一种基于LNG冷能利用的多联产系统

一种基于LNG冷能利用的多联产系统

　　技术领域

　　本发明属于LNG冷能利用技术领域，涉及新能源发电多联产领域，特别涉及一种基于LNG冷能利用的多联产系统。

　　背景技术

　　全球液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)工业的发展于上世纪70年代，最先在日本得到了较好的发展，且已实现工业化。LNG消费量年增长量维持在2.5％左右，进入21世纪后，一次能源结构发生了显著的变化，全球范围内LNG消费增长率维持在4％～5％左右。LNG冷能利用主要分为直接应用和间接应用两种方式。现如今根据这两种应用方式，LNG冷能应用领域包括深冷空气分离、低温发电、制造干冰、低温粉碎工艺、低温制冷、海水淡化、制冰工艺、低温冷库、污水污染物治理等多个领域，且这些工艺均已实现工业化程度。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。

　　综上，亟需一种新的基于LNG冷能利用的多联产系统。

　　发明内容

　　本发明的目的在于提供一种基于LNG冷能利用的多联产系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明中，依据冷量的品质可实现LNG冷能梯级利用，能够在一定程度上避免LNG大量冷能的浪费。

　　为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

　　本发明的一种基于LNG冷能利用的多联产系统，包括：

　　换热器A，用于输入LNG，用于输入待降温的低温粉碎用冷媒工质，用于输出一次升温后的天然气，用于输出降温后的低温粉碎用冷媒工质；

　　换热器B，用于输入所述换热器A输出的一次升温后的天然气，用于输入待降温的冷冻室用冷媒工质，用于输出二次升温后的天然气，用于输出降温后的冷冻室用冷媒工质；

　　冷凝器A，用于输入所述换热器B输出的二次升温后的天然气，用于输入待降温的低温发电及制冰用冷媒工质，用于输出三次升温后的天然气，用于输出液化后的低温发电及制冰用冷媒工质；

　　换热器C，用于输入所述冷凝器A输出的液化后的低温发电用冷媒工质，用于输入待降温的制冰工艺用冷媒工质，用于输出气化后的低温发电用冷媒工质，用于输出降温后的制冰工艺用冷媒工质；

　　透平A，用于输入所述换热器C输出的气化后的低温发电及制冰用冷媒工质，实现低温发电；用于输出待降温的低温发电及制冰用冷媒工质；

　　冷凝器B，用于输入所述换热器B输出的二次升温后的天然气，用于输入待降温的低温发电及制冷用冷媒工质，用于输出四次升温后的天然气，用于输出液化后的低温发电及制冷用冷媒工质；

　　蒸发器，用于输入所述冷凝器B输出的液化后的低温发电及制冷用冷媒工质，实现低温制冷，用于输出一次升温后的低温发电及制冷用冷媒工质；

　　换热器E，用于输入所述蒸发器输出的一次升温后的低温发电及制冷用冷媒工质，用于输入待降温的制冷用冷媒工质，用于输出二次升温后的低温发电及制冷用冷媒工质，用于输出降温后的制冷用冷媒工质；

　　透平C，用于输入所述换热器E输出的二次升温后的低温发电及制冷用冷媒工质，实现低温发电；用于输出待降温的低温发电及制冷用冷媒工质。

　　本发明的进一步改进在于，所述低温粉碎用冷媒工质为乙烷-乙烯混合物；低温粉碎温度在-70～-80℃。

　　本发明的进一步改进在于，所述冷冻室用冷媒工质为N2。

　　本发明的进一步改进在于，所述低温发电及制冰用冷媒工质为乙烷-丙烷混合物。

　　本发明的进一步改进在于，制冰工艺用冷媒工质及制冷用冷媒工质均为40％乙二醇水溶液。

　　本发明的进一步改进在于，低温发电及制冷用冷媒工质为NH3。

　　本发明的进一步改进在于，还包括：透平B和换热器D；

　　透平A采用中间抽气；

　　中间抽气与透平A输出的膨胀后的C2C3经混合器A混合后输入换热器D；然后，在换热器D与制冰工艺用冷媒工质换热后输入透平B，实现低温发电；

　　透平B输出二次膨胀后的C2C3，经过节流阀节流降压后，输入冷凝器A进行换热实现液化。

　　本发明的进一步改进在于，还包括：

　　刨冰机，用于输出待降温的制冰工艺用冷媒工质，用于输入降温后的制冰工艺用冷媒工质；

　　其中，输出的待降温的制冰工艺用冷媒工质经分流器C分别输入换热器C和换热器D；

　　换热器C和换热器D输出的降温后的制冰工艺用冷媒工质依次经过分流器D、储液罐C和增压泵E后输入刨冰机。

　　本发明的进一步改进在于，还包括：

　　氨储液罐，用于输入所述透平C输出的待降温的低温发电及制冷用冷媒工质；用于储存液态氨和气态氨；

　　气液热交换器，用于输入所述氨储液罐输出的气液混合氨，吸收来自液态氨的冷量；

　　发生器，用于输入两相氨用于输出液氨和氨气；混合器B，用于分离所述发生器输出的气液混合氨，分离出的氨气输入冷凝器B，分离出的液态氨回流至发生器中；

　　混合器C，用于分离所述发生器输出的气液混合氨，分离出的液态氨输入气液热交换器中，分离出的氨气回流至发生器中。

　　本发明的进一步改进在于，还包括：降温后的制冷用冷媒工质依次经过冷库A、冷库B和空调房；

　　其中，冷库A的温度设定在-10～-20℃，冷库B的温度设定在-5～5℃，空调房温度设定在15～20℃。

　　与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

　　本发明的基于LNG冷能利用的多联产系统，其中包含了低温粉碎工艺、低温发电、低温制冷、低温制冰等多联产系统，按照冷能品味从高到低的用于低温发电、低温粉碎，低温制冷、制冰、冷库及空调房等，实现LNG的冷能利用方式按照“温度对口、逐级匹配”的原则。具体体现在，LNG气化温度范围为-162℃至常温，温度越低时其能量品质越高，若直接将其应用于单独的某种工艺(如低温发电或低温制冷)，基于热力学第一定律和热力学第二定律可知，很大的温差换热过程可能将造成大量的损失，采用单一LNG冷能的利用方式只考虑了冷能的回收成效，而没有考虑到冷能利用的效率。为解决LNG冷量未得到合理的利用问题，本发明根据液化天然气(LNG)冷量的品质进行冷能梯级利用，涉及到低温粉碎、低温发电、低温制冷、制冰工艺、低温冷库等具有多环节的多系统联产系统。

　　本发明中，低温粉碎用冷媒工质为乙烷-乙烯混合物；低温粉碎温度在-80℃左右；本发明的低温粉碎系统，相比于常温状态下橡胶的粉碎成本，低温粉碎的成本更低，且能实现更小和均匀的橡胶颗粒，获得的橡胶颗粒能实现二次利用，节约了资源的消耗。

　　本发明中，低温发电环节中使用乙烷-丙烷为冷媒工质，其冷凝曲线与LNG的气化曲线相似，具有较大的气化潜热值，且在低温膨胀中实现了制冰工艺，充分实现冷能利用的最大化。

　　本发明中，利用低温天然气冷量实现了NH3为制冷剂的低温制冷环节及低温发电，实现制冷和产电联产。

　　本发明中，还有部分冷量的天然气充分用于低温冷库和空调，该系统的设计根据冷量的品质高低充分利用冷量，有效减少了损失且结构紧凑。

　　附图说明

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图1是本发明实施例中混合工质冷凝曲线示意图；

　　图2是本发明实施例的一种基于LNG冷能利用的多联产系统示意框图；

　　其中，图1中的附图标记如表1所示。

　　表1.图1中的附图标记解释

　　

　　

　　具体实施方式

　　为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

　　请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于LNG冷能利用的多联产系统，包括：LNG从LNG储液罐输出，经增压泵A2加压后在换热器A3中实现LNG与乙烷-乙烯换热，LNG在换热器A3中气化成气态，乙烷-乙烯液化成液态携带冷量送入低温粉碎机，乙烷-乙烯在低温粉碎机中气化以释放冷量使橡胶温度低于玻璃化转变温度，使橡胶由韧性转变为脆性，低温粉碎机在低成本情况下将其粉碎为橡胶颗粒。LNG在换热器A3中气化后进入换热器B4中，在换热器B4中低温天然气将一部分冷量传递给N2，N2携带部分冷量送入冷冻室中保证橡胶颗粒较低温的储存，低温粉碎机粉碎后的橡胶颗粒由于具有较大的冷量，因此在冷量回收设备中通过空气的携带部分冷量送入预冷室，实现冷量利用最大化。粗粉碎的废旧轮胎在预冷室吸收冷量后送入冷冻室进行储存，送入低温粉碎机中将其粉碎为橡胶颗粒，筛分系统筛除颗粒较大的橡胶颗粒，而较小的橡胶颗粒经包装完成后出售。

　　释放一部分冷量的低温天然气在分流器A5作用下将其分成两股流量。首先对低温发电联合制冰系统部分进行设计分析，低温发电中选用的冷媒工质是乙烷-丙烷，组分比为1:1，本发明中对比了LNG、乙烷-丙烷(C2C3)、乙烷-丁烷(C2C4)、丙烷-丁烷(C3C4)热负荷与温度的关系，其混合物组分比均为1:1，如图1展示了混合工质冷凝曲线图。通过对比分析，C2C3的冷凝曲线与LNG的气化曲线匹配度较高，且曲线水平跨度大，意味着汽化潜热值较高，单位质量C2C3混合物在低温粉碎机中能释放较大的冷量，因此选择C2C3作为冷媒工质。制冰工艺中常用于制冰的冷媒有乙二醇水溶液和盐水，两种冷媒都易于获得，但乙二醇水溶液相对于盐水溶液其凝固点受浓度影响较小，且制冰工艺中因防止冷媒工质的凝固而导致管道堵塞。乙二醇水溶液浓度为40％时其凝固点是-22.30℃，由于水的凝固点为0℃，因此本发明中选择冷媒工质为40％的乙二醇水溶液实现制冰工艺。

　　在冷凝器A6中低温天然气释放冷量传递给冷媒工质C2C3使其液化，液态C2C3经增压泵B8送至储液罐B9中，液态C2C3在换热器C10中气化，释放的冷量被40％浓度的乙二醇水溶液带走，气化的C2C3在控制阀A11作用下送入透平A12(C2C3高压透平)中膨胀做功，透平A12采用中间抽气，膨胀后的C2C3和中间抽气在混合器A14中进行混合，控制阀B13调节抽气量的大小，经一次膨胀完成后的C2C3在换热器D15中与40％乙二醇水溶液换热后升温，再次被送入透平B16(C2C3低压透平)中进行二次膨胀，节流阀17节流降压，最后送入冷凝器A6中液化完成低温发电循环。

　　本发明的淡水制冰环节中，其冷量分别来自换热器C10中C2C3气化释放的冷量和换热器D15低温C2C3传递的冷量。乙二醇携带的冷量在分流器D32作用下一起送入储液罐C33中，携带冷量的乙二醇水溶液在增压泵E34的做功下送入刨冰机35中释放冷量，最终实现制冰。升温后的乙二醇水溶液经分流器C30分成两股流量，分别在换热器C10、换热器D15中吸收冷量，控制阀C31M控制乙二醇水溶液分流量的大小，最终实现制冰工艺。

　　本发明实施例中，在以NH3为工质实现低温制冷及发电系统中，一部分低温天然气在冷凝器B7中将气态NH3液化，液化的NH3在增压泵C19作用下送入蒸发器20中实现低温制冷，液态NH3气化后经换热器E21换热后温度上升，之后送入透平C22带动发电机中实现低温膨胀做功，NH3经透平膨胀后温度和压力均降低。

　　在氨储液罐23中储存液态氨和气态氨，气液混合氨经气液热交换热器24吸收来自液态氨的冷量，控制阀H29调节氨流量大小并送至发生器27中。在发生器27中分离出来的氨气进入冷凝器B7中液化成液氨，混合器B28中液氨回流至发生器27中，而氨气送至冷凝器B7。液氨在混合器C26中实现液态部分经增压泵D25加压至气液热交换器24中，氨气因密度低而再次回流至发生器27，最终实现以氨工质的低温制冷和低温发电的循环。

　　完成以NH3为工质的低温制冷和乙烷-丙烷作为冷媒实现低温发电后，低温天然气在分流器B18中混合成一股流量。之后还有部分冷量的天然气送入换热器F36、换热器G37、换热器H38中实现换热，最后进入管网系统47。

　　冷库系统中设定乙二醇水溶液的浓度为40％，其凝固点为-22.3℃。40％的乙二醇水溶液吸收换热器E21中低温NH3的冷量，之后进入换热器F36吸收低温天然气的冷量，其换热完成后与来自乙二醇储液罐39中的低温乙二醇水溶液混合，共同携带冷量送入冷库A42中实现低温制冷，冷库A的温度设定在-10～-20℃，可以应用于储藏肉类食品、鱼、虾等，冷库B43的温度设定在-5～5℃，可以用于储藏蔬菜、水果、干制食品等，空调房44温度设定在15～20℃。控制阀E46可以调节乙二醇水溶液流量，从而控制空调房44的温度，乙二醇水溶液在增压泵G45作用下送至乙二醇储液罐39中完成整个冷库制冷循环。

　　本发明实施例的一种基于LNG冷能利用的多联产系统，其中包含了低温粉碎工艺、低温发电、低温制冷、低温制冰、低温冷库等多联产系统，按照冷能品味从高到低的用于低温发电、低温粉碎，低温制冷、制冰、冷库及空调房等，实现LNG的冷能利用方式按照“温度对口、逐级匹配”的原则。

　　本发明中，LNG应用于低温粉碎主要基于低温状态下胶链分子转变为脆性，不再具备韧性而易于被粉碎。低温粉碎的原理正是利用了橡胶材质的颗粒在低温状态下达到玻璃化转变温度，当橡胶材质达到玻璃化转变温度，橡胶材质韧性强的性质将会转变为高脆性的颗粒，因此对于韧性较高的橡胶适用于采用低温粉碎技术。从工业分析的角度来看，橡胶材质当达到玻璃温度下限时，橡胶材质类的物质则将失去原有的韧性；而对于玻璃类材质，玻璃转变温度为这种材质的温度上限，当达到该种材料温度上限时玻璃类材质将失去其特有的脆性。一般情况下天然橡胶的玻璃化转变温度为-72℃，当橡胶材质的温度低于-72℃以下时由于橡胶高聚物的力学性质发生改变，导致了韧性较高的橡胶状态转变为脆性高的玻璃状态。废旧轮胎的材质主要由天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶等构成。

　　本发明中涉及到的低温粉碎环节，以天然橡胶为材质的轮胎为例，其玻璃化温度为-72℃，天然橡胶的比热容在-65～-75℃将会发生急剧上升的突变，当低于-75℃时天然橡胶比热容的变化将会变得平稳。因此，维持低温粉碎温度在-70～-80℃是一个比较经济的运行环境，本发明中采用的冷媒工质是乙烷-乙烯的混合物，其组分比为1:1。设定乙烷-乙烯混合物压力为0.2MPa，此时混合物液化温度为187.56K，气化温度为190.58K，乙烷-乙烯携带的冷量维持橡胶温度在-70～-80℃。

　　在低温粉碎工艺中，废旧轮胎在常温状态下进行粗粉碎，在筛分环节筛除粒径大的轮胎块，较小且比较均与的轮胎快在干燥系统中进行干燥，除去其中水分以防止在低温条件下结冰。

　　综上所述，本发明依据LNG冷量的梯级利用方式有效减少冷量利用过程中损失，且系统结构紧凑，使得冷量的品质由高到低的得到合理利用。本发明中LNG储液罐经增压泵的增压作用下在换热器A、换热器B分别将冷量传递给低温粉碎机和冷冻室，低温粉碎的冷媒工质是组分比为1:1的乙烷-乙烯混合物，冷冻室的冷媒工质是N2，废旧轮胎的粉碎过程包括常温粉碎、筛分、干燥、预冷、冷冻室储存、低温粉碎机粉碎、橡胶粒筛分、包装及出售完成废旧轮胎的处理过程。低温天然气在分流器A作用下一部分用于以乙烷-丙烷为冷媒工质的低温发电及制冰工艺，一部分用于以NH3为制冷剂的低温制冷和低温发电。在以乙烷-丙烷为冷媒工质的低温发电环节中包含了制冰工艺，乙烷-丙烷在冷凝器A中液化，经增压泵B和储液罐B后，液态乙烷-丙烷在换热器C中气化，冷量传递给40％乙二醇水溶液，在高压透平和低压透平膨胀做功，带动发电机发电。获得冷量的40％乙二醇水溶液在刨冰机中将冷量传递给淡水以实现制冰工艺。从分流器A中分流出的另一部分低温天然气实现以NH3为工质的低温制冷，NH3在冷凝器B中液化后经泵作用下，在蒸发器20中气化实现低温制冷，低温的NH3换热器E换热后温度上升，之后以NH3为低温工质，在透平中膨胀做功带动发电机发电，完成制冷及发电联产。释放一部分冷量的低温天然气在分流器B中混合后还有一部分冷量，该部分冷量在换热器F、换热器G、换热器H中释放冷量给40％的乙二醇水溶液，其携带冷量送至冷库A、冷库B及空调房，最后天然气送至管网系统，在管网系统中可将天然气用于工业用途及居民使用。

　　本发明的优点在于，系统中包含低温粉碎系统，相比于常温状态下橡胶的粉碎成本，低温粉碎的成本更低，且能实现更小和均匀的橡胶颗粒，获得的橡胶颗粒能实现二次利用，节约了资源的消耗。低温发电环节中使用乙烷-丙烷为冷媒工质，其冷凝曲线与LNG的气化曲线相似，具有较大的气化潜热值，且在低温膨胀中实现了制冰工艺，充分实现冷能利用的最大化。利用低温天然气冷量实现了NH3为制冷剂的低温制冷环节及低温发电，实现制冷和产电联产。最后还有部分冷量的天然气充分用于低温冷库和空调，该系统的设计根据冷量的品质高低充分利用冷量，有效减少了损失且结构紧凑。

　　LNG气化温度范围为-162℃至常温，温度越低时其能量品质越高，若直接将其应用于单独的某种工艺(如低温发电或低温制冷)，基于热力学第一定律和热力学第二定律可知，很大的温差换热过程可能将造成大量的损失，采用单一LNG冷能的利用方式只考虑了冷能的回收成效，而没有考虑到冷能利用的效率。本发明根据液化天然气(LNG)冷量的品质进行冷能梯级利用，涉及到低温粉碎、低温发电、低温制冷、制冰工艺、低温冷库等多系统联产。本发明为解决LNG冷量未得到合理的利用问题，提供了根据LNG冷量品质进行梯级利用的较好的新方案。

　　以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。