LNG冷能利用与低温空气分离的集成

罗 鹏 熊永强 赵钟兴 李亚军

(1暨南大学化学系 广州 510632) (2广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室 南宁 530004) (3华南理工大学化学与化工学院 广州 510640)

LNG冷能利用与低温空气分离的集成

罗 鹏1熊永强1赵钟兴2李亚军3

(1暨南大学化学系 广州 510632) (2广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室 南宁 530004) (3华南理工大学化学与化工学院 广州 510640)

1 引 言

随着社会经济的发展和能源结构的调整，中国的天然气产业进入了快速发展时期。为了弥补国内天然气资源的不足，中国每年从国外进口了大量的液化天然气(LNG)，2014年的进口量已达到了1 989.07万吨。LNG在常压下是一种-162 ℃的低温液体，使用前需要将其增压汽化，汽化过程中会放出约200 kWh/t的冷能，其潜在利用价值巨大。LNG冷能目前主要用于空气分离，轻烃分离，低温发电，CO2捕集，低温粉碎和低温冷库等，而利用LNG冷能进行低温空气分离可以得到最大节能效益，是最合理的LNG冷能利用方式[1]。

为了提高LNG接收站的冷能利用效率，降低空分产品的生产功耗，本文在国内外低温空分技术研究进展的基础上，提出了一种利用LNG冷能的三塔空分流程，不仅生产高纯度液氧、液氮，而且同时为富氧燃烧装置供应大量低成本的高压氧气；利用Aspen Plus软件对利用LNG冷能的三塔空分流程的性能进行模拟和评估，并对影响空分流程功耗的主要参数进行了分析。

2 利用LNG冷能的三塔空分流程

图1 利用LNG冷能三塔空分流程AF.空气过滤器；AC.空气净化装置；AET.透平机；CAC1—CAC2.压缩机；CNC1—CNC2.循氮压缩机；E1—E4.冷却器；E5～E8—换热器；GP—乙二醇水溶液加压泵；HPC/IPC/LPC—高/中/低压塔；J1—J5—节流阀；K1—K2.冷凝-再沸器；OP.泵；MAC1—MAC2.空气压缩机；MHE.主换热器； POC.纯氧塔。Fig.1 Schematic diagram of the ASU with triple column using LNG cold energy

3 模拟与结果分析

3.1 计算模型

采用ASPEN PLUS软件对利用LNG冷能的三塔空分流程进行模拟计算，各物流的热力学性质选用Peng-Robinson(PR)方程计算。

(1)

(2)

(3)

压缩机、透平机和泵等设备的能量方程为：

(4)

利用LNG冷能的三塔空分流程不仅生产液氧、液氮，而且生产高压氧气，单位高压氧气产品的生产功耗wGOX为：

(5)

式中：Wtotal为空分流程中所有动力设备的总功耗,kW;w为单位产品的生产功耗,kWh/t；下标LIN，LOX和GOX分别表示液氮，液氧和氧气产品。

(6)

3.2 流程模拟与结果分析

利用LNG冷能的三塔空分流程的模拟输入参数参考文献[1,9]，具体如表1所示。原料空气的初始状态为：15.0 ℃，101.3 kPa，各组分的体积分数为：氮气77.308%，氧气 20.732%，氩 0.92%，水1%，二氧化碳约0.04%。LNG中各组分的摩尔分数分别为:甲烷88.77%，乙烷7.54%，丙烷2.59%，丁烷0.57%，异丁烷0.45%，氮气0.08%。LNG进入空分装置时(物流58)的温度为-153.0 ℃，压力为8 000 kPa，整个汽化过程的压力损失为400 kPa。模拟计算过程中选用Peng-Robinson状态方程。当生产规模为30 t/h液体产品，202 t/h高压氧气时，空分流程中主要的物流参数和设备功耗等的模拟结果如表2、3所示。

从表2和3可知，空分流程利用208.0 t/h的LNG汽化提供的冷能，共计生产高纯度的液氮15.0 t/h，液氧15.0 t/h，1.78 MPa、摩尔纯度95.0%的高压氧气202.0 t/h，氧的提取率达到99.7%。空分装置的总功耗为56 315 kW。目前，在利用LNG冷能的全液体产品空分流程中，单位液体产品的生产功耗约为313—358 kWh/t[2]。而根据欧洲工业气体协会(EIGA)2010年公布的数据，采用最先进的常规空分流程生产单位液体产品的功耗分别为：液氧638 kWh/t，液氮549 kWh/t。本文中按照空分流程利用LNG冷能生产单位液体产品的功耗比EIGA公布的常规流程低50%来计算，即单位液氧产品的功耗(wLOX)取319 kWh/t，单位液氮产品的功耗(wLIN)取274.5 kWh/t；根据公式(5)计算可得，采用图1所示的利用LNG冷能的三塔空分流程生产1.78 MPa高压氧气(摩尔纯度95.0%)的功耗耗为234.7 kWh/t。由参考文献[12]可知，采用常规的三塔空分装置生产相同压力和纯度的高压氧气的功耗约为284.6 kWh/t，因此采用图1所示的空分流程，不仅可以获得与利用LNG冷能的全液体空分流程相当功耗的液体产品，而且高压氧气的生产功耗也可降低17.5%，可为富氧燃烧装置提供大量低成本的氧气。如果表2所示的液体和气体产品全部采用常规的空分流程来生产，则生产的总功耗约为75 294 kW，故图1所示的空分流程利用208.0 t/h的LNG汽化释放的冷能可以节约用电18 979 kW，具有明显的节能效益。

表1 空分装置的主要计算参数设定Table 1 Calculation parameters of the air separation process with LNG cold energy utilization

表2 空气分离流程中物流的模拟结果Table 2 Streams simulation results in air separation process

表3 空分流程主要设备功耗模拟结果Table 3 Power consumption simulation results of main equipments in air separation process

按照常规日产600 t液氧、液氮产品的利用LNG冷能的全液体空分装置大约需要汽化50 t的LNG来计算[2]，则采用全液体空分装置生产15 t/h液氧和15 t/h液氮需要消耗约59.0 t/h LNG携带的冷能。通过同时生产202.0 t/h的高压氧气，满足气体空分产品的市场需求，如此可使空分流程汽化的LNG量达到208.0 t/h，是仅生产液体产品的空分流程的3.5倍。

图2 空分装置中LNG冷能利用过程的t-Q图Fig.2 t-Q diagram of LNG cold energy utilization in air separation process

4 主要参数的分析

从表3可以看出，空分流程中的主要功耗来源于空气压缩机组(MAC1，MAC2和CAC2)和循环氮气压缩机组(CNC1和CNC2)，因此中压塔的操作压力和循环氮气的液化压力对空分流程的功耗有较大的影响。

4.1 中压塔操作压力

图3 中压塔压力与能耗关系Fig.3 Effects of pressure of intermediate pressure column

4.2 循环氮气的液化压力

在图1所示的空分流程中，循环氮气被压缩至液化压力后再利用LNG冷能将其液化，生成的液氮返回高压塔为精馏过程提供足够的冷能。循环氮气在不同的压力下液化所需的LNG流量不同，其携带的冷能也不相等，从而导致所需的循环氮气流量也不同。在图1所示的空分装置中，循环氮气的压缩功仅次于空气压缩过程，其大小取决于循环氮气的流量和压缩比。本文运用Aspen Plus软件对不同的循环氮气液化压力下的空分装置的性能进行了模拟分析，具体结果如图4，5所示。

图4 循环氮气压力的影响Fig.4 Effects of pressure of recycle nitrogen

图5 循环氮气压力与能耗关系Fig.5 Effects of pressure of recycle nitrogen

5 结 论

本文将低温空气分离与LNG冷能利用进行集成，建立了利用LNG冷能的三塔空分流程，并对其性能和主要参数进行了分析，得出如下结论：

(1)空分流程利用LNG冷能不仅可以生产高纯度的液体空分产品，而且可同时提供大量的高压氧气，在液体空分产品的生产功耗为常规空分流程的50%时，高压氧气的生产功耗也比常规的三塔空分流程低17.5%，能够为LNG接收站周边的富氧燃烧装置提供大量的低能耗的高压氧气，而且可以使LNG接收站的冷能利用率提高2.5倍；

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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

国家自然科学基金青年基金(51106063)资助,广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室主任课题基金(2013K004)资助。

罗 鹏，男，24岁，硕士研究生。

熊永强，男，38岁，博士，讲师。

TB662,TB61

A

1000-6516(2016)01-0047-07