利用LNG冷能的空氣分離流程

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.中國石油塔里木油田公司油氣運銷部，新疆 庫爾勒 841000；3.中國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［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，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。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。其原因是：當環(huán)境溫度增大時，LNG的汽化潛熱及顯熱均增加。LNG在一個大氣壓下，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和組合的膨脹機產(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)過空氣壓縮機加壓到0.6 MPa，進入空氣冷卻器中被冷卻至303 K。隨后進入空氣凈化器，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。在低溫換熱器中，空氣被低溫循環(huán)N2和廢棄N2冷卻至約100 K，依次進入高壓分餾塔、低壓分餾塔進行換熱。裝置啟動初，從下塔中上部引出循環(huán)N2進行積累，當循環(huán)N2達到一定濃度，通過閥門進行切換，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)過低溫換熱器與原料空氣進行換熱后，溫度升至240 K左右；該氣體兩次進入主換熱器與LNG換熱，并兩次通過壓縮機加壓，得到的210 K、5 MPa的高壓N2進入主換熱器冷凝，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，被過冷器進一步降溫后，一部分進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，進入低溫換熱器再釋放一部分冷能，以出口溫度接近原料空氣進口溫度的N2產(chǎn)品輸出；從上塔中上部引出的污氮，經(jīng)過過冷器和低溫換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軟件對液化流程進行模擬計算，下面介紹主要的運行參數(shù)［6］。原料空氣初始狀態(tài)0.1 MPa，288 K，各組分體積分數(shù)：N278.09%，O220.95%，Ar 0.93%，其他氣體0.03%。模擬計算中，物性選用Peng-Robinson狀態(tài)方程，壓縮機的等熵效率為0.80，機械效率為0.95，系統(tǒng)總的冷損失為總冷能的5 %。LNG的進口參數(shù)：8.0 MPa，123 K。LNG各組分體積分數(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%。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。

表1 模擬計算結(jié)果主要參數(shù)匯總

3 空分裝置中循環(huán)氮氣壓力的分析

在空分過程中，循環(huán)N2經(jīng)過壓縮機1、2壓力從0.5 MPa增壓到5 MPa。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，本文以一次循環(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。圖2～3給出了循環(huán)氮氣不同壓力下液化循環(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

通過圖2～3所示，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，通過圖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，相對于傳統(tǒng)流程，可以縮短裝置的啟動時間。

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和組合膨脹機，簡化了空分流程。

c）引進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。

［1］顧安忠，魯雪生，金國強，等.液化天然氣技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(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，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.

［3］廖志敏，杜曉春，陳 剛，等.LNG的研究和應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2005，23（3）：28-31.Liao Zhimin，Du Xiaochun，Chen Gang，et al.Research and Application of LNG ［J］.Natural Gas and Oil，2005，23（3）：28-31.

［4］金 滔，胡建軍，陳國邦，等.利用液化天然氣冷能的新型空分流程及其性能［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2007，41（5）：15-20.Jin Tao，Hu Jianjun，Chen Guobang，et al.Novel Air Separation Unit Cooled by Liquefied Natural Gas Cold Energy and its Performance Analysis［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2007，41（5）：15-20.

［5］燕 娜，厲彥忠.采用液化天然氣冷量的空分系統(tǒng)新流程［J］.化學(xué)工程，2007，35（9）：58-61.Yan Na，Li Yanzhong.New Air Separation System by Using Cold Energy of Liquefied Natural Gas［J］.Chemical Engineering，2007，35（9）：58-61.

［6］王 勇，張玉璽，白劍峰.LNG制冷HYSYS計算模型研究［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：30-32.Wang Yong，Zhang Yuxi，Bai Jianfeng.Study on HYSYS Calculation Model for LNG Refrigeration［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（4）：30-32.

［7］Agrawa R.Liquefied Natural Gas Refrigeration Transfer to a Cryogenics Air Separation Unit Using High Nitrogen Stream［P］.US：5137558，1992-08-11.

［8］Nagamura T，Yamashita N.Air Separating Method Using External Cold Source［P］.US：5220798，1933-06-22.