馬國光,李雅嫻,張 晨
(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川 成都 610500)
隨著世界科技與經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,各行各業(yè)對氧氣和氮?dú)獾男枨罅垦杆僭黾?,大大推?dòng)了空分技術(shù)的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)低溫空分工藝采用的是電增壓膨脹的制冷方式,生產(chǎn)過程會(huì)消耗大量的電能,而目前LNG冷能回收利用行業(yè)的逐漸發(fā)展,為空分技術(shù)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇和研究方向[2]。LNG氣化過程會(huì)釋放大量高品位的冷量約830~869MJ/t,如果能有效利用這部分冷能,不僅有利于降低LNG使用成本,還可以降低各冷能用戶的生產(chǎn)和設(shè)備投資成本[3-5]。雖然,目前國內(nèi)LNG冷能主要被用于發(fā)電、冷庫、空氣分離、低溫粉碎等,但將LNG冷能用于空分工藝可以使得LNG的冷量[1]最大程度的被利用,是目前技術(shù)上最為合理的利用方式[6-7]。而對空分工藝中的制冷循環(huán)進(jìn)行研究,合理利用LNG氣化過程釋放的冷量、進(jìn)一步對主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可以有效的降低空氣分離工藝的能耗。
通過對國內(nèi)外LNG冷能回收用于空分工藝的調(diào)研可知,相較于利用LNG冷能的“內(nèi)循環(huán)”制冷空分工藝,利用“外循環(huán)”的制冷空分工藝具有易調(diào)控,安全性高的優(yōu)點(diǎn)[8],于是本文以“外循環(huán)”工藝作為研究對象。目前常用的制冷方式主要有直接氣化制冷、相變制冷、氣體膨脹制冷、固體絕熱去磁制冷等[9],不同制冷方式適用于獲取不同的溫度,其中相變制冷和氣體膨脹制冷是最常用制冷方式。本文首先對直接氣化制冷、相變制冷和氣體膨脹制冷的“外循環(huán)”制冷方式進(jìn)行了適應(yīng)性研究,以作為下文整體工藝提出的基礎(chǔ)。通過對空氣精餾分離技術(shù)的調(diào)研可知,生產(chǎn)全液態(tài)空分產(chǎn)品需要讓空氣經(jīng)制冷系統(tǒng)后的液化率大于35%,對制冷循環(huán)的要求很高。研究過程假設(shè)空氣已經(jīng)過凈化處理,LNG與空氣的組分見表1。
表1 空氣和LNG物質(zhì)的量組成(%)
經(jīng)調(diào)研,目前常用制冷劑的冷凝溫度曲線[10]見圖1,對比LNG及空氣的冷凝溫度曲線發(fā)現(xiàn),各制冷劑在微正壓下的冷凝溫度在-160℃以上,均高于LNG,這說明常用的制冷劑均無法實(shí)現(xiàn)空氣液化所需要的低溫,反而增加了設(shè)備投資,故相變制冷方式在此空分工藝中不適用。
圖1 常見制冷劑冷凝溫度曲線
圖2 直接氣化制冷/氮膨脹制冷中溫度、氣液比與壓力的關(guān)系
分別計(jì)算在不同空氣壓力下,LNG直接氣化和氮膨脹制冷法可獲得的空氣溫度及氣液比見圖2。分析發(fā)現(xiàn):LNG直接氣化法可將空氣最低冷卻至-174.6℃,空氣的液化率最高為27.6%,這無法滿足常用空分設(shè)備生產(chǎn)全液態(tài)空分所需的低溫要求,若要實(shí)現(xiàn)全液態(tài)空分產(chǎn)品的生產(chǎn),則需要多次增加回流,增加精餾過程的復(fù)雜程度,故直接汽化法在此工藝中也不適用;而在氮膨脹制冷法中,隨空氣壓力的增加,出換熱器的溫度不斷降低,液化率不斷增加,并且空氣在較低的壓力下即可獲得40%以上的液化率,此時(shí)所消耗的LNG汽化量也僅為LNG直接汽化制冷的2/3。這說明氮膨脹制冷循環(huán)在較低溫度下有較好的制冷效果。
綜合以上分析結(jié)果可知,氮膨脹制冷在超高的制冷深度要求下,相較于LNG直接汽化制冷和相變制冷具有制冷壓力低,制冷效果好的優(yōu)點(diǎn),因此,本空分工藝采用氮膨脹制冷方式。
氮膨脹制冷雖然可以獲得空氣液化所需的冷量,但能耗依然很高,其中循環(huán)氮?dú)馀cLNG的換熱過程對整個(gè)制冷循環(huán)的能耗影響很大,于是本文對換熱過程進(jìn)行深入研究,以減少制冷循環(huán)的能耗。
(1)基于能級理論的換熱過程研究
對能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的評價(jià),應(yīng)以熱力學(xué)第二定律的火用分析方法作為評價(jià)依據(jù),并制定相關(guān)的量化評價(jià)指標(biāo),從合理利用能源的角度出發(fā),注意能源品位的量度[11]?;谶@種思想,將不同能源的有用能火用ΔE與其總能量ΔH的比值定義為這種能源的能質(zhì)系數(shù)(能級)ω,從能量的角度直觀的了解換熱過程用能情況。
對于換熱器,忽略壓力降,則可將能級公式化為:
式中:ΔE—物流火用值,kJ;ΔH—物質(zhì)的焓,kJ;ΔS—物流的熵,kJ/(kg·℃);T—溫度,℃。
假設(shè)LNG氣化量為2000kmol/h,以氮?dú)獾某隹跍囟?154℃控制氮?dú)獾难h(huán)量,計(jì)算各個(gè)壓力下LNG與氮?dú)鈸Q熱過程中各節(jié)點(diǎn)的能級,見圖3。在H-能級關(guān)系曲線中,冷熱物流曲線之間的面積即為換熱過程的火用損失。分析發(fā)現(xiàn):隨LNG氣化壓力的增加火用損失逐漸減小、可獲得的-154℃的低溫氮?dú)饬恳苍诓粩鄿p?。ū3制坎蛔儯?/p>
同時(shí)發(fā)現(xiàn),無論LNG的氣化壓力如何變化,低溫段的火用損失均比高溫段的小。為了進(jìn)一步確定溫度對換熱過程的影響,將LNG氣化壓力分別設(shè)為1000、3000、6000kPa,同時(shí)設(shè)定循環(huán)氮?dú)獾娜肟跍囟确謩e為0℃和40℃,計(jì)算換熱過程各節(jié)點(diǎn)的能級值,見圖4。其中實(shí)線代表氮?dú)馊肟跍囟葹?℃、虛線代表氮?dú)馊肟跍囟葹?0℃。分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)獨(dú)馊肟跍囟葴p少時(shí),冷熱物流曲線之間的面積減少,有效能損失減小。
綜上可知,將氮膨脹制冷方式用于LNG汽化壓力較高的大型接收站、降低氮?dú)馊肟跍囟?,使LNG氣化過程釋放的高品位冷量主要用于循環(huán)氮?dú)獾纳罾?,可有效的減少換熱過程的有效能損失。
(2)氮膨脹級數(shù)優(yōu)選
基于氮?dú)馀cLNG換熱過程的研究,提出增加氮膨脹循環(huán)級數(shù)的優(yōu)化方案。而實(shí)際上多級氮膨脹循環(huán)的級數(shù)會(huì)受到透平膨脹機(jī)入口氮?dú)鈿庖罕鹊南拗?,?dāng)級數(shù)大于三級時(shí),對氮?dú)鈸Q熱入口溫度影響很小。所以我們只需對單級、雙級、三級氮膨脹循環(huán)進(jìn)行對比優(yōu)選。
在制冷循環(huán)中,主要的耗能設(shè)備為壓縮機(jī),故:
式中:F—制冷系統(tǒng)總能耗,kW;W—循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)功耗,kW。
利用HYSYS軟件對單級、雙級、三級氮循環(huán)制冷流程進(jìn)行模擬,分析發(fā)現(xiàn)各級制冷系統(tǒng)的能耗會(huì)受到循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ挠绊?,循環(huán)壓力對各級制冷系統(tǒng)能耗的影響見圖5。三種制冷循環(huán)的能耗均隨循環(huán)氮?dú)獾膲毫υ龃蠖黾?,圖中的A、B、C點(diǎn)為各循環(huán)保證制冷要求的最低壓力,制冷系統(tǒng)能耗最小時(shí)的循環(huán)量、循環(huán)壓力、壓縮機(jī)功耗計(jì)算結(jié)果見表2。
圖3 H-能級關(guān)系曲線
圖4 LNG與氮?dú)鈸Q熱過程中的能級變化
圖5 循環(huán)壓力對各級制冷系統(tǒng)能耗的影響
表2 氮循環(huán)級數(shù)對能耗的影響
分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)能耗最小時(shí),雙級的最小循環(huán)壓力最低,其次為三級和單級循環(huán);當(dāng)膨脹級數(shù)由兩級增加至三級時(shí),循環(huán)壓力不但沒有減少,反而由于循環(huán)量的增加,使得能耗遠(yuǎn)高于單級和雙級循環(huán);同單級氮膨脹循環(huán)相比,雙級氮膨脹的氮?dú)馊肟跍囟扔?0℃減少至20.6℃,結(jié)合前面換熱過程的H-能級圖分析結(jié)果,說明雙級膨脹可以有效的減少LNG冷能回收過程的火用損失。但由雙級增加至三級時(shí),溫度減少量較小,說明一味的增加級數(shù),并不利于能耗和有效能損失的減少,反而會(huì)增加設(shè)備投資。
綜合考慮各循環(huán)的最小能耗、循環(huán)壓力和LNG冷能回收過程的火用損失,優(yōu)選雙級氮膨脹制冷為空氣分離工藝的制冷循環(huán)。
以大連LNG接收站的運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過化工模擬的方法研究整體工藝過程。規(guī)模為600t/d、液氮和液氧目標(biāo)產(chǎn)量約為1:1,LNG汽化量為60t/h,氣化壓力為6MPa,氣化溫度為-159℃。與前面優(yōu)選出的雙級氮膨脹制冷循環(huán)相連接,即為整體的LNG冷能雙級氮膨脹制冷空分工藝。具體見圖6,在模擬時(shí)將入口空氣視為已深度凈化。設(shè)定空氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、膨脹機(jī)的機(jī)械效率為0.75,并且將膨脹機(jī)的增壓端用于循環(huán)氮?dú)獾脑鰤海鰤哼^程的級間冷卻采用水冷器,物性方程選用SRK方程。
圖6 LNG冷能雙級氮膨脹制冷的空分工藝模擬圖
經(jīng)過調(diào)研文獻(xiàn)可知,LNG汽化量、氮?dú)獾难h(huán)壓力、循環(huán)量、空氣液化壓力等參數(shù)的變化對液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量、整體系統(tǒng)功耗有較大影響。為了便于后文優(yōu)化求解,研究過程增加循環(huán)氮?dú)馀cLNG換熱出口溫度對循環(huán)量的約束,對循環(huán)氮?dú)庋h(huán)壓力和空氣液化壓力進(jìn)行敏感性研究。初設(shè)空氣處理量為68000kg/h、壓力為600kPa。本研究的目的是生產(chǎn)雙高純的液態(tài)產(chǎn)品,其中主要耗能設(shè)備是空壓機(jī)及循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī),這里引入單位液態(tài)產(chǎn)品能耗概念,即:
式中:Ntotal—系統(tǒng)總能耗,kJ/h;qO、qN—分別為液氧、液氮產(chǎn)品的質(zhì)量流量,kg/h。
(1)氮循環(huán)壓力
保證LNG汽化量為60000kg/h、汽化壓力為6000kPa,在800~1200kPa之間改變循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的出口壓力,研究氮?dú)庋h(huán)壓力對本工藝中液化量、液化率、單位液態(tài)產(chǎn)品能耗的影響,變化趨勢見圖7。
圖7 各工藝各參數(shù)隨氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力變化曲線
研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)LNG汽化量一定時(shí),隨出口壓力的升高,單位液態(tài)產(chǎn)品能耗不斷減少,液態(tài)產(chǎn)品產(chǎn)量、液化率增加,故可以通過改變循環(huán)氮?dú)獾膲毫σ垣@得所需要的空分產(chǎn)品。在對液氮、液氧產(chǎn)品的影響分析中可以看出,循環(huán)氮?dú)饬吭?250~1300kPa之間時(shí)液氮、液氧的產(chǎn)量可達(dá)到1:1。
(2)空氣液化壓力
保持LNG汽化量為60000kg/h、汽化壓力為6000kPa,改變空壓機(jī)出口壓力,計(jì)算各空壓機(jī)出口壓力下本工藝中空氣的液化量、液化率、單位液態(tài)產(chǎn)品能耗,變化趨勢見圖8。研究發(fā)現(xiàn):隨循環(huán)氮?dú)鈮毫υ龃?,單位液態(tài)產(chǎn)品能耗逐漸增大、空氣液化率和空氣液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量基本不變。所以空氣壓力不是影響本工藝性能的關(guān)鍵因素,而且壓力不需過高,只要保證精餾過程順利進(jìn)行即可。
經(jīng)過對工藝系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析可知,當(dāng)LNG汽化量、汽化壓力、液態(tài)產(chǎn)品產(chǎn)量一定時(shí),對系統(tǒng)能耗影響較大的參數(shù)僅剩下氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力和循環(huán)量。因此下文將氮?dú)鈮嚎s機(jī)出口壓力和循環(huán)量作為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化。
圖8 各工藝各參數(shù)隨空壓機(jī)出口壓力變化曲線
(1)優(yōu)化模型的建立
本工藝的研究目的是用最小的能耗獲得一定量的液態(tài)空氣分離產(chǎn)品,由于液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量已定(液氮 12593kg/h,液氧 12554kg/h),所以將優(yōu)化目標(biāo)簡化為整體工藝的能耗,包括空壓機(jī)和循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)的功耗,建立工藝系統(tǒng)的優(yōu)化模型:
在此利用HYSYS軟件自帶的優(yōu)化器進(jìn)行求解。
(2)優(yōu)化結(jié)果
經(jīng)優(yōu)化器計(jì)算后得到的主要設(shè)備的操作條件見表3。最優(yōu)的各級壓縮機(jī)出口壓力、循環(huán)氮?dú)饬髁俊⒛芎闹狄姳?。
表3 主要設(shè)備參數(shù)
表4 各工藝循環(huán)優(yōu)化結(jié)果
由于生產(chǎn)不同的空氣分離產(chǎn)品,會(huì)使單位液態(tài)產(chǎn)品的能耗有很大的區(qū)別(液氮比例越大,能耗越?。?,所以不能單憑單位液態(tài)產(chǎn)品能耗去對比不同產(chǎn)品比例的空分工藝性能。通過調(diào)研國內(nèi)外LNG冷能空氣分離廠發(fā)現(xiàn),日本知多基地的產(chǎn)品與本工藝較為類似,其生產(chǎn)能力為液氧4000Nm3/h,液氮6000Nm3/h,以增壓設(shè)備軸功計(jì)算,單位液態(tài)產(chǎn)品能耗為0.475kWh/kg[12-13],相較之下,本研究所提出的雙級氮膨脹制冷空分工藝比知多基地的液氮產(chǎn)量比例更小,但單位液態(tài)的產(chǎn)品能耗依然減少了約10.97%,均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)低溫空氣分離工藝的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗(1.05~1.25kWh/kg),說明該工藝有較好的節(jié)能效果。
本文首先對LNG冷能空分工藝的制冷循環(huán)進(jìn)行了研究,又基于能級理論對制冷循環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)選;其次利用HYSYS軟件自帶的優(yōu)化器,對工藝中的重要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析及優(yōu)化,得到:
(1)氮膨脹制冷相較于LNG直接汽化制冷和相變制冷具有制冷壓力低,制冷效果好的優(yōu)點(diǎn)。
(2)雙級氮膨脹制冷的最小能耗與單級基本相同,但遠(yuǎn)低于三級氮循環(huán);雙級氮循環(huán)的循環(huán)壓力遠(yuǎn)低于單級和三級,且有效的減少了與LNG換熱過程的火用損失。
(3)整體工藝的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗和液態(tài)產(chǎn)品產(chǎn)量受循環(huán)氮?dú)鈮毫?、氮?dú)庋h(huán)量的影響較大,但對空氣液化壓力不敏感,可以通過增加循環(huán)氮?dú)鈮毫Γ瑏碓黾右旱a(chǎn)品比例。
(4)優(yōu)化后整體工藝的單位液態(tài)產(chǎn)品能耗為0.4229kWh/kg,相較類似生產(chǎn)比例的日本知多基地的工藝流程,能耗減少了約10.98%,且遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)低溫空分工藝單位液態(tài)產(chǎn)品的能耗(1.05~1.25kWh/kg),說明該工藝有較好的節(jié)能效果。