采用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其(火用)分析

2007年第2期低溫工程No.22007總第156期CRYOGENICSSum No 156采用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其分析燕娜厲彥忠(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院710049西安)摘要:提出了2種采用液化天然氣(LNG)冷量的新流程,并采用 Aspen Plus對流程進(jìn)行了模擬計算?？諝庋h(huán)膨脹制冷的液體空分流程采用LNG冷量代替了空氣外循環(huán)制冷,簡(jiǎn)化了制冷系統與原始流程相比,液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗降低約49%;氪氣循環(huán)膨脹制冷的液體空分流程采用LNG冷量代替了高壓氪氣外循環(huán)制冷,系統所需循環(huán)氪氣量減少,最高運行壓力從4.6MPa降低到了2.6MPa,液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗降低約53%。對流程的斕分析表明,與原始流程相比,新流程制冷單元的損失大大降低,系統整體的婤效率也得到了提高,LNG冷量回收用于空分流程制冷系統有利于節約生產(chǎn)成本,降低能耗,提高系統能量利用效率。關(guān)鍵詞:液化天然氣空分流程冷量回收嫻分析中圖分類(lèi)號;TB611,TE62.5文獻標識碼:A文章編號:10006516(2007)024040406Scheme analysis on the liquid product air separationplant using the cold energy of LNGYan Na Li YanzhongSchool of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: Two different modified air separation systems giving liquid products were designed and theresults were compared. Instead of air and nitrogen expanding refrigeration unit, LNG cold energy was usedrespectively to pre-cool the material air and cycle nitrogen in the two systems. These two systems were simulated with Aspen Plus software and an exergy analysis was performed. Compared with conventional methodwithout using LNG, the new systems without external air or nitrogen cycle were simpler and more convenient. From the determined results it was found out that the consumed electric energy per-product decreased about 49% for the first scheme and about 53% for the second scheme after using LNGcold energy, the exergy losses of these two new systems also decreased a lot, and the rational efficiency increased about 17% separately. Thus it can be stated that using this new modification in the air separationsystern much beneficial results were obtained than the contemporary onesKey words: liquefied natural gas(LNG); air separation plant; cold energy recovery; exergy analysis收稿日期:2007014;修訂日期:200703-31第2期采用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其傭分析氣循環(huán)流程°。原料空氣首先進(jìn)入壓縮機壓縮至約1引言0.6MPa,然后經(jīng)分子篩純化器去除雜質(zhì)后,其中液化天然氣(ING)是天然氣經(jīng)過(guò)脫酸脫水處理部分原料空氣通過(guò)循環(huán)壓縮機進(jìn)一步加壓,另一部分后,冷凍液化得到的低溫液體(約112K)。目前LNG直接進(jìn)入主換熱器中被冷卻至100K左右進(jìn)入下塔作為燃料利用時(shí),往往要先汽化,在汽化過(guò)程中會(huì )釋底部參加精餾過(guò)程。從循環(huán)壓縮機輸出的空氣被增放出約830kJ/kg冷量,這些低溫冷量不僅數量大,壓機增壓之后,經(jīng)主換熱器上部和制冷機組冷卻,且品質(zhì)高,若能合理回收利用將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效部分進(jìn)入透平膨脹機,膨脹后的循環(huán)氣流再通過(guò)主換益。低溫冷量應盡可能在低溫下利用,由此提出了將熱器,返回到循環(huán)壓縮機吸入口,另一部分節流后參LNG冷量用于空分制冷系統的方案“4,且通過(guò)熱力加精餾。主換熱器向原料空氣提供的冷量來(lái)源于返學(xué)分析得到LNG冷能的引進(jìn)有利于提高氣體液化循流的污氮氣,產(chǎn)品氮氣、氧氣以及膨脹后的循環(huán)空氣。環(huán)的液化系數,特別適合于生產(chǎn)較多液態(tài)產(chǎn)品的場(chǎng)圖1b所示為采用LNG冷量后的新流程,新流程是在合。液體空分產(chǎn)品具有便于儲存、供應方便、減少圖1a所示的原始流程基礎上改造得到。0.6MPa的放散、保證質(zhì)量、提高輸送效率等優(yōu)點(diǎn),將會(huì )在空分產(chǎn)原料空氣一部分通過(guò)增壓機進(jìn)一步加壓,再通過(guò)冷水品中占更重要的地位。液體空分設備的流程組織按機組冷卻到約300K,隨后在主換熱器中繼續降溫至照制冷介質(zhì)的工作狀況主要分為空氣循環(huán)膨脹制冷約120K,最后節流進(jìn)入下塔中部;另一部分直接進(jìn)和氮氣循環(huán)膨脹制冷。因此,在總結了前人研究成果主換熱器中被冷卻至100K左右進(jìn)入下塔底部參的基礎上,本文針對所述2種制冷循環(huán)分別提出了1加精餾過(guò)程。主換熱器向原料空氣提供的冷量來(lái)源種利用LNG冷量的新流程。于返流的污氮氣,產(chǎn)品氮氣、氧氣以及LNG。新流程利用LNG冷量冷卻原料空氣,用外界冷量取代了空2采用LNG冷量的液體空分流程氣循環(huán)膨脹制冷,取消了空氣膨脹機以及制冷機組,2.1空氣膨脹制冷流程流程組織更加簡(jiǎn)單,能耗大大降低。圖1a所示是帶增壓透平膨脹機和制冷機組的空OX LIN圖1空氣循環(huán)膨脹制冷流程Fig. 1 Air expanding refrigeration system為進(jìn)一步說(shuō)明新流程的優(yōu)勢,本文使用 ASPEN擬計算中,物性選用RKS方程,壓縮機的等溫效率取PLUS軟件對新舊流程進(jìn)行了模擬計算,現介紹一組.7,膨脹機等熵效率取0.8,機械效率取0.9,系統總算例的運行參數。原料空氣初始狀態(tài)0.1MPa、300的冷損失取20kW。LNG的進(jìn)口參數取為1.0MPa低溫工程2007年954K、0.999),液氧4140m3/h(0.15MPa、2.2氮氣膨脹制冷流程938K,0.996),氮氣3860m3/h(0.1MPa、297K圖2a是采用雙溫膨脹的氮氣循環(huán)液體流程0.999模擬計算結果匯總如表1所示。表中其空氣首先被壓縮至約0.6MPa,經(jīng)分子篩純化器去除它能耗指的是輔助設備如分子篩純化器冷水機組等雜質(zhì)后,在主換熱器中被冷卻并送入下塔底部參加精的能耗,參考文獻[9]選取。由于本文的方案生產(chǎn)雙高餾。循環(huán)壓縮機出口處的氮氣,一部分經(jīng)循環(huán)換熱器純的液態(tài)產(chǎn)品,為了便于比較液態(tài)產(chǎn)品的能耗(包括液熱段冷卻后去高溫透平膨脹機膨脹,另一部分氮氣經(jīng)氧和液氮),引入單位液態(tài)產(chǎn)品能耗N的概念,它揭示兩臺串聯(lián)安裝的增壓機增壓后,再經(jīng)循環(huán)換熱器冷了生產(chǎn)每千克液態(tài)產(chǎn)品所要消耗的電能按下式計算:卻,在低溫透平膨脹機中膨脹。兩臺膨脹機膨脹后的N(1)氮氣,經(jīng)循環(huán)換熱器復熱后返回循環(huán)壓縮機的入口。還有部分增壓氮氣在循環(huán)換熱器冷段液化后,經(jīng)節流式中N表示系統總能耗,mu表示液氮產(chǎn)品的送入下塔頂部為精餾塔提供冷量。如圖2b所示為采質(zhì)量,m1x表示液氧產(chǎn)品的質(zhì)量用LNG冷量的氮氣循環(huán)液體新流程。其中精餾系統表1所示為采用空氣循環(huán)的新舊流程模擬結果與圖2a所示的原始流程基本相同,主要區別在于制匯總,從計算結果可以看出,新流程與原始的液體流冷系統。原始流程中,循環(huán)氮氣分為內外兩股循環(huán),程相比較有明顯的改善。新流程取消了循環(huán)空氣膨內循環(huán)為精餾塔提供冷量,而外循環(huán)為內循環(huán)氮氣提脹制冷,系統所需的輸入功大大減少,因此新流程單供冷量。新流程取消了氮氣外循環(huán)制冷系統,這部分位液態(tài)產(chǎn)品的能耗由原來(lái)的0.775kWh/kg降低到冷量由LNG的冷量代替。新流程是這樣運行的:來(lái)了0.395kWh/kg自下塔頂部的循環(huán)氮氣大部分首先通過(guò)主換熱器吸表1采用空氣循環(huán)的新舊流程模擬結果匯總收熱量,將原料空氣冷卻,另一小部分在LNG換器中Tablel Simulation results of the air expanding釋放冷量,兩股匯合再進(jìn)入循環(huán)壓縮機壓縮至約2.6refrigeration systemMPa,經(jīng)冷水機組降溫后,直接進(jìn)入LNG換熱器吸收技術(shù)指標原始流程新流程LNG氣化釋放的冷量,被冷卻到120K左右,然后通加工空氣量/(m3/h)2000020000出口壓力/MPa、溫度/K0(297)過(guò)節流閥降壓至約0.55MPa,回到下塔提供冷量,接LNG用量/d-1著(zhù)進(jìn)入下一次循環(huán)。循環(huán)空氣與原料空氣流量之比2.5865新流程取消了氮氣外循環(huán)系統,在設備上省去了原料空氣消耗的壓縮功/kWl611空氣增壓機耗功/kW氮透平膨脹機和增壓壓縮機,使流程組織更加簡(jiǎn)單,其它能耗/kW用LNG的冷量代替了氮氣膨脹制冷,有效回收了單位液態(tài)產(chǎn)品能耗/(kWh/kg)0.7750.395LNG冷量,同時(shí)節約了能耗。2氮氣循環(huán)膨脹制冷流程第2期釆用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其傭分析在對氮氣循環(huán)的流程進(jìn)行模擬時(shí),參數的選取與定義為輸出的有效利用的凈傭E,與輸入凈E.空氣循環(huán)基本相同,只是流程的產(chǎn)品有所不同:液氮之比3000m3/h(0.55MPa、952K、0.999,液氧4000n= Ed/E(3)m/h(0.15MPa.94K0.999,氮氣1000m3/h(0.1傭效率表征系統對傭的有效利用率。用煙效率MPa、297K、0.9999)。模擬計算結果匯總如表2所代替熱效率,除了能反映整個(gè)循環(huán)的能量轉換效率外,還可以確定實(shí)際過(guò)程與理論過(guò)程的偏離程度,得表2所示為采用氮氣循環(huán)的新舊流程模擬結果。到不可逆損失的分布情況,進(jìn)而確定系統的薄弱環(huán)節從表2可以看出,新流程所需循環(huán)氮氣量大大減少,及提出改進(jìn)措施。系統的最高運行壓力由原來(lái)的4.6MPa降低到2.6本文進(jìn)行傭分析時(shí),采用的是系統灰箱分析模MPa。從能耗上來(lái)看,新流程降低了約50%,由原來(lái)型?；蚁淠Ｐ偷奶攸c(diǎn)是,將系統中所有設備均視為黑的0.663kWh/kg減少到0.313kWh/kg,而能耗節約箱,黑箱與黑箱之間以主傭流線(xiàn)連接起來(lái)形成網(wǎng)絡(luò )的根本原因在于循環(huán)氣量的減少和最高運行壓力的對于一個(gè)流程來(lái)說(shuō)要完成嫻分析就必須知道流程中降低。每一個(gè)流股的傭?？辗窒到y物流特點(diǎn)在于組分變化,氣液混合,一個(gè)穩定流動(dòng)的多組分物流包含了焓傭和表2采用氮氣循環(huán)的新舊流程模擬結果匯總化學(xué)嫻。焓嫻是指同一種工質(zhì)偏離與大氣環(huán)境相平Table 2 Simulation results of the nitrogen expanding衡的狀態(tài)時(shí)具有的做功能力,可表示為refrigeration systemEx=(H-H0)-To(S-S0)(4技術(shù)指標原始流程新流程化學(xué)傭指由于工質(zhì)成分變化和質(zhì)量交換引起的加工空氣量/(m3/h)20000LNG出口壓力/MPa、溫度/K1,0(297)做功能力的變化。本文把含氧量0.209、含氮量LNG用量/td-0.791、P0=0.1MPa、T=300K的空氣作為環(huán)境狀循環(huán)氮氣與加工空氣流量之比2602506152態(tài),即值零點(diǎn)。若空氣偏離上述環(huán)境狀態(tài)則具有正原料空氣消耗的壓縮功/kW循環(huán)氮氣消耗的壓縮功八W嫻值,如果某種氣體成分和上述空氣成分不同,視作其它能耗/kW600由空氣分離而得,在分離過(guò)程中所需的最小分離功是系統最高運行壓力/MPa化學(xué)傭。最小分離功就是將該混合氣體的每個(gè)組分單位液態(tài)產(chǎn)品能耗/(kWh/kg)0.313由其分壓力等溫壓縮到混合氣體壓力所需的功。低溫空分流程中工質(zhì)在不同的狀態(tài)下發(fā)生變化的主要3系統的煙分析為組分、溫度和壓力,因此本文在計算物流嫻的過(guò)程中只考慮這兩種的變化。工質(zhì)在某一狀態(tài)下的焓3.1基本概念嫻和化學(xué)嫻之和即是該物流總的傭值。嫻表征能量轉變?yōu)楣Φ哪芰图夹g(shù)上的有用程Ex Ex +Ex h度,它可以用來(lái)評價(jià)能量的質(zhì)量或級位。數量相同而3.2空分流程的嫻分析形式不同的能量,嫻大的能量比傭少的能量品質(zhì)要3.2.1空氣膨脹制冷流程高?；跓崃W(xué)第一、第二定律的嫻分析揭示了一個(gè)表3所示為以空氣膨脹制冷為基礎的新舊流程過(guò)程的熱力學(xué)完善程度,包括所有物料和能量的品質(zhì)系統總體傭分析結果。從表中可以看出,在得到的產(chǎn)損失。本節從傭分析的角度,對前述采用LNG冷量品傭相同的情況下采用空氣循環(huán)膨脹制冷的原始流的液體空分新流程以及原始的液體流程,在相同的生程需要投入的嫻值比采用LNG冷量的新流程要多,產(chǎn)條件下進(jìn)行了各單元和系統整體的傭分析而系統總體的煙效率前者低于后者。原因在于新流進(jìn)入系統的ΣE與離開(kāi)系統的擁E及系統程用ING的冷量代替了空氣循環(huán)膨脹制冷,不需要總的傭損失∑E之間可建立傭平衡關(guān)系,即循環(huán)空氣,也不需要這部分空氣的壓縮耗功,使得投∑E=∑E2+∑E入功量大大減少,因此效率更高系統總煙損失ΣEA等于各環(huán)節的嫻損失之和。圖3所示為以空氣膨脹制冷為基礎的新舊流程嫻分析是以傭平衡方程為基礎,分析評價(jià)系統的一種各單元嫻損失分布圖。從圖3a中可以看出,采用空方法,它可以更全面更本質(zhì)地揭示用能狀況。嫻效率氣循環(huán)膨脹制冷的原始流程煙損失主要集中在空氣低工程2007年膨脹制冷單元,主換熱器由于承擔了空氣液化工作,失大大降低,由于增設了空氣液化器,主換熱器的損畑損失也相當大。圖3b所示的新流程制冷單元的損失也減少了。表3空氣膨脹制冷流程分析結果Table 3 Results of the exergy analysis air expanding refrigeration system)分析條件原始流程新流程空壓機耗功1610.91610.9投入傭/kW增壓機耗功3336.04946.93230.0LNG冷量傭液氮液氧572.91572.9產(chǎn)品煙/kW氮氣28.8污氮系統炯效率0.31818001400把800400∏空氣壓縮機主換熱器制冷單元精餾單元氣壓縮機主換熱器制冷單元精餾單元(b)圖3空氣膨脹制冷流程有效能損失分布圖Fig 3 Exergy losses inexpanding refrigeration system3.22氮氣膨脹制冷流程圖4所示為以氮氣膨脹制冷為基礎的新舊流程表4所示為以氮氣膨脹制冷為基礎的新舊流程各單元傭損失分布圖。從圖4a中可以看出,采用氮系統總體嫻分析結果。從表中可以看出,在得到的產(chǎn)氣外循環(huán)膨脹制冷的原始流程嫻損失也集中在制冷品嫻相同的情況下,采用氮氣外循環(huán)膨脹制冷的原始單元高低溫膨脹機、增壓機以及功率匹配帶來(lái)的損流程需要投入的傭值比采用LNG冷量的新流程要失相當大,尤其低溫膨脹機在低溫區工作時(shí)效率相當多,而系統總體的傭效率前者低于后者。原因在于新低是造成煙損失的主要原因。圖4b所示的新流程制流程用ING的冷量代替了氮氣外循環(huán)膨脹制冷,取冷單元的損失降低到了原始流程的1/3左右,用LNG消了外循環(huán)氮氣,而且降低了系統運行壓力,使得內的冷量代替壓縮膨脹制冷,取消了膨脹機、增壓機等循環(huán)氮氣所需的壓縮功大大減少。損失較大的設備,因此損失降低了。表4氮氣膨脹制冷流程煙分析結果Table 4 Results of the exergy analysis( nitrogen expanding refrigeration system)寸析條件原始流程新流程空壓機耗功1592,81592.8投人傭/kW增壓機耗功5694.83821.3LNG冷量傭480.4液氮727.4產(chǎn)品嫻/kW液氧氣14.9系統效率0.3470.517第采用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其嫻分析1500汽氣壓縮機主換熱器制冷單元精餾單氣壓縮機主換熱器制冷單元精餾單元圖4氮氣膨脹制冷流程有效能損失分布圖Fig 4 Exergy losses in the nitrogen expanding refrigeration systemsource.USA,5220798,19934結論Nakaiwa M, Akiya T, Owa M, et al. Evaluation of an energy supply(1)空氣循環(huán)膨脹制冷液體空分流程引進(jìn)LNGsystem with air separation. Energy Supply System, 1996, 37(3): 295冷量代替了空氣外循環(huán),省去了空氣膨脹機、增壓機3燕娜,厲彥忠,液化天然氣冷能在空分裝置中應用的發(fā)展現狀和制冷機組,簡(jiǎn)化了流程。液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗從原和前景孫國民中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì )第十五次會(huì )員代表大會(huì )始流程的約0.775kWh/kg降低到0.395kWh/kg,降暨氣體行業(yè)發(fā)展研討會(huì )論文集,北京:中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì ),低了約49%,節能效果明顯。(2)釆用氮氣外循環(huán)膨脹制冷的液體空分流程4燕娜,厲彥忠脫瀚斐.基于液化天然氣冷量的液體空分新流引進(jìn)LNG冷量后取消了高壓氮氣外循環(huán),省去了雙程西安交通大學(xué)學(xué)報,2007,41(1):1225燕娜厲彥忠采用LNG冷量的氣體液化循環(huán)熱力學(xué)分析,空溫透平膨脹機、增壓機以及制冷機組,簡(jiǎn)化了流程。分技術(shù),2006,1(1):12~18引進(jìn)LNG冷量后,所需循環(huán)氮氣量明顯減少,系統最6張世田,葉婧典型空分工藝流程的比較孫國民中國工業(yè)氣高運行壓力從4.6MPa降低到2.6MPa,液態(tài)產(chǎn)品的體工業(yè)協(xié)會(huì )第十五次會(huì )員代表大會(huì )暨氣體行業(yè)發(fā)展研討會(huì )論文單位能耗從原來(lái)的0.663kWh/kg降低到0.313集北京:中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì ),2005:98-1027楊長(cháng)青林輝魏冰.全液體空分設備的設計深冷技術(shù),200kWh/kg,降低了約53%。(4):16-21(3)對流程的傭分析結果可以看出,原始流程中8毛紹磁,錢(qián)字峰空分流程中兒個(gè)基本熱力過(guò)程的分析深冷救制冷單元的傭損失占有較大比例,而采用LNG的新術(shù),2002(1):1-5流程制冷單元的損失大大降低,系統整體的嫻效率也9金滔胡建軍,一種利用LNG冷能的空分流程氣體分離2005得到了提高。(5):15;20Comeliseen R L, HirsG G. Exergy analysis of cryogenic air separa參考文獻tion, Energy Convers,1998,39(16-18):1821-18261 Nagamura T, Yamashita N. Air separating method using extemal cold