LNG冷能在空气分离系统中的集成与优化研究

发布时间：2020-05-13 13:02

【摘要】：LNG是一种清洁、高效的能源,其在使用过程中需要释放大量冷能。目前,我国已成为全球第二大LNG进口国,合理与高效的利用进口LNG所释放冷能会产生巨大的经济效益。为实现LNG冷能的高效利用,并解决现有LNG冷能在空气分离系统研究中存在的问题,本文分别开展LNG冷能在双级精馏塔型和热泵精馏塔型空气分离系统中的研究,并对其中的超临界流体换热、精馏塔内部能量分配规律以及冷能系统参数优化进行详细论述。上述研究对于LNG冷能的高效利用以及低温空气分离系统的节能具有重要的理论意义和工程应用价值。主要研究内容与结论如下:(1)针对LNG冷能在空分系统中运用存在的超临界换热问题,采用可变有限体积法对超临界氮气与甲烷换热进行研究,结果表明夹点会出现于换热过程中段,并受冷端温差与氮气压力影响。当氮气出换热器状态靠近临界区域时,热冷流体质量比随冷端温差的增加而增加,热端出口温差和换热(?)损失随冷端温差的增加而快速降低;当氮气出口状态远离临界区域时,热冷流体质量比和换热(?)损失均随冷端温差的增加而线性增加。(2)由于超临界流体换热时夹点的存在,LNG冷能在双级精馏塔型空气分离系统中不能完全被利用。LNG冷能换热器中的冷端温差、氮气压力以及氮压机级数的选择都会影响系统的单位液体能耗、单位液体折合能耗以及冷能利用率。将未完全利用的冷能用于冷却原料空气,空气分离系统的的单位液体能耗有5～12%的降低,单位液体折合能耗保持不变,LNG冷能利用温度范围变宽,冷能利用量增加。(3)通过对MESH方程改型,推导出三种适用于空分系统的精馏塔模型之间的进料条件与产品量约束关系。结果表明热泵精馏塔对压缩耗功需求较少,对外部冷能需求较多;热集成精馏塔的产品纯度与产量与塔板热负荷分布相关,其在高纯产品的制取中无法达到双级精馏塔分离能力。基于上述结果,将LNG冷能用于热泵精馏塔型空气分离系统,系统分离能耗能够得到降低。优化结果表明制取气体氧产品时最优操作压力是0.4 MPa,电力能耗为0.147 kWh/kg;制取液体氧产品的最优操作压力是0.38 MPa,电力能耗是0.246 kWh/kg。(4)采用数值模拟法对超临界氮气与甲烷在水平圆管内的换热特性进行研究。结果表明,在靠近准临界点区域,超临界氮气或甲烷剧烈物性变化会产生浮升力,引起换热强化,其对应体温度与壁面温度温差值也随之减小;在远离准临界点区域,各压力下的氮气或甲烷换热系数基本一致,其换热系数与体温度与壁面温度温差值只与流动形式有关。采用已有半经验换热准则关联式对微元段内超临界氮气与甲烷的换热特性研究,表明Jackson换热准则关联式对处在未过准临界点处的超临界氮气换热系数预测较准,而Gnielinski换热准则关联式对超临界甲烷以及过准临界点区域的超临界氮气换热系数预测较为准确。
【图文】：

图１．１邋ＬＮＧ的供应与使用链示意图［２］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋ＬＮＧ邋ｓｕｐｐｌｙ邋ｃｈａｉｎ［２］逡逑ＬＮＧ的生产与应用流程如图１．１所示［２］。在原产地，天然气需要消耗电能（约为逡逑８５０ｋＷｈ／ｔ）转为ＬＮＧ；在供应地，ＬＮＧ需要吸热转变为常温天然气（ＮＧ）才能使用，逡逑吸热热源一般为环境，所释放的高品味冷能大约为８３０？８５０邋ｋＪ／ｋｇ。逡逑自２０１７年开始，我国政府提出打赢“蓝天保卫战”，加大力度落实环保政策以及逡逑“煤改气”工作，天然气作为相对高效的清洁能源，受到政府和市场广泛青睐。根据逡逑海关总署消息，我国在２０１８年ＬＮＧ进口量达到５３８８万吨，牢牢占据世界第二大ＬＮＧ逡逑进口国，近五年年进口量增长率大于４０％，一直保持世界第一。根据ＩＧＵ邋（国际天然逡逑气产业联盟）报告［３］（图１．２），进口量的不断增加带来的是ＬＮＧ接收能力严重不足，逡逑我国现有大型ＬＮＧ接收站１９座

内循环系统，使整个系统的压力得到很大程度的降低，减少系统能耗；由于主换热器逡逑的热负荷下降，利用一部分污氮与冷却水进行换热，继续降低系统能耗，具体流程如逡逑图１．５。为更进一步降低制氧耗能，Ｘｕ等人［２８］采用高效换热网络以及规整填料技术，逡逑将生产单位产品能耗进一步降低到０．３１３邋ｋＷｈ／ｋｇ，且系统uQ效率提升４２．５％。郑捷宇等逡逑［２９］人同样对ＬＮＧ冷能在空分系统中换热网络匹配进行研究，并考虑到ＬＮＧ换热处于逡逑超临界换热状态，提出四种利用方式，虽然流程形式与上述文献流程相似，但通过布逡逑置ＬＮＧ与氮气换热形式以及参数优化，对应系统最低液体产品能耗可达０．１７６邋ｋＷｈ／ｋｇ。逡逑郑小平等人［３（）］通过研究ＬＮＧ冷量烟，，根据ＬＮＧ不同温度段冷量情况，先让ＬＮＧ与逡逑下塔高压氮气进行换热，然后从中部抽出一部分ＬＮＧ与乙二醇水溶液换热，用于原料逡逑空气的预冷，提高ＬＮＧ冷能利用率。Ｍｏｒｏｓｕｋ等人［３１］则是通过分流器将ＬＮＧ分别冷逡逑却原料空气与下塔高压氮气
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE96

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本文编号：2662002