基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离系统及方法 【技术领域】
本发明涉及深冷空气分离方法及系统， 尤其涉及一种基于 LNG 卫星站冷能利用的 倒灌式空气分离系统及方法。背景技术
液化天然气 (LNG) 是通过低温液化工艺制成的低温液体混合物， 是一种十分洁净 的燃料， 其主要成分为甲烷 ( 由于产地差异， 甲烷含量从 80％～ 90％不等 )。近年来， 我国 沿海多个地区建成或规划建造 LNG 接收站， 站内的 LNG 在输送到用户前， 通常需要利用海水 或空气对其加热汽化， 在此过程中没有对汽化潜热以及复温显热 (0.1MPa 下从 112K 汽化 成 300K 的天然气时所释放的冷能约为 950kJ/kg) 很好地加以利用， 从而造成极大的资源浪 费。深冷空分设备为获得 77K 的液氮温区， 需要消耗大量的机械功， 是一种能耗较高的流程 设备。鉴于 LNG 冷能温度位与空分所需温度相近， 合理利用 LNG 的冷能以减少空分流程中 的压缩能耗是一种可行方案。 利用 LNG 冷能的空分流程有以下 3 个主要优点 ： 一是在离 LNG 最接近的温度位对其冷能进行利用， 可用能利用程度高 ； 二是可以在较低能耗指标下得到 大量液态产品 ； 三是可以缩短空分流程启动时间。 大型 LNG 接收站为广泛类型的用户供气， 包括调峰电厂、 化工企业、 城市用气等， 因此供气相对比较平稳， 可供利用的冷能量也比较 稳定。然而， 主要负责个别城市天然气供应的 LNG 卫星站却有很大的不同， 其 LNG 消费量随 季节以及日夜甚至各时段用气量的不同而呈现波动特征， 因此所能提供的冷能也会随时间 按一定规律波动。若想合理利用 LNG 卫星站的冷能， 需要采取相应的措施解决该不稳定问 题， 特别是对于基于 LNG 冷能的空分系统， 如何保证其稳定运行是非常关键的。本发明针对 上述问题， 提出一种小型空分流程， 可实现相应工况调节来适应 LNG 冷能的波动。 发明内容 本发明的目的是克服现有技术的不足， 提供一种基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌 式空气分离系统及方法。
基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离系统包括空气过滤器、 空气压缩机、 水冷机组、 空气纯化器、 主换热器、 过冷器、 氮气压缩机、 LNG 换热器、 天然气压缩机、 空气预 冷器、 LNG 储罐、 液氮储罐、 精馏系统， 精馏系统包括下塔、 冷凝蒸发器、 上塔 ； 空气过滤器与 空气预冷器、 空气压缩机、 水冷机组、 空气纯化器主换热器的进料空气流道、 下塔下部进料 空气进口依次相连， 上塔顶部的产品氮气出口与过冷器、 主换热器的产品氮气流道、 空气预 冷器依次相连， 下塔上端部的循环氮气出口与主换热器的冷循环氮气流道、 氮压缩机、 水冷 机组、 LNG 换热器的循环氮气流道、 主换热器的热循环氮气流道、 下塔上端部的循环氮气进 口依次相连， 冷凝蒸发器液氮出口分为两路， 冷凝蒸发器液氮出口一路与液氮储罐、 精馏系 统的下塔端部的倒灌液氮进口依次相连， 冷凝蒸发器液氮出口另一路与过冷器、 上塔的液 下塔底部的富氧液空出口与过冷器、 上塔的富氧液空进口依次相连， LNG 氮进口依次相连， 储罐与 LNG 换热器的 LNG 流道、 天然气压缩机依次相连。
基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离方法是 ： 进料空气经空气过滤器过 滤， 与空气预冷器中的产品氮气和污氮气换热后， 进入空压机加压至 0.58MPa， 水冷至 293K 后进入空气纯化系统除去其中的水分和二氧化碳， 进入主换热器被循环氮气、 产品氮气和 污氮气冷却， 进入下塔底部精馏， 下塔内空气与回流液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发， 下 塔底部积聚富氧液空， 富氧液空通过过冷器过冷， 经节流阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上 塔提供上塔冷量 ； 下塔上端部富集的氮气通过冷凝蒸发器冷凝成液氮， 当 LNG 用量小于 LNG 卫星站 LNG 平均用量时， 冷凝成的液氮全部经过冷器进一步降温， 再经液氮节流阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上塔顶部作为上塔的回流液体 ； 当 LNG 用量大于 LNG 卫星站 LNG 平均 用量时， 冷凝成的液氮一部分经过冷器进一步降温， 经液氮节流阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上塔顶部作为上塔的回流液体， 冷凝成的液氮另一部分进入液氮储液罐储存， 当 LNG 用量小于 LNG 卫星站 LNG 平均用量时， 液氮储液罐储存的液氮倒灌进入下塔， 补充冷量， 以 维持系统稳定运行 ； 上塔顶部的产品氮气以及上塔中上部的污氮气经过过冷器回收部分 冷量， 进入主换热器， 冷却进料空气和过冷经过 LNG 换热器后的循环氮气， 再与压缩前的进 料空气换热， 充分利用其残余的冷量， 使进入空气压缩机的空气温度降低至 273K ～ 280K， 以减小空气压缩机的能耗 ； 下塔上端部的循环氮气经过主换热器冷却进料空气， 温度升至 253K ～ 263K 的循环氮气进入氮压缩机加压至 3.3MPa， 经冷水机组降温后， 进入 LNG 换热器 吸收 LNG 的汽化潜热和复温显热， 循环氮气液化后进入主换热器继续与产品氮气、 污氮气 以及循环氮气换热， 得到的过冷液氮通过节流阀降压至 0.55MPa， 回到下塔提供冷量。 本发明是基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离系统， 通过调节循环氮气量 来适应 LNG 用量的波动， 同时利用倒灌液氮的方法在 LNG 所供冷量不足时补足系统所需的 制冷量要求。在空分流程引进 LNG 冷量后取消了氮气外循环系统， 设备上省去了氮透平膨 胀机和氟利昂制冷机组， 使流程得到了简化。主换热器出口处的循环氮气温度被从传统的 100K 左右提升至 253 ～ 263K， 避免了传统系统中循环氮气的低温压缩问题。由于循环氮气 的出口温度提高， 使得主换热器的其他几股用于冷却进料空气的流体温度降低， 而这部分 剩余的冷量又通过与压缩机前的进料空气换热， 复温至常温后排出， 使得进料空气的温度 进一步降低至 273K ～ 280K， 从而又节约了空压机的能耗。
附图说明
图 1 是倒灌液氮与循环氮气联合调节的 LNG 预冷循环氮气空分流程 ；
图中 ： 空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 水冷机组 3、 空气纯化器 4、 主换热器 5、 下塔 6、 冷凝蒸发器 7、 上塔 8、 过冷器 9、 氮气压缩机 10、 LNG 换热器 11、 天然气压缩机 12、 空气预冷 器 13、 LNG 储罐 14、 液氮储罐 15、 精馏系统 16。 具体实施方式
如图 1 所示， 基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离系统包括空气过滤器 1、 空气压缩机 2、 水冷机组 3、 空气纯化器 4、 主换热器 5、 过冷器 9、 氮气压缩机 10、 LNG 换热器 11、 天然气压缩机 12、 空气预冷器 13、 LNG 储罐 14、 液氮储罐 15、 精馏系统 16， 精馏系统 16 包括下塔 6、 冷凝蒸发器 7、 上塔 8 ； 空气过滤器 1 与空气预冷器 13、 空气压缩机 2、 水冷机组 3、 空气纯化器 4、 主换热器 5 的进料空气流道、 下塔 6 下部进料空气进口依次相连， 上塔 8 顶部的产品氮气出口与过冷器 9、 主换热器 5 的产品氮气流道、 空气预冷器 13 依次相连， 下塔 6 上端部的循环氮气出口与主换热器 5 的冷循环氮气流道、 氮压缩机 10、 水冷机组 3、 LNG 换 热器 11 的循环氮气流道、 主换热器 5 的热循环氮气流道、 下塔 6 上端部的循环氮气进口依 次相连， 冷凝蒸发器 7 液氮出口分为两路， 冷凝蒸发器 7 液氮出口一路与液氮储罐 15、 精馏 系统 16 的下塔 6 端部的倒灌液氮进口依次相连， 冷凝蒸发器 7 液氮出口另一路与过冷器 9、 上塔 8 的液氮进口依次相连， 下塔 6 底部的富氧液空出口与过冷器 9、 上塔 8 的富氧液空进 口依次相连， LNG 储罐 14 与 LNG 换热器 11 的 LNG 流道、 天然气压缩机 12 依次相连。
基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离方法是 ： 进料空气经空气过滤器 1 过 滤， 与空气预冷器 13 中的产品氮气和污氮气换热后， 进入空压机 2 加压至 0.58MPa， 水冷至 293K 后进入空气纯化系统 4 除去其中的水分和二氧化碳， 进入主换热器 5 被循环氮气、 产 品氮气和污氮气冷却， 进入下塔 6 底部精馏， 下塔 6 内空气与回流液氮在多层塔板上反复冷 凝和蒸发， 下塔底部积聚富氧液空， 富氧液空通过过冷器 9 过冷， 经节流阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上塔 8 提供上塔冷量 ； 下塔上端部富集的氮气通过冷凝蒸发器 7 冷凝成液氮， 当 LNG 用量小于 LNG 卫星站 LNG 平均用量时， 冷凝成的液氮全部经过冷器 9 进一步降温， 再 经液氮节流阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上塔 8 顶部作为上塔的回流液体 ； 当 LNG 用量 大于 LNG 卫星站 LNG 平均用量时， 冷凝成的液氮一部分经过冷器 9 进一步降温， 经液氮节流 阀降压至 0.13 ～ 0.14MPa， 进入上塔 8 顶部作为上塔的回流液体， 冷凝成的液氮另一部分进 入液氮储液罐 15 储存， 当 LNG 用量小于 LNG 卫星站 LNG 平均用量时， 液氮储液罐 15 储存的 液氮倒灌进入下塔 6， 补充冷量， 以维持系统稳定运行 ； 上塔 8 顶部的产品氮气以及上塔中 上部的污氮气经过过冷器 9 回收部分冷量， 进入主换热器 5， 冷却进料空气和过冷经过 LNG 换热器后的循环氮气， 再与压缩前的进料空气换热， 充分利用其残余的冷量， 使进入空气压 缩机 2 的空气温度降低至 273K ～ 280K， 以减小空气压缩机 2 的能耗 ； 下塔 6 上端部的循环 氮气经过主换热器 5 冷却进料空气， 温度升至 253K ～ 263K 的循环氮气进入氮压缩机 10 加 压至 3.3MPa， 经冷水机组 3 降温后， 进入 LNG 换热器 11 吸收 LNG 的汽化潜热和复温显热， 循 环氮气液化后进入主换热器 5 继续与产品氮气、 污氮气以及循环氮气换热， 得到的过冷液 氮通过节流阀降压至 0.55MPa， 回到下塔 6 提供冷量。
空气 100 经过空气过滤器 1 过滤掉灰尘等机械杂质后 101， 先经过与出流的氮气 502 和污氮气 602 换热， 冷却至 263K ～ 273K 左右， 然后进入空压机 2 加压至 0.58MPa， 再 经过水冷至 293K， 随后进入空气纯化系统除去其中的水分和二氧化碳 ； 接着， 这部分经过 预处理的空气 102 进入主换热器 5 进行冷却， 在主换热器 5 中， 冷却进料空气的的冷量由 3 股流体提供， 分别是循环氮气 401、 产品氮气 501 和污氮 601。在主换热器 5 出口， 进料空气 102 被冷却至 99K ～ 102K， 然后进入下塔 6 底部开始精馏。
下塔内空气与回流液氮在多层塔板上反复冷凝和蒸发， 在下塔底部积聚了含有较 多液氧的富氧液空 200， 抽出后通过过冷器 9 过冷， 然后经节流阀降压至略高于上塔压力 (0.13 ～ 0.14MPa)， 进入上塔 8 提供上塔冷量 ； 下塔顶部富集氮气 400， 通过冷凝蒸发器 7 冷 凝成液氮 403 后， 一部分液氮 405 被引出下塔， 经过过冷器 9 进一步降温后， 再经液氮节流 阀降压至略高于上塔压力 (0.13 ～ 0.14MPa)， 进入上塔 8 顶部作为上塔的回流液体 ； 当 LNG 用量大于平均用量时， 有另一部分液氮 404 产生， 该部分液氮流到液氮储液罐 15 储存， 用于 当 LNG 用量小于平均用量时倒灌通入下塔 6， 来补足冷量， 维持系统稳定运行。上塔 8 顶部的产品氮气 500 以及近塔顶处引出的污氮气 600 经过过冷器 9 回收部 分冷量后， 进入主换热器 5， 冷却进料空气 102 和过冷经过 LNG 换热器后的循环氮气 408 ； 之 后再与压缩前的进料空气 101 换热， 充分利用其残余的冷量， 使空气在进压缩机 2 前的温度 尽量低， 以减小压缩机能耗。
下塔 6 上端部的循环氮气 401 首先经过主换热器 5 冷却进料空气 102， 并以 253K ～ 263K 的温度出主换热器， 随后进入氮压缩机 10 加压至 3.3MPa， 经冷水机组 3 降温后， 直接 进入 LNG 换热器 11 吸收 LNG 汽化潜热和复温显热， 液化后 408 进入主换热器 5 的后部继续 与出流的产品氮气 501、 污氮气 601 以及循环氮气 401 换热， 过冷液体 409 流出主换热器 5 后通过节流阀降压至约 0.55MPa， 回到下塔 6 提供冷量， 完成一个循环。
典型工况算例
基于 LNG 卫星站冷能利用的倒灌式空气分离系统流程得到的主产品为液氧 ( 纯 度： 0.999)， 附带得到大量的氮气产品 ( 纯度 ： 0.9999)。通过对循环氮气的调节， 下面根据 LNG 卫星站实际 LNG 使用量波动情况， 对 LNG 用量分别为 9000kg/h、 7000kg/h、 5000kg/h 和 3000kg/h 的四种工况进行模拟。这些算例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围， 从本发明简单延伸而未做创造性改变的流程系统及方法均应落于本发明所附权利要求书 所限定的范围。 进料空气的初始状态参数为 0.1MPa、 293K， 摩尔组分为 (N2 ： 0.781， O2 ： 0.210 ％， Ar ： 0.009％ )， 加工气量为 30000kg/h。在模拟计算值中， 物性方程选用 SRK 方程， 压缩机 等熵效率取 0.85， 机械效率为 0.9。LNG 组分按如下组分比例 (CH4 ： 82.3％， C2H6 ： 11.2％， C3H8 ： 4.6％， N2 ： 0.8％， 其他 ： 1.1％ ) 计算， LNG 换热器进口参数取为 0.2MPa、 112K， 出口参 数为 0.2MPa、 263K。流程模拟计算结果如表 1 所示， 其中液氮产量为负值时表示倒灌液氮，
单位液体产品能耗定义为总能耗与液氮和液氧总产量的比值， 即
表 1 流程模拟结果从表 1 中可以看到， 在 LNG 流量为平均流量时 ( 工况 3)， 系统全部产液氧， 无液氮 产出 ； 在 LNG 流量大于平均流量时 ( 工况 1、 2)， 增大循环氮气流量， 系统同时生产液氧、 液 氮， 而这部分液氮则贮存于液氮罐中， 在 LNG 流量小于平均流量时 ( 工况 4)， 倒灌入系统以 补足系统所需冷量。循环氮气压缩机进口温度约在 253 ～ 263K 范围内波动， 消除了低温压 缩的困难。