Комплекс для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода и газообразного азота, а также жидких кислорода или азота

Полезная модель относится к оборудованию и технологии производства жидких кислорода или азота, низкотемпературного диоксида углерода, а также газообразного азота. Комплекс может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где используются такие газы, как кислород, азот и диоксид углерода.

Комплекс содержит соединенные между собой по определенной схеме технологическими трубопроводами подачи рабочих тел, а также теплоты и холода когенерационную установку, смеситель, абсорбционно-десорбционную установку, блок осушки азота, паровой котел, использующий природный газ, холодильную углекислотную установку, абсорбционные бромистолитиевую и водоаммиачную холодильные машины и воздухоразделительную установку.

Предлагаемый комплекс обеспечивает эффективное использование высокого энергетического потенциала природного газа для одновременного получения электрической энергии, необходимой для привода оборудования комплекса, и тепловой энергии, расходуемой на получение водяного пара и производство холода, которым обеспечиваются потребности комплекса, а также на получение жидкого низкотемпературного диоксида углерода, газообразного азота и жидких кислорода или азота.

Полезная модель относится к оборудованию и технологии производства жидких кислорода или азота, низкотемпературного диоксида углерода, а также газообразного азота. Комплекс может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где используются такие газы, как кислород, азот и диоксид углерода.

Известны различные комплексы для получения жидкого диоксида углерода (СО₂), в том числе и низкотемпературного, из дымовых газов, которые образуются после сжигания природного газа в котельном агрегате (см. например, Пименова Т.Ф. Производство и применение сухого льда, жидкого и газообразного диоксида углерода. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. - 208 с.). Недостаток известных комплексов - низкая эффективность использования внутренней энергии природного газа, которая расходуется лишь для производства в котельном агрегате водяного пара низких параметров (135°С) при горении природного газа с температурой 1250°С. Несмотря на наличие в котельном агрегате и других потерь, указанная необратимость снижает значение его эксергетического КПД до 35%. Эксергетический КПД всего углекислотного комплекса едва превышает 1%.

К недостаткам существующих комплексов можно отнести также и то, что тепловая энергия части водяного пара (до 45%) с потенциалом 135°С и дымовых газов - 350°С полезно не используются.

Известен также комплекс, изложенный в авторском свидетельстве СССР 1556245 «Способ разделения дымовых газов». Указанный комплекс предназначен для одновременного получения из дымовых газов жидкого низкотемпературного диоксида углерода и азота.

Недостаток известного комплекса - необходимость предварительного сжатия до высоких давлений (более 5 МПа) всего количества дымовых газов, что приводит к существенным затратам энергии.

Общий недостаток известных комплексов заключается в том, что они нуждаются во внешнем источнике электроэнергии, так как в них природный газ сжигается только для получения дымового газа и тепловой энергии в виде водяного пара для обеспечения работы десорбера.

Из научно-технической и патентной литературы неизвестны комплексы для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода, газообразного азота и жидких кислорода или азота, близких по технической сущности.

В основу заявляемой полезной модели поставлена задача создать комплекс для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода и газообразного азота, а также жидких кислорода или азота, в котором путем дополнительного введения когенерационной установки и оригинальной схемы соединения установок комплекса обеспечить эффективное использование высокого энергетического потенциала природного газа для одновременного получения электрической энергии, необходимой для привода оборудования комплекса, и тепловой энергии, расходуемой на получение водяного пара и холода.

Поставленная задача решена в комплексе для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода, газообразного азота и жидких кислорода или азота тем, что он содержит соединенные между собой по определенной схеме технологическими трубопроводами подачи рабочих тел, а также теплоты и холода когенерационную установку, смеситель, абсорбционно-десорбционную установку, блок осушки азота, паровой котел, использующий природный газ, холодильную углекислотную установку, абсорбционные бромистолитиевую и водоаммиачную холодильные машины и воздухоразделительную установку, при этом один выход когенерационной установки через смеситель соединен с абсорбционно-десорбционной установкой, которая соединена с блоком осушки азота и паровым котлом, соединенным со смесителем, второй выход когенерационной установки соединен с абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной, а третий выход когенерационной установки соединен с абсорбционной водоаммиачной холодильной машиной, причем абсорбционные бромистолитиевая и водоаммиачная холодильные машины, в свою очередь, соединены с холодильной углекислотной и воздухоразделительной установками.

Заявленное техническое решение позволило объединить в одном комплексе, который использует только природный газ, ряд связанных потоками энергии, теплоты и холода установок: когенерационной установки, вырабатывающей электроэнергию и теплоту; парового котла, производящего только необходимое для выделения СО₂ из продуктов сгорания в абсорбционно-десорбционной установке количество пара; холодильной углекислотной установки для ожижения СО₂ и криогенной воздухоразделительной установки, с помощью которой получаются жидкие кислород или азот.

Комплекс для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода, газообразного азота и жидкого кислорода или азота изображен на чертеже.

Комплекс включает в себя когенерационную установку 1, абсорбционно-десорбционную установку 2, холодильную углекислотную установку 3 и воздухоразделительную установку 4.

Один выход когенерационной установки 1 через смеситель 5 соединен с абсорбционно-десорбционной установкой 2, которая соединена с блоком осушки азота 6 и паровым котлом 7. Паровой котел 7 соединен со смесителем 5. Второй выход когенерационной установки 1 соединен с абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной 8, а третий выход когенерационной установки 1 соединен с абсорбционной водоаммиачной холодильной машиной 9. Абсорбционные бромистолитиевая 8 и водоаммиачная 9 холодильные машины соединены с холодильной углекислотной установкой 3 и воздухоразделительной установкой 4.

Когенерационная установка 1 включает соединенные между собой газопоршневой двигатель 10, генератор электроэнергии 11 и утилизатор теплоты - паровой котел 12.

Абсорбционно-десорбционная установка 2 содержит соединенные между собой абсорбер 13, холодильник 14, регенеративный теплообменник 15, десорбер 16, насосы 17 и 18.

Холодильная углекислотная установка 3 содержит соединенные между собой компрессор 19, холодильник 20, блок осушки диоксида углерода 21, конденсатор 22, дроссельный вентиль 23 и изотермическую емкость 24.

Воздухоразделительная установка 4 содержит соединенные между собой компрессор 25, теплообменник-ожижитель 26, холодильник 27, блок осушки воздуха 28, испаритель 29, турбодетандер 30, основной теплообменник 31, вентиль 32, нижнюю колонну 39, конденсатор-испаритель 34, переохладитель жидкого кислорода 35, вентиль 36, переохладитель жидкого азота 37, переохладитель кубовой жидкости 38 и верхнюю колонну 33.

Работа заявленного комплекса осуществляется следующим образом.

Часть природного газа (ПГ) подается в когенерационную установку 1 с газопоршневым двигателем 10 вместе с воздухом (В). В результате в генераторе 11 вырабатываются электрическая энергия.

Теплота от системы охлаждения газопоршневого двигателя 10 отводится в виде горячей воды, имеющей температуру 90-100°С. Горячая вода с указанным относительно невысоким потенциалом используется в абсорбционной бромистолитиевой холодильной машине 8, вырабатывающей холодную воду с температурой 5°С для применения ее в комплексе для отвода теплоты сжатия СО₂ в охладителе 20 и охлаждения воздуха в холодильнике 27 воздухоразделительной установки 4 перед блоком осушки воздуха 28. Холодопроизводительности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины 8 достаточно для обеспечения указанных процессов охлаждения.

Теплота выхлопных газов от когенерационной установки 1 с температурой 500°С используется в утилизаторе теплоты - паровом котле 12 - для производства пара. Полученный пар применяется в абсорбционной водоаммиачной холодильной машине 9, которая вырабатывает холод в результате кипения аммиака в испарителе при температуре - 35°С. Этот холод расходуется с двумя целями: для конденсации и переохлаждения жидкого СО₂ в холодильной углекислотной установке 3, а также для охлаждения части потока воздуха, подаваемого в основной теплообменник 31 воздухоразделительной установки 4.

После утилизатора теплоты - парового котла 12 выхлопные газы от газопоршневого двигателя 10 смешиваются с дымовыми газами, поступающими от парового котла 7, в смесителе 5. В паровом котле 7 стехиометрически сжигается другая часть природного газа в среде воздуха для выработки водяного пара с температурой 135°С. Пар используется для регенерации раствора абсорбента в десорбере 16, что обеспечивает извлечение СО₂ из выхлопных газов двигателя в абсорбционно-десорбционной установке 2.

В результате смешения выхлопных и дымовых газов в смесителе 5 обеспечивается снижение содержания в них О₂ менее 4% об. и увеличение содержания СО₂ - до 8% об. для последующего его поглощения раствором абсорбента в абсорбере 13.

В абсорбере 13 СО₂ поглощается из дымовых газов водным раствором моноэтаноламина, который циркулирует между абсорбером 13 и десорбером 16. Насыщенный раствор абсорбента из абсорбера 13 при помощи насоса 17 подается в десорбер 16 через регенеративный теплообменник 15. В десорбере 16 за счет подвода теплоты от парового котла 7 осуществляется регенерация раствора абсорбента. Газообразный же СО₂ из десорбера 16 направляется на всасывание в поршневой компрессор 19 для последующего ожижения. Истощенный раствор абсорбента из десорбера 16 при помощи насоса 18 подается на орошение абсорбера 13, пройдя предварительно теплообменник 15 и водяной холодильник 14. Циркуляция раствора повторяется. Очищенный от СО₂ газ, который состоит в основном из N₂ и Н₂О, после абсорбера 13 направляется в блок осушки азота 6. После блока осушки азота 6 газообразный азот выдается потребителю.

Газообразный СО ₂ компримируется в поршневом компрессоре 19 до давления 5 МПа, охлаждается в холодильнике 20, осушается в блоке осушки 21, конденсируется и переохлаждается в конденсаторе 22. Охлаждение газообразного СО₂ происходит за счет подвода холодной воды с температурой 5°С от абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины 8. Равновесная температура конденсации СО ₂ составляет 15°С. Конденсация и переохлаждение жидкого диоксида углерода до температуры -25°С осуществляется за счет абсорбционной водоаммиачной холодильной машины 9. Далее через дроссельный вентиль 23 жидкий диоксид углерода дросселируется в изотермическую емкость 24 до давления 1,6 МПа. Из изотермической емкости 24 жидкий низкотемпературный диоксид углерода выдается потребителю, а пары СО₂ подаются на регенерацию блока осушки диоксида углерода 21.

Количество холода, вырабатываемого указанными абсорбционными холодильными машинами, достаточно для охлаждения, конденсации и переохлаждения всего СО₂, извлекаемого из дымовых газов. Остается еще холод с температурой 5°С, вырабатываемый абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиной 8, который используется для охлаждения всего потока воздуха перед блоком его осушки и очистки 28 до температуры 8°С. Это обеспечивает оптимальные условия работы адсорбентов при осушке воздуха. Низкотемпературный холод с температурой -35°С, вырабатываемый абсорбционной водоаммиачной холодильной машиной 9, используется для охлаждения части потока воздуха, подаваемого в основной теплообменник 31 воздухоразделительной установки 4. Это увеличивает холодопроизводительность реализуемого криогенного цикла и выход жидкого кислорода или азота, в зависимости от режима работы воздухоразделительной установки 4.

Воздух сжимается в компрессоре 25 до среднего давления и охлаждается в теплообменнике-ожижителе 26. Далее он проходит холодильник 27 абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины 8, в котором охлаждается до температуры 8°С, и поступает в блок осушки 28. После блока осушки 28 поток воздуха делится на две части. Одна часть охлаждается в испарителе 29 абсорбционной водоаммиачной холодильной машины 9 до температуры - 25°С и подается в среднюю часть основного теплообменника 31. Другая часть воздуха направляется в основной теплообменник 31. В нижней части основного теплообменника 31 делается отбор части воздуха для расширения его в турбодетандере 30, после чего он подается в верхнюю часть нижней колонны 39 на разделение. Оставшаяся часть воздуха из основного теплообменника 31 направляется в нижнюю часть нижней колонны 39, предварительно дросселируясь через вентиль 32 до рабочего давления нижней колонны.

Кубовая жидкость из куба нижней колонны через переохладитель 38 дросселируется в верхнюю часть верхней колонны 33 через вентиль 36, пройдя предварительно переохладитель 35.

Жидкий азот после конденсации в конденсаторе-испарителе 34 выдается потребителю через переохладитель 37. Жидкий кислород из нижней части верхней колонны 33 через переохладитель 35 также направляется потребителю. В зависимости от режима работы установки производится либо жидкий кислород, либо жидкий азот. Газообразный отбросный азот из верхней части верхней колонны 33, пройдя переохладители 37 и 38, поступает в основной теплообменник 31. После этого он подается в теплообменник-ожижитель 26 и на регенерацию блока осушки 28.

В результате эффективного использования природного газа в когенерационной установке заявленного комплекса, в нем производится:

- 1200 кВт электрической энергии, из которой 715 кВт потребляется воздухоразделительной установкой, а 385 кВт - холодильной углекислотной установкой, остальные 100 кВт используются на привод вспомогательного оборудования;

- 1440 кВт теплоты, из которых 930 кВт используется в абсорбционной бромистолитиевой холодильной машине, вырабатывающей холодную воду с температурой 5°С для конденсации СО₂ и охлаждения воздуха перед блоком осушки, и 430 кВт - в абсорбционной водоаммиачной холодильной машине, обеспечивающей температуру кипения аммиака -35°С, для переохлаждения жидкого диоксида углерода в холодильной углекислотной установке и охлаждения части потока воздуха перед основным теплообменником в воздухоразделительной установке;

- 1200 кг/ч жидкого низкотемпературного диоксида углерода;

- 520 кг/ч жидкого кислорода или азота;

- 7500 м³/ч газообразного азота.

Объединение когенерационной установки 1, парового котла 7, холодильной углекислотной установки 3 и абсорбционно-десорбционной установки 2 с воздухоразделительной установкой 4 дает возможность эффективно использовать вырабатываемую теплоту с потенциалом 90-100°С и теплоту с потенциалом 500°С для производства холода, расходуемого для повышения эффективности производства как жидкого низкотемпературного диоксида углерода и газообразного азота, так и жидких кислорода или азота.

Заявленный автономно действующий комплекс обладает высоким КПД. При производстве электроэнергии и теплоты, используемых в самом комплексе, а также жидкого низкотемпературного СО₂ , жидкого О₂ (или жидкого N₂) и газообразного N₂, эксергетический КПД комплекса равен 12%. Известный комплекс, производящий только жидкий СО₂ и газообразный азот, имеет эксергетический КПД не выше 2%.

Комплекс для автономного производства жидкого низкотемпературного диоксида углерода, газообразного азота и жидкого кислорода или азота, отличающийся тем, что он содержит соединенные между собой по определенной схеме технологическими трубопроводами подачи рабочих тел, а также теплоты и холода когенерационную установку, смеситель, абсорбционно-десорбционную установку, блок осушки азота, паровой котел, использующий природный газ, холодильную углекислотную установку, абсорбционные бромисто-литиевую и водоаммиачную холодильные машины и воздухоразделительную установку, при этом один выход когенерационной установки через смеситель соединен с абсорбционно-десорбционной установкой, которая соединена с блоком осушки азота и паровым котлом, соединенным со смесителем, второй выход когенерационной установки соединен с абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машиной, а третий выход когенерационной установки соединен с абсорбционной водоаммиачной холодильной машиной, причем абсорбционные бромисто-литиевая и водоаммиачная холодильные машины, в свою очередь, соединены с холодильной углекислотной и воздухоразделительной установками.