空分裝置利用氣瓶汽化器緩沖罐冷量的熱力學分析（二）

利用lng的冷能生產液體co2和干冰,可以滿足焊接、鑄造和飲料行業的需要,生產每立方米液態co2的電力消耗為01203kwh,與傳統方法相比減少了50%。lng的冷能還可用作食品冷凍鏈(包括冷凍食品廠和冷庫等)的冷源,減少了投資費用,節能效果顯著。此外, lng的冷能還可用于海水淡化、大容量電纜的冷卻、工業廢料低溫粉碎和污水處理。

據前述原理,低溫在越遠離環境溫度時越大,因此應在可能低的溫度下利用lng冷能。由于空分裝置中所需達到的溫度比lng溫度還低,因此, lng的冷量能得到最佳的利用。利用氣瓶汽化器緩沖罐的冷能冷卻空氣,不但大幅度降低了能耗,而且簡化了空分流程,減少了建設費用。同時, lng汽化的費用也可得到降低。

作為世界上最大的液化天然氣進口國,日本在將lng冷能應用于空氣分離方面也已有較為成功的實踐。表1列出了日本一些主要的利用lng冷能的空分裝置。圖2為大阪煤氣公司利用lng冷能的空氣分離裝置流程圖,與普通的空氣分離裝置相比,電力消耗節省50%以上,冷卻水節約70%[4]。

其它國家也有將lng冷能用于空分系統的成功實踐。如在法國fos-sur-mer接收站中的lng冷量回收系統中, lng冷量主要用于液化空氣廠,也用于旋轉機械和汽輪機的冷卻水系統[5]。

在前述兩個系統中, lng冷量均用于冷卻空分裝置中的循環氮氣。日本的velautham等人則提出了一種在lng電站中將發電、空分與lng汽化利用相結合的零排放系統(見圖3)[6]。在這一系統中, lng與空分裝置輸出的低溫氧氣和低溫氮氣一起被用來冷卻空分系統中的多級空壓機。根據分析,這一系統在輸出氧氣狀態為012mpa、439℃時的單位能耗僅為0.34kwh/kgo2。

3 空分裝置利用lng冷能的熱力學分析

空分裝置利用lng冷能的流程可以有多種方式,前述用lng冷卻循環氮氣和冷卻壓縮機出口空氣的方式僅是其中一些可能的方式。在下面的分析中,我們并不針對某一具體流程,而是從比較廣義的角度對空分裝置利用lng冷能進行一些熱力學上的概略分析,并給出一些趨勢性的結論。

在以下的分析實例中,假設空分裝置原料空氣量為1mol/s,空氣組分按氧2019%、氮79.1%計;空分產品為環境狀態的氣態純氧、純氮和常壓下的純液氧、液氮; lng按純甲烷考慮,初始狀態為環境壓力和111.7k;環境狀態p0=10113kpa,t0=300k。lng用于冷卻經主空壓機壓縮并冷卻至環境溫度的空氣。為簡單起見,空氣液化采用林德液化循環,循環過程如圖4所示,圖4中的1點即為環境狀態0。

3.1 空分裝置液化率改變

空氣經壓縮和冷卻后達到狀態2 (p2=60718kpa,t2=300k)。壓縮空氣如果采用lng預冷,可使其在等壓下降溫至t3?？紤]傳熱溫差的存在,取t3至少比lng初始溫度高3k,同時,天然氣復溫至比環境溫度低5k,即tc0=295k。這樣,隨著lng量的增長,t3可由下面的熱平衡方程求出:

式中:下標a代表空氣,下標g代表天然氣。

圖5所示為不同lng流量時得到的空氣溫度t3。顯然,當空氣與lng的摩爾流量比為1:0.37時,t3達到最低。受lng溫度的限制,若lng流量超過此比例,則其冷量將不能獲得完全利用,形成浪費。

帶預冷的理想林德循環的液化率為:

很顯然,預冷溫度越低,液化率越高。液化率隨lng流量變化的關系見圖6?？梢?裝置的液化率隨lng流量增大而顯著提高。這一特點說明,與lng汽化相結合的空分裝置特別適用于生產較多液體產品的場合。

再來看裝置的能量利用效率。裝置從外部獲得的能量有壓縮功w和lng的冷量q。

式中等溫效率取ηt=017。這樣單位液化產品消耗的能量為:

wf= (w+ q)/y(6)

如圖7所示,單位液化產品消耗的能量隨lng流量增大而下降。

裝置的熱效率為系統獲得的能量與系統實際消耗的能量之比。裝置獲得的能量為液體冷量和理論最小分離功,裝置消耗的應為完成空氣液化和分離所需的理論最小功與實際能耗(壓縮功w與lng冷量q)之比,即

其中理論最小液化功wil和理論最小分離功wis分別為:

式中:no代表氧氣摩爾濃度(2019),nn代表氮氣摩爾濃度(79.1)。

下面再從分析的角度討論裝置的效率。裝置從外界獲得的由兩部分組成:壓縮功w和lng冷量elng,后者可由式1計算出。離開裝置的產品具有的包括氣體分離成純物質所獲得的和液體產品的低溫。氣體分離成純物質所獲得的即為氣體最小分離功wis,而液體產品的低溫即為最小液化功wil。這樣,裝置的效率為:

此外,空氣吸收冷量后獲得的為:

lng中的被空氣吸收的比例為:

圖8清楚地顯示,隨著lng流量增大, lng低溫被空氣吸收的效率越來越高,說明隨著溫度的降低, lng冷能得到了更充分利用,這也是溫度很低的空分裝置利用lng冷能的獨特優勢。但裝置總的效率由于流量較小時,低溫未能得到充分利用而有所降低(在約na:nlng=1:013時效率最低),但畢竟裝置在未多耗壓縮功的情況下可得到更多的液體產品,這也是非常有利的。

3.2 空分裝置壓力改變

上一節的分析是假設壓縮機出口壓力不變得到的,其特點是利用lng冷能獲得更多的液體產品。如果并不希望得到更多液體產品,則可以降低壓縮機出口壓力,從而節省壓縮功。

假設裝置效率維持在初始狀態、壓縮機等溫效率也保持不變,則可由式10求出不同lng流量時所需的壓縮功w,進而由式4求出新的流程壓力p2。

圖9和圖10表明,在lng流量增加后,流程壓力和所消耗的壓縮功開始均明顯下降,到后來趨于平緩。這樣,通過引入lng冷能,空分裝置的經濟性得到了提高。

4 結語

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高,我國的能源消費結構正在逐漸改變,對天然氣等清潔能源的需求將持續增長。大量lng潛在的冷能資源非?？捎^。因此,在lng接收站合理安排lng冷能回收配套設施,有效利用lng冷能,可以收到很好的經濟效益和社會效益。本文分析表明,將lng冷能引入空分裝置,將可根據需要使裝置生產更多的液體產品來滿足市場需要,或降低流程壓力以減少裝置的投資和運行費用?？辗盅b置利用lng冷能可以有多種流程組織方式,值得相關設計、生產單位進行探討。