第41卷第1期西安交通大學學報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(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)摘要:分析了空分裝置中應(yīng)用液化天然氣(LNG)冷量的優(yōu)勢.從流程設(shè)計和現(xiàn)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軟件對其進行模擬計算.研究表明:與傳統(tǒng)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(tǒng)得到簡化,所需循環(huán)氮氣量明顯減少;系統(tǒng)最高運行壓力由傳統(tǒng)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(yù)冷的一次節(jié)流液化循環(huán)液化系數(shù)可以表示成本低、熱值高、清潔、環(huán)保等特點在LNG接收成站,一般將LNG氣化后再使用,氣化過程中放出的-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(jié)流效應(yīng);hi-h表示氣體液化量近年來已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點問題1.過程中的焓降;q表示系統(tǒng)冷損失;qe表示預(yù)冷過LNG作為冷源溫度等級很低,冷量相當寶貴,因此程帶入系統(tǒng)的冷量在傳統(tǒng)的液化循環(huán)中,該冷量通對其冷能利用時低溫的冷量應(yīng)盡可能低溫利用,才過制冷機組產(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(yīng)用進行探討同時節(jié)省了能耗.1LNG冷能應(yīng)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,隨著我國LNG進口量的增加,國內(nèi)學LNG冷量利用的過程就是將LNG的冷量傳遞者已對空分裝置中如何引進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程是的探討.本文認為空分裝置中引進LNG冷量的不可逆的熱力學過程存在著煙損失,且傳熱溫差越方案大致可以分為2種情況:一種是設(shè)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LNG冷量的流程方案并投資建設(shè)一套新的系中循環(huán)氮氣溫度較低在150~200K之間與LNG統(tǒng);另一種是在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計,引的溫差相對較小,冷能回收過程中的不可逆損失也進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(jié)了前人的研究成收稿日期:200604-17.作者簡介:燕娜(1981~),女,碩士生;厲彥忠(聯(lián)系人),男教授,博士生導(dǎo)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(chǔ)上,本文針對上述2種不同的情況各提出氧復(fù)熱后先在預(yù)冷器中預(yù)冷,吸收循環(huán)氮氣的冷量,了一種新方案再進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(tǒng)的投資建設(shè)提出,如圖1所開動初期,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(yù)冷的中壓氮氣循環(huán)的液進行積累,當流量達到要求以后,通過閥門切換,使體空分流程,其中精餾系統(tǒng)與傳統(tǒng)的中壓氮氣循環(huán)循環(huán)氮氣與精餾系統(tǒng)隔離.循環(huán)氮氣在壓縮機中被液體流程基本相同,主要區(qū)別在于制冷系統(tǒng)在傳統(tǒng)壓縮到約23MPa,然后通過冷水機組冷卻并在流程中,循環(huán)氮氣分為內(nèi)外2股循環(huán)內(nèi)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(jié)流后塔提供冷量,而外循環(huán)為內(nèi)循環(huán)氮氣提供冷量新流換熱器提供冷量,再回到壓縮機進口,進行下一個程取消了氮氣外循環(huán)制冷系統(tǒng),這部分冷量由LNG循環(huán)氣化過程釋放的冷量代替新流程是這樣運行的(見該方案是在傳統(tǒng)的全低壓氣體產(chǎn)品流程的基礎(chǔ)圖1):來自下塔頂部的循環(huán)氮氣首先通過主換熱器上改良得到的其最大的優(yōu)勢是不需要改變?nèi)魏卧諢崃繉⒃峡諝饫鋮s,再進入循環(huán)壓縮機壓縮有設(shè)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,直接進入LNG礎(chǔ)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只生產(chǎn)氣體產(chǎn)品現(xiàn)又改裝左右,然后通過節(jié)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(tǒng)獨立于塔提供冷量,接著進入下一次循環(huán)精餾系統(tǒng),在不同的需求情況下,對氣液產(chǎn)品的產(chǎn)量新流程的特點在于:①取消了氮氣外循環(huán)系統(tǒng),可以進行靈活的調(diào)節(jié)該流程的最高運行壓力進在設(shè)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程組織更加簡單;②用LNG換熱器代替了傳統(tǒng)流純氮污氮程中的氟利昂制冷機組,有效回收了LNG的冷量,同時節(jié)耗;③由于LNG冷量的引進,降低了循環(huán)氮氣的預(yù)冷溫度,從而降低了系統(tǒng)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)氮氣進壓縮機的溫度,避免了低溫壓天然氣廠回縮的困難純氮氧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(yù)冷器10(No13:產(chǎn)品液化換熱器空氣天然氣圖2LNG預(yù)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個新方案進行了模擬計算,下面介紹一組算例的運行參數(shù).原料空氣初始狀態(tài)參數(shù)為0.1MPa、285K,假設(shè)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(shù)為79.1%氧氣的質(zhì)量分數(shù)6:上塔;7:過冷器;8:LNG換熱器為20.9%,加工氣量為20000Nm3/h.在模擬計算圖1LNG預(yù)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(xiàn)有設(shè)備改造提出,如圖2所示該0.85,機械效率為0.9,系統(tǒng)總的冷損失取20kW.方案為利用LNG預(yù)冷的中壓氮氣循環(huán)塔外液化空LNG的進口參數(shù)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(shù)為3MPa、300K.2熱器復(fù)熱后,抽取一部分(抽取量取決于需要生產(chǎn)的個新流程生產(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(shù)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(shù)為0.999),氮西安交通大學學報第41卷氣2000Nm3/h(0.1MPa、282K,其質(zhì)量分數(shù)為多的場合LNG采用液泵加壓節(jié)省能耗,而換熱壓0.9999).新流程模擬計算結(jié)果匯總?cè)绫?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(shè)備如分子篩純化器、冷議將LNG的氣化安排在加壓之后進行水機組等的能耗,根據(jù)參考文獻門選取由于本文(2)液體空分流程引進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)品使流程得到簡化氣體空分流程引進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(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)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?shù)囊后w產(chǎn)品,投資費用較少(2)能耗也相對較低mlin+ mOx(3)與傳統(tǒng)流程相比,新流程所需循環(huán)氮氣量明式中:Nd表示系統(tǒng)總能耗;mN表示液氮產(chǎn)品的質(zhì)顯減少,系統(tǒng)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(tǒng)流從計算結(jié)果可以看出,2種新流程與傳統(tǒng)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(jié)能效果明顯大減少,系統(tǒng)的最高運行壓力分別是2.6、2.3MPa,參考文獻:而傳統(tǒng)液體流程在42~5.0MPa左右.從能耗上來[1] Nakamura T, Yamashita N. Air separating method u看,與傳統(tǒng)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(jié)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(shù)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(yīng)用的發(fā)后綜合考慮,2種新方案適用場合不同各具優(yōu)勢,應(yīng)展現(xiàn)狀和前景[C]∥孫國民中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會第十五次會員代表大會暨氣體行業(yè)發(fā)展研討會論文根據(jù)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2005:142-14表12種新方案模擬結(jié)果匯總[4]王強厲彥忠,張朝昌.ING汽車冷能回收在低溫冷技術(shù)指標方案1方案藏車中的應(yīng)用[J制冷與空調(diào),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(tǒng)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在流程模擬的過程中,對循環(huán)氮氣壓縮機的進口chemical Technique Economy, 2004. 19(1): 1-7.溫度和輸出壓力進行了多次優(yōu)化設(shè)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,若能夠進一步提高循環(huán)氮氣的進口溫裝置新流程].工程熱物理學報2004,25(6):913916度,利用這部分冷量氮氣的低溫壓縮問題將完全解separation system by using cold energy of LNG [J].決,但經(jīng)過計算由于進口溫度的提高循環(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(jié)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(tǒng)液化率的提高,cold energy of LNG [J]. Air Separation, 2005,5: 15-以及裝置啟動時間的縮短,適用于生產(chǎn)液體產(chǎn)品較(編輯王煥雪)