冷回还工艺，将冷量重复利用。
本发明所述的装置不但利用了工业废气所携带的从常温到高温之间的热量作功发电，而且利用了其中从低温到常温的热量作功发电，因此具有很高的热机效率。本装置利用最大限度减小蒸气压缩制冷循环中的蒸发器蒸发温度与冷凝器冷凝环境温度之间的温差，使提供深冷冷量的首级制冷循环达到较高的制冷效率；与此同时，采用多级纯相变以冷制冷循环新工艺，为深冷净化工业废气尤其是烟气并发电提供了足够的深冷冷量。
下面结合附图
对本发明作详细描述。
附图是一种工业废气深冷净化与发电的工艺方法及其装置的示意图。
参看附图，前置部分纯相变无热制冷装置的第一保温压力容器8内安装制冷压缩机1、冷凝器2、节流器4和蒸发器6，由此构成首级蒸气压缩制冷循环。由于制冷压缩机1和冷凝器2均浸泡在液态制冷工质14中，当首级制冷循环启动后，其产热量为液态制冷工质14蒸发汽化时的汽化潜热消耗，蒸发器6的蒸发温度与冷凝器2的冷凝温度之间的温差很小，使首级制冷能有较高的制冷效率制冷供冷。由于制冷压缩机1和冷凝器2的热量被消耗而产生的蒸气经通气管16，进入由过冷液态工质冷凝板17与蒸发器6组成的冷凝空间，成为过冷液态工质。工质泵9”将液态制冷工质14泵入中间级蒸发器24，让其从中间级制冷循环的回笼蒸气中吸热蒸发汽化，汽化后的制冷工质经保温回气管11回到第一保温压力容器8内的冷凝空间，遇冷冷凝成为过冷液态工质，循环利用。
后置部分包括后置保温压力容器31，工质泵32，在后置保温压力容器31内安装的换热器33、45、电动机34、轴流式风轮机35、离心式空气压缩机36、烟尘收集器37、48和液态废气收集器38、49，以及透平膨胀机组39、40和发电机组41。
后置保温压力容器31的中间设置隔离层42，隔离层42的上部是负压冷却区43，隔离层42的下部是增压冷却区44。换热器33、45分别设置在负压冷却区43和增压冷却区44内。电动机34与离心式空气压缩机36和轴流式风轮机35通过联接轴46传动连接。
轴流式风轮机35安装在负压冷却区43的进口47，在该进口47处还安装第一烟尘收集器37，热工业废气被导入后置保温压力容器31，并推动轴流式风轮机35的风叶离心分离烟尘，烟尘被初次收集。
离心式空气压缩机36安装在隔离层42上，即安装在增压冷却区44的进口50，在该进口50处还安装第二烟尘收集器48，烟尘再次被离心分离和收集。
液态废气收集器38、49分别设置在负压冷却区43和增压冷却区44内的换热器33、45的间隙中。液态废气收集器38、49是二层以上交错排列的液态废气收集板，它使已被冷凝液化的有毒有害成分分别作为化工原料收集，而废气中洁净气体氧气和氮气成分最后冷凝成为液体，积存在后置保温压力容器31的增压冷却区44底部。
工质泵32通过第一保温压力管51与负压冷却区43内换热器33进口管连接，负压冷却区43内换热器33出口管则通过第二保温压力管52与第一透平膨胀机组39连接。第一透平膨胀机组39是高压透平膨胀机组。增压冷却区44内换热器45进口管通过工质输液管10’与前置部分末级制冷循环中的工质泵9’连接，增压冷却区44内换热器45出口管则通过第一保温回气管53与第二透平膨胀机组40连接。第二透平膨胀机组40是中低压透平膨胀机组。
第一透平膨胀机组39和第二透平膨胀机组40分别通过联接轴54与发电机41连接。第一透平膨胀机组39的另一端是洁净气体出口55。第二透平膨胀机组40的另一端则通过第二保温回气管56连接到前置部分末级制冷循环的冷凝空间。
本发明在使用时，启动工质泵9’，让液态制冷工质23经吸液管18’、工质泵9’及工质输液管10’，进入后置保温压力容器31内的增压冷却区44换热器45，使液态制冷工质23从进入的废气流中吸热汽化，形成压力蒸气，经第一保温回气管53进入第二透平膨胀机组40透平，形成低压低温蒸气，再经第二保温回气管56回到前置部分的末级制冷循环的冷凝空间，又被冷凝成液态制冷工质23。
在由制冷压缩机1、冷凝器2、节流器4和蒸发器6构成的首级蒸气压缩制冷循环内注入制冷工质，该制冷工质与液态制冷工质14、23的沸点温度按连接次序逐级增高，液态制冷工质23在后置保温压力容器31内的蒸发温度为深冷以下温度。
由于后置保温压力容器31内的换热器45内产生深冷低温制冷量，在后置保温压力容器31内出现负压区，工业废气流自动进入后置保温压力容器31。启动电动机34，让离心式空气压缩机36将废气机械加压，废气成分被全部冷凝液化。最先被液化的有毒有害成份被液态废气收集器38收集，废气中无毒无害的氧气和氮气等成分成为深冷液体存积在后置保温压力容器31的增压冷却区44底部。
启动工质泵32，将深冷状况的含氧气和氮气成份的洁净气体经第一保温压力管51泵入负压冷却区43内换热器33，从热废气中吸热迅速汽化成高压蒸气，经第二保温压力管52进入第一透平膨胀机组39，变成常温常压、无毒无害的洁净气体，自由排放。
由于后置保温压力容器31内换热器33供冷吸热，使后置保温压力容器31的上层产生负压空间，当热废气流经过轴流式风轮机35时，使其产生动力，该动力通过联接轴46传递，驱动离心式空气压缩机36。热废气经过轴流式风轮机35时，所携烟尘经离心作用，抛入第一烟尘收集器37中，废气中的有毒有害成份经换热器33冷却，均在相应温度区段内冷凝成液态，经液态废气收集器38收集，集中排出，作为化工原料使用。
工业废气在后置保温压力容器31的负压冷却区内已经冷却，压力减小，经离心式空气压缩机36适当加压升温，一面加大了废气进入轴流式风轮机35的流速，一面使后置保温压力容器31的增压冷却区44内废气密度加大，温度升高，有利于液态制冷工质23经换热器45快速吸收汽化，形成压力气体；与此同时，大大加快了后置保温压力容器31内增压冷却区44底部的废气无害成份的液化速度。
当工业废气进入离心式空气压缩机36时，由于离心作用，废气中残存的烟尘被抛入第二烟尘收集器48中，集中排除。
高压气体经第二保温压力管52进入第一透平膨胀机组39，透平作功，通过联接轴54驱动发电机组41发电。
为了增大增压冷却区44内废气的密度和废气流的流速，在后置保温压力容器31的中间隔离层42上设置了电动机34和离心式空气压缩机36，以对废气流适当加压，所消耗功能，一部分由轴流式风轮机35所产生的动能增补，一部分由电能增补；由此使在负压冷却区初步冷却的废气流在增压的同时产生增温，其新增热量使透平膨胀发电机组增加发电量。
按本发明所述制造的装置，其结构紧凑，可在排放工业废气的场所固定设置，也可制作成容易搬运的移动式装置，为工业火炉、窑炉、化工生产场所等产生工业废气的地方配套使用，彻底根治工业废气对大气层的污染，高效率地开发利用工业废气中的热量作功发电。
权利要求
1.一种工业废气深冷净化与发电的工艺方法，其前置部分由纯相变无热制冷技术的二级以上的多级制冷循环构成，由纯相变无热制冷工艺方法高效提供深冷冷量，其特征在于，运用深冷冷量，将导入后置部分的热工业废气分层逐步冷却，利用工业废气中的有毒有害成分液化沸点温度均比洁净气体氧气和氮气的沸点温度高的特点，首先让废气在冷却温梯的对应沸点温度区段内分别分层液化，使之与洁净气体完全分离，然后分别作为化工原料收集；与此同时，利用纯相变无热制冷工艺方法中末级相变以冷制冷循环中的制冷工质，一面释放显冷和潜冷，将工业废气中的洁净气体成分最后液化，一面从中吸收热量汽化成压力饱和蒸气，驱动透平膨胀发电机组作功发电，然后末级制冷工质经透平后，降温降压，进入末级制冷循环的冷凝空间，重新液化；与此同时，利用被完全液化的工业废气中的洁净气体成分作为工质，从不断进入的热工业废气中的高温区段吸热汽化，成为高压蒸气，驱动透平膨胀发电机组作功发电，高压洁净气体透平后降温降压自由排放；与此同时，将与深冷液态洁净气体快速换热后初步冷却的工业废气流实行机械加压，使其增大密度并升温，为末级制冷工质快速汽化蒸发成为压力饱和蒸气提供热量；与此同时，利用导入后置部分的热工业废气流突然遇冷而产生的负压，与热工业废气流进入后置部分之前所处常压状况的压力之差，利用气压差与热工业废气流的流量所形成的作功能量，通过风轮机形成机械动力，对初步冷却后的工业废气流机械加压工艺进行动能补充。
2.一种工业废气深冷净化与发电的装置，其前置部分由纯相变无热制冷技术的二级以上的多级制冷循环构成，由纯相变无热制冷装置高效提供深冷冷量，其特征在于，其后置部分包括后置保温压力容器，工质泵，在后置保温压力容器内安装的与前置部分末级制冷循环相同的换热器、电动机、轴流式风轮机、离心式空气压缩机、烟尘收集器和液态废气收集器，以及透平膨胀机组和发电机组；所述后置保温压力容器的中间设有隔离层，隔离层的上部是负压冷却区，隔离层的下部是增压冷却区；所述换热器分别设置在负压冷却区和增压冷却区内，电动机与离心式空气压缩机和轴流式风轮机通过连接轴传动连接，所述轴流式风轮机安装在负压冷却区的进口，在该进口处还安装第一烟尘收集器，热工业废气被导入后置保温压力容器，并推动轴流式风轮机的风叶离心分离烟尘，烟尘被初次收集；所述离心式空气压缩机安装在隔离层上，即安装在增压冷却区的进口，在该进口处还安装第二烟尘收集器，烟尘再次被离心分离和收集；所述液态废气收集器分别设置在负压冷却区和增压冷却区内换热器的间隙中，使已被冷凝液化的有毒有害成分分别作为化工原料收集，而废气中的氧气和氮气成分最后冷凝成为液体，积存在后置保温压力容器的增压冷却区底部；所述工质泵通过第一保温压力管与负压冷却区内换热器进口管连接，负压冷却区内换热器出口管则通过第二保温压力管与第一透平膨胀机组连接，增压冷却区内换热器进口管通过工质输液管与前置部分末级制冷循环中的工质泵连接，增压冷却区内换热器出口管则通过第一保温回气管与第二透平膨胀机组连接；所述第一透平膨胀机组和第二透平膨胀机组分别通过联接轴与发电机组连接，第一透平膨胀机组的另一端是洁净气体出口，第二透平膨胀机组的另一端则通过第二保温回气管连接到前置部分末级制冷循环的冷凝空间。
3.根据权利要求2所述的工业废气深冷净化与发电的装置，其特征在于，所述液态废气收集器是二层以上交错排列的液态废气收集板。
全文摘要
本发明涉及一种工业废气深冷净化与发电的工艺方法及其装置。其前置部分由纯相变无热制冷技术的多级相变制冷循环构成,高效制取深冷冷量;其后置部分利用废气中有毒有害成分沸点高于洁净气体的特点,先期使其冷凝液化并分离,让液态净气和末级液态制冷工质从废气流吸热汽化成压力蒸汽,分别驱动透平膨胀机组作功,同时收集负压区具有的机械动能,增补加压初冷废气的机械能耗。本发明能彻底根治工业废气对大气层的污染并高效发电。
文档编号B01D5/00GK1186942SQ97119918
公开日1998年7月8日 申请日期1997年10月27日 优先权日1997年10月27日
发明者易元明 申请人:易元明