LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的分析

王文化， 張 琳， 王 敏， 杜 洋

(1.淄博綠能燃?xì)夤こ逃邢薰?，山東淄博255000；2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510000)

1 概述

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，水果蔬菜資源豐富，近年來，我國(guó)的脫水果蔬加工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，脫水果蔬已成為我國(guó)重要的出口農(nóng)產(chǎn)品之一[1-4]。在LNG氣化過程中，大約有830～860 MJ/t的冷量白白浪費(fèi)掉[5]。果蔬冷凍干燥過程中需要大量冷能[6]，如果能夠?qū)NG氣化過程中浪費(fèi)的冷能利用到果蔬冷凍干燥加工工藝中，那么不僅可以很好地回收冷能，而且對(duì)促進(jìn)LNG產(chǎn)業(yè)的綠色健康發(fā)展以及推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和速凍食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極作用。

本文以某LNG調(diào)峰儲(chǔ)配站為例，將LNG冷能利用與果蔬冷凍干燥加工工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工工藝的方案，對(duì)設(shè)計(jì)的LNG冷能利用工藝進(jìn)行模擬分析，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)衡算，在提高冷能利用率的同時(shí)，降低了果蔬冷凍干燥加工工藝的投入。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目LNG調(diào)峰儲(chǔ)配站占地29 333 m2，主要包括以下幾部分：供氣規(guī)模為30×104m3/d的LNG氣化站(按24 h均勻氣化)、加氣規(guī)模為5×104m3/d的CNG加氣站、加氣規(guī)模為3×104kg/d的LNG加氣站、相應(yīng)的輔助配套設(shè)施。本文采用氣化站日供氣量為30×104m3/d的供氣規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，暫不考慮CNG加氣站的冷能利用。LNG氣化站的供氣量較為穩(wěn)定，氣化外輸壓力為0.8 MPa，氣化外輸溫度≥0 ℃。本項(xiàng)目的氣源接收貧液LNG、富液LNG，本文采用貧液LNG進(jìn)行模擬計(jì)算，其組成見表1。

表1 LNG組成

2.2 冷媒比選

目前LNG冷能利用系統(tǒng)常用的冷媒主要有氯氟烴和碳?xì)浠衔?，還有乙二醇水溶液、乙醇、鹽水、氨等。針對(duì)不同的冷能利用場(chǎng)所，需要選擇適合相應(yīng)工藝的冷媒。以下從溫位、經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面來分析，確定冷媒換熱思路，選擇適合LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的冷媒。

果蔬冷凍干燥工藝基本分為兩個(gè)階段，即預(yù)冷段和真空干燥段[7]，兩個(gè)階段所需溫位分別在-30～-15 ℃和-60～-40 ℃區(qū)間[8-10]。

預(yù)冷段溫位較淺，與LNG(-162 ℃)溫差過大，直接換熱可能會(huì)發(fā)生凍堵。因此，選擇進(jìn)行二級(jí)換熱，即采用兩種冷媒，一級(jí)冷媒與LNG換熱，再使一級(jí)冷媒與二級(jí)冷媒換熱，通過二級(jí)冷媒將冷能傳遞給預(yù)冷段。根據(jù)預(yù)冷段溫位，初步設(shè)計(jì)二級(jí)冷媒溫度在-25 ℃左右，進(jìn)入預(yù)冷段內(nèi)供冷后二級(jí)冷媒溫度升高至-15 ℃附近。

真空干燥段所需冷量的溫位相對(duì)較深，約-55 ℃。同時(shí)考慮到預(yù)冷段需要二級(jí)換熱，本著冷能回收利用最大化原則，確定冷媒換熱思路：一級(jí)冷媒與-162 ℃的LNG換熱后溫度降至-55 ℃，返回一級(jí)冷媒儲(chǔ)罐，然后分為兩股。一股直接進(jìn)入真空干燥段提供冷量，一級(jí)冷媒溫度升至-45 ℃左右。另一股一級(jí)冷媒與二級(jí)冷媒進(jìn)行換熱，一級(jí)冷媒溫度升至-45 ℃左右，然后與第一股一級(jí)冷媒匯合，再與LNG換熱。

根據(jù)溫度要求，乙烷完全滿足一級(jí)冷媒換熱需求，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，故一級(jí)冷媒采用乙烷較為合適，控制其與LNG換熱器的進(jìn)口溫度為-45 ℃，出口溫度為-55 ℃。二級(jí)冷媒由于與一級(jí)冷媒乙烷換熱，為了防止凍堵，故采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 %的乙二醇水溶液較為合適，控制其與乙烷換熱器的進(jìn)口溫度為-15 ℃，出口溫度-25 ℃。

2.3 工藝流程

根據(jù)確定的換熱思路，設(shè)計(jì)LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的工藝流程，見圖1。

圖1 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的工藝流程

LNG從調(diào)峰儲(chǔ)配站原有LNG儲(chǔ)罐出來，經(jīng)LNG泵輸送至換冷站，壓力為0.8 MPa，溫度為-162 ℃，質(zhì)量流量為9 t/h。LNG在換冷站內(nèi)的LNG-乙烷換熱器內(nèi)與一級(jí)冷媒乙烷換熱后氣化，變成壓力為0.8 MPa、溫度為-50 ℃的天然氣。然后經(jīng)換冷站內(nèi)的空溫式換熱器加熱至溫度≥0 ℃，流出換冷站，輸送至下游用戶。

壓力為0.5 MPa、溫度為-45 ℃、質(zhì)量流量為14.5 t/h的氣態(tài)乙烷進(jìn)入LNG-乙烷換熱器與LNG換熱，變成液態(tài)乙烷，溫度降至-55 ℃。液態(tài)乙烷在流出換冷站后進(jìn)入乙烷儲(chǔ)罐，經(jīng)乙烷泵加壓后被分流器分為兩股，一股質(zhì)量流量為9.7 t/h，進(jìn)入乙烷-乙二醇水溶液換熱器，與從預(yù)冷箱組來的-15 ℃的乙二醇水溶液換熱，變成氣態(tài)乙烷，溫度升至-45 ℃。另一股液態(tài)乙烷質(zhì)量流量為4.8 t/h，直接流向真空干燥箱組對(duì)果蔬進(jìn)行真空冷凍干燥，變成氣態(tài)乙烷，溫度升至-45 ℃。然后兩股氣態(tài)乙烷匯合，回到LNG-乙烷換熱器，進(jìn)入下一循環(huán)。

從乙二醇水溶液儲(chǔ)罐中出來的乙二醇水溶液，壓力為0.101 3 MPa，溫度為-15 ℃，質(zhì)量流量為130 t/h。乙二醇水溶液經(jīng)乙二醇水溶液泵加壓后，進(jìn)入乙烷-乙二醇水溶液換熱器與乙烷換熱，溫度降至-25 ℃，進(jìn)入預(yù)冷箱組對(duì)果蔬進(jìn)行預(yù)冷，溫度升至-15 ℃，然后回到乙二醇水溶液儲(chǔ)罐，進(jìn)入下一循環(huán)。

2.4 工藝模擬

采用Aspen Plus V11對(duì)上述工藝流程進(jìn)行模擬，LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的模擬流程(軟件截圖)見圖2。圖2中的圖標(biāo)解釋見表2，其中的MIX(混合器)表示圖1中兩路氣態(tài)乙烷的匯合處。模擬過程的主要輸入?yún)?shù)如下： LNG的壓力為0.8 MPa，溫度為-162 ℃，質(zhì)量流量為9 t/h；乙烷的壓力為0.5 MPa，溫度為-45 ℃，質(zhì)量流量為14.5 t/h；乙二醇水溶液壓力為0.101 3 MPa，溫度為-15 ℃，質(zhì)量流量為130 t/h；分流器FS將乙烷分為9.7 t/h與4.8 t/h兩股。

圖2 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的模擬流程(軟件截圖)

表2 模擬圖中的圖標(biāo)解釋

LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的主要物流模擬結(jié)果見表3。模擬得到的換熱器HX01的換熱量-溫度圖見圖3，換熱器HX02的換熱量-溫度圖見圖4。

表3 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的主要物流模擬結(jié)果

由圖3可以看出，冷流LNG從-162 ℃升溫至-50 ℃，在換熱器HX01中LNG為系統(tǒng)提供1 836 kW換熱量。由圖4可以看出，在換熱器HX02中，冷媒乙烷共提供給預(yù)冷箱組換熱量1 224 kW。在所設(shè)計(jì)的LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝中，質(zhì)量流量為9 t/h的LNG供給凍干機(jī)組預(yù)冷箱組的換熱量為1 224 kW，供給凍干機(jī)組真空干燥箱組的換熱量為612 kW，即LNG提供的總換熱量為1 836 kW，折合節(jié)電900 kW。

圖3 換熱器HX01的換熱量-溫度圖

圖4 換熱器HX02的換熱量-溫度圖

3 經(jīng)濟(jì)性分析

LNG冷能回收主要設(shè)備造價(jià)見表4。

表4 LNG冷能回收主要設(shè)備造價(jià)

需要說明的是，本項(xiàng)目中,由于LNG泵是調(diào)峰儲(chǔ)配站必備的設(shè)備，無論是用電壓縮制冷，還是利用LNG冷能制冷，果蔬凍干機(jī)組也是必備的設(shè)備，因此，本文LNG泵、果蔬凍干機(jī)組不計(jì)入LNG冷能回收設(shè)備造價(jià)中。LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工項(xiàng)目新增冷能回收設(shè)備總造價(jià)為500×104元?？苫厥绽脫Q熱量1 836 kW，折合節(jié)電900 kW，按0.7 元/(kW·h)電價(jià)計(jì)算，節(jié)電效益約500×104元/a。本項(xiàng)目LNG冷能回收設(shè)備投資回收期為1 a。

4 結(jié)論

以某LNG調(diào)峰儲(chǔ)配站(日供氣量為30×104m3/d)為例，設(shè)計(jì)了一種LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工工藝的方案，將LNG氣化過程中產(chǎn)生的冷能用于果蔬冷凍干燥加工。通過Aspen Plus V11模擬，計(jì)算結(jié)果表明，質(zhì)量流量為9 t/h的LNG，可提供給凍干機(jī)組預(yù)冷箱組的換熱量為1 224 kW，提供給凍干機(jī)組真空干燥箱組的換熱量為612 kW，相當(dāng)于節(jié)電900 kW。項(xiàng)目投資回收期為1 a，經(jīng)濟(jì)性效益好。