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空分装置利用气瓶汽化器缓冲罐冷量的热力学分析(二)

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空分装置利用气瓶汽化器缓冲罐冷量的热力学分析(二)

发布日期:2014-08-07 00:00 来源:http://www.zjg-kt.com 点击:

利用lng的冷能生产液体co2和干冰,可以满足焊接、铸造和饮料行业的需要,生产每立方米液态co2的电力消耗为01203kwh,与传统方法相比减少了50%。lng的冷能还可用作食品冷冻链(包括冷冻食品厂和冷库等)的冷源,减少了投资费用,节能效果显著。此外, lng的冷能还可用于海水淡化、大容量电缆的冷却、工业废料低温粉碎和污水处理。

空分装置利用气瓶汽化器缓冲罐冷量的热力学分析(二)

据前述原理,低温在越远离环境温度时越大,因此应在可能低的温度下利用lng冷能。由于空分装置中所需达到的温度比lng温度还低,因此, lng的冷量能得到Z佳的利用。利用气瓶汽化器缓冲罐的冷能冷却空气,不但大幅度降低了能耗,而且简化了空分流程,减少了建设费用。同时, lng汽化的费用也可得到降低。

作为世界上Z大的液化天然气进口国,日本在将lng冷能应用于空气分离方面也已有较为成功的实践。表1列出了日本一些主要的利用lng冷能的空分装置。图2为大阪煤气公司利用lng冷能的空气分离装置流程图,与普通的空气分离装置相比,电力消耗节省50%以上,冷却水节约70%[4]。

其它国家也有将lng冷能用于空分系统的成功实践。如在法国fos-sur-mer接收站中的lng冷量回收系统中, lng冷量主要用于液化空气厂,也用于旋转机械和汽轮机的冷却水系统[5]。

在前述两个系统中, lng冷量均用于冷却空分装置中的循环氮气。日本的velautham等人则提出了一种在lng电站中将发电、空分与lng汽化利用相结合的零排放系统(见图3)[6]。在这一系统中, lng与空分装置输出的低温氧气和低温氮气一起被用来冷却空分系统中的多级空压机。根据分析,这一系统在输出氧气状态为012mpa、439℃时的单位能耗仅为0.34kwh/kgo2。

3 空分装置利用lng冷能的热力学分析

空分装置利用lng冷能的流程可以有多种方式,前述用lng冷却循环氮气和冷却压缩机出口空气的方式仅是其中一些可能的方式。在下面的分析中,我们并不针对某一具体流程,而是从比较广义的角度对空分装置利用lng冷能进行一些热力学上的概略分析,并给出一些趋势性的结论。

在以下的分析实例中,假设空分装置原料空气量为1mol/s,空气组分按氧2019%、氮79.1%计;空分产品为环境状态的气态纯氧、纯氮和常压下的纯液氧、液氮; lng按纯甲烷考虑,初始状态为环境压力和111.7k;环境状态p0=10113kpa,t0=300k。lng用于冷却经主空压机压缩并冷却至环境温度的空气。为简单起见,空气液化采用林德液化循环,循环过程如图4所示,图4中的1点即为环境状态0。

3.1 空分装置液化率改变

空气经压缩和冷却后达到状态2 (p2=60718kpa,t2=300k)。压缩空气如果采用lng预冷,可使其在等压下降温至t3。考虑传热温差的存在,取t3至少比lng初始温度高3k,同时,天然气复温至比环境温度低5k,即tc0=295k。这样,随着lng量的增长,t3可由下面的热平衡方程求出:

式中:下标a代表空气,下标g代表天然气。

图5所示为不同lng流量时得到的空气温度t3。显然,当空气与lng的摩尔流量比为1:0.37时,t3达到Z低。受lng温度的限制,若lng流量超过此比例,则其冷量将不能获得完全利用,形成浪费。

带预冷的理想林德循环的液化率为:

很显然,预冷温度越低,液化率越高。液化率随lng流量变化的关系见图6。可见,装置的液化率随lng流量增大而显著提高。这一特点说明,与lng汽化相结合的空分装置特别适用于生产较多液体产品的场合。

再来看装置的能量利用效率。装置从外部获得的能量有压缩功w和lng的冷量q。

式中等温效率取ηt=017。这样单位液化产品消耗的能量为:

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

如图7所示,单位液化产品消耗的能量随lng流量增大而下降。

装置的热效率为系统获得的能量与系统实际消耗的能量之比。装置获得的能量为液体冷量和理论Z小分离功,装置消耗的应为完成空气液化和分离所需的理论Z小功与实际能耗(压缩功w与lng冷量q)之比,即

其中理论Z小液化功wil和理论Z小分离功wis分别为:

式中:no代表氧气摩尔浓度(2019),nn代表氮气摩尔浓度(79.1)。

下面再从分析的角度讨论装置的效率。装置从外界获得的由两部分组成:压缩功w和lng冷量elng,后者可由式1计算出。离开装置的产品具有的包括气体分离成纯物质所获得的和液体产品的低温。气体分离成纯物质所获得的即为气体Z小分离功wis,而液体产品的低温即为Z小液化功wil。这样,装置的效率为:

此外,空气吸收冷量后获得的为:

lng中的被空气吸收的比例为:

图8清楚地显示,随着lng流量增大, lng低温被空气吸收的效率越来越高,说明随着温度的降低, lng冷能得到了更充分利用,这也是温度很低的空分装置利用lng冷能的独特优势。但装置总的效率由于流量较小时,低温未能得到充分利用而有所降低(在约na:nlng=1:013时效率Z低),但毕竟装置在未多耗压缩功的情况下可得到更多的液体产品,这也是非常有利的。

3.2 空分装置压力改变

上一节的分析是假设压缩机出口压力不变得到的,其特点是利用lng冷能获得更多的液体产品。如果并不希望得到更多液体产品,则可以降低压缩机出口压力,从而节省压缩功。

假设装置效率维持在初始状态、压缩机等温效率也保持不变,则可由式10求出不同lng流量时所需的压缩功w,进而由式4求出新的流程压力p2。

图9和图10表明,在lng流量增加后,流程压力和所消耗的压缩功开始均明显下降,到后来趋于平缓。这样,通过引入lng冷能,空分装置的经济性得到了提高。

4 结语

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高,我国的能源消费结构正在逐渐改变,对天然气等清洁能源的需求将持续增长。大量lng潜在的冷能资源非常可观。因此,在lng接收站合理安排lng冷能回收配套设施,有效利用lng冷能,可以收到很好的经济效益和社会效益。本文分析表明,将lng冷能引入空分装置,将可根据需要使装置生产更多的液体产品来满足市场需要,或降低流程压力以减少装置的投资和运行费用。空分装置利用lng冷能可以有多种流程组织方式,值得相关设计、生产单位进行探讨。


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