空气分离与天然气液化组合循环

第59卷第10期化报VoL. 59 No 102008年10月Journal of Chemical IndustryEngineering (China)October 2008总研究论文空气分离与天然气液化组合循环脱瀚斐,厉彦忠,谭宏博(西安交通大学制冷与低温工程研究所,陕西西安70049)摘要:提出了利用空分系统冷量液化天然气的联合流程思想,并介绍了一种采用氮气膨胀循环的空气分离与天然气液化联合方案,在得到液化天然气(LNG)的同时,也生产氮气、氧气等多种产品。通过流程模拟计算并采用有效能分析原理,确定了高、低温膨胀量比对传热温差及有效能损失的影响规律,得到了不同液化量下的优化膨胀量之比。结果表明,基于热负荷总组合曲线的有效能分析原理能够方便、有效地研究整个传热过程的温差分布及有效能损失规律,对实际低温过程系统优化有重要意义。关键词:空气分离;天然气液化;组合循环中围分类号:TE09文献标识码:A文章编号:0438-1157(2008)10-2498-07Combined cycle of air separation and natural gas liquefactionTUO Hanfei, LI Yanzhong, TAN Hongbo(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xian 710049, Shaanxi, China)Abstract: An integrated process for air separation and liquefaction of natural gas was presented, and basedon such an original idea a novel combined-cycle using nitrogen expansion refrigeration unit and producingLNG in addition to nitrogen and oxygen was proposed. Process simulation and second law analysis wereperformed to reveal the influence of flow rate ratio through expanders on heat transfer temperaturedifference and consequent exergy loss, and thus the optimal p under different operation conditions wasobtained. Hence, the change of temperature difference distribution and exergy loss in the heat exchangercould be investigated conveniently and effectively through the principle of exergy analysis in combinationwith energy composite curves. Such information is valuable for optimal design of practical cryogenicsystems.Key words: air separation; natural gas liquefaction; combined cycle引言统十分必要,小型、可移动式天然气液化装置具有广阔的应用前景3。小型天然气液化装置可用于液化天然气由于具有很高的体积能量密度,已城市用气调峰,还可用于开发利用气田边缘采气成为天然气输送和储存的首选方式。目前,低温液井、煤层气等多种气源,其液化流程多采用带膨胀化装置已广泛地应用于以调峰和远洋输送为目的的机的外部制冷液化循环57。商业天然气液化领域2。然而,随着LNG、CNG相对于天然气液化技术,空气分离液化技术较车辆的不断发展,开发低成本的小型LNG加注系为成熟,其流程有生产规模大、单耗低、产品纯度2008-01-25收到初稿,2008-05-14收到修改稿Recelved date: 2008-01-25联系人:厉彦忠,第一作者:脱瀚斐(1983-),男,硕士研responding anthor: Prof. LI Yanzhong. E-mail: yzli-epe究生@mail. xtu. edu. en高金项目:国家高技术研究发展计划项目(2007AA052216)Foundation item: supported by theHigh-tech Research andDevelopment Program of China (2007 AA05Z216第10期脱瀚斐等:空气分离与天然气液化组合循环·2499·高等特点。常压下天然气的液化温度要高于空示。循环压缩机7出口处的氮气经两台增压机8、气的沸点,因此可以利用空气分离装置同时生产高9加压至4.6MPa,在换热器内冷却,一部分在高纯气体产品和LNG,从而实现低温装置的高效性温透平膨胀机10中膨胀到0.56MPa;另一部分继和能量的综合利用。本文作者首次提出了利用空分续在换热器中冷却,在低温级透平膨胀机11中膨制冷技术液化天然气的复合流程方案,并申报了国胀到0.56MPa,膨胀后的氮气经换热器复热后返家发明专利10。采用空分和液化天然气联合制冷回循环压缩机的入口,完成循环。在此循环中,两系统有一些明显的优势。联合流程对于温度的控制台膨胀机分别向高温区和低温区提供天然气液化所更加方便灵活,系统的启动和关闭更简单;系统中需冷量。处理后的带压原料天然气在循环换热器内省去了级联式液化系统中额外的制冷工质,避免了被循环氮气冷却液化,节流后进入LNG储槽12。由于工质成分变化对系统性能的影响;在液化天然该方案冷量完全由中压氮气循环提供,通过调节循气的同时,空分系统的氧、氮产品还可充分利用。环膨胀氮气量实现冷量的合理分配,系统变负荷能这些优点使得组合循环制冷系统具有很大的发展优力和液化能力强,能按需生产LNG、氮气、氧气势和应用前景。本文提出了一种新的联合制冷循环等多种产品。系统的最高运行压力低,而且天然气流程,对流程能耗及换热温差的影响规律进行了深仅与氮气换热,系统更安全。入的研究。1液化流程方案根据制冷方式,空气分离与天然气液化组合循环可以分为氮气膨胀制冷和空气膨胀制冷两种,作者前期提出了氮气膨胀制冷方案,而文献[1采用的是空气膨胀制冷,后者又进一步分为空气直接膨胀制冷和循环空气膨胀制冷两种流程方案。原料空气经压缩机加压后,经过纯化器除去杂质,进主换热器冷却降温,部分膨胀为系统提供冷量,另部分节流后进入下塔。若膨胀空气直接进入下,则为空气直接膨胀制冷;若部分膨胀空气在主图1氮气膨胀循环制冷换热器内复温后再进入循环压缩机,则为循环空气Fig. 1 Flowsheet of novel combined-cycle膨胀制冷。带有一定压力的原料天然气经过丙烷制sing nitrogen expansion冷机组预冷,除去杂质,再进入空分主换热器冷却l-air compressor: 2-purifier: 3--main heat exchanger降温,节流液化成LNG进入储槽。空气直接膨胀6-nitrogen heat exchanger 7-cycling compressors制冷系统简便,但是膨胀空气量受原料空气量的限8,g-oe;10,1- nsion turbine;.12- LNG storage制,因而膨胀制冷量有限,变负荷运行能力差。循环空气膨胀制冷量不再受加工空气量的限制,增强2流程性能分析了液化能力和变负荷运行能力,但原料空气需加压2.1有效能分析原理到7MPa,增加了空压机能耗和换热器及管路的设图2是低温工艺流程的热负荷总组合曲计难度。以上两种空气膨胀制冷流程,天然气在主线11,设高温物流和低温物流的热力学温度分换热器中与空气、氧气换热,一旦泄漏混合,会产别为Tn和Tc,传热量为△Q,在TQ图上描绘了生爆炸等危险。虽然文献[7]又提出了利用下塔换热过程热流量沿温度的分布。可利用该图计算和复温氮气液化天然气,但额外需要一个以氬气、氟分析高低温物流在换热过程中的最大、最小以及平里昂等惰性物质为工质的制冷循环提供高温区冷均传热温差,其中平均传热温差可按式(1)计算量,使流程变得复杂,难于运行控制。为了克服空气膨胀制冷存在的问题,本文提出iqc tc△Tm(1)了采用双温膨胀氮气循环制冷的新方案,如图1所2500化工学报第59卷T△图2热负荷总组合曲线图3有效能总组合曲线Fig 2 Heat load composite curveFig 3 Exergy composite curve根据换热器热平衡关系中压氮气制冷系统为天然气和精馏下塔提供冷量,所以提供合理比例的高、低温区冷量,需要高、低化简为温膨胀机的膨胀量比β=ve1/Ve2合理匹配,这对于流程的优化设计非常重要。因此,本文利用8q(TH-tc)△T(3) ASPEN PLUS软件进行了各种运行工况的流程模拟计算,结合夹点分析方法和有效能分析原理,分根据媚分析原理,热力学温度为T,换热量为△Q析β对有效能的影响规律。基本运行参数为:原料的物流相对于环境温度的最大做功能力,即冷量烟空气初始状态0.1MPa、300K,加工气量1000ExQ可用式(4)表示m3·h-',按两元气体处理。模拟计算中,物性选用RKS方程,压缩机的等温效率取0.7,膨胀机Era=.q(T。/T-1)等熵效率取0.8,机械效率为0.9。天然气的进口式中T为环境温度,且T