第29卷,總第167期節(jié)能技術(shù)voL 29 Sum. No. 1672011年5月,第3期ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYMay 2011, No. 3利用液化天然氣冷能空分新流程及模擬分析聶江華,楊宏軍2,徐文東,林小鬧(1.華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640;2.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院,廣東湛江524088)摘要:提出了利用液化天然氣(LNG)冷能空分新流程,產(chǎn)品是用于滿足電廠富氧燃燒的氣態(tài)富氧空氣?？諝庖暈镹2(79.1mol%)和02(20.9mol%)二元混合氣體,采用 Aspen Plus軟件進(jìn)行了流程模擬,物性方法選擇Peng- Robinson方程。模擬結(jié)果表明,生產(chǎn)95.08ml%富氧空氣的能耗是0.667kWh/(kg·O2),液化天然氣(LNG)的消耗量是87.64mol/(kg·O2)。與文獻(xiàn)[7]生產(chǎn)多種液態(tài)產(chǎn)品模擬結(jié)果比較,單位氧氣的能耗大致相等,LNG消耗減少約50%,精餾塔冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)的傳熱溫差從1.2K增大到2.8K,可大大減小換熱器的面積關(guān)鍵詞:富氧空氣;液化天然氣;冷能利用;低溫精餾;流程模擬中圖分類號(hào):TE64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-6339(2011)03-0211-03A Novel Process for Air Separation by Utilization of Liquefied Natural GasCold Energy and Performance Analysis by Numerical SimulationNIE Jiang-hua, YANG Hong-jun, XU Wen-dong, LIN Xiao-na(1. Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation, Ministry ofEducation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China2. College of Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)Abstract: A novel process for air separation by utilization of liquefied natural gas cold energy was pro-posed basedexisting studies, in which the product is oxygen-enriched air for oxy-combustion inpower plant. The process simulation was carried out by Aspen Plus software with the simulated air(N,79, 1 mol%, 02, 20. 9 mol%)and Peng-Robinson equation was chosen for property method. The resultsshow that energy consumption is 0.667 kW.h(kg.O2)and the LNG consumption is 87. 64 mol/ ( kg0,)for production of air with 95. 08 mol% oxygen. a comparison with reference[ 7 ]was also carried outthe results indicate that as for producing per kg oxygen, energy consumption for both process are equaland LNG amount could reduce roughly 50%. The heat transfer temperature difference in condenser in cry-ogenic distillation column increased from 1. 2 K to 2.8K, which could lead to a greatly reduction in heatexchanger areas.Key words: oxygen-enriched air; liquefied natural gas; cold energy utilization; cryogenic distillation;process simulation收稿日期2011-01-05修訂稿日期2011-03-20基金項(xiàng)目:唐山LNG項(xiàng)目冷能利用可行性研究報(bào)告0引言作者簡(jiǎn)介:聶江華(1986~),男,碩士研究生,主要從事過(guò)程節(jié)能與優(yōu)化研究工作。液化天然氣(LNG)是天然氣經(jīng)凈化處理液化211得到的溫度約為112K的低溫液體,主要成份是本文建立的空分新流程,多股流換熱器HEX2CH4,具有熱值高,環(huán)保,儲(chǔ)運(yùn)成本低等特點(diǎn)。LNG中,處理空氣和循環(huán)氮?dú)饫鋮s的冷量來(lái)自LPC中的的主要利用方式是先在接收站汽化為高壓天然氣,低溫富氧液空和富氮?dú)怏w升溫吸熱,以及LNG汽化然后通過(guò)管網(wǎng)輸送到用戶端。LNG從液態(tài)汽化為過(guò)程中放出的冷能。與已有的流程相比由于回收常溫下的氣態(tài),放出大約830kJ/kg的冷量。LNG了低溫富氧液空的冷能,可以減少單位氧氣的LNG汽化熱源目前最常用的是海水或空氣,因此造成了用量。HPC頂部富氮?dú)怏w液化的冷量由兩部分提冷能的極大浪費(fèi)。并且一般LNG接收站都帶有獨(dú)供,一部分來(lái)自LPC底部部分富氧液體汽化吸收的立的天然氣電廠,會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體CO2,需要熱量,另一部分來(lái)自循環(huán)氮?dú)?。由于產(chǎn)品只有一種進(jìn)行CO2捕獲。傳統(tǒng)形式的電廠CO2捕獲方式主氣態(tài)富氧空氣,省去了氮?dú)夂蜌鍤獾恼麴s塔,大大簡(jiǎn)要是燃后捕獲和富氧燃燒捕獲。富氧燃燒捕獲能提化了系統(tǒng)。高煙氣中CO2的濃度,同時(shí)大大減少煙氣的排放富氧燃燒所需的富氧需要消耗大量的電能或低溫冷如Q也量,是電廠CO2捕獲的一種很有前景的技術(shù)-3AC AH量進(jìn)行空分獲得。LNG接收站利用LNG汽化過(guò)程N(yùn)O的冷能進(jìn)行空分,富氧空氣用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒發(fā)電NC既回收利用了LNG汽化過(guò)程中的冷能,又可降低電HEX廠CO2捕獲費(fèi)用,對(duì)LNG接收站具有雙重的經(jīng)濟(jì)效益。利用LNG冷能空分流程方面的論文及專利不LP少0,但是都是基于多種液態(tài)產(chǎn)品,如液氮、液氧以及液氬等,導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜,單位產(chǎn)品LNG消耗量HEX大。本研究目的在于建立利用LNG冷能制氣態(tài)富氧的新空分流程,以滿足電廠富氧燃燒的需要,簡(jiǎn)化—富氧空氣傳統(tǒng)空分流程同時(shí)降低單位氧氣的LNG消耗量。LN1利用LNG冷能空分新流程的建立圖1是利用LNG冷能空分流程。由于富氧空?qǐng)D1利用LNG冷能空分流程氣用于電廠燃燒,空氣預(yù)處理凈化過(guò)程較為簡(jiǎn)單圖AC-空氣壓縮機(jī);AH-空氣預(yù)冷器;HEX1,2-多股流1中省略了這個(gè)單元。系統(tǒng)的主要操作單元是精餾換熱器NC一氮?dú)鈮嚎s機(jī);m,2,3-節(jié)流閥;LPC/HPC塔由高壓精餾塔(HPC)和低壓精餾塔(LPC)組成,低壓/高壓精餾塔HPC和LPC之間由蒸發(fā)冷凝換熱器連接,其作用是利用HPC頂高溫氣體冷凝放熱使LPC底部的液體2空分流程模擬及結(jié)果分析汽化。其工作原理是,空氣經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)(AC)增加利用LNG冷能空分的 Aspen Plus模擬流程如到一定的壓力,經(jīng)冷卻器(AH)初步降溫之后依次圖2所示。物流及精餾塔主要參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)經(jīng)過(guò)兩臺(tái)換熱器(HEX2,1)冷卻至接近飽和狀態(tài),[7]。流程模擬采用了以下假設(shè):(1)空氣為二元混以氣態(tài)引人高HPC的底部。HPC內(nèi)空氣與從塔頂合氣體,N2和O2的摩爾分?jǐn)?shù)分別是791%和流下的液氮在多層塔板上反復(fù)冷凝和蒸發(fā),富氧液20.9%;(2)壓縮機(jī)的等熵效率和機(jī)械效率分別取空集于塔底部富氮?dú)怏w集于塔頂部。從HPC底部0720.95;(3)多股流換熱器的熱漏取5%引出的富氧液空經(jīng)節(jié)流閥(T2)減壓降溫后,引入(4)LNG的成份為純甲烷CH4。LPC上部適當(dāng)位置,從HPC頂部引出的富氮液空經(jīng)模擬物性方法選用Peng- Robinson方程。但節(jié)流閥(T3)后,引人LPC頂部作為回流液。LPC頂是研究表明需要對(duì)此方程進(jìn)行修正得到的數(shù)據(jù),尤部引出的低溫高氮?dú)怏w和底部引出的富氧液體依次其是上塔計(jì)算時(shí)氧氣的產(chǎn)量和純度才能與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)過(guò)換熱器HE1,2吸收熱量被加熱至常溫附近值吻合-12。本研究設(shè)定Peng- Robinson方程中的氣態(tài)富氮?dú)怏w直接排空,產(chǎn)品是氣態(tài)的富氧組分二元相互作用系數(shù)設(shè)定為Kn。=-0019空氣。高壓精餾塔壓縮機(jī)COOLER糟餾塔HEXI氮?dú)鈮嚎s機(jī)RNIHEX2RN3—04-05—白NGLNG-G圖2利用LNG冷能空分 Aspen Plus模擬流程A-空氣;RN-循環(huán)氮?dú)?N一富氮?dú)怏w;0-富氧空氣;LCN-液化天然氣;NG-天然氣;HEX-多股流換熱器表1為主要物流的模擬結(jié)果?？梢钥闯?處理褒2主要設(shè)備性能模擬結(jié)果與比較空氣和富氧產(chǎn)品的流量分別為372km/h和60設(shè)備名稱本研究文獻(xiàn)[7]kmo/h,LNG的消耗量為84kmo/h,與文獻(xiàn)[7]相空氣壓縮機(jī)流量,kmol/h比,LNC消耗量減少約為50%。天然氣的溫度為能耗,kW氮?dú)鈮嚎s機(jī)流量,kmol/h303.17K,接近于常溫,與傳統(tǒng)的LNG空分得到的較低溫度天然氣流程相比,減少了后續(xù)天然氣再熱表2是空分系統(tǒng)主要設(shè)備能耗模擬結(jié)果?？辗衷O(shè)備和能耗。從表1還可以看出,蒸發(fā)冷凝換熱器系統(tǒng)兩個(gè)主要的能耗操作單元,空氣壓縮機(jī)和氮?dú)饫淠齻?cè)的物流(高溫物流),高壓塔頂部氮?dú)饫淠郎氐哪芎姆謩e是98kW和225kW,與文獻(xiàn)[7]相比度為96.72K;蒸發(fā)側(cè)的物流(低溫物流),低壓塔液較,空氣壓縮機(jī)的能耗降低2.4%,氮?dú)鈮嚎s機(jī)的能態(tài)富氧的溫度為9393K,最小傳熱溫差為279K,耗降低約13.9%?？諝鈮嚎s能耗的差別很可能是滿足空分系統(tǒng)冷凝蒸發(fā)器兩側(cè)保證不小于2K傳熱模擬過(guò)程中物性方法的不同造成的,氮?dú)鈮嚎s能耗溫差的要求。與文獻(xiàn)[7]的1.2K的傳熱溫差相的差別主要是由于本研究建立的系統(tǒng),富氧的濃度比,可以大大減小換熱面積,提高傳熱速率從989%降低到95.08%,從而減少了制冷氮?dú)饬?主要物流模擬結(jié)果量。但是氧氣的能耗大致相等,為067kWh/kg物流節(jié)點(diǎn)溫度,K壓力,MP流量,kmo/h0.100F藏致?lián)Q溫608.820.700313.150.65040.000.62594.0.500127.250.495換熱器截面冷量釋放累計(jì)kW田3HEX1物流溫度與換熱溫差的分布303.170.2809.720.6008050圖3和圖4分別為空分系統(tǒng)中換熱器HEX1和HEX2中冷負(fù)荷釋放量與冷、熱流體溫度、對(duì)數(shù)換熱93.930.170下轉(zhuǎn)第218頁(yè))213綜合以上分析,在缺乏淡水的沿海地區(qū)和內(nèi)陸,本裝 drinking water production[.200,248(1-3):204-2ll置具有廣闊的市場(chǎng)前景,值得進(jìn)一步研究和開發(fā)。[6]鄭宏飛,楊英俊具有折皺底面的多級(jí)迭盤式太陽(yáng)參考文獻(xiàn)能蒸餾器的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2004,25(2)00[1]鄭宏飛,何開巖,陳子乾.太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)[M]北京:北京理工大學(xué)出版社,200.[7]Mark MA S, Tiwari G N, Kumar A and Sodha M S So-[2]Adhikari R S, Kumar A, Soothe G D Simulation studielar Desalination. Pergamon Press Oxford, UK. 1982, 33-36.on a multi-stage stacked tray solar still[J]. Solar Energy,1995,54(5):317-325basin type solar still[ J]. 1991, 31(1): 7-16.[3 ]Shatat M I M, Mahkanmov K Determination of rational[9]Boukar M, Harmim A. Effect of climatic conditionsdesign parameters of a multi-stage solar water desalination stillusing transient mathematical modeling[ J ] Renewable Energystudy[J]. Desalination, 2001, 137: 15-222010,35:52-61[10]韓立民,王愛香保護(hù)海島資源科學(xué)開發(fā)和利用海[4]Adhikari R S, Kumar A. Transient simulation studies or島[J]海洋開發(fā)與管理,2004,(6):30-33a multi-stage stacked tray solar still[J]. 1993, 91(1): 1-20[11戴向前,劉昌明,李麗娟我國(guó)農(nóng)村飲用水安全問(wèn)[5] Schwarzer K, Vieira Da Silva E, Hoffschmidt B,etal.A題探討與對(duì)策[J]水處理技術(shù),2007,62(9):907-915.new solar desalination system with heat recovery for decentralized(上接第213頁(yè))溫差分布情況。換熱器HEX1中對(duì)數(shù)換熱溫差最大機(jī)的能耗?？諝膺M(jìn)料壓力取決于氧氣的濃度,所以為3212K,最小為670K最大對(duì)數(shù)換熱溫差主要用組合工藝是空分制富氧空氣一個(gè)有前景的研究是由于循環(huán)氮?dú)馄斐?。換熱器HEX2的最大方向。換熱溫差約為41.78K,最小換熱溫差為3.03K,最參考文獻(xiàn)大對(duì)數(shù)溫差主要是由于LNG汽化所造成的。[1]Xiong J, Zheng C G, Liu Z H, et al. An economic feasi-bility study of 0, /CO, recycle combustion technology based onexisting coal-fired power plants in China[ J]. Fuel, 2009, 88:1135-1142[2]Amann JM, Kanniche M, Bouallou C Natural gas com-bined cycle power plant modified into an 02/CO2 cycle for CO2capture[ J]. Energy Conversion and Management, 2009, 50:510-521[3]Singh D, Croiset E, Douglas P L, et al. technoomic study of CO, capture from an existing coal-fired powerplant: MEA scrubbing vs 02/CO, recycle combustion[ J]. Ener-20002004003008001000gy Conversion and Management, 2003, 44( 19): 3073-3091換熱器截面冷量釋放屬計(jì)上W[4]燕娜厲彥忠脫瀚斐基于液化天然氣冷量的液體圖4HEX2物流溫度與換熱溫差的分布空分新流程[].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(1):122-124.[5]燕娜厲彥忠.采用液化天然氣(LNG)冷量的液體空分新流程及其分析[門].低溫工程,2007,(2):40-453結(jié)論與展望[6]金滔,胡建軍陳國(guó)邦等.利用液化天然氣冷能的新型空分流程及其性能[]浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,傳統(tǒng)的低溫精餾空分工藝已經(jīng)工業(yè)化,但是產(chǎn)41(5):836-839品主要是液態(tài)產(chǎn)品(液氮、液氧和液氬),能耗為[7]范慶虎李紅艷楊光達(dá),等利用LNG冷量的空氣105-1.25kWb/kg本研究在已有利用LNC冷分離液化流程的模擬與分析[J中山大學(xué)報(bào)論叢20能空分工藝的基礎(chǔ)上針對(duì)LNG接收站天然氣電廠[8]熊永強(qiáng)李亞軍華賁液化天然氣冷量利用的集成的CO2捕獲要求提出了空分生產(chǎn)富氧空氣的工藝優(yōu)化[J華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),200056(3):流程,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。利用 Aspen Plus軟件進(jìn)行20-25了模擬,結(jié)果表明,生產(chǎn)純度為95.08mol%富氧空[9]鄭小平楊學(xué)軍LNG冷能利用的全液體空分[氣的能耗為0667kWb(kg:O2),LNG的消耗量低溫技術(shù)200308-1[10]陳則韶程文龍利用液化天然氣冷能的空氣分離為87.64mo/(kg·O2)。裝置:中國(guó),01245519.9[P]2002-07-10空氣壓縮機(jī)和制冷氮?dú)鈮嚎s機(jī)是空分系統(tǒng)主要11李治新賈金才張守坤 ASPEN PLUS流程模擬軟能耗設(shè)備而且前者所占的比重大本例空氣壓縮機(jī)件在空分設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[深冷技術(shù),993):25的能耗占總能耗約80%。因此,如果要顯著降低空[12]馬金亮. Aspen Plus軟件模擬計(jì)算空分設(shè)備流程的分能耗需要降低空氣進(jìn)料壓力,從而減少空氣壓縮修正[J深冷技術(shù),2005,(3):19-21·218·