采用液化天然气(LNG)冷量的液体空分新流程及其分析

    1 引 言

    液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸脱水处理后,冷冻液化得到的低温液体(约112 K)。目前LNG作为燃料利用时,往往要先汽化,在汽化过程中会释放出约830 kJ/kg冷量,这些低温冷量不仅数量大,且品高,若能合理回收利用将带来巨大的经济效益。低温冷量应尽可能在低温下利用,由此提出了将LNG冷量用于空分制冷系统的方案[1~4],且通过热力学分析得到LNG冷能的引进有利于提高气体液化循环的液化系数,特别适合于生产较多液态产品的场合[5]。液体空分产品具有便于储存、供应方便、减少放散、保证质量、提高输送效率等优点,将会在空分产品中占更重要的地位。液体空分设备的流程组织按照制冷介质的工作状况主要分为空气循环膨胀制冷和氮气循环膨胀制冷。因此,在总结了前人研究成果的基础上,本文针对所述2种制冷循环分别提出了1种利用LNG冷量的新流程。

    2 采用LNG冷量的液体空分流程

    2. 1 空气膨胀制冷流程

    图1a所示是带增压透平膨胀机和制冷机组的空气循环流程[6]。原料空气首先进入压缩机压缩至约0. 6 MPa,然后经分子筛纯化器去除杂质后,其中一部分原料空气通过循环压缩机进一步加压,另一部分直接进入主换热器中被冷却至100 K左右进入下塔底部参加精馏过程。从循环压缩机输出的空气被增压机增压之后,经主换热器上部和制冷机组冷却,一部分进入透平膨胀机,膨胀后的循环气流再通过主换热器,返回到循环压缩机吸入口,另一部分节流后参加精馏。主换热器向原料空气提供的冷量来源于返流的污氮气,产品氮气、氧气以及膨胀后的循环空气。图1b所示为采用LNG冷量后的新流程,新流程是在图1a所示的原始流程基础上改造得到。0. 6MPa的原料空气一部分通过增压机进一步加压,再通过冷水机组冷却到约300 K,随后在主换热器中继续降温至约120 K,最后节流进入下塔中部;另一部分直接进入主换热器中被冷却至100 K左右进入下塔底部参加精馏过程。主换热器向原料空气提供的冷量来源于返流的污氮气,产品氮气、氧气以及LNG。新流程利用LNG冷量冷却原料空气,用外界冷量取代了空气循环膨胀制冷,取消了空气膨胀机以及制冷机组,流程组织更加简单,能耗大大降低。

     为进一步说明新流程的优势,本文使用ASPENPLUS软件对新旧流程进行了模拟计算,现介绍一组算例的运行参数。原料空气初始状态0. 1 MPa、300K,假设为两组分,即氮气79. 1%、氧气20. 9%。模拟计算中,物性选用RKS方程,压缩机的等温效率取0. 7,膨胀机等熵效率取0. 8,机械效率取0. 9,系统总的冷损失取20 kW。LNG的进口参数取为1. 0MPa、112 K。流程产品为:液氮1 000 m³/h(0. 55 MPa、9514 K、0. 999 99),液氧4 140 m3/h(0. 15 MPa、93.8 K,01996),氮气3 860 m³/h(0. 1 MPa、297 K、0.999 99)。模拟计算结果汇总如表1所示。表中其它能耗指的是辅助设备如分子筛纯化器、冷水机组等的能耗,参考文献[9]选取。由于本文的方案生产双高纯的液态产品,为了便于比较液态产品的能耗(包括液氧和液氮),引入单位液态产品能耗N的概念,它揭示了生产每千克液态产品所要消耗的电能,按下式计算: