节能２０１３年第１１期Ｅ］ⅫＢＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴｌ０Ｎ（总第３７４期）ＬＮＧ冷能综合利用系统的设计模拟与分析吕艳丽１。陈贵军１，许铁军２（１．大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连１１６０２３；２．大连汇能科技股份有限公司，辽宁大连１１６０２３）摘要：液化天然气（ＬＮＧ）中蕴含大量的冷能，这部分冷能通常在汽化器中随海水或空气被舍弃，造成了能源的极大浪费。以热力学原理为理论基础，以工艺流程模拟软件ＡｓｐｅｎＨｕｓ为操作方法，对液化天然气冷能综合利用系统进行流程设计与模拟计算，从而实现合理用能的目的。研究结果表明：以温度对口、梯级利用为原则，将空气分离、制取液态Ｃ０２和干冰、冷库、低温破碎进行梯级利用集成，按ＬＮＧ冷能温度匹配，系统大大地提高了ＬＮＧ的利用效率。关键词：液化天然气（ＬＮＧ）；冷能；综合利用；ＡｓｐｅｎＨｕｓ；模拟计算中图分类号：ＴＫ０１＋９文献标识码：Ａ文章编号：１００４—７９４８（２０１３）１１—００２４—０６ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—７９４８．２０１３．１１．００５引言利用”是ＬＮＧ冷能梯级利用系统的最佳选择，设计工艺如下：空气分离＿＋制取液态ＣＯ：和干冰＿天然气（ＮＧ）是一种高效、优质、洁净的能源，冷库，同时空气分离的产物液氮用于低温破碎。其应用范围广泛，在我国国民经济中发挥着重要的作用。天然气通常在低温下液化，以液化天然气离温度…１９１１）第一级：ＬＮＧ气化温度为一１６２０Ｃ，空气分１５００Ｃ。（ＬＮＧ）形式进行存储和运输，使用时再气化为常２）第二级：ＬＮＧ在空气分离系统中完成换热温气体，在这个过程中释放大量的冷能，回收这部后，其温度约为一１０００Ｃ，ＣＯ：的液化温度为分冷能，具有可观的经济效益和社会效益…。一７０℃，生产干冰的温度为一７８．５。Ｃ，两者的温度ＬＮＧ汽化时放出的冷能由汽化潜热和复温显热组均匹配于ＬＮＧ完成空分换热后的温度，因此制取成，约为８３０ｋＪ／ｋｇ。若ＬＮＧ拥有的冷能以１００％液态ＣＯ：和干冰作为梯级利用的第二级。的效率转化为电能，那么ＩｔＬＮＧ的冷能可转化３）第三级：ＬＮＧ完成制取液态ＣＯ：和干冰过２４０ｋＷｈ的电能怛Ｊ。可见，有效提高ＬＮＧ冷能的程后的温度仍低于环境温度，还有一部分冷能可以利用效率非常重要。利用。冷库的运行温度范围大致在一６０～１０℃，这国内外专家学者提出了很多回收利用ＬＮＧ冷与ＬＮＧ完成制取液态ＣＯ：和干冰过程后的温度能的方案，主要为利用ＬＮＧ冷能发电、空气分离、相匹配，在冷库的设计时可以根据不同冷间设计温制取液态ＣＯ，和干冰、低温破碎、轻烃回收、海水度（如冻结库一６０℃、冷冻库一３５℃、冷藏库０。ｃ以淡化、冷库等…。目前，这些工艺大都是以单独利下、果蔬冷藏库０～１００Ｃ）来设计和利用ＬＮＧ冷用ＬＮＧ冷能形式存在。能，因此冷库系统适合作为ＬＮＧ冷能梯级利用系本文在对空气分离、制取液态ＣＯ：和干冰、冷统的第三级。库和低温破碎等ＬＮＧ冷能利用工艺分析基础上，４）第一级空气分离流程中可以分离出液氮，提出了一种将几种工艺进行集成的ＬＮＧ冷能梯级是低温破碎的理想冷却媒介，形成另一支梯级利用利用系统，并进行了系统工艺设计与模拟计算，大分支。大地提高了ＬＮＧ冷能利用效率。这样，从储罐出来的ＬＮＧ，经过以上冷能利用１ＬＮＧ冷能综合利用系统设计设备，温度不断升高，达到所需的供气温度，再经供气前处理便可对天然气用户进行供气了。ＬＮＧ冷根据热力学炯分析理论‘１【，“温度对口、梯级能综合利用系统设计如图ｌ所示。万方数据２０１３年第１１期（总第３７４期）节能ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡｌｒｌ０ＮＬＮＧｌ一１６２℃卜————１／ｌ一１９１．Ｉ储罐Ｉ一１５０℃卜ｌ空气分离装置Ｌ一．—八Ｉ制取液态ＣＯ：和干冰）ＩＩ一１００Ｔ）Ｉ目标温度：目标温度：一８０℃５０℃ｒ————１／Ｉ赢隔莉团蔗热Ｋ荔蕊图１ＬＮＧ冷能综合利用系统设计２ｒ”藜…冽ｈ・・・・－・・…・・・……・・‘…ｉ……竺Ｌ．。≮．．．．／ｉ目标温度：ｉ■，／？冷库目标温度：－６０－－１０℃ＬＮＧ冷能综合利用子系统流程图在传统空分装置的换热装置中引入ＬＮＧ冷能，空分系统所需要的冷能可以直接来自ＬＮＧ，不再需要额外制冷设备能耗”Ｊ。早在２０世纪９０年代，美国ＨＪ、日本∞１就开始将ＬＮＧ冷能用于空气分离，并申请了多项专利。近年来，我国的科研工作者也开发了一系列的相关的工艺流程，结合参考现有的工艺流程∞ｑｏ，加入优化流程。利用ＬＮＧ冷能的空气分离流程如图２所示。２．１空气分离空气分离是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏过程从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气、氩气等惰性气体。传统空分流程中的冷能，通常是利用氟利昂制冷机和组合膨胀机产生的，需要消耗大量电能。注：Ａ１～Ａ５、０１～０５、Ｎ１～Ｎ１０、ＡＲ～空气循环中的各个节点（Ａ空气，Ｏ富氧气体，Ｎ富氮气体、ＡＲ氩气）；ＲＮｌ～对怕一氮循环中的各个节点；ＣＯＭＰｌ－－空气压缩机；ＣＯＭＶ２－－循环氮气压缩机；ＣＯＯＬＥＲ－－空气预冷器；脏ｘｌ一主换热器，ＨＥＸ２—低温换热器；ＨＥＡＴＥＲ－－冷凝蒸发器；ＲＡＤｌ一精馏塔低压上塔；ＲＡＤ２一精馏塔高压下塔；ＯＪｌ、ＮＪ２、Ｊ３一节流阀；ＦＳ～分流器；Ｆｌ一气液分离器；ＭⅨ一混合器；ＬＮＧ～液化天然气；ＮＧ一天然气。图２利用ＬＮＧ冷能的空气分离流程图空气经过纯化系统除去其中的杂质后，进入空分系统。空气首先进入空气压缩机、预冷器进行初步增压降温，然后依次进人第一台、第二台换热器被冷却，以接近饱和气态进入精馏塔下塔底部。从万方数据节能２０１３年第１１期ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ（总第３７４期）下塔底部引出富氧液空，经过节流阀减压降温，进入上塔并从底部引出，依次经过换热器ＨＥＸｌ、ＨＥＸ２回收热量，被加热至常温附近的气态，形成富氧空气产品（节点０５）。下塔顶部引出的富氮液态空气，经过节流阀减压降温，进入气液分离器，部分液体被分离出作为液氮产品（节点Ｎ５），另一部分进人上塔顶部作为回流液，依次经过换热器ＨＥＸｌ、ＨＥＸ２回收冷量，被加热至常温附近的气态，直接排空。从上塔适当位置引出粗氩气体产品（节点ＡＲ），作为精馏氩的原料进入下一个相对的制氩系统制取高纯度液氩。２．２制取液态Ｃｏ：和干冰（≥干冰储运车（≥液态二氧化碳储运车注：１、２－－压缩机；３一除臭容器；４一干燥器；５一液化设备；６、９—储槽；７～干冰机；８－－收集器；１０、１３一液态Ｃ０２泵；１１－－液态Ｃ０２加热器；１２一液态ＣＯｚ储槽；１４一ＬＮＧ氟利昂换热器；１５一氟利昂储罐；１６一氟利昂泵。传统的液态ＣＯ：和干冰制取工艺是将ＣＯ：压缩加压，再利用制冷设备冷却和液化。而利用ＬＮＧ冷能，则很容易获得冷却和液化ＣＯ：所需要的低温，从而降低液化装置的工作压力。与传统工艺相比，制冷设备的负荷大为减少，电耗大幅降低。在现有技术流程的基础上¨，９Ｊ，给出利用ＬＮＧ冷能制取液态ＣＯ：和干冰的流程，如图３所示。采用氟利昂作中间传热介质，首先ＬＮＧ和氟利昂进行换热，然后氟利昂和ＣＯ：进行换热。图３利用ＬＮＧ冷能制取液态Ｃ０２和干冰的流程２．３冷库低温冷藏（制冷）是耗能大户，传统的冷库都是采用多级压缩制冷装置维持冷库的低温，电耗很大。若利用ＬＮＧ冷能作为冷库的冷源，将载冷剂冷却到低温冷藏温度，然后通过载冷剂循环冷却冷库。可以简化制冷系统，极大地降低电耗。参考现有技术流程¨¨１２］，采用ＬＮＧ冷能用于冷库系统流程，如图４所示。ＨＥＸ◇匦卜——粤舅Ｌ——＿匝卜叫注：ＬＮＧ一液化天然气；ＮＧ一大然气；１、３、４、６一乙二醇；７、１２一氨液；ＨＥＸ、脏Ｘ１一换热器；ｃｕＮ一蓄冷槽；ＰＵＭＰＩ、ＰＵＭＰ２、ＰｕＭＰ３一泵；Ｈｌ一冻结库；｝也一冷冻库；Ｈ３一冷藏库；Ｈ４一预冷库。图４ＬＮＧ冷能用于冷库系统流程图首先ＬＮＧ和中间冷媒乙二醇水溶液在第一板式换热器Ｂ１里进行热交换，ＬＮＧ气化成天然气供用户使用。乙二醇水溶液得到ＬＮＧ释放的冷能后，温度从常温降至一８０～一８５℃，冷量储存在蓄冷池中。乙二醇再和氨液在第二板式换热器Ｂ２里进行热交换，得到低温氨液。低温氨液通过氨万方数据２０１３年第１１期（总第３７４期）节能ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ泵，依次被输送到冻结库、冷冻库、冷藏库和预冷库，从而使它们的温度分别降至一６０℃、一３５℃、ｏ。ｃ以及０～１００Ｃ。利用ＬＮＧ冷能的冷库系统可在现有工艺的基础上¨４。６‘，本文采用常温粉碎法与低温粉碎法相结合，利用液氮作为冷却剂，其流程如图５所示。设计成３种运行模式，即：单蓄冷循环、单制冷循环、蓄冷制冷联合循环。２．４低温破碎废旧轮胎经初步破碎成粗胶粒后，经过磁选、筛分和干燥进入预冷室进行降温，然后进入冷冻室冷冻，冷冻脆化后的粗胶粒在低温粉碎机中粉碎，最后形成细胶粒。其中粉碎后制成的精细胶粉温度仍低至一９０一一８０℃，这部分冷能可以回收用于废橡胶的预冷。该流程采用液氮作为冷媒，输入冷冻室和低温粉碎机用于橡胶的冷冻和粉碎。废旧橡胶的综合利用途径有翻新、原形改制、热能利用、热分解、再生胶、胶粉等，其中粉碎法制胶粉是被公认的集环保与资源再生为一体的最有效的方式。粉碎废旧橡胶主要有３种方法，即：常温粉碎法、溶液粉碎法、低温粉碎法¨３｜。图５利用液氮的废旧轮胎粉碎流程３ＬＮＧ冷能综合利用系统的模拟计算应用ＡｓｐｅｎＰｌｕｓ软件进行流程模拟，各物流的设从ＬＮＧ储罐出来进入空气分离装置的ＬＮＧ温度是一１５００Ｃ、压强是０．３ＭＰａ。假设ＬＮＧ的成分为纯甲烷ＣＨ。。ＬＮＧ热力学参数的变化情况如表１所示。热力学性质选用Ｐｅｎｇ—Ｒｏｂｉｎｓｏｎ（Ｐ－Ｒ）方程计算。Ｐ—Ｒ方程形式为：Ｐ＝ＲＴ／（Ｖｍ＋ｂ）＋以／［ｙ。（ｙ。＋ｂ）＋ｂ（ｋ—ｂ）］（１）３．１空气分离假设空气为三元混合气体，Ｎ：、Ｏ：、Ａｒ的摩尔分数分别是７８．１２％、２０．９５％、０．９３％。设压缩机的等熵效率和机械效率分别为０．８５、０．９５；多股流换热器的热漏取５％。其中：ａ＝ｏ．４５７２４Ⅱ（Ｔ）Ｒ２￡／尸：；ｂ＝０．０７７８ＲＴｃ／Ｐ。；ａ（Ｔ）＝［１＋ｍ（１一贮＋５）］３；ｍ：０．３７４６４＋１．５４２２ｗ一０．２６９９２ｗ２．物流参数、设备功耗、产品纯度的模拟结果如表２～表４所示。万方数据节能２０１３年第１１期一２８一ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ（总第３７４期）表２空气分离流程中各主要节点热力学参数表３空分系统能量消耗设备技术参数３．２制取液态ＣＯ：和干冰以化工厂的副产品ＣＯ：为原料，利用回收ＬＮＧ的冷能制取液态ＣＯ：和干冰，不仅电耗小，而且产品的纯度高，据测算比传统方法节约５０％以上的电耗和１０％的建设费。３．３冷库注：总功率为１２６６ｋＷ；单位气态氧能耗为０．４１９８ｋＷｈ／ｋｇ。冷库的冷媒选用环保型载冷剂丙烷。冷库系表４空分系统产品纯度统中主要节点参数如表５所示。３．４低温破碎设橡胶种类为天然橡胶，天然橡胶的玻璃化温度为一７２℃，天然橡胶从２５℃降至一８３℃消耗的冷能约为１８０．７ｋＪ／ｋｇ，液氮常压下气化释放的冷能约为４１４．０ｋＪ／ｋｇ，因此冷冻ｌｋｇ天然橡胶需要耗液氮Ｏ．４４ｋｇ。其中精细胶粉从一８０℃升至５℃表５冷库系统中各主要节点热力学参数万方数据２０１３年第１１期（总第３７４期）节能一２９一Ｅ］Ⅻ巳ＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡｌｒＩＯＮ释放１３９．８ｋＪ／ｋｇ冷能，可将等量的粗胶粉从２５℃降至一５４。（２。液氮只需提供４０．９ｋＪ／ｋｇ冷能，就可将粗胶粉从一５４。Ｃ降至一８３。Ｃ，相当于冷冻ｌｋｇ天然橡胶需０．１０ｋｇ液氮。４结论在ＬＮＧ冷能综合利用系统中，ＬＮＧ冷能在各个阶段因温度匹配得当而得到充分利用。ＬＮＧ以一１６２０Ｃ进入空气分离的主换热器实现冷能的第一级利用，出口物流ＬＮＧｌ以一１００℃进人制取液态ＣＯ：和干冰系统实现冷能的第二级利用，出口物流ＬＮＧ２以一７０℃进入冷库系统实现冷能的第三级利用，最后ＮＧ以３０℃排出。假设某ＬＮＧ接气站供气规模为４×１０５ｔ／ａ，以每吨ＬＮＧ汽化释放出８３０ＭＪ的冷量折算，该接气站每年将产生冷量４．１５×１０８ＭＪ，每日将产生冷量１１３６９８６．３ＭＪ。ＬＮＧ分别经过空气分离、制取液态ＣＯ：和干冰、冷库等系统，设８０％以上冷能被梯级利用，则每日可用有效冷负荷为９０９５．８９ｋＷ。４．１空气分离经模拟计算可知，空分装置共生产液氮、气氧、液氩等产品约为８０６８．２４２ｋｇ／ｈ，设备总功率为１２６６ｋＷ，单位产品（液氮、气氧、液氩）需要的能耗为０．１５６９ｋＷｈ／ｋｇ，传统空分装置生产液态产品的功耗约为０．７ｋＷｈ／ｋｇ，生产等量的上述产品需耗能５６４７．７６９４ｋＷ。经过空气分离装置的处理，气态氧气产品的摩尔浓度为９９％，液态氮气产品的摩尔浓度接近１００％，可直接利用或存储。液态氩气产品的摩尔浓度为３２．７％，可作为原料进入下一个相对的精馏制氩系统制取高纯度液氩。４．２制取液态ＣＯ：和干冰利用ＬＮＧ冷能制取液态ＣＯ：和干冰，可使系统中制冷设备的负荷大幅减少，所耗电能也大幅降低，节能效果明显。４．３冷库该系统与传统冷库相比，减少了制冷压缩机、冷凝器、节流装置及各种辅助设备，简化了冷库制冷系统，降低了制冷设备的投资费用，整个工艺流程所消耗的电能也将至少降低６５％。采用蓄冷槽不但可以弥补ＬＮＧ汽化站冷量不均，保证冷产品的品质，保证冷库稳定运行，而且加快了初冷速度。万方数据４．４低温破碎流程中冷冻ｌｋｇ天然橡胶仅需要０．１０ｋｇ液氮，按市场上液氮的价格７５０形ｔ，约为３７５０元。空分装置中液氮产出率大约为５ｔ／ｈ，用于低温破碎系统，不仅降低设备功耗，也节省了制取液氮所需费用。参考文献［１］顾安忠．液化天然气技术手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２０ｌＯ．［２］ＭｉｙａｚａｋｉＴ，ＫａｎｇＹＴ，ＡｋｉｓａｗａＡ，ｅｔａ１．ＡｃｏｍｂｉｎｅｄｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｕｓｉｎｇｒｅｆｕｓｅｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄＬＮＧｃｏｌｄｇｎ—ｅｒｇｙ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ，２０００，２５：６３９—６５５．［３］余黎明，江克忠．张磊．我国液化天然气冷能利用技术综述［Ｊ］．化学工业，２００８，（３）：１４—２３．［４］ＮａｇａｍｕｒａＴａｋａｓｈｉ，ＹａｍａｓｈｉｔａＮａｏｈｉｋｏ．Ａｉｒｓｅｐａｒａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｅｘｔｅｒｎａｌｃｏｌｄ￥ＯＵＩＶ：ｅ：ＵＳ，５２２０７９８［Ｐ］：１９９３一０６—２２．［５］新工木，Ｌ，芊一产业技术总会开发机构．ＬＮＧ冷熟利用现状Ｅ将来［Ｍ］．东京：东京加灭夕三力，Ｌ，社，１９９４．［６］范庆虎，李红艳，杨光达，等．利用ＬＮＧ冷量的空气分离液化流程的模拟与分析［Ｊ］．中山大学学报论丛，２００７，２７（２）：８６—９０．［７］张中秀，周伟国．利用液化天然气冷能的空气分离技术［Ｊ］．煤气与热力，２００７，２７（６）：２５—２７．［８］聂江华，杨宏军，徐文东，等．利用液化天然气冷能空分新流程及模拟分析［Ｊ］．节能技术，２０１１，（３）：２１１—２１３．［９］张涛，高彩魁．ＬＮＧ冷能的应用［Ｊ］．上海煤气，２０１０，（２）：１—２．［１０］吴集迎，马益民，赵小明．ＬＮＧ接气站冷能冷库系统工艺流程比较及分析［Ｊ］．化工学报，２０１０，（ｓ２）：１５３—１５７．［１１］聂廷哲，焦琳，段常贵．利用ＬＮＧ气化站冷能的冷库系统研究［Ｃ］．液化天然气专业委员会２００７年年会论坛。２００７．［１２］吴集迎，马益民，陈仕清．ＬＮＧ冷能用于冷库的系统设计及分析［Ｊ］．集美大学学报（自然科学版），２０１０，１５（１）：４４—４７．［１３］方芳，周勇敏，张继．废轮胎回收制胶粉及其应用进展［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００７，２５（１）：１６４—１６８．［１４］范文．我国首套液氮法微细胶粉生产装置开发成功［Ｊ］．中国橡胶．２００１，１７（６）：１８．［１５］刘玉强，殷晓玲．胶粉的生产方法［Ｊ］．弹性体，２００１，ｌｌ（３）：９１—９４．［１６］熊永强，华贲，李亚军，等．废旧橡胶低温粉碎中ＬＮＧ冷能利用的集成分析［Ｊ］．华南理工大学学报，２００９，１２作者简介：吕艳丽（１９９０一），女，辽宁大连人，硕士在读，专业方向：热能与动力工程。收稿日期：２０１３—０８—１８；修回日期：２０１３—１０—１４LNG冷能综合利用系统的设计模拟与分析
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作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
吕艳丽， 陈贵军， 许铁军
吕艳丽,陈贵军(大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连,116023)， 许铁军(大连汇能科技股份有限公司,辽宁大连,116023)节能
Energy Conservation2013,32(11)
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