LNG冷能利用與低溫空氣分離的集成

羅 鵬 熊永強(qiáng) 趙鐘興 李亞軍

(1暨南大學(xué)化學(xué)系 廣州 510632) (2廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南寧 530004) (3華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣州 510640)

LNG冷能利用與低溫空氣分離的集成

羅 鵬1熊永強(qiáng)1趙鐘興2李亞軍3

(1暨南大學(xué)化學(xué)系 廣州 510632) (2廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南寧 530004) (3華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 廣州 510640)

1 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，中國(guó)的天然氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。為了彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)天然氣資源的不足，中國(guó)每年從國(guó)外進(jìn)口了大量的液化天然氣(LNG)，2014年的進(jìn)口量已達(dá)到了1 989.07萬(wàn)噸。LNG在常壓下是一種-162 ℃的低溫液體，使用前需要將其增壓汽化，汽化過(guò)程中會(huì)放出約200 kWh/t的冷能，其潛在利用價(jià)值巨大。LNG冷能目前主要用于空氣分離，輕烴分離，低溫發(fā)電，CO2捕集，低溫粉碎和低溫冷庫(kù)等，而利用LNG冷能進(jìn)行低溫空氣分離可以得到最大節(jié)能效益，是最合理的LNG冷能利用方式[1]。

為了提高LNG接收站的冷能利用效率，降低空分產(chǎn)品的生產(chǎn)功耗，本文在國(guó)內(nèi)外低溫空分技術(shù)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了一種利用LNG冷能的三塔空分流程，不僅生產(chǎn)高純度液氧、液氮，而且同時(shí)為富氧燃燒裝置供應(yīng)大量低成本的高壓氧氣；利用Aspen Plus軟件對(duì)利用LNG冷能的三塔空分流程的性能進(jìn)行模擬和評(píng)估，并對(duì)影響空分流程功耗的主要參數(shù)進(jìn)行了分析。

2 利用LNG冷能的三塔空分流程

圖1 利用LNG冷能三塔空分流程AF.空氣過(guò)濾器；AC.空氣凈化裝置；AET.透平機(jī)；CAC1—CAC2.壓縮機(jī)；CNC1—CNC2.循氮壓縮機(jī)；E1—E4.冷卻器；E5～E8—換熱器；GP—乙二醇水溶液加壓泵；HPC/IPC/LPC—高/中/低壓塔；J1—J5—節(jié)流閥；K1—K2.冷凝-再沸器；OP.泵；MAC1—MAC2.空氣壓縮機(jī)；MHE.主換熱器； POC.純氧塔。Fig.1 Schematic diagram of the ASU with triple column using LNG cold energy

3 模擬與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型

采用ASPEN PLUS軟件對(duì)利用LNG冷能的三塔空分流程進(jìn)行模擬計(jì)算，各物流的熱力學(xué)性質(zhì)選用Peng-Robinson(PR)方程計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

壓縮機(jī)、透平機(jī)和泵等設(shè)備的能量方程為：

(4)

利用LNG冷能的三塔空分流程不僅生產(chǎn)液氧、液氮，而且生產(chǎn)高壓氧氣，單位高壓氧氣產(chǎn)品的生產(chǎn)功耗wGOX為：

(5)

式中：Wtotal為空分流程中所有動(dòng)力設(shè)備的總功耗,kW;w為單位產(chǎn)品的生產(chǎn)功耗,kWh/t；下標(biāo)LIN，LOX和GOX分別表示液氮，液氧和氧氣產(chǎn)品。

(6)

3.2 流程模擬與結(jié)果分析

利用LNG冷能的三塔空分流程的模擬輸入?yún)?shù)參考文獻(xiàn)[1,9]，具體如表1所示。原料空氣的初始狀態(tài)為：15.0 ℃，101.3 kPa，各組分的體積分?jǐn)?shù)為：氮?dú)?7.308%，氧氣 20.732%，氬 0.92%，水1%，二氧化碳約0.04%。LNG中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為:甲烷88.77%，乙烷7.54%，丙烷2.59%，丁烷0.57%，異丁烷0.45%，氮?dú)?.08%。LNG進(jìn)入空分裝置時(shí)(物流58)的溫度為-153.0 ℃，壓力為8 000 kPa，整個(gè)汽化過(guò)程的壓力損失為400 kPa。模擬計(jì)算過(guò)程中選用Peng-Robinson狀態(tài)方程。當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模為30 t/h液體產(chǎn)品，202 t/h高壓氧氣時(shí)，空分流程中主要的物流參數(shù)和設(shè)備功耗等的模擬結(jié)果如表2、3所示。

從表2和3可知，空分流程利用208.0 t/h的LNG汽化提供的冷能，共計(jì)生產(chǎn)高純度的液氮15.0 t/h，液氧15.0 t/h，1.78 MPa、摩爾純度95.0%的高壓氧氣202.0 t/h，氧的提取率達(dá)到99.7%?？辗盅b置的總功耗為56 315 kW。目前，在利用LNG冷能的全液體產(chǎn)品空分流程中，單位液體產(chǎn)品的生產(chǎn)功耗約為313—358 kWh/t[2]。而根據(jù)歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)(EIGA)2010年公布的數(shù)據(jù)，采用最先進(jìn)的常規(guī)空分流程生產(chǎn)單位液體產(chǎn)品的功耗分別為：液氧638 kWh/t，液氮549 kWh/t。本文中按照空分流程利用LNG冷能生產(chǎn)單位液體產(chǎn)品的功耗比EIGA公布的常規(guī)流程低50%來(lái)計(jì)算，即單位液氧產(chǎn)品的功耗(wLOX)取319 kWh/t，單位液氮產(chǎn)品的功耗(wLIN)取274.5 kWh/t；根據(jù)公式(5)計(jì)算可得，采用圖1所示的利用LNG冷能的三塔空分流程生產(chǎn)1.78 MPa高壓氧氣(摩爾純度95.0%)的功耗耗為234.7 kWh/t。由參考文獻(xiàn)[12]可知，采用常規(guī)的三塔空分裝置生產(chǎn)相同壓力和純度的高壓氧氣的功耗約為284.6 kWh/t，因此采用圖1所示的空分流程，不僅可以獲得與利用LNG冷能的全液體空分流程相當(dāng)功耗的液體產(chǎn)品，而且高壓氧氣的生產(chǎn)功耗也可降低17.5%，可為富氧燃燒裝置提供大量低成本的氧氣。如果表2所示的液體和氣體產(chǎn)品全部采用常規(guī)的空分流程來(lái)生產(chǎn)，則生產(chǎn)的總功耗約為75 294 kW，故圖1所示的空分流程利用208.0 t/h的LNG汽化釋放的冷能可以節(jié)約用電18 979 kW，具有明顯的節(jié)能效益。

表1 空分裝置的主要計(jì)算參數(shù)設(shè)定Table 1 Calculation parameters of the air separation process with LNG cold energy utilization

表2 空氣分離流程中物流的模擬結(jié)果Table 2 Streams simulation results in air separation process

表3 空分流程主要設(shè)備功耗模擬結(jié)果Table 3 Power consumption simulation results of main equipments in air separation process

按照常規(guī)日產(chǎn)600 t液氧、液氮產(chǎn)品的利用LNG冷能的全液體空分裝置大約需要汽化50 t的LNG來(lái)計(jì)算[2]，則采用全液體空分裝置生產(chǎn)15 t/h液氧和15 t/h液氮需要消耗約59.0 t/h LNG攜帶的冷能。通過(guò)同時(shí)生產(chǎn)202.0 t/h的高壓氧氣，滿(mǎn)足氣體空分產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，如此可使空分流程汽化的LNG量達(dá)到208.0 t/h，是僅生產(chǎn)液體產(chǎn)品的空分流程的3.5倍。

圖2 空分裝置中LNG冷能利用過(guò)程的t-Q圖Fig.2 t-Q diagram of LNG cold energy utilization in air separation process

4 主要參數(shù)的分析

從表3可以看出，空分流程中的主要功耗來(lái)源于空氣壓縮機(jī)組(MAC1，MAC2和CAC2)和循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)組(CNC1和CNC2)，因此中壓塔的操作壓力和循環(huán)氮?dú)獾囊夯瘔毫?duì)空分流程的功耗有較大的影響。

4.1 中壓塔操作壓力

圖3 中壓塔壓力與能耗關(guān)系Fig.3 Effects of pressure of intermediate pressure column

4.2 循環(huán)氮?dú)獾囊夯瘔毫?/p>

在圖1所示的空分流程中，循環(huán)氮?dú)獗粔嚎s至液化壓力后再利用LNG冷能將其液化，生成的液氮返回高壓塔為精餾過(guò)程提供足夠的冷能。循環(huán)氮?dú)庠诓煌膲毫ο乱夯璧腖NG流量不同，其攜帶的冷能也不相等，從而導(dǎo)致所需的循環(huán)氮?dú)饬髁恳膊煌Ｔ趫D1所示的空分裝置中，循環(huán)氮?dú)獾膲嚎s功僅次于空氣壓縮過(guò)程，其大小取決于循環(huán)氮?dú)獾牧髁亢蛪嚎s比。本文運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)不同的循環(huán)氮?dú)庖夯瘔毫ο碌目辗盅b置的性能進(jìn)行了模擬分析，具體結(jié)果如圖4，5所示。

圖4 循環(huán)氮?dú)鈮毫Φ挠绊慒ig.4 Effects of pressure of recycle nitrogen

圖5 循環(huán)氮?dú)鈮毫εc能耗關(guān)系Fig.5 Effects of pressure of recycle nitrogen

5 結(jié) 論

本文將低溫空氣分離與LNG冷能利用進(jìn)行集成，建立了利用LNG冷能的三塔空分流程，并對(duì)其性能和主要參數(shù)進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

(1)空分流程利用LNG冷能不僅可以生產(chǎn)高純度的液體空分產(chǎn)品，而且可同時(shí)提供大量的高壓氧氣，在液體空分產(chǎn)品的生產(chǎn)功耗為常規(guī)空分流程的50%時(shí)，高壓氧氣的生產(chǎn)功耗也比常規(guī)的三塔空分流程低17.5%，能夠?yàn)長(zhǎng)NG接收站周邊的富氧燃燒裝置提供大量的低能耗的高壓氧氣，而且可以使LNG接收站的冷能利用率提高2.5倍；

1 熊永強(qiáng)，李亞軍，華 賁. 液化天然氣冷量利用的集成優(yōu)化[J]. 華南理工大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(3)：20-25.

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Integration of cryogenic air separation process with LNG cold energy utilization

Luo Peng1Xiong Yongqiang1Zhao Zhongxin2Li Yajun3

(1Department of Chemistry，Jinan University，Guangzhou 510632，China)(2Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology, Guangxi University, Nanning 530004, China) (3School of Chemistry and Chemical Engineering, South China Technology of University, Guangzhou510640, China)

To improving cold energy utilization of liquefied natural gas (LNG) in LNG receiving terminal and reducing the energy cost of air separation products, an air separation process using LNG cold energy with a triple column cycle is proposed, which produces not only the high purity liquid oxygen (O2) and nitrogen, but also the high pressure gaseous O2for oxy-fuel combustion device. Aspen Plus software simulation has been created to evaluate the performance of the performance of the proposed air separation proless. The results show that compared with the LNG cold energy utilization, the specific consumption for liquid products and high pressure oxygen of the proposed air separation process are 50% and 17.5% lower, respectively, than that of the conventional one due to the LNG cold enery utilization. Meanwhile, the regasified LNG in the proposed air separation process is 3.5 times of that of the full liquid-product air separation process with LNG cold energy utilization, and the exergy efficiency of LNG cold energy reaches 62.5%. In addition, the effects of some key parameters on the power consumption of the proposed air separation process have been analyzed.

Liquefied natural gas (LNG)；cold energy；air separation；simulation；integration；exergy analysis

2015-09-20；

2016-02-18

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51106063)資助,廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課題基金(2013K004)資助。

羅 鵬，男，24歲，碩士研究生。

熊永強(qiáng)，男，38歲，博士，講師。

TB662,TB61

A

1000-6516(2016)01-0047-07