基于液化天然气冷量的液体空分新流程

第41卷第1期西安交通大学学报Vol 41 Nol2007年1月JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITYJan.2007基于液化天然气冷量的液体空分新流程燕娜,厉彦忠,脱瀚斐(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)摘要:分析了空分装置中应用液化天然气(LNG)冷量的优势.从流程设计和现有流程改造的角度,分别提出了采用LNG冷量冷却循环氮气的液体空分装置的新方案,并采用 Aspen Plus软件对其进行模拟计算.研究表明:与传统流程相比较,新方案采用LNG作为冷源冷却循环氪气后,可以代替氟利昂制冷机以及氦透平膨胀机组,取消了氮气外循环,系统得到简化,所需循环氮气量明显减少;系统最高运行压力由传统流程的42~5.0MPa降低到2.3~2.6MPa;液态产品的单位能耗从1.05~1.25kW·h/kg降低到0.317~0.384kW·h/kg关键词:液化天然气;冷量回收;空分装置中图分类号:TK123文献标识码:A文章编号: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)液化天然气(LNG)具有便于远距离运输储运有预冷的一次节流液化循环液化系数可以表示成本低、热值高、清洁、环保等特点在LNG接收成站,一般将LNG气化后再使用,气化过程中放出的-WhT+qoe-qL(1)冷量约为830kJ/kg,这部分冷能通常随海水或空气被舍弃,造成能源的极大浪费如何回收LNG的冷式中:△hr表示等温节流效应;hi-h表示气体液化量近年来已经成为国内外研究的热点问题1.过程中的焓降;q表示系统冷损失;qe表示预冷过LNG作为冷源温度等级很低,冷量相当宝贵,因此程带入系统的冷量在传统的液化循环中,该冷量通对其冷能利用时低温的冷量应尽可能低温利用,才过制冷机组产生,若将LNG的冷量回收用在这里,能达到提高经济效益的目的鉴于此,本文着重对不仅提高了循环的液化率,可得到大量的液态产品LNG冷能在空分装置中的应用进行探讨同时节省了能耗.1LNG冷能应用在空分装置中的2采LNG冷量的液体空分装置优势近年来,随着我国LNG进口量的增加,国内学LNG冷量利用的过程就是将LNG的冷量传递者已对空分装置中如何引进LNG的冷量作了一定给需要冷却的工质,达到冷量回收的目的该过程是的探讨.本文认为空分装置中引进LNG冷量的不可逆的热力学过程存在着烟损失,且传热温差越方案大致可以分为2种情况:一种是设计新型的引大,佣损失也越大与其他利用方法相比,空分装置进LNG冷量的流程方案并投资建设一套新的系中循环氮气温度较低在150~200K之间与LNG统;另一种是在原有的设备基础上进行改进设计,引的温差相对较小,冷能回收过程中的不可逆损失也进LNG的冷量.2种方案的目的都是利用LNG的相对较少,是比较理想而高效的利用方法冷量生产更多的液态产品在总结了前人的研究成收稿日期:200604-17.作者简介:燕娜(1981~),女,硕士生;厉彦忠(联系人),男教授,博士生导师第1期燕娜等:基于液化天然气冷量的液体空分新流程果的基础上,本文针对上述2种不同的情况各提出氧复热后先在预冷器中预冷,吸收循环氮气的冷量,了一种新方案再进入液化器中液化得到液氧,作为产品引出,装置方案1针对新系统的投资建设提出,如图1所开动初期,从氮气产品中引出一部分作为循环氮气示.该方案为采用LNG预冷的中压氮气循环的液进行积累,当流量达到要求以后,通过阀门切换,使体空分流程,其中精馏系统与传统的中压氮气循环循环氮气与精馏系统隔离.循环氮气在压缩机中被液体流程基本相同,主要区别在于制冷系统在传统压缩到约23MPa,然后通过冷水机组冷却并在流程中,循环氮气分为内外2股循环内循环为精馏LNG换热器中液化,此高压低温循环氮气经节流后塔提供冷量,而外循环为内循环氮气提供冷量新流换热器提供冷量,再回到压缩机进口,进行下一个程取消了氮气外循环制冷系统,这部分冷量由LNG循环气化过程释放的冷量代替新流程是这样运行的(见该方案是在传统的全低压气体产品流程的基础图1):来自下塔顶部的循环氮气首先通过主换热器上改良得到的其最大的优势是不需要改变任何原吸收热量将原料空气冷却,再进入循环压缩机压缩有设备就可以生产液体产品,只需在原有流程的基至约26MPa,经冷水机组降温后,直接进入LNG础上添加1台循环氮气压缩机、3台换热器和1台换热器吸收LNG气化释放的冷量被冷却到120K冷水机组非常适合原来只生产气体产品现又改装左右,然后通过节流阀降压至约0.55MPa回到下为生产液态产品的流程.另外,产品液化系统独立于塔提供冷量,接着进入下一次循环精馏系统,在不同的需求情况下,对气液产品的产量新流程的特点在于:①取消了氮气外循环系统,可以进行灵活的调节该流程的最高运行压力进在设备上省去了氮透平膨胀机和增压压缩机,使流步降低,比方案1还要低约0.3MPa程组织更加简单;②用LNG换热器代替了传统流纯氮污氮程中的氟利昂制冷机组,有效回收了LNG的冷量,同时节耗;③由于LNG冷量的引进,降低了循环氮气的预冷温度,从而降低了系统的最高运行压力,使安全得到保证;④与文献[67中的方案相比,提高了循环氮气进压缩机的温度,避免了低温压天然气厂回缩的困难纯氮氧1:空气压缩机;2:空气纯化器;3:主换热器;4:下塔;5:冷凝蒸发器;6:上塔;7过冷器;8:空气膨胀机;9:循环氮气压缩机;10:冷水机组;11:LNG换热器;12:氧气预冷器10(No13:产品液化换热器空气天然气图2LNG预冷中压氮气循环塔外液化液体空分流程本文使用 ASPEN PLUS软件对2个新方案进行了模拟计算,下面介绍一组算例的运行参数.原料空气初始状态参数为0.1MPa、285K,假设为两组空气压缩机;2空气纯化器;:主换热器;4下塔5:冷凝蒸发器;分,即氮气的质量分数为79.1%氧气的质量分数6:上塔;7:过冷器;8:LNG换热器为20.9%,加工气量为20000Nm3/h.在模拟计算图1LNG预冷中压氮气循环液体空分流程中,物性选用RKS方程,压缩机的等嫡效率取方案2针对现有设备改造提出,如图2所示该0.85,机械效率为0.9,系统总的冷损失取20kW.方案为利用LNG预冷的中压氮气循环塔外液化空LNG的进口参数取为3MPa(作为城市燃气的天然分流程,其运行方式如下:上塔引出的纯氮气经主换气管输压力)、113K,出口参数为3MPa、300K.2热器复热后,抽取一部分(抽取量取决于需要生产的个新流程生产的产品均为:液氮3000Nm3/h(0.13液态产品的量)首先经LNG换热器冷却,再在液化MPa、79.5K,其质量分数为0.99999,液氧4000器中液化,作为液态产品输出.上塔底得到的气态纯Nm3/h(0.15MPa、92K,其质量分数为0.999),氮西安交通大学学报第41卷气2000Nm3/h(0.1MPa、282K,其质量分数为多的场合LNG采用液泵加压节省能耗,而换热压0.9999).新流程模拟计算结果汇总如表1所示.力的提高对空分性能影响较小综合考虑后本文建表中其他能耗指的是辅助设备如分子筛纯化器、冷议将LNG的气化安排在加压之后进行水机组等的能耗,根据参考文献门选取由于本文(2)液体空分流程引进LNG冷量后取消了高的方案生产双高纯的液态产品,为了便于比较液态压氮气压缩机、氮透平膨胀机以及氟利昂制冷机组,产品的能耗(包括液氧和液氮),引入单位液态产品使流程得到简化气体空分流程引进ING冷量后能耗N的概念,它揭示了生产1kg液态产品所要在不改变现有设备的基础上添加压缩机、换热器等消耗的电能按下式计算部件便可生产便于运输的液体产品,投资费用较少(2)能耗也相对较低mlin+ mOx(3)与传统流程相比,新流程所需循环氮气量明式中:Nd表示系统总能耗;mN表示液氮产品的质显减少,系统最高运行压力从4.2~5.0MPa降低量;m表示液氧产品的质量到了2.3~2.6MPa,液态产品的单位能耗从传统流从计算结果可以看出,2种新流程与传统的液体程的1.05~1.25kw·h/kg降低到0.317~0.384流程相比较有明显的改善新流程所需循环氮气量大kW·h/kg,节能效果明显大减少,系统的最高运行压力分别是2.6、2.3MPa,参考文献:而传统液体流程在42~5.0MPa左右.从能耗上来[1] Nakamura T, Yamashita N. Air separating method u看,与传统的流程约1.05~1.25kW·h/kg相比,2sing external cold source: USA, 5220798[P]. 1993-06种方案均有大幅度的降低,分别为0.317、0.384kWh/kg,而能耗节约的根本原因在于循环气量的减少[2] Nakaiwa M, Akiya T,OwaM,etal. Evaluation of an和最高运行压力的降低2种新方案在产品产量相同energy supply system with air separation[J].Energy的件数糯,方案2液态产品的能耗高于方案1,但ly System,1996,37(3):295301.方案1的循环氮气量和最高压力大于方案2,对比之[3]燕娜厉彦忠液化天然气冷能在空分装置中应用的发后综合考虑,2种新方案适用场合不同各具优势,应展现状和前景[C]∥孙国民中国工业气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根据不同的需要合理选用集.北京:中国工业气体工业协会2005:142-14表12种新方案模拟结果汇总[4]王强厉彦忠,张朝昌.ING汽车冷能回收在低温冷技术指标方案1方案藏车中的应用[J制冷与空调,2002,2(6):3840LNG用量/t·d-270循环氮气与空气流量之比0.68750.615energy recovering and applying in low temperature原料空气消耗的压缩功kWtorage vehicle [J]. Refrigeration and Air-Condi循环氮气压缩初始温度/K167tioning,2002,21(6):38-40循环氮气消耗的压缩功/kW[5]顾安忠,石玉美汪荣顺中国液化天然气的发展[]其他能耗/kW石油化工技术经济,2004,19(1):1-7系统最高运行压力/MPaGu Anzhong, Shi Yumei, Wang Rongshun. The de单位液态产品能耗/kW·h·kg-0.3170.384velopment of China liquefied natural gas [JJ. Petro在流程模拟的过程中,对循环氮气压缩机的进口chemical Technique Economy, 2004. 19(1): 1-7.温度和输出压力进行了多次优化设计,避免了超低温6]陈则韶程文龙胡芃一种利用LNG冷能的空气分离压缩机的选用,若能够进一步提高循环氮气的进口温装置新流程].工程热物理学报2004,25(6):913916度,利用这部分冷量氮气的低温压缩问题将完全解separation system by using cold energy of LNG [J].决,但经过计算由于进口温度的提高循环氮气的压Journal of Engineering Thermophysics. 2004. 25(6):缩功将有大幅度的增加装置的能耗也将增加3结论[7]金滔胡建军.一种利用LNG冷能的空分流程[]气体分离,2005,5:15-20(1)空分流程中引进LNG冷量不仅有利于冷Jin Tao, Hu Jianjun. An air separation system by using量的合理利用,而且有利于空分系统液化率的提高,cold energy of LNG [J]. Air Separation, 2005,5: 15-以及装置启动时间的缩短,适用于生产液体产品较(编辑王焕雪)