一种利用LNG冷能的空气分离耦合Allam循环发电系统

本发明涉及一种lng冷能利用系统，具体涉及一种利用lng冷能的空气分离耦合allam循环发电系统。

背景技术：

1、lng气化过程中会释放大约830kj/kg的冷能，对这一部分冷能加以利用，可以产生非常可观的经济效益。空气分离是利用lng冷能的一种有效方式，其原理是利用lng冷能将空气冷却至低温，使其转化为液态空气，根据氮、氧的沸点不同，在精馏塔中经过精馏传质传热，分离液态空气中的氮、氧，得到高纯度的氮、氧产品。由于空气分离系统设备数量庞大、能耗高，导致成本高、经济效益较低。利用lng冷能可以显著降低空气分离工艺中制冷循环的能耗，但现有的空气分离工艺仅能利用lng的部分冷能，需要通过与其他工艺相结合，进一步提高lng冷能的利用效率。

2、allam循环是利用纯氧与天然气、水煤气(h2+co)、氢气(h2)、碳氢化合物等气态燃料直接燃烧，并以co2为循环工质的高度回热的半闭式brayton循环，具有较高的热效率以及经济效益，还可以实现co2零排放。但传统allam循环对原料气的要求较为苛刻，利用水冷却高温烟气来捕获co2导致碳捕集效率较低、co2纯度不高。近年来，一些学者将allam循环与空分单元相结合，解决了allam循环中纯氧的供给问题，但是未对空分系统与allam循环系统进行有效耦合。部分学者将allam循环与lng气化过程相结合，提高了系统效率，实现了更好的经济效益，但是对lng冷能的利用不够充分。

3、综上所述，如何通过空气分离工艺和allam循环的耦合设计，实现lng冷能的梯级利用、co2的高效捕集，同时显著降低系统能耗、提高系统的经济效益，是目前亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有工艺和技术的不足，本发明的目的在于提供了一种利用lng冷能的空气分离耦合allam循环发电系统，通过lng空气分离系统，实现了lng冷能的高效利用以及氮气和氧气的低温分离，减少了制冷循环的能耗；通过allam循环系统，将气化后的天然气、纯氧燃烧，生成的高温烟气进行膨胀发电，同时利用空气分离的产品液氧对经过脱水后的高温烟气进行高效co2捕获，实现co2零排放，液氧经过气化之后作为allam循环的原料气；通过co2液化系统，将一部分空气分离的产品液氮用于液化allam循环系统捕获到的co2，将气态co2液化为液态co2；通过供冷系统，将冷媒冷却，被冷却的冷媒用于数据中心、冷库供冷以及空调制冷，能够减少企业制冷的电力消耗；本发明对lng冷能进行了梯级利用，同时实现了液氮、液态co2、冷、电多联产，具有高效节能、操作简单、稳定性高、空分产品纯度高、实用性强、co2零排放、经济效益高等优点。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种利用lng冷能的空气分离耦合allam循环发电系统，包括lng空气分离系统、allam循环系统、co2液化系统、供冷系统；通过lng空气分离系统，对氮气和氧气进行低温分离；通过allam循环系统，将气化后的天然气、纯氧燃烧，生成的高温烟气进行膨胀发电，同时利用空气分离的产品液氧对经过脱水后的高温烟气进行高效co2捕获，实现co2零排放，液氧经过气化之后作为allam循环的原料气；通过co2液化系统，将一部分空气分离的产品液氮用于液化allam循环系统捕获到的co2，将气态co2液化为液态co2；通过供冷系统，将供冷系统的冷媒冷却，将被冷却的冷媒提供给终端用户制冷。

4、所述的lng空气分离系统包括lng泵1，lng泵1出口的lng接入第一换热器2的冷流lng进口侧，第一换热器2的冷流出口侧接入第二换热器3的冷流lng进口侧，第二换热器3的冷流出口侧接入第一三通器4的天然气进口，第二换热器3的热流进口侧为空气进口，第二换热器3的热流空气出口侧接入第一压缩机5的空气进口，第一压缩机5的出口侧接入第一换热器2的第一热流空气进口侧，第一换热器2的第一热流出口侧接入第三换热器6的热流空气进口侧，第三换热器6的热流出口侧接入第一精馏塔7的第二入料口，第一精馏塔7的顶部出料口接入第二三通器8的液氮入口，第一精馏塔7的底部出料口接入第一节流阀9的富氧液进口，第二三通器8的出口侧分为两支，第一支接入第二节流阀10的进口侧，第二支接入第三节流阀11的进口侧，第一节流阀9的出口侧接入第二精馏塔12的第二入料口，第二节流阀10的出口侧接入第二精馏塔12的第一入料口，第三节流阀11的出口侧接入第四换热器13的冷流进口侧，第二精馏塔12的顶部出料口接入第三换热器6的第一冷流进口侧，第四换热器13的冷流出口侧接入第三换热器6的第二冷流进口侧，第三换热器6的第一冷流出口侧接入第二压缩机14的氮气进口，第三换热器6的第二冷流出口侧接入混合器15的第一进口，第二压缩机14的出口侧接入混合器15的第二进口，混合器15的氮气出口侧接入第三换热器6的第三冷流进口侧，第三换热器6的第三冷流出口侧接入第一换热器2的第四热流氮气进口侧，第一换热器2的第四热流出口侧接入第三压缩机16的氮气进口，第三压缩机16的出口接入第一换热器2的第三热流氮气进口侧，第一换热器2的第三热流出口侧接入第四压缩机17的氮气进口，第四压缩机17的出口接入第一换热器2的第二热流氮气进口侧，第一换热器2的第二热流出口侧接入第三三通器18的氮气进口，第三三通器18的出口分为两支，第一支接入第一精馏塔7的第一入料口，第二支接入第四换热器13的热流入口侧，第四换热器13的热流出口侧接入第四三通器19的液氮进口，第四三通器19的出口分为两支，第一支接入液氮储罐20的进口，第二支接入co2液化系统。

5、所述的allam循环系统包括液氧泵21，液氧泵21出口的液氧接入第五换热器22的第二冷流液氧进口侧，第五换热器22的第二冷流出口侧接入燃烧室23的纯氧入口，第一三通器4的天然气出口分为两支，第一支接入第六换热器24的冷流进口侧，第二支接入第五压缩机25的天然气进口，第五压缩机25的出口侧接入燃烧室23的天然气入口，燃烧室23的顶部出口侧接入第一膨胀机26的高温烟气进口，第一膨胀机26的出口接入第一海水冷却器27的高温烟气进口，第一海水冷却器27的出口接入第一分离器28的入料口，第一分离器28的顶部出料口接入第二海水冷却器29的烟气进口，第二海水冷却器29的出口接入第二分离器30的入料口，第二分离器30的顶部出料口接入第六换热器24的热流进口侧，第六换热器24的热流出口侧接入第五换热器22的热流烟气进口侧，第五换热器22的热流出口侧接入第三分离器31的入料口，第三分离器31的顶部出口接入第二膨胀机32的净化气入口，第二膨胀机32的出口接入第五换热器22的第一冷流净化气进口，第三分离器31的底部出口接入第五换热器22的第三冷流富co2液进口侧，第五换热器22的第三冷流出口侧接入第四分离器33的入料口，第四分离器33的顶部出口接入第五三通器34的气态co2入口，第五三通器34的出口分为两支，第二支接入第六压缩机35的气态co2进口，第六压缩机35的出口接入第三海水冷却器36的气态co2进口侧，第三海水冷却器36的出口接入液态co2泵37的液态co2进口，液态co2泵37的出口接入燃烧室23的液态co2进口。

6、所述的co2液化系统包括第四三通器19，第四三通器19的第一支出口接入液氮储罐20的进口，第二支出口接入第七换热器38的冷流液氮进口侧，第七换热器38的热流进口侧与第六压缩机39的气态co2出口相连通，第六压缩机39的工质进口侧与第五三通器34的第一支出口相连通，第七换热器38的热流气态co2出口侧接入液态co2储罐40的进口。

7、所述的供冷系统包括第七换热器38，第七换热器38的冷流出口侧接入第八换热器41的冷流进口侧，第八换热器41的热流进口侧和出口侧为冷媒。

8、所述第六换热器24的冷流出口为输送至管网的天然气；第三分离器31的顶部出口侧的工质为净化气；第四分离器33的顶部出口侧的工质为高浓度co2气体。

9、所述lng泵1的工质进口侧的工质为液化天然气；第一三通器4的出口工质为天然气；第一精馏塔7的顶部出料口的工质为高浓度氮气；第二精馏塔12的顶部出料口的工质为高浓度氮气，底部出料口的工质为高浓度液氧；燃烧室23的顶部出口侧的工质为高温烟气；第六换热器24的冷流出口为输送至管网的天然气；第三分离器31的顶部出口侧的工质为净化气；第四分离器33的顶部出口侧的工质为高浓度co2气体。

10、所述第八换热器41热流出口侧接入用户的供冷系统。

11、所述的供冷系统的冷媒包括但不限于乙二醇、60％乙二醇水溶液、丙二醇溶液、20％氯化钙溶液、r410a、r170。

12、本发明的有益效果在于：

13、将低温空气分离工艺、allam发电循环和lng冷能利用相结合，首先，通过空气分离过程，将空气进行了低温分离，得到了高浓度的液氮和液氧，通过lng气化过程，将气化后的小部分天然气作为allam循环的燃料，通过co2捕获过程将空气分离得到的高浓度液氧气化为高浓度氧气作为allam循环中纯氧的来源，实现了allam循环原料气的自给自足；其次，通过allam循环发电过程，将燃烧后的高温烟气进行膨胀发电，通过co2捕获过程将空气分离得到的高浓度液氧作为低温冷源用于捕获co2，通过co2液化过程和冷媒冷却过程将空气分离得到的小部分液氮产品作为冷源用于液化co2以及冷却冷媒，具有间接利用lng冷能的效果，同时co2的高效捕获实现了co2零排放；然后，通过空气分离耦合allam循环发电系统对lng冷能进行了梯级利用，同时实现了液氮、液态co2、冷、电多联产，具有冷能利用充分高效、经济效益高的效果。

14、综上，本发明具有高效节能、操作简单、稳定性高、空分产品纯度高、实用性强、co2零排放、经济效益高等优点。