利用lng的冷能生產(chǎn)液體co2和干冰,可以滿足焊接、鑄造和飲料行業(yè)的需要,生產(chǎn)每立方米液態(tài)co2的電力消耗為01203kwh,與傳統(tǒng)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(fèi)用,節(jié)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(yè)廢料低溫粉碎和污水處理。

據(jù)前述原理,低溫在越遠(yuǎn)離環(huán)境溫度時(shí)越大,因此應(yīng)在可能低的溫度下利用lng冷能。由于空分裝置中所需達(dá)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(shè)費(fèi)用。同時(shí), lng汽化的費(fèi)用也可得到降低。

作為世界上最大的液化天然氣進(jìn)口國,日本在將lng冷能應(yīng)用于空氣分離方面也已有較為成功的實(shí)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(jié)省50%以上,冷卻水節(jié)約70%[4]。

其它國家也有將lng冷能用于空分系統(tǒng)的成功實(shí)踐。如在法國fos-sur-mer接收站中的lng冷量回收系統(tǒng)中, lng冷量主要用于液化空氣廠,也用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械和汽輪機(jī)的冷卻水系統(tǒng)[5]。

在前述兩個(gè)系統(tǒng)中, lng冷量均用于冷卻空分裝置中的循環(huán)氮?dú)?。日本的velautham等人則提出了一種在lng電站中將發(fā)電、空分與lng汽化利用相結(jié)合的零排放系統(tǒng)(見圖3)[6]。在這一系統(tǒng)中, lng與空分裝置輸出的低溫氧氣和低溫氮?dú)庖黄鸨挥脕砝鋮s空分系統(tǒng)中的多級空壓機(jī)。根據(jù)分析,這一系統(tǒng)在輸出氧氣狀態(tài)為012mpa、439℃時(shí)的單位能耗僅為0.34kwh/kgo2。

3 空分裝置利用lng冷能的熱力學(xué)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(huán)氮?dú)夂屠鋮s壓縮機(jī)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(jìn)行一些熱力學(xué)上的概略分析,并給出一些趨勢性的結(jié)論。

在以下的分析實(shí)例中,假設(shè)空分裝置原料空氣量為1mol/s,空氣組分按氧2019%、氮79.1%計(jì);空分產(chǎn)品為環(huán)境狀態(tài)的氣態(tài)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(tài)為環(huán)境壓力和111.7k;環(huán)境狀態(tài)p0=10113kpa,t0=300k。lng用于冷卻經(jīng)主空壓機(jī)壓縮并冷卻至環(huán)境溫度的空氣。為簡單起見,空氣液化采用林德液化循環(huán),循環(huán)過程如圖4所示,圖4中的1點(diǎn)即為環(huán)境狀態(tài)0。

3.1 空分裝置液化率改變

空氣經(jīng)壓縮和冷卻后達(dá)到狀態(tài)2 (p2=60718kpa,t2=300k)。壓縮空氣如果采用lng預(yù)冷,可使其在等壓下降溫至t3。考慮傳熱溫差的存在,取t3至少比lng初始溫度高3k,同時(shí),天然氣復(fù)溫至比環(huán)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(biāo)a代表空氣,下標(biāo)g代表天然氣。

圖5所示為不同lng流量時(shí)得到的空氣溫度t3。顯然,當(dāng)空氣與lng的摩爾流量比為1:0.37時(shí),t3達(dá)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(fèi)。

帶預(yù)冷的理想林德循環(huán)的液化率為:

很顯然,預(yù)冷溫度越低,液化率越高。液化率隨lng流量變化的關(guān)系見圖6。可見,裝置的液化率隨lng流量增大而顯著提高。這一特點(diǎn)說明,與lng汽化相結(jié)合的空分裝置特別適用于生產(chǎn)較多液體產(chǎn)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(chǎn)品消耗的能量為:

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

如圖7所示,單位液化產(chǎn)品消耗的能量隨lng流量增大而下降。

裝置的熱效率為系統(tǒng)獲得的能量與系統(tǒng)實(shí)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(yīng)為完成空氣液化和分離所需的理論最小功與實(shí)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?dú)饽枬舛?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(jì)算出。離開裝置的產(chǎn)品具有的包括氣體分離成純物質(zhì)所獲得的和液體產(chǎn)品的低溫。氣體分離成純物質(zhì)所獲得的即為氣體最小分離功wis,而液體產(chǎn)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(dú)特優(yōu)勢。但裝置總的效率由于流量較小時(shí),低溫未能得到充分利用而有所降低(在約na:nlng=1:013時(shí)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(chǎn)品,這也是非常有利的。

3.2 空分裝置壓力改變

上一節(jié)的分析是假設(shè)壓縮機(jī)出口壓力不變得到的,其特點(diǎn)是利用lng冷能獲得更多的液體產(chǎn)品。如果并不希望得到更多液體產(chǎn)品,則可以降低壓縮機(jī)出口壓力,從而節(jié)省壓縮功。

假設(shè)裝置效率維持在初始狀態(tài)、壓縮機(jī)等溫效率也保持不變,則可由式10求出不同lng流量時(shí)所需的壓縮功w,進(jìn)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(jīng)濟(jì)性得到了提高。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在逐漸改變,對天然氣等清潔能源的需求將持續(xù)增長。大量lng潛在的冷能資源非常可觀。因此,在lng接收站合理安排lng冷能回收配套設(shè)施,有效利用lng冷能,可以收到很好的經(jīng)濟(jì)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(jù)需要使裝置生產(chǎn)更多的液體產(chǎn)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(yùn)行費(fèi)用。空分裝置利用lng冷能可以有多種流程組織方式,值得相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位進(jìn)行探討。