梁光川 蒲 鶴 李 俊 龍玉娟

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國(guó)石油塔里木油田公司油氣運(yùn)銷部，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)石油青海油田公司采油二廠，甘肅 敦煌 736200

0 前言

LNG是天然氣經(jīng)過(guò)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(chǔ)溫度為-162 ℃，存儲(chǔ)密度通常為430～470 kg/m3。使用時(shí)，需要把LNG轉(zhuǎn)化為常溫的氣體，汽化過(guò)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(fèi)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［1］。

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(shí)，回收儲(chǔ)存在LNG中的能量。對(duì)LNG冷能采用評(píng)價(jià)，能對(duì)體系的熱量與環(huán)境之間的關(guān)系作出合理評(píng)價(jià)。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(shí)，LNG壓力的變化趨勢(shì)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。其原因是：當(dāng)環(huán)境溫度增大時(shí)，LNG的汽化潛熱及顯熱均增加。LNG在一個(gè)大氣壓下，從-160 ℃極低溫度升高到25 ℃，LNG吸收920 kJ/kg的熱量，如果有效地回收利用這部分冷能，可以節(jié)約大量能量［2］。

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。

1 工藝流程

圖1給出了流程原理圖［3-4］。該空分流程包括四部分：空氣壓縮與凈化，冷卻空氣，冷能利用，精餾。原料空氣經(jīng)過(guò)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(guò)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。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(dòng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)［5-6］。

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(guò)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(chǔ)罐儲(chǔ)存。產(chǎn)品液氧從下塔底部的液氧槽引到液氧儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，下塔塔釜的富氧液采用過(guò)冷器過(guò)冷，再經(jīng)過(guò)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(guò)過(guò)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(guò)過(guò)冷器和低溫?fù)Q熱器回收部分冷能后，直接排出［7］。

圖1 利用LNG 冷能的空氣分離流程

2 模擬分析

本文使用Aspen Plus軟件對(duì)液化流程進(jìn)行模擬計(jì)算，下面介紹主要的運(yùn)行參數(shù)［6］。原料空氣初始狀態(tài)0.1 MPa，288 K，各組分體積分?jǐn)?shù)：N278.09%，O220.95%，Ar 0.93%，其他氣體0.03%。模擬計(jì)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?dú)?.1%。流程模擬結(jié)果匯總見表1。表1中其他設(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［8］。

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(shì)。

表1 模擬計(jì)算結(jié)果主要參數(shù)匯總

3 空分裝置中循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ姆治?/h2>

在空分過(guò)程中，循環(huán)N2經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)1、2壓力從0.5 MPa增壓到5 MPa。循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ奶岣邉?shì)必會(huì)對(duì)冷能的利用造成一定影響，本文以一次循環(huán)氮?dú)鉃槔治霾煌瑝嚎s壓力對(duì)循環(huán)性能參數(shù)的影響。循環(huán)氮?dú)鈮毫Ψ謩e為3.6、4.0、4.5和5.0 MPa。圖2～3給出了循環(huán)氮?dú)獠煌瑝毫ο乱夯h(huán)主要性能參數(shù)的變化情況。

圖2 流量與循環(huán)壓力的關(guān)系圖

圖3 LNG 出口溫度與循環(huán)壓力關(guān)系圖

通過(guò)圖2～3所示，對(duì)比5種工況知，隨著循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ脑黾樱琇NG流量和循環(huán)氮流量逐漸降低，出口溫度越來(lái)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(shuō)提高循環(huán)氮?dú)鈮嚎s壓力對(duì)液化循環(huán)有正面影響，通過(guò)圖3也可以看出，空分流程中單位液化產(chǎn)品的能耗變化很小，約為0.300 kW。

4 結(jié)論

a）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(duì)于傳統(tǒng)流程，可以縮短裝置的啟動(dòng)時(shí)間。

b）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(jiǎn)化了空分流程。

c）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?dú)饬棵黠@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。

［1］顧安忠，魯雪生，金國(guó)強(qiáng)，等.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.Gu Anzhong，Lu Xuesheng，Jin Guoqiang，et al.Technical Manual of Liquefied Natural Gas［M］.Beijing：China Machine Press，2010.

［2］陳則韶，程文龍，胡 芃.一種利用LNG冷能的空氣分離裝置［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（6）：913-916.Chen Zeshao，Cheng Wenlong，Hu Peng.A New Air Separation System by Using Cold Energy of LNG ［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2004，25（6）：913-916.

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