一种利用LNG冷能的空气分离耦合Allam循环发电系统

技术领域

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

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。

Allam循环是利用纯氧与天然气、水煤气(H

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、CO

发明内容

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CO

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

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、CO

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CO

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CO

所述的CO

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。

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。

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。

所述第八换热器41热流出口侧接入用户的供冷系统。

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。

本发明的有益效果在于：

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CO

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、CO

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、LNG泵；2、第一换热器；3、第二换热器；4、第一三通器；5、第一压缩机；6、第三换热器；7、第一精馏塔；8、第二三通器；9、第一节流阀；10、第二节流阀；11、第三节流阀；12、第二精馏塔；13、第四换热器；14、第二压缩机；15、混合器；16、第三压缩机；17、第四压缩机；18、第三三通器；19、第四三通器；20、液氮储罐；21、液氧泵；22、第五换热器；23、燃烧室；24、第六换热器；25、第五压缩机；26、第一膨胀机；27、第一海水冷却器；28、第一分离器；29、第二海水冷却器；30、第二分离器；31、第三分离器；32、第二膨胀机；33、第四分离器；34、第五三通器；35、第六压缩机；36、第三海水冷却器；37、液态CO

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，一种利用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、CO

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CO

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CO

所述的CO

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。

所述LNG泵1的工质进口侧的工质为液化天然气；第二换热器3的热流进口侧工质为空气；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CO

所述第八换热器41热流出口侧接入终端用户的供冷系统。

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。

本发明的工作原理如下：

LNG作为冷流经LNG泵1增压输送至第一换热器2，紧接着进入第二换热器3对空气进行预冷，被第一压缩机5加压并经第二换热器3被预冷后的空气进入第一换热器2中再次被LNG冷却，随后在第三换热器6中被低温空气分离的产品进行冷却以达到进行空气分离的温度，空气被三次冷却后进入第一精馏塔7的第二入料口，经传质传热后，第一精馏塔7的顶部出料口排出的是高纯度的液氮，底部出料口排出的是具有低纯度的液氧，富氧液接入第一节流阀9进行节流以满足第二精馏塔12的压力要求，顶部出料口的高纯度液氮进入第二三通器8的入口后被分为两股，较大的一股接入第二节流阀10节流进行节流以达到第二精馏塔12的压力要求，较小的一股接入第三节流阀11进行节流，经第二节流阀10节流后的高纯度液氮接入第二精馏塔12的第一入料口，经第一节流阀9节流后的富氧液接入第二精馏塔12的第二入料口，高纯度液氮和富氧液在第二精馏塔中12经精馏后，第二精馏塔12顶部出料口排出的是高纯度氮气，这部分氮气随后接入第三换热器6的第二进口冷流入口中为空气冷却提供冷能，而底部出料口排出的是高纯度的液氧，经第三节流阀11节流后的低压低温液氮接入第四换热器13的冷流入口提供冷能，第四换热器13冷流出口的氮气也接入第三换热器6的第三入口冷流入口为空气冷却提供冷能，第三换热器6的第三出口冷流出口的氮气接入第二压缩机14的入口加压，第三换热器6的第三出口冷流出口氮气与被第二压缩机14加压后的氮气进入混合器15，混合后的氮气再次进入第三换热器6的第四入口冷流入口，为空气冷却提供冷能后接入第一换热器2的第五入口被LNG冷却，冷却后的氮气接入第三压缩机16的入口被加压，被加压后的氮气由于温度升高再次进入第一换热器2被冷却，再经历一次加压被冷却的过程后，由第一换热器2的第三出口热流出口的氮气达到了第一精馏塔7的温度和压力要求，紧接着接入第三三通器18的入口后被分为两股，较大的一股回流至第一精馏塔7的第一入料口，进行精馏完成氮气循环，较小的一股接入第四换热器13的热流入口，过冷后成为高纯度的液氮，第四换热器13热流出口的高纯度液氮接入第四三通器的入口后被分为两股，较大的一股接入液氮储罐20，完成LNG低温空气分离过程；精馏塔20的底部出料口的高纯度液氧先经液氧泵21的加压后接入第五换热器22的第二进口冷流入口端，为捕获CO

显然，以上具体实施方式中仅用于说明本发明的技术方案而非穷举，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。