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1、精选优质文档-倾情为你奉上利用LNG冷能的空气分离流程蒲鹤1 梁光川1（1.西南石油大学 石油工程学院，四川 成都 ）摘要:常规的空气分离方法采用高压空气冷却膨胀制冷来提供空分系统所需的冷量，气体压缩需要消耗大量的电和水。将LNG 的低温冷能用于空分系统后，单位产品的能耗会大幅降低。从热力学角度出发，指出了该LNG冷能回收利用方式的合理性。对LNG高品质的低温冷能用于空气分离的工艺进行改进，以期回收LNG冷能的同时降低空分系统的动力功耗。在详细介绍流程的基础上，着重讨论了流程在运行压力、单位能耗等方面的特点。采用Aspen Plus软件对流程进行模拟和分析，物性方法选择Peng-Robinso
2、n方程。结果表明，该冷能冷却空分流程单位液态产品能耗为0.3kWhkg-1，远低于传统空分流程约为1.0kWhkg-1的能耗。关键词：液化天然气；冷能利用；空分流程；火用分析；Aspen Plus软件; 流程模拟文献标志码AThe air separation process by using LNG cold energyAbstract: The high-pressured air was cooled and expanded to supply the cold energy for the air separation in the conventional air separat
3、ion method, in which large amounts of electricity and water was consumed. If LNG cold energy was used in the air separation unit, energy consumption per kilogram liquid production would be reduced significantly. The rationality of this air separation process was analyzed from the thermodynamic view
4、point.The air separation process by using the high-quality energy held in LNG was improved for recovering the cold energy and reducing unit power consumption. The process arrangement was introduced in detail in this work, followed by its characteristics, such as operating pressure and energy cost. A
5、spen Plus software was used to simulate and analyze this process and Peng- Robinson equation w as chosen for property method. The results showed that unit power consumption of liquid air separation products was 0.300kWhkg-1 by using cryogenic energy of LNG for manufacture of liquid nitrogen and liqu
6、id oxygen, compared with the power input of 1.0kWhkg-1 in the conventional air separation unit.Key words: liquefied natural gas(LNG); cold energy utilization; air separation unit；exergy analysis；software Aspen Plus ; process simulation0.前言LNG是天然气经过脱水、脱硫与低温技术液化处理而成的低温液体混合物。其存储的温度为-162，存储密度通常为430470kg
7、/m3。当使用时，需要把LNG转化为常温的气体，在这个气化过程中放出的冷量约为830 kJ/kg。如不回收利用，这部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃了，浪费是惊人的。目前，LNG冷能的利用方式主要有：冷能发电、空气分离冷源、食品冷冻冷源、制造液体二氧化碳、低温粉碎等1。LNG冷能利用主要是依靠LNG与周围环境之间存在的温度和压力差，通过LNG变化到与外界平衡时，回收储存在LNG中的能量。对LNG冷能采用火用评价，能合理地对体系的热量与环境之间的关系作出评价。LNG冷能火用分为低温火用和压力火用。LNG压力火用随系统压力的增大而增大，当系统压力大于2MPa ,LNG压力火用的变化趋势
8、平缓。在相同的系统压力下，LNG压力火用随环境温度的升高而增加，但其变化不大。LNG低温火用随环境温度的升高而增加，随系统压力的增加而减小。其原因是：当环境温度增大时，LNG的汽化潜热火用及显热火用均增加。LNG在一个大气压下，从-160极低温度升高到25，LNG吸收920 kJ/kg的热量，如果有效地回收利用这部分冷能，可以节约大量的能量3。传统的空分流程中需要的冷能，通常是利用氟利昂制冷机和组合的膨胀机产生的，需要消耗大量的电能。利用LNG高品质的低温冷能是有效降低空分单位耗电的途径之一。鉴于目前LNG冷能利用状况，LNG冷能用于空气分离装置的技术有着广泛的应用前景。本文着重讨论如何增加L
9、NG冷能在空分装置中的利用率。1.工艺流程图1给出了流程原理图45。该空分流程包括四部分：空气压缩与净化，冷却空气，冷能利用，精馏。原料空气经过空气压缩机加压到0.6MPa，进入空气冷却器中被冷却至303K；随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去灰尘、二氧化碳、烃类化合物等杂物，以防止冻堵。在低温换热器中，空气被低温循环氮气和废弃氮气冷却至约100K，依次进入高压分馏塔、低压分馏塔进行换热。装置启动初，从下塔中上部引出循环氮气进行积累，当循环氮气达到一定浓度，通过阀门进行切换，使循环氮气与精馏塔隔离。高压分馏塔流出的95K的循环氮气，经过低温换热器与原料空气进行换热后，温度升至240K左
10、右；该气体两次进入主换热器与LNG换热，并两次通过压缩机加压，得到的210K，5MPa的高压氮气进入主换热器冷凝，温度降为130K左右；通过氮节流阀节流降温降压至96K，0.6MPa左右后，进入高压分馏塔的液氮入口，与空气换热，气化后继续循环7 8。下塔内空气与从塔顶流下的液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发，含有较多液氧成分的富氧液集于下塔底部，氮气集于下塔顶部，并与上塔底部液氧交换热量后被冷凝成液体；下塔顶部液氮收集器收集的液氮被引出，经过冷器进一步降温后，一部分进入上塔顶部作为上塔顶部的回流液，另一部分流到液氮储罐储存。产品液氧从下塔底部的液氧槽引到液氧储罐储存，下塔塔釜的富氧液经过冷器过冷，
11、再经过液空节流阀降压后在适当位置引入上塔。上塔顶部的产品氮气经过过冷器回收部分冷能后，进入低温换热器再释放一部分冷能，以出口温度接近原料空气进口温度的氮气产品输出；从上塔中上部引出的污氮，经过过冷器和低温换热器回收部分冷能后，直接排出2。1 空气压缩机；2冷却器；3空气净化器；4低温换热器；51号压缩机；62号压缩机；7主换热器；8上塔；9冷凝蒸发器；10下塔；11过冷器；12液氮储罐；13液氧储罐图1利用LNG冷能的空气分离流程Schematic diagram of an air separation process by using LNG cold energy专心-专注-专业2.模拟
12、分析本文使用Aspen Plus软件对液化流程进行模拟计算，下面介绍主要的运行参数6。原料空气初始状态0.1MPa，288K，各组分体积分数为：氮气78.09%，氧气20.95%，氩气0.93%，其他气体0.03%。模拟计算中，物性选用Peng-Robinson状态方程，压缩机的等熵效率为0.80，机械效率为0.95，系统总的冷损失为总冷能的5%。LNG的进口参数为8.0MPa，123K。LNG各组分体积分数为：甲烷88.8%，乙烷7.5%，丙烷2.6%，正丁烷0.6%，异丁烷0.4，氮气0.1%。流程模拟结果汇总如表1所示。表中其他设备能耗指的是辅助设备如分子筛纯化器、冷水机组等的能耗。表1
13、模拟计算结果主要参数汇总技术指标数值加工空气量/（th-1）（288K,0.10MPa）32.30 液氧产量/(th-1)（92K,0.13MPa,99.8%）5.71液氮产量/(th-1)（80K,0.12MPa,99.99%）5.86循环氮气量/（th-1）22.69精馏塔上塔级数65精馏塔下塔级数30LNG流量/（th-1）37.40 LNG出口温度/K191.70 LNG出口压力/MPa7.80 原料空气消耗的压缩功/kW2337.60 循环氮气消耗的压缩功/kW841.50 其他设备能耗/kW300单位液态产品能耗/(kWhkg-1)0.30 Aspen Plus软件的模拟结果表明，
14、该流程生产单位液态产量的能耗为0.300kWhkg-1，相比于传统流程约1.000 kWhkg-1的单位能耗降低了约70%，具有明显的节能优势。3.空分装置中循环氮气压力的分析在空分过程中，循环氮气经过压缩机2、3不断加压，从0.5MPa加压到5MPa。循环氮气压力的提高势必会对冷能的利用造成一定影响，因此本文以一次循环氮气为例分析不同压缩压力对循环性能参数的影响。循环氮气压力分别为3.6MPa，4.0 MPa，4.5 MPa，5.0 MPa。图2和图3给出了循环氮气不同压力下液化循环的主要性能参数的变化情况。图2流量与循环压力的关系图图3LNG出口温度与循环压力关系图通过图2和图3所示，对比
15、5种工况可以看出，随着循环氮气压力的增加，LNG流量和循环氮流量逐渐降低，LNG的出口温度越来越高，LNG从初始状态升温到出口温度所能释放的冷能就会有所增加，是的循环液化系数升高，减少了LNG的消耗量。这就是说提高循环氮气压缩压力对液化循环有正面的影响，但是通过图3也可以看出，空分流程中单位液化产品的能耗变化很小，大约是0.300kW。4.结论（1）将LNG冷能用于空气分离流程中，有利于提高空分流程的液化率；LNG可以瞬间释放出大量高品位冷能，相对于传统流程，可以缩短装置的启动时间。（2）空分流程引入LNG冷能后，不再需要额外的制冷设备，取消了传统空分流程中的氟利昂制冷机和组合膨胀机，简化了空
16、分流程。（3）引进LNG冷能的空分流程与传统空分流程相比较，所需的循环氮气量明显减少，液态产品的单位能耗从传统的1.000 kWhkg-1降低到0.300 kWhkg-1节能效果明显。参考文献：1顾安忠，鲁雪生等. 液化天然气技术手册. 北京：机械工业出版社，2010.2陈则韶，程文龙，胡芃. 一种利用LNG冷能的空气分离装置J. 工程热物理学报，2004,25（6）:913916.3 廖志敏，杜晓春，陈刚，等. LNG的研究和应用J. 天然气与石油，2005，23（3）：2831.4金滔，胡建军，陈国邦，等. 利用液化天然气冷能的新型空分流程及其性能J.浙江大学学报：工学版，2007,41（
17、5）：1520. 5燕娜，厉彦忠. 采用液化天然气冷量的空分系统新流程J. 化学工程，2007,35（9）：5861.6 王勇，张玉玺，白剑峰. LNG制冷HYSYS计算模型研究J. 天然气与石油，2012，30（4）：3032.7Agrawa Rakesh. Liquefied natural gas refrigeration transfer to a cryogenics air separation unit using high nitrogen stream : US , P,1992-08-11.8Nagamura Takashi, Yamashita Naohiko . Air separating method using external cold source: US , P,1933-06-22. 【作者简介】蒲鹤（1988），男，山东淄博人，在校硕士研究生，西南石油大学研究生院油气储运工程专业，从事油气储运、储运地面工程方面的研究，