基于液化天然氣冷量的液體空分新流程

第41卷第1期西安交通大學(xué)學(xué)報Vol 41 Nol2007年1月JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYJan.2007基于液化天然氣冷量的液體空分新流程燕娜,厲彥忠,脫瀚斐(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)摘要:分析了空分裝置中應用液化天然氣(LNG)冷量的優(yōu)勢.從流程設計和現有流程改造的角度,分別提出了采用LNG冷量冷卻循環(huán)氮氣的液體空分裝置的新方案,并采用 Aspen Plus軟件對其進(jìn)行模擬計算.研究表明:與傳統流程相比較,新方案采用LNG作為冷源冷卻循環(huán)氪氣后,可以代替氟利昂制冷機以及氦透平膨脹機組,取消了氮氣外循環(huán),系統得到簡(jiǎn)化,所需循環(huán)氮氣量明顯減少;系統最高運行壓力由傳統流程的42~5.0MPa降低到2.3~2.6MPa;液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗從1.05~1.25kW·h/kg降低到0.317~0.384kW·h/kg關(guān)鍵詞:液化天然氣;冷量回收;空分裝置中圖分類(lèi)號:TK123文獻標識碼:A文章編號:0253-987X(2007)01-012203Novel Liquid Product Air Separation System Based on ColdEnergy of Liquefied Natural GasYan Na, Li Yanzhong, Tuo hanfe(School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi' an 710049, China)液化天然氣(LNG)具有便于遠距離運輸儲運有預冷的一次節流液化循環(huán)液化系數可以表示成本低、熱值高、清潔、環(huán)保等特點(diǎn)在LNG接收成站,一般將LNG氣化后再使用,氣化過(guò)程中放出的-WhT+qoe-qL(1)冷量約為830kJ/kg,這部分冷能通常隨海水或空氣被舍棄,造成能源的極大浪費如何回收LNG的冷式中:△hr表示等溫節流效應;hi-h表示氣體液化量近年來(lái)已經(jīng)成為國內外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題1.過(guò)程中的焓降;q表示系統冷損失;qe表示預冷過(guò)LNG作為冷源溫度等級很低,冷量相當寶貴,因此程帶入系統的冷量在傳統的液化循環(huán)中,該冷量通對其冷能利用時(shí)低溫的冷量應盡可能低溫利用,才過(guò)制冷機組產(chǎn)生,若將LNG的冷量回收用在這里,能達到提高經(jīng)濟效益的目的鑒于此,本文著(zhù)重對不僅提高了循環(huán)的液化率,可得到大量的液態(tài)產(chǎn)品LNG冷能在空分裝置中的應用進(jìn)行探討同時(shí)節省了能耗.1LNG冷能應用在空分裝置中的2采LNG冷量的液體空分裝置優(yōu)勢近年來(lái),隨著(zhù)我國LNG進(jìn)口量的增加,國內學(xué)LNG冷量利用的過(guò)程就是將LNG的冷量傳遞者已對空分裝置中如何引進(jìn)LNG的冷量作了一定給需要冷卻的工質(zhì),達到冷量回收的目的該過(guò)程是的探討.本文認為空分裝置中引進(jìn)LNG冷量的不可逆的熱力學(xué)過(guò)程存在著(zhù)煙損失,且傳熱溫差越方案大致可以分為2種情況:一種是設計新型的引大,傭損失也越大與其他利用方法相比,空分裝置進(jìn)LNG冷量的流程方案并投資建設一套新的系中循環(huán)氮氣溫度較低在150~200K之間與LNG統;另一種是在原有的設備基礎上進(jìn)行改進(jìn)設計,引的溫差相對較小,冷能回收過(guò)程中的不可逆損失也進(jìn)LNG的冷量.2種方案的目的都是利用LNG的相對較少,是比較理想而高效的利用方法冷量生產(chǎn)更多的液態(tài)產(chǎn)品在總結了前人的研究成收稿日期:200604-17.作者簡(jiǎn)介:燕娜(1981~),女,碩士生;厲彥忠(聯(lián)系人),男教授,博士生導師第1期燕娜等:基于液化天然氣冷量的液體空分新流程果的基礎上,本文針對上述2種不同的情況各提出氧復熱后先在預冷器中預冷,吸收循環(huán)氮氣的冷量,了一種新方案再進(jìn)入液化器中液化得到液氧,作為產(chǎn)品引出,裝置方案1針對新系統的投資建設提出,如圖1所開(kāi)動(dòng)初期,從氮氣產(chǎn)品中引出一部分作為循環(huán)氮氣示.該方案為采用LNG預冷的中壓氮氣循環(huán)的液進(jìn)行積累,當流量達到要求以后,通過(guò)閥門(mén)切換,使體空分流程,其中精餾系統與傳統的中壓氮氣循環(huán)循環(huán)氮氣與精餾系統隔離.循環(huán)氮氣在壓縮機中被液體流程基本相同,主要區別在于制冷系統在傳統壓縮到約23MPa,然后通過(guò)冷水機組冷卻并在流程中,循環(huán)氮氣分為內外2股循環(huán)內循環(huán)為精餾LNG換熱器中液化,此高壓低溫循環(huán)氮氣經(jīng)節流后塔提供冷量,而外循環(huán)為內循環(huán)氮氣提供冷量新流換熱器提供冷量,再回到壓縮機進(jìn)口,進(jìn)行下一個(gè)程取消了氮氣外循環(huán)制冷系統,這部分冷量由LNG循環(huán)氣化過(guò)程釋放的冷量代替新流程是這樣運行的(見(jiàn)該方案是在傳統的全低壓氣體產(chǎn)品流程的基礎圖1):來(lái)自下塔頂部的循環(huán)氮氣首先通過(guò)主換熱器上改良得到的其最大的優(yōu)勢是不需要改變任何原吸收熱量將原料空氣冷卻,再進(jìn)入循環(huán)壓縮機壓縮有設備就可以生產(chǎn)液體產(chǎn)品,只需在原有流程的基至約26MPa,經(jīng)冷水機組降溫后,直接進(jìn)入LNG礎上添加1臺循環(huán)氮氣壓縮機、3臺換熱器和1臺換熱器吸收LNG氣化釋放的冷量被冷卻到120K冷水機組非常適合原來(lái)只生產(chǎn)氣體產(chǎn)品現又改裝左右,然后通過(guò)節流閥降壓至約0.55MPa回到下為生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品的流程.另外,產(chǎn)品液化系統獨立于塔提供冷量,接著(zhù)進(jìn)入下一次循環(huán)精餾系統,在不同的需求情況下,對氣液產(chǎn)品的產(chǎn)量新流程的特點(diǎn)在于:①取消了氮氣外循環(huán)系統,可以進(jìn)行靈活的調節該流程的最高運行壓力進(jìn)在設備上省去了氮透平膨脹機和增壓壓縮機,使流步降低,比方案1還要低約0.3MPa程組織更加簡(jiǎn)單;②用LNG換熱器代替了傳統流純氮污氮程中的氟利昂制冷機組,有效回收了LNG的冷量,同時(shí)節耗;③由于LNG冷量的引進(jìn),降低了循環(huán)氮氣的預冷溫度,從而降低了系統的最高運行壓力,使安全得到保證;④與文獻[67中的方案相比,提高了循環(huán)氮氣進(jìn)壓縮機的溫度,避免了低溫壓天然氣廠(chǎng)回縮的困難純氮氧1:空氣壓縮機;2:空氣純化器;3:主換熱器;4:下塔;5:冷凝蒸發(fā)器;6:上塔;7過(guò)冷器;8:空氣膨脹機;9:循環(huán)氮氣壓縮機;10:冷水機組;11:LNG換熱器;12:氧氣預冷器10(No13:產(chǎn)品液化換熱器空氣天然氣圖2LNG預冷中壓氮氣循環(huán)塔外液化液體空分流程本文使用 ASPEN PLUS軟件對2個(gè)新方案進(jìn)行了模擬計算,下面介紹一組算例的運行參數.原料空氣初始狀態(tài)參數為0.1MPa、285K,假設為兩組空氣壓縮機;2空氣純化器;:主換熱器;4下塔5:冷凝蒸發(fā)器;分,即氮氣的質(zhì)量分數為79.1%氧氣的質(zhì)量分數6:上塔;7:過(guò)冷器;8:LNG換熱器為20.9%,加工氣量為20000Nm3/h.在模擬計算圖1LNG預冷中壓氮氣循環(huán)液體空分流程中,物性選用RKS方程,壓縮機的等嫡效率取方案2針對現有設備改造提出,如圖2所示該0.85,機械效率為0.9,系統總的冷損失取20kW.方案為利用LNG預冷的中壓氮氣循環(huán)塔外液化空LNG的進(jìn)口參數取為3MPa(作為城市燃氣的天然分流程,其運行方式如下:上塔引出的純氮氣經(jīng)主換氣管輸壓力)、113K,出口參數為3MPa、300K.2熱器復熱后,抽取一部分(抽取量取決于需要生產(chǎn)的個(gè)新流程生產(chǎn)的產(chǎn)品均為:液氮3000Nm3/h(0.13液態(tài)產(chǎn)品的量)首先經(jīng)LNG換熱器冷卻,再在液化MPa、79.5K,其質(zhì)量分數為0.99999,液氧4000器中液化,作為液態(tài)產(chǎn)品輸出.上塔底得到的氣態(tài)純Nm3/h(0.15MPa、92K,其質(zhì)量分數為0.999),氮西安交通大學(xué)學(xué)報第41卷氣2000Nm3/h(0.1MPa、282K,其質(zhì)量分數為多的場(chǎng)合LNG采用液泵加壓節省能耗,而換熱壓0.9999).新流程模擬計算結果匯總如表1所示.力的提高對空分性能影響較小綜合考慮后本文建表中其他能耗指的是輔助設備如分子篩純化器、冷議將LNG的氣化安排在加壓之后進(jìn)行水機組等的能耗,根據參考文獻門(mén)選取由于本文(2)液體空分流程引進(jìn)LNG冷量后取消了高的方案生產(chǎn)雙高純的液態(tài)產(chǎn)品,為了便于比較液態(tài)壓氮氣壓縮機、氮透平膨脹機以及氟利昂制冷機組,產(chǎn)品的能耗(包括液氧和液氮),引入單位液態(tài)產(chǎn)品使流程得到簡(jiǎn)化氣體空分流程引進(jìn)ING冷量后能耗N的概念,它揭示了生產(chǎn)1kg液態(tài)產(chǎn)品所要在不改變現有設備的基礎上添加壓縮機、換熱器等消耗的電能按下式計算部件便可生產(chǎn)便于運輸的液體產(chǎn)品,投資費用較少(2)能耗也相對較低mlin+ mOx(3)與傳統流程相比,新流程所需循環(huán)氮氣量明式中:Nd表示系統總能耗;mN表示液氮產(chǎn)品的質(zhì)顯減少,系統最高運行壓力從4.2~5.0MPa降低量;m表示液氧產(chǎn)品的質(zhì)量到了2.3~2.6MPa,液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗從傳統流從計算結果可以看出,2種新流程與傳統的液體程的1.05~1.25kw·h/kg降低到0.317~0.384流程相比較有明顯的改善新流程所需循環(huán)氮氣量大kW·h/kg,節能效果明顯大減少,系統的最高運行壓力分別是2.6、2.3MPa,參考文獻:而傳統液體流程在42~5.0MPa左右.從能耗上來(lái)[1] Nakamura T, Yamashita N. Air separating method u看,與傳統的流程約1.05~1.25kW·h/kg相比,2sing external cold source: USA, 5220798[P]. 1993-06種方案均有大幅度的降低,分別為0.317、0.384kWh/kg,而能耗節約的根本原因在于循環(huán)氣量的減少[2] Nakaiwa M, Akiya T,OwaM,etal. Evaluation of an和最高運行壓力的降低2種新方案在產(chǎn)品產(chǎn)量相同energy supply system with air separation[J].Energy的件數糯,方案2液態(tài)產(chǎn)品的能耗高于方案1,但ly System,1996,37(3):295301.方案1的循環(huán)氮氣量和最高壓力大于方案2,對比之[3]燕娜厲彥忠液化天然氣冷能在空分裝置中應用的發(fā)后綜合考慮,2種新方案適用場(chǎng)合不同各具優(yōu)勢,應展現狀和前景[C]∥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 )暨氣體行業(yè)發(fā)展研討會(huì )論文根據不同的需要合理選用集.北京:中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì )2005:142-14表12種新方案模擬結果匯總[4]王強厲彥忠,張朝昌.ING汽車(chē)冷能回收在低溫冷技術(shù)指標方案1方案藏車(chē)中的應用[J制冷與空調,2002,2(6):3840LNG用量/t·d-270循環(huán)氮氣與空氣流量之比0.68750.615energy recovering and applying in low temperature原料空氣消耗的壓縮功kWtorage vehicle [J]. Refrigeration and Air-Condi循環(huán)氮氣壓縮初始溫度/K167tioning,2002,21(6):38-40循環(huán)氮氣消耗的壓縮功/kW[5]顧安忠,石玉美汪榮順中國液化天然氣的發(fā)展[]其他能耗/kW石油化工技術(shù)經(jīng)濟,2004,19(1):1-7系統最高運行壓力/MPaGu Anzhong, Shi Yumei, Wang Rongshun. The de單位液態(tài)產(chǎn)品能耗/kW·h·kg-0.3170.384velopment of China liquefied natural gas [JJ. Petro在流程模擬的過(guò)程中,對循環(huán)氮氣壓縮機的進(jìn)口chemical Technique Economy, 2004. 19(1): 1-7.溫度和輸出壓力進(jìn)行了多次優(yōu)化設計,避免了超低溫6]陳則韶程文龍胡芃一種利用LNG冷能的空氣分離壓縮機的選用,若能夠進(jìn)一步提高循環(huán)氮氣的進(jìn)口溫裝置新流程].工程熱物理學(xué)報2004,25(6):913916度,利用這部分冷量氮氣的低溫壓縮問(wèn)題將完全解separation system by using cold energy of LNG [J].決,但經(jīng)過(guò)計算由于進(jìn)口溫度的提高循環(huán)氮氣的壓Journal of Engineering Thermophysics. 2004. 25(6):縮功將有大幅度的增加裝置的能耗也將增加3結論[7]金滔胡建軍.一種利用LNG冷能的空分流程[]氣體分離,2005,5:15-20(1)空分流程中引進(jìn)LNG冷量不僅有利于冷Jin Tao, Hu Jianjun. An air separation system by using量的合理利用,而且有利于空分系統液化率的提高,cold energy of LNG [J]. Air Separation, 2005,5: 15-以及裝置啟動(dòng)時(shí)間的縮短,適用于生產(chǎn)液體產(chǎn)品較(編輯王煥雪)