本發(fā)明液化天然氣冷能利用領域，具體涉及一種利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
在全球能源消費量和一次能源消費結構中，天然氣的占比逐年攀升：1980～2014年之間全球一次能源消費結構中，全球天然氣消費量急劇上升，天然氣的占比由19.5％提高至23.7％。我國天然氣消費量占一次能源比例由2006年的2.7％到2015年的5.9％，年均增長0.9％。截止2014年，全球管道氣和液化天然氣(lng)的占比分別為66.6％和33.4％，其中身處亞太地區(qū)的中國的天然氣以lng為主要存在形式，在未來10～20年的時間內，lng將成為我國天然氣市場的主力軍。我國lng進口量由2006年的9億m3增長至2015年的258億m3，年均增長45.2％；中國已運營的lng工廠總生產能力為180萬t，已建成lng接收站11座，在建和規(guī)劃建設的lng接收站18座，2014年進口量為584億m3，其中2015年建成投產的營口港接收能力為300萬t/a，約占我國lng接收總量的7％。lng的儲存條件一般為t＝-162℃、p＝0.14mpa，通常在供給用戶使用前應該氣化為城市供氣管網所要求的溫度和壓力。lng在氣化過程中，會釋放大量冷能(860～883kj/kg)，以此計算可知營口港每年可利用的冷功率為65mw，折合電能約為10億kwh，但目前在營口市l(wèi)ng接收終端還未建成lng冷能利用項目，因此營口港擁有大量尚未得到充分利用的lng冷能。lng釋放的冷能通常會被用做發(fā)電、空氣分離、co2捕集等。在lng冷能發(fā)電系統(tǒng)中，如果以余熱資源作為系統(tǒng)高溫熱源，能夠提升冷熱源溫差，相比于空氣和海水，可以有效減少海水或空氣的動力消耗，進而可以提高朗肯循環(huán)的能源利用率。
全球碳排放報告顯示，過去幾年里中國是co2排放量最大的國家(約占29％)，而中國近兩年對天然氣等清潔能源使用量的穩(wěn)步攀升使得2015年全球co2排放量終止了過去10年的快速增長，排放量為357億t，其中工業(yè)過程產生co2的占比約為21％，而菱鎂礦的熔煉煅燒技術所產生的co2是工業(yè)生產中不容忽視的一個部分。我國菱鎂礦資源豐富，分布廣泛，其中遼寧省營口市大石橋地區(qū)的菱鎂礦已探明總儲量930萬t，保有儲量929萬t，占全省的82.2％，占全國總儲量的56.9％以上(占世界菱鎂礦總儲量的16.3％以上)。2013年遼寧省生產氧化鎂產品為7.873×106t，每生產1噸mgo制品，至少可產生1.1t的co2，因此營口地區(qū)每年co2的排放量約為400萬t，且絕大部分隨煙氣排出；由此可見，遼寧省菱鎂礦產業(yè)每年的co2排放量是相當大的。同時菱鎂礦熔煉煙氣帶走了大量的熱量，約占菱鎂礦熔煉工藝總能耗的12％以上，遼寧省電熔鎂行業(yè)每年耗電量高達70億kwh(占營口地區(qū)工業(yè)用電量50％以上，占遼寧省工業(yè)用電量6.2％)，因此熔煉煙氣帶走的熱量相當于8.4億kwh電量，而熔煉、煅燒鎂行業(yè)煙氣余熱回收在國內尚處于起步階段。為保護環(huán)境提高能源利用率，提出一種能夠減少菱鎂礦熔煉生產工藝中co2氣體排放和余熱資源浪費的技術已經刻不容緩。目前co2捕集技術的相關研究基本集中在吸收法與吸附法，而利用低溫液化法分離co2的研究相對較少且不夠成熟。但有相關研究已經證明利用低溫液化分離法對co2進行捕集可以有效的減少co2的排放量。國內外co2的工業(yè)液(固)化工藝大多是把常壓下的氣態(tài)co2經過2級或3級壓縮至1.6～2.5mpa，然后利用制冷機組使其降溫液化。在低溫液化分離法捕集co2技術中，如果所選冷源可以直接為co2液(固)化提供所需的低溫環(huán)境，便可顯著降低co2液(固)化工藝的工作壓力和設備負荷，最終達到節(jié)能降耗的目的。因此將lng冷能用于co2捕集已經成為當今研究的重點。但現有利用lng冷能對co2液化分離的技術中，其co2來源，或者是理論上假設的co2，或者是系統(tǒng)自身產生的co2，而鮮有涉及菱鎂礦熔煉或煅燒煙氣中的co2。菱鎂礦熔煉煙氣經除塵后溫度約為80℃，成分是co2與空氣混合后富含co2的空氣，因此利用lng直接冷凝液化分離技術來捕集菱鎂礦熔煉煙氣中co2理論上是可行的。
現有利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣中余熱和co2的復合循環(huán)大多是由朗肯循環(huán)簡單串聯而成，且其循環(huán)工質都是以單一工質為主，對混合工質還是一片空白，最終導致系統(tǒng)存在了大量的冷能浪費。
技術實現要素：
本發(fā)明提供一種利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)及方法，提高能源利用率。
本發(fā)明的技術方案如下：
利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)，包括級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)、lng氣化系統(tǒng)和co2捕集系統(tǒng)，級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)、一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)、二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)和二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)，一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)包括依次相連的泵一、蒸發(fā)器一、汽輪機一、蒸發(fā)冷凝器二和蒸發(fā)冷凝器一，一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)包括依次相連的泵二、回熱器一、蒸發(fā)器二、汽輪機二、所述回熱器一和所述蒸發(fā)冷凝器二，二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)包括依次相連的泵三、蒸發(fā)器三、汽輪機三、回熱器三、蒸發(fā)冷凝器四和蒸發(fā)冷凝器三，二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)包括依次相連的泵四、回熱器二、蒸發(fā)器四、汽輪機四、所述回熱器二和所述蒸發(fā)冷凝器四，lng氣化系統(tǒng)包括依次連接的泵五、所述蒸發(fā)冷凝器一、所述蒸發(fā)冷凝器二、所述蒸發(fā)冷凝器三和所述蒸發(fā)冷凝器四，co2捕集系統(tǒng)包括依次連接的所述蒸發(fā)器四、所述蒸發(fā)器三、所述蒸發(fā)器二、所述蒸發(fā)器一、氣液分離器和所述回熱器三。
所述的利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)，其中一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)的循環(huán)工質一為甲烷+乙烷，一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)的循環(huán)工質二為乙烷+丙烯，二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)的循環(huán)工質三為丙烯+丙烷，二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)的循環(huán)工質四為正丁烷+正戊烷。
利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的方法，基于上述的利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)，具體包括如下過程：
(1)lng氣化：
從儲罐中出來的lng直接進入泵五進行加壓處理，然后依次進入蒸發(fā)冷凝器一、蒸發(fā)冷凝器二、蒸發(fā)冷凝器三、蒸發(fā)冷凝器四分別與級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)工質一～四進行換熱，對循環(huán)工質一～四進行冷凝的同時實現自身的蒸發(fā)氣化，最終吸熱氣化后的天然氣經過進一步升溫、加臭處理達到城市輸氣管網溫度要求后供給城市燃氣網絡；
(2)co2捕集：
從儲氣柜中出來的菱鎂礦熔煉煙氣具有高溫高壓，煙氣依次進入蒸發(fā)器四、蒸發(fā)器三與二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)的循環(huán)工質四及二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)的循環(huán)工質三進行換熱，實現初步預冷；經過預冷后的煙氣依次進入蒸發(fā)器二、蒸發(fā)器一與一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)的循環(huán)工質二及一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)的循環(huán)工質一進行換熱實現co2的冷凝，從蒸發(fā)器一出來的煙氣中部分co2已經被冷凝為液態(tài)，該氣液混合物直接進入到氣液分離器中將液態(tài)co2產品分離儲存；分離了液態(tài)co2后的煙氣直接進入回熱器三與二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)的循環(huán)工質三進行換熱，進行冷能的進一步利用；從回熱器三出來的煙氣為溫度較低的冷空氣，可以直接排入大氣中或者為生活生產區(qū)的空調和冷藏設備提供冷能；
(3)級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)工作過程：
a)在一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)中的循環(huán)工質一，經過蒸發(fā)器一蒸發(fā)后形成氣流直接進入汽輪機一進行膨脹做功，做功后的乏氣一依次進入蒸發(fā)冷凝器二、蒸發(fā)冷凝器一與lng及一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中的循環(huán)工質二進行換熱實現冷凝，冷凝后的循環(huán)工質一進入泵一進行加壓，加壓后的循環(huán)工質一進入蒸發(fā)器一與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，形成循環(huán)工作狀態(tài)；
b)在一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中的循環(huán)工質二，經過蒸發(fā)器二蒸發(fā)后形成氣流直接進入汽輪機二進行膨脹做功，做功后的乏氣二進入回熱器一與從泵二出來的經過冷凝加壓后的循環(huán)工質二進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質二進入蒸發(fā)冷凝器二與lng以及一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)中的循環(huán)工質一進行換熱實現冷凝，冷凝后的循環(huán)工質二依次進入泵二和回熱器一進行加壓預熱，加壓預熱后的循環(huán)工質二進入蒸發(fā)器二與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，形成循環(huán)工作狀態(tài)；
c)在二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)中的循環(huán)工質三，經過蒸發(fā)器三蒸發(fā)后形成氣流直接進入汽輪機三進行膨脹做功，做功后的乏氣三進入回熱器三與分離了co2后的低溫煙氣進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質三依次經過蒸發(fā)冷凝器四、蒸發(fā)冷凝器三與lng進行換熱實現冷凝，冷凝后的低溫循環(huán)工質三進入泵三進行加壓處理，加壓后的循環(huán)工質三進入蒸發(fā)器三與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，形成循環(huán)工作狀態(tài)；
d)在二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中的循環(huán)工質四，經過蒸發(fā)器四蒸發(fā)后形成氣流直接進入汽輪機四進行膨脹做功，，做功后的乏氣四進入回熱器二與從泵四出來的冷凝加壓后的循環(huán)工質四進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質四進入蒸發(fā)冷凝器四與lng和循環(huán)工質三進行換熱實現冷凝，冷凝后的循環(huán)工質四進入泵四加壓，加壓后的循環(huán)工質四依次進入回熱器二、蒸發(fā)器四進行吸熱氣化，形成循環(huán)工作狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果為：
1)本發(fā)明將級聯雙級朗肯循環(huán)和嵌套式朗肯循環(huán)相結合，使得一體化系統(tǒng)在沿著冷熱流體流動方向和冷熱能傳遞方向都實現了溫度對口、梯級利用，形成了一種更為完善的高效利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣中余熱和co2資源的方法；
2)本發(fā)明中系統(tǒng)的循環(huán)工質選取的是甲烷-乙烷、乙烷-丙烯、丙烯-丙烷、正丁烷-正戊烷這樣的有機工質混合物，相比于單質工質，混合有機物工質更能迎合煙氣和lng的變溫換熱特性，有效的減小了系統(tǒng)在換熱過程中的不可逆損失；
3)本發(fā)明提出的一體化系統(tǒng)中加入了回熱裝置，減小了朗肯循環(huán)冷凝過程中循環(huán)工質與冷源之間的換熱溫差進而減小了系統(tǒng)中的不可逆換熱損失；
4)本發(fā)明將液化冷凝了co2后的低溫煙氣中蘊含的冷能進行了進一步利用，使得最終分離了co2的低溫煙氣溫度僅為-61.82℃，相比于現有系統(tǒng)中約-120℃的冷空氣，本發(fā)明所產生冷空氣中的冷能更便于利用；
5)本發(fā)明提出的一體化系統(tǒng)中能源利用率得到提升，其冷能利用率由原來的11.8％提升到19.71％，其
附圖說明
圖1為利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
下面以某典型lng和大石橋地區(qū)某菱鎂礦熔煉工藝產生的煙氣為例，對本發(fā)明進一步具體描述，但是本發(fā)明的實施不限于此，其運行參數可以根據不同lng、煙氣以及對產品和產能的不同需求進行修改。
如圖1所示，利用lng冷能回收捕集菱鎂礦熔煉煙氣余熱和co2的系統(tǒng)，包括級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)、lng氣化系統(tǒng)和co2捕集系統(tǒng)，級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)、一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)、二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)和二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)，一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)包括依次相連的泵一2、蒸發(fā)器一10、汽輪機一18、蒸發(fā)冷凝器二7和蒸發(fā)冷凝器一6，一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)包括依次相連的泵二3、回熱器一14、蒸發(fā)器二11、汽輪機二19、所述回熱器一14和所述蒸發(fā)冷凝器二7，二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)包括依次相連的泵三4、蒸發(fā)器三12、汽輪機三20、回熱器三16、蒸發(fā)冷凝器四9和蒸發(fā)冷凝器三8，二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)包括依次相連的泵四5、回熱器二15、蒸發(fā)器四13、汽輪機四21、所述回熱器二15和所述蒸發(fā)冷凝器四9，lng氣化系統(tǒng)包括依次連接的泵五1、所述蒸發(fā)冷凝器一6、所述蒸發(fā)冷凝器二7、所述蒸發(fā)冷凝器三8和所述蒸發(fā)冷凝器四9，co2捕集系統(tǒng)包括依次連接的所述蒸發(fā)器四13、所述蒸發(fā)器三12、所述蒸發(fā)器二11、所述蒸發(fā)器一10、氣液分離器17和所述回熱器三16。
工作過程如下：在lng氣化系統(tǒng)中，流量為4.17kg/s、溫度為-162℃、壓力為0.14mpa的lng從儲罐中流出后直接進入泵五1進行加壓后溫度壓力分別為-161.9℃和0.28mpa，升壓后的lng進入蒸發(fā)冷凝器一6對循環(huán)工質一進行冷凝，吸熱后的lng溫度升高為-144.9℃，此時的lng為氣液混合狀態(tài)，緊接著lng進入蒸發(fā)冷凝器二7對循環(huán)工質二和循環(huán)工質一進行冷凝，進一步吸熱后的lng的溫度變?yōu)?94.84℃，此時的lng基本處于氣態(tài)，然后lng進入蒸發(fā)冷凝器三8對循環(huán)工質三進行冷凝，經過第三次吸熱后，lng的溫度變?yōu)?94.07℃，緊接著lng進入蒸發(fā)冷凝器四9對循環(huán)工質四和循環(huán)工質三進行冷凝，經過第四次吸熱后lng的溫度達到-30.31℃，此時的lng已經是氣態(tài)，經過進一步升溫、加臭處理達到城市供氣管網要求后便可通入城市供氣管網。
在co2捕集系統(tǒng)中，溫度為80℃，壓力為0.3mpa的菱鎂礦熔煉煙氣在經過儲氣柜穩(wěn)定后以22.22kg/s的流量首先進入蒸發(fā)器四13中對循環(huán)工質四進行放熱使其蒸發(fā)氣化，放熱后的煙氣溫度降為49.02℃，緊接著煙氣進入蒸發(fā)器三12對循環(huán)工質三進行放熱使其蒸發(fā)氣化，經過第二次放熱后煙氣溫度降為10℃，然后煙氣進入蒸發(fā)器二11對循環(huán)工質二進行放熱使其蒸發(fā)氣化，第三次放熱后煙氣溫度降為-37.92℃，緊接著煙氣進入蒸發(fā)器一10對循環(huán)工質一進行放熱使其氣化，經過第四次放熱后煙氣溫度降為-97.32℃，此時煙氣中的部分co2發(fā)生冷凝液化，將此時氣液混合態(tài)的煙氣直接通入氣液分離器17，將液態(tài)co2分離儲存為捕集到的co2產品，co2產品產量為4315kg/h，分離了部分co2后的煙氣緊接著進入回熱器三16進一步利用煙氣中的冷能，從回熱器三16中出來的煙氣溫度為-61.82℃，氣流量為21.02kg/s，可以作為一種冷空氣產品供給周邊生活生產區(qū)的空調和冷藏設備使用。
級聯雙級嵌套式朗肯循環(huán)系統(tǒng)在冷熱源物流流動方向上是級聯雙級朗肯循環(huán)，而在冷熱能傳遞方向上均是一個嵌套式朗肯循環(huán)。首先在一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)中，循環(huán)工質一為甲烷與乙烷的混合物，其甲烷的質量分數為80％；從蒸發(fā)器一10出來的溫度為-43.81℃、壓力為0.8mpa的循環(huán)工質一直接進入汽輪機一18進行膨脹做功，做功后的乏氣一的溫度和壓力分別為-80℃和0.4mpa，乏氣依次進入蒸發(fā)冷凝器二7、蒸發(fā)冷凝器一6與lng及一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中的循環(huán)工質二進行換熱實現混合工質一的冷凝，冷凝后的混合工質一(溫度為-140℃)進入泵一2進行加壓，加壓后的混合工質一溫度壓力分別為-139.7℃和0.8mpa，緊接著混合工質一進入蒸發(fā)器一10與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，至此一級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)形成。
一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中，循環(huán)工質二為乙烷和丙烯的混合物，乙烷的質量分數為70％；從蒸發(fā)器二11出來的溫度壓力分別為-8.934℃和0.2mpa的循環(huán)工質二直接進入汽輪機二19進行膨脹做功，做功后的乏氣二溫度壓力分別為-30℃和0.1mpa，然后乏氣進入回熱器一14與從泵二3出來經過冷凝加壓后的循環(huán)工質二進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質二溫度為-50℃，緊接著進入蒸發(fā)冷凝器二7與lng和循環(huán)工質一進行換熱實現冷凝，冷凝后的工質溫度為-80℃，然后進入泵二3進行加壓，加壓后的循環(huán)工質二壓力變?yōu)?.2mpa，緊接著進入回熱器一14利用乏氣二的余熱進行預熱，預熱后的循環(huán)工質二的溫度為-66.58℃，然后進入蒸發(fā)器二11與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，至此一級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)形成。
在二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)中，循環(huán)工質三為丙烷和丙烯的混合物，丙烯的質量分數為50％；從蒸發(fā)器三12出來的溫度壓力分別為-1.293℃和0.2mpa的循環(huán)工質三直接進入汽輪機三20進行膨脹做功，做功后的乏氣三的溫度和壓力分別為-28℃和0.1mpa，然后進入回熱器三16與分離了co2后的低溫煙氣進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質三溫度為-60℃，預冷后的循環(huán)工質三依次經過蒸發(fā)冷凝器四9、蒸發(fā)冷凝器三8與lng及循環(huán)工質四進行換熱實現冷凝，冷凝后的循環(huán)工質三溫度為-90℃，進入泵三4進行加壓處理，加壓后的循環(huán)工質三溫度壓力分別為-89.94℃和0.2mpa，進入蒸發(fā)器三12與煙氣進行換熱實現蒸發(fā)氣化，至此二級嵌套式朗肯循環(huán)外循環(huán)形成。
在二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)中，循環(huán)工質四為異丁烷和正丁烷的混合物，異丁烷的質量分數為44.62％；從蒸發(fā)器四13出來的溫度壓力分別為27℃和0.3mpa的循環(huán)工質四直接進入汽輪機四21進行膨脹做功，做功后的乏氣四的溫度壓力分別為-2.575℃和0.1mpa，然后乏氣四進入回熱器二15與從泵四5出來的冷凝加壓后的循環(huán)工質四進行換熱實現預冷，預冷后的循環(huán)工質四溫度為-5.848℃，然后進入蒸發(fā)冷凝器四9與lng和循環(huán)工質三進行換熱實現冷凝，冷凝后的循環(huán)工質四溫度為-80.10℃，緊接著進入泵四5加壓，加壓后的循環(huán)工質四溫度壓力分別為-80℃和0.3mpa，然后依次進入回熱器二15、蒸發(fā)器四13進行吸熱氣化，至此二級嵌套式朗肯循環(huán)內循環(huán)形成。