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CN114877619A - 二氧化碳的液化系统及液化方法 - Google Patents

二氧化碳的液化系统及液化方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种二氧化碳的液化系统及液化方法。本申请中利用第二液化装置回收第一液化装置所产生气态二氧化碳的冷能，能够提高系统整体的能量利用率，进而能够提高二氧化碳的液化效率以及降低系统整体的能耗。第一气态二氧化碳的冷能在第二液化装置中进行回收利用，能够尽可能保证第一气态二氧化碳的冷能被充分回收利用，进一步能够提高系统整体的能量利用率，即进一步能够提高二氧化碳的液化效率以及降低系统整体的能耗。

Description

二氧化碳的液化系统及液化方法
技术领域
本申请涉及气体液化技术领域，具体涉及一种二氧化碳的液化系统及液化方法。
背景技术
二氧化碳是最主要的温室气体。在石化、电力、钢铁等工业生产过程中，大量的二氧化碳废气被排放进入大气，导致了全球性的气候变化，给人类社会的可持续发展提出了严峻挑战。
高纯度的二氧化碳同时也是重要的工业产品，广泛应用于食品、医药、制冷等行业。近年来，着眼于油气资源的深度开采，液体二氧化碳进一步被应用于油田驱油，具有广阔的市场前景。因此，将高浓度的二氧化碳尾气、废气进行液化回收，不仅可以减少温室气体的排放，同时也能创造经济效益。
当前，国内外主流的二氧化碳液化方法一般是将原料气增压至一定压力，然后再利用制冷方法使其冷凝，从而得到饱和液体二氧化碳。依据压缩机出口压力的不同，二氧化碳的液化方法可分为高压法和低压法。
高压液化是通过多级压缩将二氧化碳压缩到较高压力(大于6MPa)，由于高压下二氧化碳的饱和温度接近常温，因此系统中可以省去低温制冷机组的使用，常见的循环冷水即可满足需求。其缺点是压缩功耗较高，且会有不凝气杂质溶解其中，后期需低压分离。低压液化法则是将二氧化碳气体压缩到某一不太高的压力(1.8～2.5MPa)，然后通过制冷机组提供-15～-25℃的冷量，使二氧化碳液化。低压法的产品纯度有很大提高，且设备制造成本较低，但其储运需要制冷机组的长期运行。
目前常规的二氧化碳液化的主要途径是中压下利用低温冷凝二氧化碳。常规的二氧化碳液化装置其液化效率较低。另一方面，二氧化碳液化装置的能耗水平居高不下，导致企业减排的经济效益受限严重。
发明内容
本申请提供一种二氧化碳的液化系统及液化方法，能够提高二氧化碳的液化效率以及降低系统整体的能耗。
本申请提供一种二氧化碳的液化系统。该液化系统包括预处理装置，其对二氧化碳原料气进行预处理以输出第一气源及第二气源。该液化系统还包括第一液化装置，其接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。该液化系统还包括第二液化装置，其接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
在本申请的一实施例中，预处理装置具有第一输出流路和第二输出流路，经预处理后的二氧化碳分为第一气源及第二气源，其中第一气源通过第一输出流路输出，第二气源通过第二输出流路输出；第一液化装置连接第一输出流路，用于液化第一输出流路输出的第一气源；第二液化装置连接第二输出流路和第一液化装置，第二液化装置以第一气态二氧化碳为冷源液化第二输出流路输出的第二气源。
在本申请的一实施例中，第一液化装置包括：液化元件，连接第一输出流路；第一气液分离元件，连接液化元件，且具有第一气相输出端和第一液相输出端，其中第一气相输出端连接第二液化装置；第一气液分离元件用于从经液化元件液化后的二氧化碳中分离出第一气态二氧化碳和第一液态二氧化碳，第一气态二氧化碳经第一气相输出端输出至第二液化装置，第一液态二氧化碳经第一液相输出端输出；第二液化装置包括：冷凝器，连接第二输出流路和第一气相输出端；第二气液分离元件，连接冷凝器，且具有第二液相输出端，第二气液分离元件用于从经冷凝器液化后的二氧化碳中分离出第二液态二氧化碳，第二液态二氧化碳经第二液相输出端输出。
在本申请的一实施例中，第一输出流路所输出二氧化碳的流量大于第二输出流路所输出二氧化碳的流量。
在本申请的一实施例中，第一输出流路所输出二氧化碳的流量占总流量的0.77至0.88；第二输出流路所输出二氧化碳的流量占总流量的0.12至0.23。
在本申请的一实施例中，第二液化装置还包括分流调节元件；冷凝器通过分流元件连接第二输出流路，分流调节元件用于调节流经第二输出流路的二氧化碳的流量。
在本申请的一实施例中，预处理装置包括：预冷器，连接第一输出流路和第二输出流路；循环冷水回路，连接预冷器，用于向预冷器提供冷媒；预冷器用于对输入其中的二氧化碳进行冷却，经预冷器冷却后的二氧化碳分别通过第一输出流路和第二输出流路输出；其中，循环冷水回路输入至预冷器中的冷媒温度高于第一气态二氧化碳的温度。
在本申请的一实施例中，预处理装置还包括：干燥机组，干燥机组通过预冷器连接第一输出流路和第二输出流路，用于对输入预冷器的二氧化碳进行干燥。
在本申请的一实施例中，第二气液分离元件还具有第二气相输出端；预处理装置包括：压缩元件；且液化系统还包括：循环流路；其中，冷凝器的冷侧介质出口及第二气相输出端通过循环流路连接压缩元件。
在本申请的一实施例中，预处理装置还包括：级间缓冲罐；循环流路通过级间缓冲罐连接压缩元件。
在本申请的一实施例中，预处理装置包括出口压力逐一增大的第一级压缩元件、第二级压缩元件、第三级压缩元件及第四级压缩元件；循环流路连接于第二级压缩元件和第三级压缩元件之间，循环流路中二氧化碳的压力介于第二级压缩元件的出口压力和第三级压缩元件的出口压力之间。
在本申请的一实施例中，预处理装置还包括：级间换热器，与压缩元件串联；循环冷却水回路，连接级间换热器，用于向级间换热器提供冷源；排凝管路，连接级间换热器，级间换热器中的冷凝水通过排凝管路排放。
在本申请的一实施例中，液化系统还包括：入口缓冲罐，连接预处理装置，二氧化碳原料气通过入口缓冲罐传输至预处理装置。
相应地，本申请还提供一种二氧化碳的液化方法。该液化方法包括：对二氧化碳原料气进行预处理，以输出第一气源及第二气源；对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳；以第一气态二氧化碳作为冷源对第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
在本申请的一实施例中，对第一气源进行液化的步骤及对第二气源进行液化的步骤之前包括：调节第一气源的流量及第二气源的流量，使得第一气源的流量大于第二气源的流量。
本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供一种二氧化碳的液化系统及液化方法。该液化系统中经预处理装置对二氧化碳原料气进行预处理后输出第一气源及第二气源。第一液化装置接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。第二液化装置接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。本申请中利用第二液化装置回收第一液化装置所产生气态二氧化碳的冷能，能够提高系统整体的能量利用率，降低系统整体的能耗。
并且，第二液化装置具体是应用于液化第二气源的二氧化碳，其中液化二氧化碳环节通常要求其所应用的冷源具有较低的温度。对应地，第一液化装置所产生的第一气态二氧化碳具有较低的温度，即具备充足的冷能。第一气态二氧化碳的冷能在第二液化装置中进行回收利用，能够尽可能保证第一气态二氧化碳的低温冷能被充分回收利用，能够提高二氧化碳的单程液化效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本申请二氧化碳的液化系统一实施例的结构示意图；
图2是本申请二氧化碳的液化方法一实施例的流程示意图；
图3是本申请二氧化碳的液化方法另一实施例的流程示意图。
附图标记说明：
10预处理装置、11第一输出流路、12第二输出流路、131预冷器、132循环冷水回路、14干燥机组、151压缩元件、1511第一级压缩元件、1512第二级压缩元件、1513第三级压缩元件、1514第四级压缩元件、152级间换热器、153循环冷却水回路、154排凝管路、161循环流路、162级间缓冲罐、163弛放气控制阀、17入口缓冲罐、18升压泵、20第一液化装置、21液化元件、22第一气液分离元件、221第一气相输出端、222第一液相输出端、30第二液化装置、31冷凝器、32第二气液分离元件、321第二气相输出端、322第二液相输出端、33分流调节元件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”、“下”、“左”、“右”通常是指装置实际使用或工作状态下的上、下、左和右，具体为附图中的图面方向。
本申请提供一种二氧化碳的液化系统及液化方法，以下分别进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对本申请实施例优选顺序的限定。且在以下实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
为解决现有技术中二氧化碳液化装置的液化效率较低以及能耗较高的技术问题，本申请的一实施例提供一种二氧化碳的液化系统。该液化系统包括预处理装置，其对二氧化碳原料气进行预处理以输出第一气源及第二气源。该液化系统还包括第一液化装置，其接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。该液化系统还包括第二液化装置，其接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。以下进行详细阐述。
请参阅图1，图1是本申请二氧化碳的液化系统一实施例的结构示意图。
在一实施例中，二氧化碳的液化系统包括预处理装置10。预处理装置10用于对二氧化碳原料气进行预处理。二氧化碳原料气输入该液化系统中，二氧化碳原料气预先经过预处理装置10进行预处理，而后进行液化处理，最后输出液态二氧化碳，即得到液化产物。预处理装置10对二氧化碳原料气进行预处理，可以包括对二氧化碳原料气进行升压、干燥等环节，将在下文进行详细阐述。
具体地，预处理装置10对二氧化碳原料气进行预处理以输出第一气源及第二气源。进一步地，预处理装置10具有第一输出流路11和第二输出流路12。经预处理后的二氧化碳分为第一气源及第二气源，其中第一气源通过第一输出流路11输出，第二气源通过第二输出流路12输出。
该液化系统还包括第一液化装置20。第一液化装置20接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。具体地，第一液化装置20连接第一输出流路11，用于液化第一输出流路11输出的第一气源，进而输出第一气态二氧化碳和第一液态二氧化碳。第一液化装置20液化二氧化碳的过程通常无法保证二氧化碳完全液化，通常会产生气态及液态的二氧化碳，其中第一液态二氧化碳即为液化产物，而第一气态二氧化碳仍具有较充足的冷能。
该液化系统还包括第二液化装置30。第二液化装置30接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。具体地，第二液化装置30连接第二输出流路12，用于液化第二输出流路12输出的第二气源。其中，考虑到第一气态二氧化碳仍具有较充足的冷能，因此本实施例第二液化装置30还连接第一液化装置20，其中第二液化装置30以第一气态二氧化碳为冷源，以液化第二输出流路12输出的第二气源。
通过上述方式，本实施例利用第二液化装置30回收第一液化装置20所产生第一气态二氧化碳的冷能，能够提高液化系统整体的能量利用率，进而能够提高二氧化碳的液化效率以及降低液化系统整体的能耗。
并且，第二液化装置30具体是应用于液化第二输出流路12输出的二氧化碳，其中液化二氧化碳环节通常要求其所应用的冷源具有较低的温度。对应地，第一液化装置20所产生的第一气态二氧化碳具有较低的温度，即具备充足的冷能。第一气态二氧化碳的冷能在第二液化装置30中进行回收利用，能够尽可能保证第一气态二氧化碳的冷能被充分回收利用，能够提高液化系统整体的能量利用率及提高二氧化碳的单程液化效率，即进一步能够提高二氧化碳的液化效率以及降低液化系统整体的能耗。
在一实施例中，第一液化装置20包括液化元件21。液化元件21为第一液化装置20中用于液化第一输出流路11所输出第一气源的单元。液化元件21连接第一输出流路11，第一输出流路11输出的第一气源进入液化元件21进行液化。
可选地，液化元件21可以是膨胀机等，具体可以是透平膨胀机、往复膨胀机或螺杆膨胀机等。换言之，相较于传统二氧化碳液化装置而言，本实施例通过膨胀机液化二氧化碳，即利用高压近饱和二氧化碳等熵膨胀实现自身液化，意味着本实施例无需独立的氨制冷液化系统，能够简化液化系统的结构以及降低设备成本，同时本实施例避免了液氨的储存和运输，能够减轻设备安全性的负担且更有利于环保。并且，采用膨胀机的液化元件21除了具备制冷、液化的功能外，还能够进行机械功回收，进一步能够提高液化系统的能量利用率。
当然，在本申请的其它实施例中，液化元件21也可以是节流阀等，在此不作限定。
液化元件21液化二氧化碳较难保证二氧化碳完全液化，因此二氧化碳经液化元件21液化后通常会产生气态及液态的二氧化碳。有鉴于此。第一液化装置20还包括第一气液分离元件22。第一气液分离元件22连接液化元件21。第一气液分离元件22具有第一气相输出端221和第一液相输出端222，其中第一气相输出端221连接第二液化装置30。
第一气液分离元件22用于从经液化元件21液化后的二氧化碳中分离出第一气态二氧化碳和第一液态二氧化碳。第一液态二氧化碳为产物，其经第一液相输出端222输出。第一气态二氧化碳经第一气相输出端221输出至第二液化装置30，第一气相输出端221输出的第一气态二氧化碳作为第二液化装置30液化二氧化碳的冷源，进而回收利用第一气态二氧化碳的冷能。
第二液化装置30包括冷凝器31。冷凝器31连接第二输出流路12和第一气相输出端221。冷凝器31为第二液化装置30中用于液化第二输出流路12所输出第二气源的单元。具体地，第一气相输出端221输出的第一气态二氧化碳进入冷凝器31，作为冷凝器31液化二氧化碳的冷源，第二输出流路12所输出第二气源进入冷凝器31与第一气相输出端221输入冷凝器31的第一气态二氧化碳进行热交换而发生液化。
第二气源经冷凝器31液化得到液态的二氧化碳，即第二液态二氧化碳。第二液化装置30还包括第二气液分离元件32。第二气液分离元件32连接冷凝器31，且具有第二液相输出端322。第二气液分离元件32用于从经冷凝器31液化后的二氧化碳中分离出第二液态二氧化碳，第二液态二氧化碳为产物且经第二液相输出端322输出。
进一步地，第二气液分离元件32还具有第二气相输出端321。第二气液分离元件32还从经冷凝器31液化后的二氧化碳中分离出不凝气杂质(例如CO、N2、H2等)及极少量的气态二氧化碳，不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳经第二气相输出端321输出。第一气液分离元件22的第一气相输出端221所输出第一气态二氧化碳经过冷凝器31后与第二气相输出端321输出的不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳仍具有一定的压力能，经过冷凝器31的第一气态二氧化碳与不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳均回流至预处理装置10，以进行回收利用二者的压力能，进而减少二氧化碳循环气体压力能的浪费，将在下文进行详细阐述。
在一实施例中，第一气源的流量大于第二气源的流量，即第一输出流路11所输出二氧化碳的流量大于第二输出流路12所输出二氧化碳的流量。换言之，本实施例输入第一液化装置20的二氧化碳流量大于输入第二液化装置30的二氧化碳流量。
第一液化装置20的液化元件21具体可以为透平膨胀机，液化元件21的液化效率较高，有利于降低液化系统整体的能耗，因此液化元件21为液化系统中液化二氧化碳的主要单元。本实施例优选第一输出流路11所输出二氧化碳的流量大于第二输出流路12所输出二氧化碳的流量，意味着大部分的二氧化碳由液化元件21进行液化处理，小部分的二氧化碳用于回收利用液化元件21所产生气态二氧化碳的冷能，如此既能够保证液化系统具有较高的二氧化碳液化效率，同时能够提高液化系统整体的能量利用率，进一步能够提高二氧化碳的液化效率以及降低液化系统整体的能耗。
并且，本实施例由于输入第二液化装置30的二氧化碳流量较小，因此第一气态二氧化碳的冷能足够液化输入第二液化装置30的二氧化碳，能够保证输入第二液化装置30的二氧化碳绝大部分均被液化，即第二液化装置30所输出二氧化碳中液态的二氧化碳的分率大于气态的二氧化碳的分率。如若设置第一输出流路11所输出二氧化碳的流量不大于第二输出流路12所输出二氧化碳的流量，很有可能导致第一气态二氧化碳的冷能不足以液化输入第二液化装置30的二氧化碳。
进一步地，考虑到为保证液态二氧化碳的稳定性，尽可能避免液态二氧化碳气化，通常需要保证液态二氧化碳具有一定的过冷度。有鉴于此，本实施例通过合理设置第一输出流路11所输出二氧化碳的流量及第二输出流路12所输出二氧化碳的流量，使得第一气态二氧化碳的冷能足以液化输入第二液化装置30的二氧化碳，且还能够保证液态二氧化碳具有一定的过冷度。
举例而言，本实施例第一输出流路11所输出二氧化碳的流量占总流量的0.77至0.88，第二输出流路12所输出二氧化碳的流量占总流量的0.12至0.23，其中第一输出流路11所输出二氧化碳的流量比例与第二输出流路12所输出二氧化碳的流量比例总和为1。此时第一气态二氧化碳的冷能足以液化输入第二液化装置30的二氧化碳，第二液化装置30的二氧化碳液相分率可以达到0.85及以上；且还能够保证液态的二氧化碳被过冷至5℃-15℃，使得液态的二氧化碳具有足够的稳定性。
在一实施例中，第二液化装置30还包括分流调节元件33。冷凝器31通过分流元件连接第二输出流路12。分流调节元件33用于调节流经第二输出流路12的二氧化碳的流量，进而调节输入第一液化装置20的二氧化碳流量及输入第二液化装置30的二氧化碳流量。
可选地，分流调节元件33可以是分流调节阀等阀体，在此不作限定。可以理解的是，本申请实施例分流调节元件33并不局限于设置在第二液化装置30，其也可以设置在第一液化装置20，即液化元件21通过分流调节元件33连接第一输出流路11，通过调节流经第一输出流路11的二氧化碳的流量，进而调节输入第一液化装置20的二氧化碳流量及输入第二液化装置30的二氧化碳流量。
在一实施例中，预处理装置10对二氧化碳原料气进行预处理可以包括对二氧化碳原料气进行预冷处理，即气源在输入第一液化装置20和第二液化装置30之前预先进行降温处理，有利于提高二氧化碳的单程液化效率，进而提高液化系统整体的液化效率。
具体地，预处理装置10包括预冷器131。预冷器131连接第一输出流路11和第二输出流路12。预处理装置10还包括循环冷水回路132。循环冷水回路132连接预冷器131，用于向预冷器131提供冷水。预冷器131用于对输入其中的二氧化碳进行冷却，经预冷器131冷却后的二氧化碳分别通过第一输出流路11和第二输出流路12输出。
本实施例预冷器131可以将二氧化碳冷却至近饱和温度，之后第一液化装置20和第二液化装置30可以高效地实现二氧化碳液化，即能够最大限度地提高二氧化碳的单程液化效率。当然，在本申请的其它实施例中，预冷器131可以将二氧化碳冷却至饱和温度以上的其它温度，预冷器131在一定程度上起到预冷二氧化碳的作用即可，在此不作限定。
需要说明的是，循环冷水回路132输入至预冷器131中的冷水温度高于第一液化装置20输出的气态二氧化碳(即第一气态二氧化碳)的温度。由于本实施例预冷器131最多将二氧化碳冷却至近饱和温度，因此预冷器131对冷量品位的要求较低。而具有较大冷量的第一气态二氧化碳则是应用于第二液化装置30中液化第二气源，使得本实施例预冷环节和液化环节所使用冷能的搭配更加合理，进而有利于提高液化系统的液化效率及降低液化系统的能耗。
进一步地，预处理装置10还包括干燥机组14。干燥机组14通过预冷器131连接第一输出流路11和第二输出流路12，用于对输入预冷器131的二氧化碳进行干燥。换言之，二氧化碳原料气先经过干燥机组14干燥后输入预冷器131，之后再通过第一输出流路11和第二输出流路12输出。
可选地，干燥机组14可以采用分子筛吸附式干燥二氧化碳，且配合以鼓风加热再生，在此不作限定。
在一实施例中，对于上述实施例提及的第一气态二氧化碳经过冷凝器31后与不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳均回流至预处理装置10以进行回收利用，具体是第一气态二氧化碳经过冷凝器31后与不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳均回流至预处理装置10的压缩元件151的级间进行回收利用。
具体地，预处理装置10包括压缩元件151。液化系统还包括循环流路161。冷凝器31的冷侧介质出口及第二气相输出端321均通过循环流路161连接压缩元件151。第一气态二氧化碳经过冷凝器31后与不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳回流至压缩元件151，重新经压缩元件151升压后再输入至第一液化装置20和第二液化装置30进行液化。
预处理装置10可以包括至少两级压缩元件151。该至少两级压缩元件151中，每一级压缩元件151的出口压力逐级增大。本实施例根据经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳的压力，将经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳回流至对应压缩元件151的级间。由于经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳仍具有一定的压力，二者无需经过所有级的压缩元件151，即回收利用二者的压力能，进而能够避免二氧化碳循环气体压力能的浪费，有利于降低压缩功耗。
可以理解的是，二氧化碳的单程液化效率越高，则第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳的压力越低，第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳则需要回流至出口压力较小的压缩元件151级间，以经过更多级压缩元件151的压缩，导致压缩效率较低。本实施例通过合理设置二氧化碳的单程液化效率，以平衡二氧化碳的单程液化效率及压缩能耗，进而保证液化系统具有较高的液化效率的同时还能够保证液化系统具有较低的能耗。
举例而言，该至少两级压缩元件151包括出口压力逐级增大的第一级压缩元件1511、第二级压缩元件1512、第三级压缩元件1513及第四级压缩元件1514。第二级压缩元件1512的出口压力为1.0-1.5MPaA，循环流路161中二氧化碳的压力约1.0-1.6MPaA。循环流路161中二氧化碳的压力介于第二级压缩元件1512的出口压力和第三级压缩元件1513的出口压力之间，因此循环流路161连接于第二级压缩元件1512和第三级压缩元件1513之间，使得经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳回流至第二级压缩元件1512和第三级压缩元件1513之间，如此能够合理地平衡二氧化碳的单程液化效率及压缩效率。
需要说明的是，本实施例第四级压缩元件1514的出口压力为4.8-7.2MPaA，即本实施例二氧化碳的压力最高压缩至4.8-7.2MPaA，仍小于临界压力(7.4MPaA)，即本实施例二氧化碳的压力未达到临界压力，因而能够降低对液化系统安全性的要求，进而有利于降低液化系统的设备成本。
并且，对于上述实施例阐述的液化元件21为透平膨胀机的示例，本实施例液化元件21可以与压缩元件151进行传动耦合，例如当压缩元件151采用离心式的设计，则液化元件21可以采用向心透平式的设计，使得液化元件21回收的机械能用于驱动压缩元件151工作，以补充压缩元件151的功耗，进而有利于降低液化系统整体的能耗。
进一步地，预处理装置10还包括级间缓冲罐162。循环流路161通过级间缓冲罐162连接压缩元件151。换言之，经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳通过循环流路161流送至级间缓冲罐162。级间缓冲罐162可以为中压缓冲罐，第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳先回流至级间缓冲罐162中，而后从级间缓冲罐162输出并进入下一级压缩元件151进行压缩。
进一步地，预处理装置10还包括级间换热器152。级间换热器152与压缩元件151串联，二氧化碳原料气通过压缩元件151和级间换热器152逐级压缩冷却处理。优选地，预处理装置10也可以包括至少两级的级间换热器152，级间换热器152与压缩元件151一一交替串联设置，以对二氧化碳原料气进行逐级压缩冷却处理。
预处理装置10还包括循环冷却水回路153。循环冷却水回路153连接级间换热器152，用于向级间换热器152提供冷源。具体地，每一级级间换热器152均连接至循环冷却水回路153。循环冷却水回路153通过向级间换热器152提供循环上水及循环回水，以在压缩元件151的级间对二氧化碳原料气进行冷却。可以理解的是，循环冷却水回路153提供常温冷却水，其所提供冷却水温度高于循环冷水回路132所提供冷水温度，可以根据需求进行合理选择。
预处理装置10还包括排凝管路154。排凝管路154连接级间换热器152，具体是每一级级间换热器152均连接排凝管路154。级间换热器152中的冷凝水通过排凝管路154排放。本实施例通过排凝管路154初步去除二氧化碳原料气中的水分，之后再经由干燥机组14深度脱水，有利于提高二氧化碳的除水效率。举例而言，二氧化碳原料气经过排凝管路154初步除水后，气体中水摩尔分率可以小于1％。
在一实施例中，液化系统还包括入口缓冲罐17。入口缓冲罐17连接预处理装置10，二氧化碳原料气通过入口缓冲罐17传输至预处理装置10。入口缓冲罐17可以为低压缓冲罐，二氧化碳原料气经入口缓冲罐17缓冲，而后从入口缓冲罐17输出并进入压缩元件151、级间换热器152进行逐级压缩冷却处理。进一步地，二氧化碳原料气在入口缓冲罐17的停留时间为5s至10s，以熨平管路中的气流脉动。
在一实施例中，液化系统还包括弛放气控制阀163。循环流路161还连接弛放气控制阀163。当液化系统中不凝气杂质的摩尔含量较高时，可以间歇开启弛放气控制阀163，以降低液化系统中不凝气杂质的含量。经过冷凝器31的第一气态二氧化碳与不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳混合，经弛放气控制阀163间歇弛放，排出积聚的不凝气杂质，然后再循环回到预处理装置10。
可选地，当液化系统中不凝气杂质的摩尔含量高于0.08时，可以间歇开启弛放气控制阀163，使得液化系统中不凝气杂质的摩尔含量低于0.08。
在一实施例中，液化系统还包括升压泵18。第一液化装置20输出的第一液态二氧化碳及第二液化装置30输出的第二液态二氧化碳均通过升压泵18进行升压处理，以匹配下游环节的储运、利用方式，同时保证液态的二氧化碳具有足够的稳定性。
可选地，升压泵18的出口压力可以为2-15MPa，使得升压泵18所输出液态二氧化碳的压力能够匹配绝大多数的储运、利用方式。
请参阅图2，图2是本申请二氧化碳的液化方法一实施例的流程示意图。
S101：对二氧化碳原料气进行预处理，以输出第一气源及第二气源。
在本实施例中，二氧化碳原料气在液化之前，需要进行预处理，其中可以包括预冷、干燥等预处理环节，有利于保证液化得到的液态二氧化碳的质量。具体地，对二氧化碳原料气进行预处理，以输出第一气源及第二气源。
S102：对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。
在本实施例中，对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。液化二氧化碳的过程通常无法保证二氧化碳完全液化，通常会产生气态及液态的二氧化碳，其中第一液态二氧化碳即为液化产物，而第一气态二氧化碳仍具有较充足的冷能。
S103：以第一气态二氧化碳作为冷源对第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
在本实施例中，考虑到第一气态二氧化碳仍具有较充足的冷能，因此本实施例以第一气态二氧化碳为冷源对第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
通过上述方式，本实施例通过回收第一气态二氧化碳的冷能，能够提高液化系统整体的能量利用率，进而能够提高二氧化碳的液化效率以及降低液化系统整体的能耗。
并且，第一气态二氧化碳的冷能具体是应用于液化第二气源，其中液化二氧化碳环节通常要求其所应用的冷源具有较低的温度。对应地，第一气态二氧化碳具有较低的温度，即具备充足的冷能。第一气态二氧化碳的冷能在液化第二气源的过程中被回收利用，能够尽可能保证第一气态二氧化碳的冷能被充分回收利用，能够提高液化系统整体的能量利用率及提高二氧化碳的单程液化效率。
请参阅图3，图3是本申请二氧化碳的液化方法另一实施例的流程示意图。需要说明的是，本实施例二氧化碳的液化方法基于上述实施例阐述的二氧化碳的液化系统。
S201：将二氧化碳原料气输入入口缓冲罐。
在本实施例中，将二氧化碳原料气输入入口缓冲罐17，二氧化碳原料气先储存于入口缓冲罐17中，入口缓冲罐17输出的二氧化碳原料气再进行后续工艺环节。其中，二氧化碳原料气的压力为0.1～0.4MPaA，温度为0-50℃，二氧化碳体积分数为90-100％。
S202：入口缓冲罐中的二氧化碳原料气通过压缩元件、级间换热器进行逐级压缩冷却，并通过排凝管路逐级排放冷凝水。
在本实施例中，入口缓冲罐17中的二氧化碳原料气通过压缩元件151、级间换热器152进行逐级压缩冷却，并通过排凝管路154逐级排放冷凝水。其中，二氧化碳原料气经各级压缩元件151、级间换热器152逐级压缩冷却后，二氧化碳气体的温度为35～45℃。经最后一级冷却排凝后，二氧化碳气体中水摩尔分率小于1％。
S203：压缩后的二氧化碳原料气进入干燥机组进行深度脱水。
在本实施例中，压缩后的二氧化碳原料气进入干燥机组14进行深度脱水。干燥机组14的出口露点温度小于-40℃，并且干燥机组14采用分子筛吸附式干燥，配合以鼓风加热再生。
S204：脱水后的二氧化碳进入预冷器，并冷却至近饱和温度，其中预冷器输出的二氧化碳分为第一气源和第二气源。
在本实施例中，脱水后的二氧化碳进入预冷器131，并冷却至近饱和温度，以提高二氧化碳的单程液化效率。预冷器131所输出二氧化碳的温度可以根据压力选择13-30℃。并且，预冷器131输出的二氧化碳分为第一气源和第二气源，第一气源通过第一输出流路11输出，第二气源通过第二输出流路12输出。
S205：调节第一气源的流量及第二气源的流量。
在本实施例中，调节第一气源的流量及第二气源的流量，使得第一气源的流量大于第二气源的流量，如此既能够保证液化系统具有较高的二氧化碳液化效率，同时能够提高液化系统整体的能量利用率，进一步能够提高二氧化碳的液化效率以及降低液化系统整体的能耗。
其中，第一输出流路11所输出二氧化碳的流量占总流量的0.77至0.88，第二输出流路12所输出二氧化碳的流量占总流量的0.12至0.23，且第一输出流路11所输出二氧化碳的流量比例与第二输出流路12所输出二氧化碳的流量比例总和为1。
S206：第一液化装置接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。
在本实施例中，第一液化装置20接收第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳。第一液态二氧化碳为产物，第一气态二氧化碳作为后续第二液化装置30液化第二气源的冷源。
第一液化装置20中液化元件21的出口压力为1.0-1.6MPaA，液化元件21的出口温度为-40至27℃，液化元件21所输出二氧化碳的液相分率为0.17-0.29，即第一液态二氧化碳的分率为0.17-0.29。
S207：第二液化装置接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
在本实施例中，第二液化装置30接收第二气源并以第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。其中，第二液化装置30中冷凝器31的冷凝温度为11-26℃，冷凝器31所输出二氧化碳的液相分率大于0.85，且第二液态二氧化碳被过冷至5-15℃，以保证第二液态二氧化碳稳定处于液相状态。
S208：第一液态二氧化碳和第二液态二氧化碳经升压泵升压过冷后作为产物从液化系统中输出。
在本实施例中，第一液态二氧化碳和第二液态二氧化碳经升压泵18升压过冷后作为产物从液化系统中输出。第一液态二氧化碳和第二液态二氧化碳均通过升压泵18进行升压处理，以匹配下游环节的储运、利用方式，同时第一液态二氧化碳和第二液态二氧化碳具有一定的过冷度，能够保证液态的二氧化碳具有足够的稳定性。
S209：经过冷凝器的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳通过循环流路进行回流，循环流路中的二氧化碳分为两股，其中一股回流至级间缓冲罐，另一股作为弛放气通过弛放气控制阀排放。
在本实施例中，经过冷凝器31的第一气态二氧化碳和不凝气杂质及极少量的气态二氧化碳通过循环流路161进行回流。循环流路161中二氧化碳气体的压力约为1.0-1.6MPaA。循环流路161中的二氧化碳分为两股，其中一股回流至级间缓冲罐162，另一股作为弛放气通过弛放气控制阀163排放。当杂质不凝气摩尔含量高于0.08时，可以间歇开启弛放气控制阀163。级间缓冲罐162的操作压力为1.0～1.6MPaA。
以下示例性地阐述本申请实施例二氧化碳的液化方法。
实施例一：
(1)将上游初步净化后的，体积含量98％的二氧化碳原料气体送入入口缓冲罐17内，得到压力为0.2MPaA，温度20℃的原料气体；
(2)启动各级压缩元件151和级间换热器152。将入口缓冲罐17后的低压二氧化碳原料气体送入压缩元件151以进行逐级压缩，并经各级级间换热器152逐级冷却至40℃，经各级级间换热器152冷却排凝后，得到压力为4.8MPaA，温度为40℃，且含水量小于1％的二氧化碳。
(3)压缩后的二氧化碳原料气体自末级级间换热器152的出口进入干燥机组14进行深度脱水，干燥至露点温度小于-40℃。
(4)干燥后的二氧化碳进入预冷器131，冷却至12℃，循环冷水回路132提供7℃的冷水源。
(5)预冷器131输出的近饱和二氧化碳气体分为两股，一股作为主路进入第一液化装置20，另一股经分流调节元件33作为支路气体进入第二液化装置30，回收第一液化装置20所输出第一气态二氧化碳的冷能。其中，支路的分流比例为0.13。
(6)进入第一液化装置20的气体经膨胀后部分液化，其中液相分率为0.17，输出压力为1.0MPaA，温度为-40℃。经第一气液分离元件22后，低温的第一气态二氧化碳进入冷凝器31，提供冷量以冷凝支路的高压二氧化碳，之后第一气态二氧化碳的温度上升为6℃。
(7)支路在冷凝器31的出口过冷温度为-5℃，冷凝出的第二液态二氧化碳与膨胀液化得到的第一液态二氧化碳混合，经升压泵18升压过冷后，温度为-21℃，压力为4.8MPa，液态的二氧化碳作为产物从液化系统中输出。
实施例二：
(1)将上游初步净化后的，体积含量90％的二氧化碳原料气体送入入口缓冲罐17内，得到压力为0.3MPaA，温度40℃的原料气体；
(2)启动各级压缩元件151和级间换热器152。将入口缓冲罐17后的低压二氧化碳原料气体送入压缩元件151以进行逐级压缩，并经各级级间换热器152逐级冷却至40℃，经各级级间换热器152冷却排凝后，得到压力为7.2MPaA，温度为40℃，且含水量小于1％的二氧化碳。
(3)压缩后的二氧化碳原料气体自末级级间换热器152的出口进入干燥机组14进行深度脱水，干燥至露点温度小于-40℃。
(4)干燥后的二氧化碳进入预冷器131，冷却至26℃，循环冷水回路132提供12℃的冷水源。
(5)预冷器131输出的近饱和二氧化碳气体分为两股，一股作为主路进入第一液化装置20，另一股经分流调节元件33作为支路气体进入第二液化装置30，回收第一液化装置20所输出第一气态二氧化碳的冷能。其中，支路的分流比例为0.23。
(6)进入第一液化装置20的气体经膨胀后部分液化，其中液相分率为0.29，输出压力为1.5MPaA，温度为-29℃。经第一气液分离元件22后，低温的第一气态二氧化碳进入冷凝器31，提供冷量以冷凝支路的高压二氧化碳，之后第一气态二氧化碳的温度上升为17℃。
(7)支路在冷凝器31的出口过冷温度为22℃，冷凝出的第二液态二氧化碳与膨胀液化得到的第一液态二氧化碳混合，经升压泵18升压过冷后，温度为3℃，压力为5.5MPa，液态的二氧化碳作为产物从液化系统中输出。
实施例三：
(1)将上游初步净化后的，体积含量95％的二氧化碳原料气体送入入口缓冲罐17内，得到压力为0.28MPaA，温度30℃的原料气体；
(2)启动各级压缩元件151和级间换热器152。将入口缓冲罐17后的低压二氧化碳原料气体送入压缩元件151以进行逐级压缩，并经各级级间换热器152逐级冷却至40℃，经各级级间换热器152冷却排凝后，得到压力为6.5MPaA，温度为40℃，且含水量小于1％的二氧化碳。
(3)压缩后的二氧化碳原料气体自末级级间换热器152的出口进入干燥机组14进行深度脱水，干燥至露点温度小于-40℃。
(4)干燥后的二氧化碳进入预冷器131，冷却至23℃，循环冷水回路132提供12℃的冷水源。
(5)预冷器131输出的近饱和二氧化碳气体分为两股，一股作为主路进入第一液化装置20，另一股经分流调节元件33作为支路气体进入第二液化装置30，回收第一液化装置20所输出第一气态二氧化碳的冷能。其中，支路的分流比例为0.17。
(6)进入第一液化装置20的气体经膨胀后部分液化，其中液相分率为0.24，输出压力为1.4MPaA，温度为-31℃。经第一气液分离元件22后，低温的第一气态二氧化碳进入冷凝器31，提供冷量以冷凝支路的高压二氧化碳，之后第一气态二氧化碳的温度上升为10℃。
(7)支路在冷凝器31的出口过冷温度为15℃，冷凝出的第二液态二氧化碳与膨胀液化得到的第一液态二氧化碳混合，经升压泵18升压过冷后，温度为-6℃，压力为5MPa，液态的二氧化碳作为产物从液化系统中输出。
以上对本申请提供的二氧化碳的液化系统及液化方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (15)

1.一种二氧化碳的液化系统，其特征在于，所述液化系统包括：
预处理装置，其对二氧化碳原料气进行预处理以输出第一气源及第二气源；
第一液化装置，其接收所述第一气源并对第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳；及
第二液化装置，其接收所述第二气源并以所述第一气态二氧化碳作为冷源对接收后的第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置具有第一输出流路和第二输出流路，经预处理后的二氧化碳分为所述第一气源及所述第二气源，其中所述第一气源通过所述第一输出流路输出，所述第二气源通过所述第二输出流路输出；
所述第一液化装置连接所述第一输出流路，用于液化所述第一输出流路输出的所述第一气源；
所述第二液化装置连接所述第二输出流路和所述第一液化装置，所述第二液化装置以所述第一气态二氧化碳为冷源液化所述第二输出流路输出的所述第二气源。
3.根据权利要求2所述的液化系统，其特征在于，
所述第一液化装置包括：
液化元件，连接所述第一输出流路；
第一气液分离元件，连接所述液化元件，且具有第一气相输出端和第一液相输出端，其中所述第一气相输出端连接所述第二液化装置；
所述第一气液分离元件用于从经所述液化元件液化后的二氧化碳中分离出第一气态二氧化碳和第一液态二氧化碳，所述第一气态二氧化碳经所述第一气相输出端输出至所述第二液化装置，所述第一液态二氧化碳经所述第一液相输出端输出；
所述第二液化装置包括：
冷凝器，连接所述第二输出流路和所述第一气相输出端；
第二气液分离元件，连接所述冷凝器，且具有第二液相输出端，所述第二气液分离元件用于从经所述冷凝器液化后的二氧化碳中分离出第二液态二氧化碳，所述第二液态二氧化碳经所述第二液相输出端输出。
4.根据权利要求2或3所述的液化系统，其特征在于，
所述第一输出流路所输出二氧化碳的流量大于所述第二输出流路所输出二氧化碳的流量。
5.根据权利要求4所述的液化系统，其特征在于，
所述第一输出流路所输出二氧化碳的流量占总流量的0.77至0.88；
所述第二输出流路所输出二氧化碳的流量占总流量的0.12至0.23。
6.根据权利要求3所述的液化系统，其特征在于，
所述第二液化装置还包括分流调节元件；
所述冷凝器通过所述分流元件连接所述第二输出流路，所述分流调节元件用于调节流经所述第二输出流路的二氧化碳的流量。
7.根据权利要求2或3所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置包括：
预冷器，连接所述第一输出流路和所述第二输出流路；
循环冷水回路，连接所述预冷器，用于向所述预冷器提供冷媒；
所述预冷器用于对输入其中的二氧化碳进行冷却，经所述预冷器冷却后的二氧化碳分别通过所述第一输出流路和所述第二输出流路输出；
其中，所述循环冷水回路输入至所述预冷器中的冷水温度高于所述第一气态二氧化碳的温度。
8.根据权利要求7所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置还包括：
干燥机组，所述干燥机组通过所述预冷器连接所述第一输出流路和所述第二输出流路，用于对输入所述预冷器的二氧化碳进行干燥。
9.根据权利要求3所述的液化系统，其特征在于，
所述第二气液分离元件还具有第二气相输出端；
所述预处理装置包括：
压缩元件；且
所述液化系统还包括：
循环流路；
其中，所述冷凝器的冷侧介质出口及所述第二气相输出端通过所述循环流路连接所述压缩元件。
10.根据权利要求9所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置还包括：
级间缓冲罐；
所述循环流路通过所述级间缓冲罐连接所述压缩元件。
11.根据权利要求9所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置包括出口压力逐级增大的第一级压缩元件、第二级压缩元件、第三级压缩元件及第四级压缩元件；
所述循环流路连接于所述第二级压缩元件和所述第三级压缩元件之间，所述循环流路中二氧化碳的压力介于所述第二级压缩元件的出口压力和所述第三级压缩元件的出口压力之间。
12.根据权利要求9所述的液化系统，其特征在于，
所述预处理装置还包括：
级间换热器，与所述压缩元件串联；
循环冷却水回路，连接所述级间换热器，用于向所述级间换热器提供冷源；
排凝管路，连接所述级间换热器，所述级间换热器中的冷凝水通过所述排凝管路排放。
13.根据权利要求2或3所述的液化系统，其特征在于，
所述液化系统还包括：
入口缓冲罐，连接所述预处理装置，二氧化碳原料气通过所述入口缓冲罐传输至所述预处理装置。
14.一种二氧化碳的液化方法，其特征在于，所述液化方法包括：
对二氧化碳原料气进行预处理，以输出第一气源及第二气源；
对所述第一气源进行液化，以输出第一液态二氧化碳及第一气态二氧化碳；
以所述第一气态二氧化碳作为冷源对所述第二气源进行液化，以输出第二液态二氧化碳。
15.根据权利要求14所述的液化方法，其特征在于，
所述对所述第一气源进行液化的步骤及所述对所述第二气源进行液化的步骤之前包括：
调节所述第一气源的流量及所述第二气源的流量，使得所述第一气源的流量大于所述第二气源的流量。
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