1.本发明属于新型储能、发电和环保减排应用领域，特别涉及一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统。
背景技术：2.工业废气排放是目前化工生产、发电、交通运输等众多领域中所面临的重要环境问题，由于废气中含有大量的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和烟尘颗粒等多种危害环境的组分，直接排放后会加剧环境问题并危害人体健康，而且废气往往温度较高，同时还会加剧温室效应的影响，因此对废气的处理和无害化措施非常重要，主要包括烟尘固体的过滤收集、有毒有害气体去除和二氧化碳的捕集等几部分工作。烟尘固体可以通过过滤器进行滤除收集；根据有毒有害气体的不同种类，常用的处理方法包括活性炭吸附、直接燃烧、催化燃烧、物理或化学吸收、等离子体分解等；二氧化碳常用捕集方法包括化学吸收、物理吸收、吸附、膜分离、化学键分离等。目前相关应用已在实际生产中取得了广泛应用，但同时存在系统结构复杂、工作成本较高、能耗较高等问题。如果采用深冷法将废气的温度逐级降低，依次达到各项有害气体的沸点以及二氧化碳的凝固点以下，可以通过相变方式将其从废气中逐级分离。分离之后剩余的低温乏气仍含有显著的冷量，可以作为制冷剂用于其他需要降温的应用场景。
3.液态空气是一种重要的工业产品，其温度一般在-192℃以下，气化过程中可以吸收大量热量，具有显著的制冷效果，同时吸热后的膨胀过程中压力迅速升高，可以用于推动涡轮发电机产生电能，该方法称为液态空气储能，而空气吸热过程中的热源条件则是限制该储能系统工作效率和经济效益的重要因素。考虑到工业废气中常携带有大量的废热，将液态空气用于对高热废气的冷却可以回收膨胀发电所需的热量，在降低废气温度的同时实现低成本发电。系统工作中可以同时实现废气中有害污染物的清除、二氧化碳的固定捕集、工业废热的回收减排和液态空气储能膨胀发电等多个目标，具有良好的生态、经济效益和广阔的应用前景。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明提出了一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，其具体技术方案如下：
5.一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，包括进液控制阀、液空储罐、液体泵、换热器一、换热器二、换热器三、涡轮发电机、烟尘过滤器、干燥器、气泵、气液分离器一、氮氧化物收集容器、气液分离器二、硫氧化物收集容器、网状筛、干冰收集容器、换热器四，其中，
6.液态空气流路由进液控制阀、液空储罐、液体泵、换热器一、换热器二、换热器三、涡轮发电机构成；液态空气通过进液控制阀进入液空储罐，液空储罐的出口与液体泵的入口相连，液体泵的出口与换热器一的冷端入口相连，换热器一的冷端出口与换热器二的冷
端入口相连，换热器二的冷端出口与换热器三的冷端入口相连，换热器三的冷端出口与涡轮发电机的入口相连；
7.废气流路由烟尘过滤器、干燥器、气泵、换热器三、气液分离器一、氮氧化物收集容器、换热器二、气液分离器二、硫氧化物收集容器、换热器一、网状筛、干冰收集容器、换热器四构成，废气首先通过烟尘过滤器，烟尘过滤器的出口与干燥器的入口相连，干燥器的出口与气泵的入口相连，气泵的出口与换热器三的热端入口相连，换热器三的热端出口与气液分离器一的入口相连，气液分离器一的液相出口与氮氧化物收集容器相连，气液分离器一的气相出口与换热器二的热端入口相连，换热器二的热端出口与气液分离器二的入口相连，气液分离器二的液相出口与硫氧化物收集容器相连，气液分离器二的气相出口与换热器一的热端入口相连，换热器一的热端出口与网状筛的入口相连，网状筛的靠近换热器一一端的出口与干冰收集容器相连，远离换热器一一端的出口与换热器四的冷端入口相连，其他需要冷却的工质由换热器四的热端入口输入进行换热冷却。
8.本发明系统内可以同时实现清除工业废气中的烟尘固体和主要的有毒有害气体、捕集固定二氧化碳、降低废气排放温度和实现液态空气膨胀发电。
9.优选地，换热器一、换热器二、换热器三的类型为套管式换热器或板翅式换热器。
10.优选地，经过除杂、固碳和冷量回收后的工业废气由换热器四的冷端出口直接排放。
11.优选地，系统可以根据实际所需处理的废气类型灵活调整制冷温度区间和换热器、气液分离器的级数，以分离和除去各个沸点的杂质气体。
附图说明
12.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，下面将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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
13.图1为本发明一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统的原理图。
14.附图标记：
15.1-进液控制阀，2-液空储罐，3-液体泵，4-换热器一，5-换热器二，6-换热器三，7-涡轮发电机，8-烟尘过滤器，9-干燥器，10-气泵，11-气液分离器一，12-氮氧化物收集容器，13-气液分离器二，14-硫氧化物收集容器，15-网状筛，16-干冰收集容器，17-换热器四。
具体实施方式
16.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具
有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
19.实施例：
20.如图1所示，本发明实施例一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，由进液控制阀1、液空储罐2、液体泵3、换热器一4、换热器二5、换热器三6、涡轮发电机7、烟尘过滤器8、干燥器9、气泵10、气液分离器一11、氮氧化物收集容器12、气液分离器二13、硫氧化物收集容器14、网状筛15、干冰收集容器16、换热器四17构成。
21.液态空气流路由进液控制阀1、液空储罐2、液体泵3、换热器一4、换热器二5、换热器三6、涡轮发电机7构成。由液化工序制得的液态空气通过进液控制阀1进入液空储罐2，液空储罐2的出口与液体泵3的入口相连，液体泵3的出口与换热器一4的冷端入口相连，换热器一4的冷端出口与换热器二5的冷端入口相连，换热器二5的冷端出口与换热器三6的冷端入口相连，换热器三6的冷端出口与涡轮发电机7的入口相连。
22.废气流路由烟尘过滤器8、干燥器9、气泵10、换热器三6、气液分离器一11、氮氧化物收集容器12、换热器二5、气液分离器二13、硫氧化物收集容器14、换热器一4、网状筛15、干冰收集容器16、换热器四17构成。废气首先通过烟尘过滤器8，烟尘过滤器8的出口与干燥器9的入口相连，干燥器9的出口与气泵10的入口相连，气泵10的出口与换热器三6的热端入口相连，换热器三6的热端出口与气液分离器一11的入口相连，气液分离器一11的液相出口与氮氧化物收集容器12相连，气液分离器一11的气相出口与换热器二5的热端入口相连，换热器二5的热端出口与气液分离器二13的入口相连，气液分离器二13的液相出口与硫氧化物收集容器14相连，气液分离器二13的气相出口与换热器一4的热端入口相连，换热器一4的热端出口与网状筛15的入口相连，网状筛15的靠近换热器一4一端的出口与干冰收集容器16相连，远离换热器一4一端的出口与换热器四17的冷端入口相连，其他需要冷却的工质由换热器四17的热端入口输入(图1中上侧粗线所示)进行换热冷却。
23.本发明中所涉及到的管道均耐压和保温性能良好，可以承受高压和低温条件下的长时间工作。
24.进一步的，本发明中所使用的换热器可使用且不限于套管式换热器、板翅式换热器等类型。
25.同时，经过除杂、固碳和冷量回收后的工业废气可以由换热器四17的冷端出口直接排放，符合环保指标要求。
26.工业废气中通常富含烟尘固体、水蒸气、氮氧化物、硫氧化物、碳氧化物和碳氢可燃物等多种杂质。本发明实施例以常见类别为代表，氮氧化物以二氧化氮为主，硫氧化物以二氧化硫为主，可燃性杂质预先通过富氧燃烧等措施去除。常压条件下，二氧化氮沸点为21℃、熔点为-11℃，二氧化硫沸点为-10℃、熔点为-75.5℃，二氧化碳只能凝华、熔点为-78.5℃，借鉴分馏的思想，将废气逐级降温至各组分的沸点之下后，通过气液分离器排出液态杂质，并在最后一步凝固得到干冰产物。
27.系统运行时，由液化工序制得的液态空气通过进液控制阀1输入液空储罐2进行临
时储存，之后经过液体泵3进行增压，而后依次经过换热器一4、换热器二5、换热器三6与另一侧输入的高温废气进行逐级换热，液态空气吸热后升温膨胀、压力增大，由换热器三6输出时空气为高温高压状态，之后输入涡轮发电机7中推动涡轮转动发电，之后排出至大气或再次进入空气液化循环系统。
28.高温工业废气首先经过烟尘过滤器8滤除所含的固体杂质，之后经过干燥器9进行除水，干燥废气通过气泵10加压至3-4bar，而后经过换热器三6进行第一级冷却，温度降低至15℃后进入气液分离器一11，分离得到液相的二氧化氮排出；气相输出进入换热器二5进行第二级冷却，温度降低至-15℃后进入气液分离器二13，分离得到液相的二氧化硫排出；气相输出进入换热器一4进行第三级冷却，温度降低至-80℃后可得到固态二氧化碳(干冰)，利用废气压力的吹扫和网状筛15的过滤作用，可以将干冰整理到干冰收集容器16中保存。通过网状筛15后的乏气由于温度极低，携带着显著的冷量，可以进一步作为制冷剂用于其他工质的冷却需要。
29.本发明系统可以根据实际所需处理的废气类型灵活调整制冷温度区间和换热器、气液分离器的级数，以分离和除去各个沸点的杂质气体。
30.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
31.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，其特征在于，包括进液控制阀(1)、液空储罐(2)、液体泵(3)、换热器一(4)、换热器二(5)、换热器三(6)、涡轮发电机(7)、烟尘过滤器(8)、干燥器(9)、气泵(10)、气液分离器一(11)、氮氧化物收集容器(12)、气液分离器二(13)、硫氧化物收集容器(14)、网状筛(15)、干冰收集容器(16)、换热器四(17)，其中，液态空气流路由进液控制阀(1)、液空储罐(2)、液体泵(3)、换热器一(4)、换热器二(5)、换热器三(6)、涡轮发电机(7)构成；液态空气通过进液控制阀(1)进入液空储罐(2)，液空储罐(2)的出口与液体泵(3)的入口相连，液体泵(3)的出口与换热器一(4)的冷端入口相连，换热器一(4)的冷端出口与换热器二(5)的冷端入口相连，换热器二(5)的冷端出口与换热器三(6)的冷端入口相连，换热器三(6)的冷端出口与涡轮发电机(7)的入口相连；废气流路由烟尘过滤器(8)、干燥器(9)、气泵(10)、换热器三(6)、气液分离器一(11)、氮氧化物收集容器(12)、换热器二(5)、气液分离器二(13)、硫氧化物收集容器(14)、换热器一(4)、网状筛(15)、干冰收集容器(16)、换热器四(17)构成，废气首先通过烟尘过滤器(8)，烟尘过滤器(8)的出口与干燥器(9)的入口相连，干燥器(9)的出口与气泵(10)的入口相连，气泵(10)的出口与换热器三(6)的热端入口相连，换热器三(6)的热端出口与气液分离器一(11)的入口相连，气液分离器一(11)的液相出口与氮氧化物收集容器(12)相连，气液分离器一(11)的气相出口与换热器二(5)的热端入口相连，换热器二(5)的热端出口与气液分离器二(13)的入口相连，气液分离器二(13)的液相出口与硫氧化物收集容器(14)相连，气液分离器二(13)的气相出口与换热器一(4)的热端入口相连，换热器一(4)的热端出口与网状筛(15)的入口相连，网状筛(15)的靠近换热器一(4)一端的出口与干冰收集容器(16)相连，远离换热器一(4)一端的出口与换热器四(17)的冷端入口相连，其他需要冷却的工质由换热器四(17)的热端入口输入进行换热冷却。2.根据权利要求1所述的基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，其特征在于，换热器一(4)、换热器二(5)、换热器三(6)的类型为套管式换热器或板翅式换热器。3.根据权利要求1所述的基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，其特征在于，经过除杂、固碳和冷量回收后的工业废气由换热器四(17)的冷端出口直接排放。4.根据权利要求1所述的基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，其特征在于，系统可以根据实际所需处理的废气类型灵活调整制冷温度区间和换热器、气液分离器的级数，以分离和除去各个沸点的杂质气体。
技术总结本发明公开了一种基于液态空气的固碳、工业废气净化和废热发电联合系统，主要包括进液控制阀、液空储罐、液体泵、多级换热器、涡轮发电机、烟尘过滤器、干燥器、气泵、多组气液分离器、氮氧化物收集容器、硫氧化物收集容器、网状筛、干冰收集容器等。液态空气经过换热器与高温工业废气逐级换热，液态空气吸热后升温膨胀，输入涡轮发电机中推动涡轮转动发电。高温工业废气经过烟尘固体过滤、干燥器除水后泵送入换热器，经过液态空气的逐级冷却后先后得到液态二氧化氮和二氧化硫，继续降温后可凝华制得固态二氧化碳。通过网状筛后的乏气具有显著的冷量，可以进一步作为制冷剂用于其他工质的冷却需要。冷却需要。冷却需要。
技术研发人员：李吉冬 许未晴 胡诗伟 蔡茂林 苟仲武 杜丙同 李晶
受保护的技术使用者：山东爱索科技集团有限公司
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
