孫素榮

【摘 要】 傳統(tǒng)的空分流程中需要的冷能通常是利用氟利昂制冷機(jī)和組合的膨脹機(jī)產(chǎn)生的，需要消耗大量的電能。利用LNG高品質(zhì)的低溫冷能是有效降低空分單位耗電的途徑之一。鑒于目前LNG冷能利用狀況，LNG冷能用于空氣分離裝置的技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。本文著重討論如何增加LNG冷能在空分裝置中的利用率。如果有效地回收利用這部分冷能，可以節(jié)約大量能量。

【關(guān)鍵詞】 液化天然氣；冷能利用；空分流程；Aspen Plus軟件；流程模擬

引言：

LNG是天然氣經(jīng)過脫水、脫硫與低溫技術(shù)液化處理而成的低溫液體混合物。其存儲溫度為-162 ℃，存儲密度通常為430～470 kg/m3。使用時，需要把LNG轉(zhuǎn)化為常溫的氣體，汽化過程中放出的冷量約為830 kJ/kg。如不回收利用，這部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空氣被舍棄，浪費驚人。

目前，LNG冷能的利用方式主要有：冷能發(fā)電、空氣分離冷源、食品冷凍冷源、制造液體CO2、低溫粉碎等。LNG冷能分為低溫和壓力。LNG壓力隨系統(tǒng)壓力的增大而增大， 當(dāng)系統(tǒng)壓力大于2 MPa時，LNG壓力的變化趨勢平緩。在相同的系統(tǒng)壓力下，LNG壓力隨環(huán)境溫度的升高而增加，但其變化不大。LNG低溫隨環(huán)境溫度的升高而增加，隨系統(tǒng)壓力的增加而減小。

LNG冷能利用主要是依靠LNG與周圍環(huán)境之間存在的溫度和壓力差， 在LNG變化到與外界平衡時，回收儲存在LNG中的能量。對LNG冷能采用評價，能對體系的熱量與環(huán)境之間的關(guān)系作出合理評價。

一、工藝原理

在低溫?fù)Q熱器中，空氣被低溫循環(huán)N2和廢棄N2冷卻至約100 K，依次進(jìn)入高壓分餾塔、低壓分餾塔進(jìn)行換熱。裝置啟動初，從下塔中上部引出循環(huán)N2進(jìn)行積累，當(dāng)循環(huán)N2達(dá)到一定濃度，通過閥門進(jìn)行切換，使循環(huán)N2與精餾塔隔離。高壓分餾塔流出的95 K的循環(huán)N2，經(jīng)過低溫?fù)Q熱器與原料空氣進(jìn)行換熱后，溫度升至240 K左右； 該氣體兩次進(jìn)入主換熱器與LNG換熱，并兩次通過壓縮機(jī)加壓，得到的210 K、5 MPa的高壓N2進(jìn)入主換熱器冷凝，溫度降為130 K左右；通過氮節(jié)流閥節(jié)流降溫降壓至96 K、0.6 MPa左右后， 進(jìn)入高壓分餾塔的液氮入口，與空氣換熱，氣化后繼續(xù)循環(huán)。

空分流程一般分為四部分：空氣壓縮與凈化，冷卻空氣，冷能利用，精餾。原料空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)加壓到0.6 MPa，進(jìn)入空氣冷卻器中被冷卻至303 K。隨后進(jìn)入空氣凈化器，通過其中的分子篩吸附除去灰塵、CO2、烴類化合物等雜物，以防止凍堵。

二、模擬數(shù)據(jù)分析

在本文中使用Aspen Plus軟件對液化流程進(jìn)行模擬計算，模擬計算中， 物性選用Peng-Robinson狀態(tài)方程， 壓縮機(jī)的等熵效率為0.80，機(jī)械效率為0.95， 系統(tǒng)總的冷損失為總冷能的5 %。LNG的進(jìn)口參數(shù)：8.0 MPa，123 K。LNG各組分體積分?jǐn)?shù)：甲烷88.8 %，乙烷7.5 %，丙烷2.6 %，正丁烷0.6 %，異丁烷0.4 %，氮氣0.1 %。其他設(shè)備能耗指的是輔助設(shè)備，如分子篩純化器、冷水機(jī)組等的能耗。

主要運行參數(shù)如下。原料空氣初始狀態(tài)0.1 MPa，288 K，各組分體積分?jǐn)?shù)：N2 78.09%，O2 20.95 %，Ar 0.93 %， 其他氣體0.03 %。

Aspen Plus軟件的模擬結(jié)果表明， 該流程生產(chǎn)單位液態(tài)產(chǎn)量的能耗為0.300 kW·h/kg，相比于傳統(tǒng)流程約1.000 kW·h/kg的單位能耗降低了約70 %，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

下塔內(nèi)空氣與從塔頂流下的液氮在多層塔板上反復(fù)冷凝和蒸發(fā)，含有較多液氧成分的富氧液集于下塔底部，N2集于下塔頂部， 并與上塔底部液氧交換熱量后被冷凝成液體；下塔頂部液氮收集器收集的液氮被引出，被過冷器進(jìn)一步降溫后，一部分進(jìn)入上塔頂部作為上塔頂部的回流液，另一部分流到液氮儲罐儲存。產(chǎn)品液氧從下塔底部的液氧槽引到液氧儲罐儲存，下塔塔釜的富氧液采用過冷器過冷，再經(jīng)過液空節(jié)流閥降壓后在適當(dāng)位置引入上塔。

上塔頂部的產(chǎn)品N2經(jīng)過過冷器回收部分冷能后，進(jìn)入低溫?fù)Q熱器再釋放一部分冷能，以出口溫度接近原料空氣進(jìn)口溫度的N2產(chǎn)品輸出；從上塔中上部引出的污氮，經(jīng)過過冷器和低溫?fù)Q熱器回收部分冷能后，直接排出。

三、循環(huán)氮氣壓力變化分析

在空分過程中，循環(huán)N2經(jīng)過壓縮機(jī)1、2壓力從0.51.空氣壓縮機(jī)；2.冷卻器；3.空氣凈化器；4.低溫?fù)Q熱器；5.1號壓縮機(jī)；6.2號壓縮機(jī)；7.主換熱器；8.上塔；9.冷凝蒸發(fā)器；10.下塔；11.過冷器；12.液氮儲罐；13.液氧儲罐29天然氣與石油增壓到5 MPa。

對比5種工況知，隨著循環(huán)氮氣壓力的增加，LNG流量和循環(huán)氮流量逐漸降低，出口溫度越來越高，從初始狀態(tài)升溫到出口溫度所能釋放的冷能有所增加，循環(huán)液化系數(shù)升高，減少了LNG冷能的消耗量。這就是說提高循環(huán)氮氣壓縮壓力對液化循環(huán)有正面影響，空分流程中單位液化產(chǎn)品的能耗變化很小，約為0.300 kW。

循環(huán)氮氣壓力的提高勢必會對冷能的利用造成一定影響，在這里以一次循環(huán)氮氣為例分析不同壓縮壓力對循環(huán)性能參數(shù)的影響。循環(huán)氮氣壓力分別為3.6、4.0、4.5和5.0 MPa。

四、論證結(jié)果

1、空分流程引入LNG冷能后，不再需要額外的制冷設(shè)備，取消了傳統(tǒng)空分流程中的氟利昂制冷機(jī)和組合膨脹機(jī)，簡化了空分流程。

2、將LNG冷能用于空分流程中，有利于提高空分流程的液化率；LNG可以瞬間釋放出大量高品位冷能，相對于傳統(tǒng)流程，可以縮短裝置的啟動時間。

3、引進(jìn)LNG冷能的空分流程與傳統(tǒng)空分流程相比，所需的循環(huán)氮氣量明顯減少，液態(tài)產(chǎn)品的單位能耗從傳統(tǒng)的1.000 kW·h/kg降低到0.300 kW·h/kg，節(jié)能效果明顯。

五、結(jié)束語

常規(guī)空氣分離方法通過采用高壓空氣冷卻膨脹制冷來提供空分系統(tǒng)所需的冷量，氣體壓縮需要消耗大量電和水。將LNG的低溫冷能用于空分系統(tǒng)后，單位產(chǎn)品的能耗會大幅降低。從熱力學(xué)角度出發(fā)，指出該LNG冷能回收利用方式的合理性。

筆者采用Aspen Plus軟件對流程進(jìn)行模擬和分析，物性方法選擇Peng-Robinson方程。實驗結(jié)果表明，該冷能冷卻空分流程單位液態(tài)產(chǎn)品能耗為0.3 kW·h/kg，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空分流程約為1.0 kW·h/kg的能耗。在詳細(xì)介紹流程的基礎(chǔ)上，著重討論流程在運行壓力、單位能耗等方面的特點。在此，我們希望對LNG高品質(zhì)的低溫冷能用于空氣分離的工藝進(jìn)行改進(jìn)，以期回收LNG冷能的同時降低空分系統(tǒng)的動力功耗。

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