利用液化天然气冷能空分新流程及模拟分析

第29卷,总第167期节能技术voL 29 Sum. No. 1672011年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay 2011, No. 3利用液化天然气冷能空分新流程及模拟分析聂江华,杨宏军2,徐文东,林小闹(1.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640;2.广东海洋大学工程学院,广东湛江524088)摘要:提出了利用液化天然气(LNG)冷能空分新流程,产品是用于满足电厂富氧燃烧的气态富氧空气。空气视为N2(79.1mol%)和02(20.9mol%)二元混合气体,采用 Aspen Plus软件进行了流程模拟,物性方法选择Peng- Robinson方程。模拟结果表明,生产95.08ml%富氧空气的能耗是0.667kWh/(kg·O2),液化天然气(LNG)的消耗量是87.64mol/(kg·O2)。与文献[7]生产多种液态产品模拟结果比较,单位氧气的能耗大致相等,LNG消耗减少约50%,精馏塔冷凝蒸发器两侧的传热温差从1.2K增大到2.8K,可大大减小换热器的面积关键词:富氧空气;液化天然气;冷能利用;低温精馏;流程模拟中图分类号:TE64文獻标识码:A文章编号:1002-6339(2011)03-0211-03A Novel Process for Air Separation by Utilization of Liquefied Natural GasCold Energy and Performance Analysis by Numerical SimulationNIE Jiang-hua, YANG Hong-jun, XU Wen-dong, LIN Xiao-na(1. Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, Ministry ofEducation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China2. College of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)Abstract: A novel process for air separation by utilization of liquefied natural gas cold energy was pro-posed basedexisting studies, in which the product is oxygen-enriched air for oxy-combustion inpower plant. The process simulation was carried out by Aspen Plus software with the simulated air(N,79, 1 mol%, 02, 20. 9 mol%)and Peng-Robinson equation was chosen for property method. The resultsshow that energy consumption is 0.667 kW.h(kg.O2)and the LNG consumption is 87. 64 mol/ ( kg0,)for production of air with 95. 08 mol% oxygen. a comparison with reference[ 7 ]was also carried outthe results indicate that as for producing per kg oxygen, energy consumption for both process are equaland LNG amount could reduce roughly 50%. The heat transfer temperature difference in condenser in cry-ogenic distillation column increased from 1. 2 K to 2.8K, which could lead to a greatly reduction in heatexchanger areas.Key words: oxygen-enriched air; liquefied natural gas; cold energy utilization; cryogenic distillation;process simulation收稿日期2011-01-05修订稿日期2011-03-20基金项目:唐山LNG项目冷能利用可行性研究报告0引言作者简介:聂江华(1986~),男,硕士研究生,主要从事过程节能与优化研究工作。液化天然气(LNG)是天然气经净化处理液化211得到的温度约为112K的低温液体,主要成份是本文建立的空分新流程,多股流换热器HEX2CH4,具有热值高,环保,储运成本低等特点。LNG中,处理空气和循环氮气冷却的冷量来自LPC中的的主要利用方式是先在接收站汽化为高压天然气,低温富氧液空和富氮气体升温吸热,以及LNG汽化然后通过管网输送到用户端。LNG从液态汽化为过程中放出的冷能。与已有的流程相比由于回收常温下的气态,放出大约830kJ/kg的冷量。LNG了低温富氧液空的冷能,可以减少单位氧气的LNG汽化热源目前最常用的是海水或空气,因此造成了用量。HPC顶部富氮气体液化的冷量由两部分提冷能的极大浪费。并且一般LNG接收站都带有独供,一部分来自LPC底部部分富氧液体汽化吸收的立的天然气电厂,会产生大量的温室气体CO2,需要热量,另一部分来自循环氮气。由于产品只有一种进行CO2捕获。传统形式的电厂CO2捕获方式主气态富氧空气,省去了氮气和氩气的蒸馏塔,大大简要是燃后捕获和富氧燃烧捕获。富氧燃烧捕获能提化了系统。高烟气中CO2的浓度,同时大大减少烟气的排放富氧燃烧所需的富氧需要消耗大量的电能或低温冷如Q也量,是电厂CO2捕获的一种很有前景的技术-3AC AH量进行空分获得。LNG接收站利用LNG汽化过程NO的冷能进行空分,富氧空气用于燃气轮机燃烧发电NC既回收利用了LNG汽化过程中的冷能,又可降低电HEX厂CO2捕获费用,对LNG接收站具有双重的经济效益。利用LNG冷能空分流程方面的论文及专利不LP少0,但是都是基于多种液态产品,如液氮、液氧以及液氩等,导致系统复杂,单位产品LNG消耗量HEX大。本研究目的在于建立利用LNG冷能制气态富氧的新空分流程,以满足电厂富氧燃烧的需要,简化—富氧空气传统空分流程同时降低单位氧气的LNG消耗量。LN1利用LNG冷能空分新流程的建立图1是利用LNG冷能空分流程。由于富氧空图1利用LNG冷能空分流程气用于电厂燃烧,空气预处理净化过程较为简单图AC-空气压缩机;AH-空气预冷器;HEX1,2-多股流1中省略了这个单元。系统的主要操作单元是精馏换热器NC一氮气压缩机;m,2,3-节流阀;LPC/HPC塔由高压精馏塔(HPC)和低压精馏塔(LPC)组成,低压/高压精馏塔HPC和LPC之间由蒸发冷凝换热器连接,其作用是利用HPC顶高温气体冷凝放热使LPC底部的液体2空分流程模拟及结果分析汽化。其工作原理是,空气经过空气压缩机(AC)增加利用LNG冷能空分的 Aspen Plus模拟流程如到一定的压力,经冷却器(AH)初步降温之后依次图2所示。物流及精馏塔主要参数数据来自文献经过两台换热器(HEX2,1)冷却至接近饱和状态,[7]。流程模拟采用了以下假设:(1)空气为二元混以气态引人高HPC的底部。HPC内空气与从塔顶合气体,N2和O2的摩尔分数分别是791%和流下的液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发,富氧液20.9%;(2)压缩机的等熵效率和机械效率分别取空集于塔底部富氮气体集于塔顶部。从HPC底部0720.95;(3)多股流换热器的热漏取5%引出的富氧液空经节流阀(T2)减压降温后,引入(4)LNG的成份为纯甲烷CH4。LPC上部适当位置,从HPC顶部引出的富氮液空经模拟物性方法选用Peng- Robinson方程。但节流阀(T3)后,引人LPC顶部作为回流液。LPC顶是研究表明需要对此方程进行修正得到的数据,尤部引出的低温高氮气体和底部引出的富氧液体依次其是上塔计算时氧气的产量和纯度才能与实际运行经过换热器HE1,2吸收热量被加热至常温附近值吻合-12。本研究设定Peng- Robinson方程中的气态富氮气体直接排空,产品是气态的富氧组分二元相互作用系数设定为Kn。=-0019空气。高压精馏塔压缩机COOLER糟馏塔HEXI氮气压缩机RNIHEX2RN3—04-05—白NGLNG-G图2利用LNG冷能空分 Aspen Plus模拟流程A-空气;RN-循环氮气;N一富氮气体;0-富氧空气;LCN-液化天然气;NG-天然气;HEX-多股流换热器表1为主要物流的模拟结果。可以看出,处理褒2主要设备性能模拟结果与比较空气和富氧产品的流量分别为372km/h和60设备名称本研究文献[7]kmo/h,LNG的消耗量为84kmo/h,与文献[7]相空气压缩机流量,kmol/h比,LNC消耗量减少约为50%。天然气的温度为能耗,kW氮气压缩机流量,kmol/h303.17K,接近于常温,与传统的LNG空分得到的较低温度天然气流程相比,减少了后续天然气再热表2是空分系统主要设备能耗模拟结果。空分设备和能耗。从表1还可以看出,蒸发冷凝换热器系统两个主要的能耗操作单元,空气压缩机和氮气冷凝侧的物流(高温物流),高压塔顶部氮气冷凝温的能耗分别是98kW和225kW,与文献[7]相比度为96.72K;蒸发侧的物流(低温物流),低压塔液较,空气压缩机的能耗降低2.4%,氮气压缩机的能态富氧的温度为9393K,最小传热温差为279K,耗降低约13.9%。空气压缩能耗的差别很可能是满足空分系统冷凝蒸发器两侧保证不小于2K传热模拟过程中物性方法的不同造成的,氮气压缩能耗温差的要求。与文献[7]的1.2K的传热温差相的差别主要是由于本研究建立的系统,富氧的浓度比,可以大大减小换热面积,提高传热速率从989%降低到95.08%,从而减少了制冷氮气流1主要物流模拟结果量。但是氧气的能耗大致相等,为067kWh/kg物流节点温度,K压力,MP流量,kmo/h0.100F藏致换温608.820.700313.150.65040.000.62594.0.500127.250.495换热器截面冷量释放累计kW田3HEX1物流温度与换热温差的分布303.170.2809.720.6008050图3和图4分别为空分系统中换热器HEX1和HEX2中冷负荷释放量与冷、热流体温度、对数换热93.930.170下转第218页)213综合以上分析,在缺乏淡水的沿海地区和内陆,本装 drinking water production[.200,248(1-3):204-2ll置具有广阔的市场前景,值得进一步研究和开发。[6]郑宏飞,杨英俊具有折皱底面的多级迭盘式太阳参考文献能蒸馏器的模拟实验研究[J].太阳能学报,2004,25(2)00[1]郑宏飞,何开岩,陈子乾.太阳能海水淡化技术[M]北京:北京理工大学出版社,200.[7]Mark MA S, Tiwari G N, Kumar A and Sodha M S So-[2]Adhikari R S, Kumar A, Soothe G D Simulation studielar Desalination. 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