苗沃生，李琦芬*，楊涌文，楊天海，王朝龍

（1.上海電力大學(xué)，上海 200090；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200090）

天然氣作為清潔燃料之一，在我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、控制大氣污染等方面發(fā)揮不可替代的功效。2018年，我國天然氣進(jìn)口量世界第一，LNG進(jìn)口量達(dá)到5378萬t[1]。低溫LNG（-162℃）在進(jìn)入官網(wǎng)前需增壓氣化，并釋放出大量冷能，約830kJ/kg。然而接收站大多通過水浴式氣化器或空溫式氣化器氣化LNG，導(dǎo)致LNG的高品位冷能被白白浪費(fèi)。目前大批學(xué)者針對LNG所含冷能用于空氣分離[2]、輕烴分離[3]、CO2液化[4]、冷能發(fā)電[5]等方面的研究較多，而針對橡膠低溫粉碎的研究較少。若將LNG冷能用于橡膠粉碎[6]，不僅能減輕生態(tài)環(huán)境壓力，也可緩解我國天然橡膠不足[7]的局面。

針對LNG冷能用于橡膠粉碎，國內(nèi)學(xué)者提出幾種不同流程方案。熊永強(qiáng)等[8-9]設(shè)計(jì)兩套廢舊橡膠低溫粉碎的流程。其一、選用R22作為冷媒回收冷能，再制取低溫空氣冷凍膠粉。經(jīng)計(jì)算，此方案與空氣渦輪膨脹法對比，生產(chǎn)能耗可降低198.5kWh/t，且工程投資總額不相上下；其二、利用空分裝置產(chǎn)生的低壓氮?dú)庾鳛閾Q熱介質(zhì)，制取低溫氮?dú)獠⒂糜谙鹉z冷凍，經(jīng)模擬計(jì)算得出此流程回收LNG冷能的效率為70.7%。相比較于利用渦輪膨脹機(jī)提供冷能，此流程可降低能耗約437.3kWh/t。杜琳琳等[10]設(shè)計(jì)一套LNG冷能用于橡膠粉碎流程，回收LNG-76℃至-100℃的冷能。該系統(tǒng)具有兩級換熱器，并根據(jù)不同裝置特點(diǎn)選取冷媒。初級換熱器以乙烷-乙烯為冷介質(zhì)，次級換熱器以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)，LNG經(jīng)換熱后升至-76℃進(jìn)入其他冷能利用流程。劉穎等[11]提出一種利用LNG冷量的低溫粉碎系統(tǒng)。該流程考慮到LNG易燃易爆特性以及防止膠粉與空氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)，選用氮?dú)饫涿?，?jīng)板翅式換熱器換熱后的氮?dú)庵苯舆M(jìn)入冷凍室和粉碎機(jī)內(nèi)與膠粉換熱。

通過對上述等文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，普遍存在LNG換熱器溫差過大、系統(tǒng)整體效率不高、流程模擬數(shù)據(jù)缺失等問題。此外，與LNG進(jìn)行換熱的低溫介質(zhì)選取也存在爭議，整體粉碎系統(tǒng)的效率也并未經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算。本文從上述幾個(gè)問題出發(fā)，利用模擬軟件進(jìn)行模擬分析各部件的損失情況，采用Vincenzo La Rocca[12-13]給出的LNG冷能回收系統(tǒng)效率的相應(yīng)計(jì)算公式，對流程進(jìn)行分析，并介紹了LNG冷能用于橡膠粉碎系統(tǒng)流程和Aspen HYSYS模型搭建，研究了不同的LNG進(jìn)口溫度、氣化壓力、天然氣出口溫度對流程的影響，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析提出改進(jìn)版系統(tǒng)流程，以期對LNG冷能在膠粉粉碎方面提供有益參考。

1 常規(guī)低溫粉碎流程介紹及模型搭建

1.1 常規(guī)低溫粉碎流程介紹

此流程設(shè)計(jì)基于LNG梯級利用原則，一般LNG冷能梯級利用根據(jù)其氣化曲線分為三級：深冷位（-100℃以下）、中冷位（-100℃～-50℃）、低冷位（-50℃～15℃）[14]。可作為一級利用的有空氣分離、輕烴分離、冷能發(fā)電等工藝。其一，LNG冷能用于空氣分離技術(shù)在日本、韓國等[15]國家已十分成熟，我國也有投產(chǎn)項(xiàng)目[16]，而且空氣分離所需溫度位與LNG溫度最為匹配[17]，冷能發(fā)電方式雖便于推廣，但冷能回收率較低[15]；其二，空氣分離工藝產(chǎn)生的污氮?dú)饪勺鳛榈蜏胤鬯榱鞒痰睦涿绞褂?，污氮?dú)馄涞獨(dú)饧兌仍?7%～99%[18]左右，且不含水分。相對于空氣作為冷介質(zhì)，污氮?dú)饧瓤蓽p輕膠粉在粉碎過程中的氧化作用，省去空氣處理這一環(huán)節(jié)，也能避免氮?dú)赓Y源的浪費(fèi)。

綜上所述，本文以空氣分離作為LNG冷能利用第一級，經(jīng)第一級的LNG出口溫度設(shè)定為-105℃，橡膠低溫粉碎作為LNG冷能利用的第二級；污氮?dú)庾鳛榇肆鞒汤浣橘|(zhì)。

本文以某港口為例，其LNG組分如表1。LNG冷能用于廢舊橡膠粉碎系統(tǒng)流程圖如圖1。

表1 LNG組分成分表

工藝流程簡介：經(jīng)過常溫粉碎后，40～50目的膠粉被送入低溫粉碎流程。經(jīng)冷凍室和低溫粉碎機(jī)換熱后的低溫氮?dú)膺M(jìn)入預(yù)冷室預(yù)冷粗膠粉，再將粗膠粉送入冷凍室、低溫粉碎機(jī)進(jìn)行冷凍、粉碎。來自空分裝置的20℃的污氮?dú)饨?jīng)兩個(gè)低溫?fù)Q熱器與LNG換熱后降至-90℃左右，進(jìn)入冷凍室和低溫粉碎機(jī)冷凍膠粉。經(jīng)低溫粉碎的膠粉經(jīng)過分離器與氮?dú)夥蛛x后篩分、包裝，作為成品出售。

圖1 LNG低溫粉碎流程圖

1.2 Aspen HYSYS模型建立

圖2常規(guī)工藝流程模擬圖

采用Aspen HYSYS軟件對流程（如圖2所示）進(jìn)行模擬以得到各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，模擬基于以下設(shè)定條件：

工藝流程為穩(wěn)態(tài)，默認(rèn)此流程無氣體泄漏；

換熱器壓降10kPa，空氣壓縮機(jī)、低溫泵、膨脹機(jī)工作效率默認(rèn)75%；

循環(huán)物流為污氮?dú)?，其組成為N298%、O22%。

經(jīng)過HYSYS模擬的系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)見表2。主要設(shè)備的功、能流參數(shù)見表3。

表2工藝流程模擬節(jié)點(diǎn)參數(shù)

表3 工藝系統(tǒng)主要設(shè)備功、能流參數(shù)

2.1 熱力學(xué)分析

低溫?fù)Q熱器1：

低溫?fù)Q熱器2：

系統(tǒng)：

表4 各設(shè)備損及效率值

表4 各設(shè)備損及效率值

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圖3 損分布

圖4 低溫粉碎系統(tǒng)效率隨LNG進(jìn)口溫度變化曲線

2.2 流程優(yōu)化分析

文獻(xiàn)[19]提出：若將粉碎后的低溫膠粉的冷量回收60%，整體系統(tǒng)可降低能耗約60%，但并沒有給出具體計(jì)算。根據(jù)前文分析，在原有流程的基礎(chǔ)上增加冷能回收室裝置以回收低溫膠粉的冷能。由于沒有學(xué)者在冷能回收方面做過相關(guān)研究，因此本文根據(jù)Aspen HYSYS軟件特點(diǎn)及模塊特性，使用cooler模塊對冷能回收室進(jìn)行模擬，工藝流程模擬圖如圖5。

圖5 改進(jìn)系統(tǒng)工藝流程模擬圖

經(jīng)模擬的系統(tǒng)的物流點(diǎn)參數(shù)見表5。主要設(shè)備的功、能流參數(shù)見表6。

表5 工藝流程模擬物流點(diǎn)參數(shù)

表6 工藝系統(tǒng)主要設(shè)備功、能流參數(shù)

表7 設(shè)備損及效率值

表7 設(shè)備損及效率值

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通過降低兩低溫?fù)Q熱器的冷熱物流溫差，改進(jìn)流程中的兩低溫?fù)Q熱器的最小接近溫度皆有下降，對數(shù)平均溫差也大幅下降，而且低溫?fù)Q熱器的損占比也從49%下降到30%（圖6）。

圖6 改進(jìn)流程的設(shè)備損占比

綜上所述，本文根據(jù)常規(guī)流程分析結(jié)果及相關(guān)學(xué)者提出的冷能回收概念的改進(jìn)流程效果明顯，不僅節(jié)省大量寶貴LNG冷能，也降低的低溫?fù)Q熱器的

3 結(jié)論及展望

根據(jù)文獻(xiàn)展現(xiàn)的問題，利用Aspen HYSYS模擬軟件對LNG冷能用于橡膠粉碎流程模型中損失和效率進(jìn)行模擬計(jì)算和分析，對LNG冷能用于橡膠粉碎流程模型具有一定的指導(dǎo)意義

另外，文中提出的改進(jìn)流程還存在諸多問題需要進(jìn)一步研究，LNG冷能多級利用新流程也需要進(jìn)一步研究和拓展。