采用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其(火用)分析

2007年第2期低温工程No.22007总第156期CRYOGENICSSum No 156采用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其分析燕娜厉彦忠(西安交通大学能源与动力工程学院710049西安)摘要:提出了2种采用液化天然气(LNG)冷量的新流程,并采用 Aspen Plus对流程进行了模拟计算。空气循环膨胀制冷的液体空分流程采用LNG冷量代替了空气外循环制冷,简化了制冷系统与原始流程相比,液态产品的单位能耗降低约49%;氪气循环膨胀制冷的液体空分流程采用LNG冷量代替了高压氪气外循环制冷,系统所需循环氪气量减少,最高运行压力从4.6MPa降低到了2.6MPa,液态产品的单位能耗降低约53%。对流程的斓分析表明,与原始流程相比,新流程制冷单元的损失大大降低,系统整体的婤效率也得到了提高,LNG冷量回收用于空分流程制冷系统有利于节约生产成本,降低能耗,提高系統能量利用效率。关键词:液化天然气空分流程冷量回收娴分析中图分类号;TB611,TE62.5文献标识码:A文章编号: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;修订日期:200703-31第2期采用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其佣分析气循环流程°。原料空气首先进入压缩机压缩至约1引言0.6MPa,然后经分子筛纯化器去除杂质后,其中液化天然气(ING)是天然气经过脱酸脱水处理部分原料空气通过循环压缩机进一步加压,另一部分后,冷冻液化得到的低温液体(约112K)。目前LNG直接进入主换热器中被冷却至100K左右进入下塔作为燃料利用时,往往要先汽化,在汽化过程中会释底部参加精馏过程。从循环压缩机输出的空气被增放出约830kJ/kg冷量,这些低温冷量不仅数量大,压机增压之后,经主换热器上部和制冷机组冷却,且品质高,若能合理回收利用将带来巨大的经济效部分进入透平膨胀机,膨胀后的循环气流再通过主换益。低温冷量应尽可能在低温下利用,由此提出了将热器,返回到循环压缩机吸入口,另一部分节流后参LNG冷量用于空分制冷系统的方案“4,且通过热力加精馏。主换热器向原料空气提供的冷量来源于返学分析得到LNG冷能的引进有利于提高气体液化循流的污氮气,产品氮气、氧气以及膨胀后的循环空气。环的液化系数,特别适合于生产较多液态产品的场图1b所示为采用LNG冷量后的新流程,新流程是在合。液体空分产品具有便于储存、供应方便、减少图1a所示的原始流程基础上改造得到。0.6MPa的放散、保证质量、提高输送效率等优点,将会在空分产原料空气一部分通过增压机进一步加压,再通过冷水品中占更重要的地位。液体空分设备的流程组织按机组冷却到约300K,随后在主换热器中继续降温至照制冷介质的工作状况主要分为空气循环膨胀制冷约120K,最后节流进入下塔中部;另一部分直接进和氮气循环膨胀制冷。因此,在总结了前人研究成果主换热器中被冷却至100K左右进入下塔底部参的基础上,本文针对所述2种制冷循环分别提出了1加精馏过程。主换热器向原料空气提供的冷量来源种利用LNG冷量的新流程。于返流的污氮气,产品氮气、氧气以及LNG。新流程利用LNG冷量冷却原料空气,用外界冷量取代了空2采用LNG冷量的液体空分流程气循环膨胀制冷,取消了空气膨胀机以及制冷机组,2.1空气膨胀制冷流程流程组织更加简单,能耗大大降低。图1a所示是带增压透平膨胀机和制冷机组的空OX LIN图1空气循环膨胀制冷流程Fig. 1 Air expanding refrigeration system为进一步说明新流程的优势,本文使用 ASPEN拟计算中,物性选用RKS方程,压缩机的等温效率取PLUS软件对新旧流程进行了模拟计算,现介绍一组.7,膨胀机等熵效率取0.8,机械效率取0.9,系统总算例的运行参数。原料空气初始状态0.1MPa、300的冷损失取20kW。LNG的进口参数取为1.0MPa低温工程2007年954K、0.999),液氧4140m3/h(0.15MPa、2.2氮气膨胀制冷流程938K,0.996),氮气3860m3/h(0.1MPa、297K图2a是采用双温膨胀的氮气循环液体流程0.999模拟计算结果汇总如表1所示。表中其空气首先被压缩至约0.6MPa,经分子筛纯化器去除它能耗指的是辅助设备如分子筛纯化器冷水机组等杂质后,在主换热器中被冷却并送入下塔底部参加精的能耗,参考文献[9]选取。由于本文的方案生产双高馏。循环压缩机出口处的氮气,一部分经循环换热器纯的液态产品,为了便于比较液态产品的能耗(包括液热段冷却后去高温透平膨胀机膨胀,另一部分氮气经氧和液氮),引入单位液态产品能耗N的概念,它揭示两台串联安装的增压机增压后,再经循环换热器冷了生产每千克液态产品所要消耗的电能按下式计算:却,在低温透平膨胀机中膨胀。两台膨胀机膨胀后的N(1)氮气,经循环换热器复热后返回循环压缩机的入口。还有部分增压氮气在循环换热器冷段液化后,经节流式中N表示系统总能耗,mu表示液氮产品的送入下塔顶部为精馏塔提供冷量。如图2b所示为采质量,m1x表示液氧产品的质量用LNG冷量的氮气循环液体新流程。其中精馏系统表1所示为采用空气循环的新旧流程模拟结果与图2a所示的原始流程基本相同,主要区别在于制汇总,从计算结果可以看出,新流程与原始的液体流冷系统。原始流程中,循环氮气分为内外两股循环,程相比较有明显的改善。新流程取消了循环空气膨内循环为精馏塔提供冷量,而外循环为内循环氮气提胀制冷,系统所需的输入功大大减少,因此新流程单供冷量。新流程取消了氮气外循环制冷系统,这部分位液态产品的能耗由原来的0.775kWh/kg降低到冷量由LNG的冷量代替。新流程是这样运行的:来了0.395kWh/kg自下塔顶部的循环氮气大部分首先通过主换热器吸表1采用空气循环的新旧流程模拟结果汇总收热量,将原料空气冷却,另一小部分在LNG换器中Tablel Simulation results of the air expanding释放冷量,两股汇合再进入循环压缩机压缩至约2.6refrigeration systemMPa,经冷水机组降温后,直接进入LNG换热器吸收技术指标原始流程新流程LNG气化释放的冷量,被冷却到120K左右,然后通加工空气量/(m3/h)2000020000出口压力/MPa、温度/K0(297)过节流阀降压至约0.55MPa,回到下塔提供冷量,接LNG用量/d-1着进入下一次循环。循环空气与原料空气流量之比2.5865新流程取消了氮气外循环系统,在设备上省去了原料空气消耗的压缩功/kWl611空气增压机耗功/kW氮透平膨胀机和增压压缩机,使流程组织更加简单,其它能耗/kW用LNG的冷量代替了氮气膨胀制冷,有效回收了单位液态产品能耗/(kWh/kg)0.7750.395LNG冷量,同时节约了能耗。2氮气循环膨胀制冷流程第2期釆用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其佣分析在对氮气循环的流程进行模拟时,参数的选取与定义为输出的有效利用的净佣E,与输入净E.空气循环基本相同,只是流程的产品有所不同:液氮之比3000m3/h(0.55MPa、952K、0.999,液氧4000n= Ed/E(3)m/h(0.15MPa.94K0.999,氮气1000m3/h(0.1佣效率表征系统对佣的有效利用率。用烟效率MPa、297K、0.9999)。模拟计算结果汇总如表2所代替热效率,除了能反映整个循环的能量转换效率外,还可以确定实际过程与理论过程的偏离程度,得表2所示为采用氮气循环的新旧流程模拟结果。到不可逆损失的分布情况,进而确定系统的薄弱环节从表2可以看出,新流程所需循环氮气量大大减少,及提出改进措施。系统的最高运行压力由原来的4.6MPa降低到2.6本文进行佣分析时,采用的是系统灰箱分析模MPa。从能耗上来看,新流程降低了约50%,由原来型。灰箱模型的特点是,将系统中所有设备均视为黑的0.663kWh/kg减少到0.313kWh/kg,而能耗节约箱,黑箱与黑箱之间以主佣流线连接起来形成网络的根本原因在于循环气量的减少和最高运行压力的对于一个流程来说要完成娴分析就必须知道流程中降低。每一个流股的佣。空分系统物流特点在于组分变化,气液混合,一个稳定流动的多组分物流包含了焓佣和表2采用氮气循环的新旧流程模拟结果汇总化学嫻。焓娴是指同一种工质偏离与大气环境相平Table 2 Simulation results of the nitrogen expanding衡的状态时具有的做功能力,可表示为refrigeration systemEx=(H-H0)-To(S-S0)(4技术指标原始流程新流程化学佣指由于工质成分变化和质量交换引起的加工空气量/(m3/h)20000LNG出口压力/MPa、温度/K1,0(297)做功能力的变化。本文把含氧量0.209、含氮量LNG用量/td-0.791、P0=0.1MPa、T=300K的空气作为环境状循环氮气与加工空气流量之比2602506152态,即值零点。若空气偏离上述环境状态则具有正原料空气消耗的压缩功/kW循环氮气消耗的压缩功八W娴值,如果某种气体成分和上述空气成分不同,视作其它能耗/kW600由空气分离而得,在分离过程中所需的最小分离功是系统最高运行压力/MPa化学佣。最小分离功就是将该混合气体的每个组分单位液态产品能耗/(kWh/kg)0.313由其分压力等温压缩到混合气体压力所需的功。低温空分流程中工质在不同的状态下发生变化的主要3系统的烟分析为组分、温度和压力,因此本文在计算物流娴的过程中只考虑这两种的变化。工质在某一状态下的焓3.1基本概念娴和化学娴之和即是该物流总的佣值。娴表征能量转变为功的能力和技术上的有用程Ex Ex +Ex h度,它可以用来评价能量的质量或级位。数量相同而3.2空分流程的嫻分析形式不同的能量,娴大的能量比佣少的能量品质要3.2.1空气膨胀制冷流程高。基于热力学第一、第二定律的嫻分析揭示了一个表3所示为以空气膨胀制冷为基础的新旧流程过程的热力学完善程度,包括所有物料和能量的品质系统总体佣分析结果。从表中可以看出,在得到的产损失。本节从佣分析的角度,对前述采用LNG冷量品佣相同的情况下采用空气循环膨胀制冷的原始流的液体空分新流程以及原始的液体流程,在相同的生程需要投入的娴值比采用LNG冷量的新流程要多,产条件下进行了各单元和系统整体的佣分析而系统总体的烟效率前者低于后者。原因在于新流进入系统的ΣE与离开系统的拥E及系统程用ING的冷量代替了空气循环膨胀制冷,不需要总的佣损失∑E之间可建立佣平衡关系,即循环空气,也不需要这部分空气的压缩耗功,使得投∑E=∑E2+∑E入功量大大减少,因此效率更高系统总烟损失ΣEA等于各环节的娴损失之和。图3所示为以空气膨胀制冷为基础的新旧流程娴分析是以佣平衡方程为基础,分析评价系统的一种各单元娴损失分布图。从图3a中可以看出,采用空方法,它可以更全面更本质地揭示用能状况。娴效率气循环膨胀制冷的原始流程烟损失主要集中在空气低工程2007年膨胀制冷单元,主换热器由于承担了空气液化工作,失大大降低,由于增设了空气液化器,主换热器的损畑损失也相当大。图3b所示的新流程制冷单元的损失也减少了。表3空气膨胀制冷流程分析结果Table 3 Results of the exergy analysis air expanding refrigeration system)分析条件原始流程新流程空压机耗功1610.91610.9投入佣/kW增压机耗功3336.04946.93230.0LNG冷量佣液氮液氧572.91572.9产品烟/kW氮气28.8污氮系统炯效率0.31818001400把800400∏空气压缩机主换热器制冷单元精馏单元气压缩机主换热器制冷单元精馏单元(b)图3空气膨胀制冷流程有效能损失分布图Fig 3 Exergy losses inexpanding refrigeration system3.22氮气膨胀制冷流程图4所示为以氮气膨胀制冷为基础的新旧流程表4所示为以氮气膨胀制冷为基础的新旧流程各单元佣损失分布图。从图4a中可以看出,采用氮系统总体娴分析结果。从表中可以看出,在得到的产气外循环膨胀制冷的原始流程娴损失也集中在制冷品娴相同的情况下,采用氮气外循环膨胀制冷的原始单元高低温膨胀机、增压机以及功率匹配带来的损流程需要投入的佣值比采用LNG冷量的新流程要失相当大,尤其低温膨胀机在低温区工作时效率相当多,而系统总体的佣效率前者低于后者。原因在于新低是造成烟损失的主要原因。图4b所示的新流程制流程用ING的冷量代替了氮气外循环膨胀制冷,取冷单元的损失降低到了原始流程的1/3左右,用LNG消了外循环氮气,而且降低了系统运行压力,使得内的冷量代替压缩膨胀制冷,取消了膨胀机、增压机等循环氮气所需的压缩功大大减少。损失较大的设备,因此损失降低了。表4氮气膨胀制冷流程烟分析结果Table 4 Results of the exergy analysis( nitrogen expanding refrigeration system)寸析条件原始流程新流程空压机耗功1592,81592.8投人佣/kW增压机耗功5694.83821.3LNG冷量佣480.4液氮727.4产品娴/kW液氧气14.9系统效率0.3470.517第采用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其娴分析1500汽气压缩机主换热器制冷单元精馏单气压缩机主换热器制冷单元精馏单元图4氮气膨胀制冷流程有效能损失分布图Fig 4 Exergy losses in the nitrogen expanding refrigeration systemsource.USA,5220798,19934结论Nakaiwa M, Akiya T, Owa M, et al. Evaluation of an energy supply(1)空气循环膨胀制冷液体空分流程引进LNGsystem with air separation. Energy Supply System, 1996, 37(3): 295冷量代替了空气外循环,省去了空气膨胀机、增压机3燕娜,厉彦忠,液化天然气冷能在空分装置中应用的发展现状和制冷机组,简化了流程。液态产品的单位能耗从原和前景孙国民中国工业气体工业协会第十五次会员代表大会始流程的约0.775kWh/kg降低到0.395kWh/kg,降暨气体行业发展研讨会论文集,北京:中国工业气体工业协会,低了约49%,节能效果明显。(2)釆用氮气外循环膨胀制冷的液体空分流程4燕娜,厉彦忠脱瀚斐.基于液化天然气冷量的液体空分新流引进LNG冷量后取消了高压氮气外循环,省去了双程西安交通大学学报,2007,41(1):1225燕娜厉彦忠采用LNG冷量的气体液化循环热力学分析,空温透平膨胀机、增压机以及制冷机组,简化了流程。分技术,2006,1(1):12~18引进LNG冷量后,所需循环氮气量明显减少,系统最6张世田,叶婧典型空分工艺流程的比较孙国民中国工业气高运行压力从4.6MPa降低到2.6MPa,液态产品的体工业协会第十五次会员代表大会暨气体行业发展研讨会论文单位能耗从原来的0.663kWh/kg降低到0.313集北京:中国工业气体工业协会,2005:98-1027杨长青林辉魏冰.全液体空分设备的设计深冷技术,200kWh/kg,降低了约53%。(4):16-21(3)对流程的佣分析结果可以看出,原始流程中8毛绍磁,钱字峰空分流程中儿个基本热力过程的分析深冷救制冷单元的佣损失占有较大比例,而采用LNG的新术,2002(1):1-5流程制冷单元的损失大大降低,系统整体的娴效率也9金滔胡建军,一种利用LNG冷能的空分流程气体分离2005得到了提高。(5):15;20Comeliseen R L, HirsG G. Exergy analysis of cryogenic air separa参考文献tion, Energy Convers,1998,39(16-18):1821-18261 Nagamura T, Yamashita N. Air separating method using extemal cold