采用冷能液化分离空气的LNG冷能梯级利用方法与流程

本发明涉及lng冷能利用
技术领域：
，特别是采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法。
背景技术：
：进入21世纪以来，世界石油价格高涨，能源和电力成本大幅度提高，在中国经济快速发展的形式下，节约能源、提高能源利用率已经刻不容缓。lng作为清洁高效的能源，受到世界各国的青睐，由此也带来了lng工业的迅速发展(年均20％的增长速度)。lng是由低污染天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成低温(-162℃)的液体混和物，其密度大约增加600倍，以利于长距离运输。每生产一吨lng的动力及公用设施耗电量约为850kw·h，而在lng接收站，一般又需将lng通过汽化器汽化后使用，汽化时放出很大的冷量，其值大约为830kj/kg，这种冷量包括液态天然气的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热。如果直接让液化天然气在环境中蒸发，吸收环境的热量升温，不仅会使lng携带的冷能白白地浪费掉，而且会对环境造成冷污染。近年来，我国已在lng的生产、运输和应用等领域取得了卓越的成果。2009年，中国进口液化天然气553.2万吨，增长65.8％，占当年中国液化气进口总量的57.1％，比重较2008年提高了1个百分点。2010年中国进口天然气逾100亿立方米，其中包括约600万吨液化天然气。预计2015年中国lng进口将超过2000万吨，2020年还会成倍增长。lng在我国的大规模发展应用已经势不可挡，研究lng冷能的利用方法，使其在多领域达到实用化的程度，在降低环境污染、应对能源危机的前提下，提升整个lng产业链的经济效益和社会效益，具有重要的意义。目前我国lng冷能的利用还没有得到推广，由于lng冷能自身的衍生性，决定了这种能源的开发和利用还面临许多技术转换问题。目前，在lng冷能利用方面存在冷能利用效率低、损大的现象，致使lng所携带的大部分冷能没有得到合理利用。目前部分梯级冷能利用工艺的设计缺乏有力的理论论证，或者理论与实际利用存在脱节，仅仅从能量角度研究lng冷能的梯级利用，而忽略了lng冷能能质的高低，导致在实际的利用中lng利用工艺的冷效率很低，存在lng冷能没有得到合理、充分利用的现象，对于较低温位段内的高品质冷能用于对冷能品位要求低的工艺中，致使冷能利用效果明显降低。梯级冷能利用工艺虽然已经被提出，其仍然未能够从根本上解决lng冷能利用效率不高、经济效益低的问题。(exergy)的定义为：物质或物流由给定状态经过可逆过程变化到与给定的环境基准相平衡所做的最大理论功。lng冷能主要是因为lng与周围环境存在温度不平衡引起的温度差以及由于压力不平衡引起的压力差。是衡量冷能大小和品质的重要指标，即用于指出某指定状态下所给定能量中能够做出的最大理论功的部分。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种优化配置、提高了lng冷量回收率、节约能源的采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法。本发明的目的通过以下技术方案来实现：采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行油田伴生气凝液回收或制取液化co2及干冰或低温粉碎废旧橡胶；s3、利用完成油田伴生气凝液回收或制取co2及干冰或低温粉碎废旧橡胶后的lng冷能进行仓库制冷或海水淡化本发明具有以下优点：本发明在满足不同用户操作特性的前提下，安排冷能在多个用户间的优化配置，实现了冷能的梯级利用。根据各种冷能利用工艺对温位的需求，制定了三级利用方案，提高了lng冷量回收率，减少lng的汽化费用，对节约能源、提高能源利用效率具有重要意义。附图说明图1为利用lng冷能进行液化分离空气的结构示意图图2为利用lng冷能进行油田伴生气凝液回收的结构示意图图3为利用lng冷能制取液化co2及干冰的结构示意图图4为利用lng冷能低温粉碎废旧橡胶的结构示意图图5为冷冻仓库的梯级利用流程图图6为利用lng冷能进行仓库制冷的结构示意图图7为采用冷媒直接接触冷冻法利用lng冷能进行海水淡化的结构示意图图8为lng冷能梯级利用第一种方案框架图图9为lng冷能梯级利用第二种方案框架图图10为lng冷能梯级利用第三种方案框架图图11为lng冷能梯级利用第四种方案框架图图12为lng冷能梯级利用第五种方案框架图图13为lng冷能梯级利用第六种方案框架图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行油田伴生气凝液回收或制取液化co2及干冰或低温粉碎废旧橡胶；s3、利用完成油田伴生气凝液回收或制取co2及干冰或低温粉碎废旧橡胶后的lng冷能进行仓库制冷或海水淡化传统的空气分离流程需要的冷量通常是利用氟利昂制冷机和组合的膨胀机产生的，需要消耗大量的电能。利用lng高品质的低温冷能是有效降低空分单位耗电量的有效途径。利用lng冷能进行空气的液化分离可以使生产液化氧气的电力消耗从1.2kw·h/m3降低到0.5kw·h/m3，电力消耗减少58％，同时可以减低所需场所的建设费用，由于在利用电力方面的优越性，冷能用于空气的液化分离得到大量的应用。如图1所示，为利用lng冷能的空气分离流程，空气依次流经空气过滤器、空气压缩机、空气顶冷器、空气净化器后进入低温换热器，低温换热器内的冷源为吸收了lng冷量的循环氮气，冷却后的空气进入由高压分馏塔和低压分馏塔构成的分离装置，高压分馏塔分别连接液氮储罐和液氧储罐，低压分馏塔分别连接氮气排放管和氩回收装置，所述的氩回收装置包括依次连接的氩净化器、氩提纯器和液氩储罐。氮气排放管也与流经空气净化器后的空气进行换热，然后后排放，部分氮气经电加热器后提供给空气净化器。空气经过过滤后，被压缩机压缩增加压力，使混合物沸点增加，后进入空气预冷器，吸收冷量，进入空气净化器之后再次在低温换热器中换热，之后进入高压分馏塔中发生分离，分离出液氮、液氧，之后进入低压分馏塔分离出少量的氢气，进入氩气提纯塔分离出液氩。利用回收的lng冷能和两级压缩式制冷机降低空气温度、制取液氮、液氧，可以使制冷机实现小型化，电力能耗可减少50％，水消耗减少30％，大大降低了制取液氮、液氧的生产成本，具有较高的经济效益。由于利用lng冷能制取液氧、液氮具有的经济效益，加之设备可实现小型化，整个工艺受地域的限制降低，因此在lng冷能利用系统中，空分被认为是最为有效的利用方式。另外，低成本制造的液氮可以使lng应用的温度领域扩展到更低的温度带(-196℃)，考虑到lng的温度(-162℃)，可见该方法lng冷能利用的损最小。所述的利用lng冷能进行海水淡化的方法为间接冷冻法、冷媒直接接触冷冻法或真空冷冻法。油田伴生气或井口天然气中除含有甲烷外，还含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及更重的烃类。为了使油田伴生气符合商品天然气的质量标准，满足管输气的质量标准，同时为了获得宝贵的液体燃料和化工原料，需要将油田伴生气中的烃类按照一定要求分离与回收。从油田伴生气中回收凝液的目的是：1、使商品气符合质量指标；2、满足管输气质量要求；3、最大程度的回收凝液。所述的利用完成液化分离空气后的lng冷能进行油田伴生气凝液回收的方法为：如图2所示，原料油田伴生气经干燥器脱水后，经压缩机加压至3.7mpa。加压后的物流经换热网络冷却至7℃后，进入绝热闪蒸罐，分成气液两相2股物流。来自闪蒸罐的气相物流冷却至-85℃，经脱甲烷塔中部进入脱甲烷塔。来自闪蒸罐的液相物流冷却至-102℃后，经脱甲烷塔塔顶进入脱甲烷塔。脱甲烷塔的塔顶产品经回收冷能及回热至20℃左右后，并入城市天然气管网。脱甲烷塔的塔底馏出物进入脱乙烷塔。在脱乙烷塔中回收原料气中的乙烷后，塔底馏出物进入脱丁烷塔，得到产品液化石油气(lpg)和轻油。上述冷却过程中的冷能全部由完成液化分离空气后的lng通过换热器提供。利用lng冷能的冷凝液回收工艺与传统的采用电压缩机制冷方式的冷凝回收工艺相比，节电效率高达70％左右，大大的节约了电能。目前，油田伴生气的凝液回收工艺均是采用电压缩制冷剂膨胀制冷的方式获得低温，进行凝液分离。这种方法由于采用了电压缩制冷工艺，能耗较高。液态二氧化碳在食品冷藏、焊接、铸造以及饮料等领域有着非常广泛的应用，干冰的应用领域则更广泛，如食品的冷藏运输，以及诸多工业生产流程。所述的利用完成液化分离空气后的lng冷能制取液化co2及干冰的方法为：如图3所示，整个流程分为两级，第一级为lng和丙烷换热，第二级为丙烷和co2换热。工艺系统为了避免结冰，冷媒采用丙烷。丙烷储罐的出口通过管道依次连接丙烷泵和液化设备，液化设备的丙烷出口通过管路依次连接lng/丙烷换热器和丙烷储罐入口，完成液化分离空气后的lng从lng/丙烷换热器的一端流入，从另一端流出，完成与丙烷的换热过程，为丙烷冷却提供冷量。气体二氧化碳经二氧化碳压缩机后通过管道依次通过除臭容器和二氧化碳干燥器二氧化碳干燥器，然后进入液化设备，液化设备的液态二氧化碳出口通过管道连接储槽，储槽一路通过管道依次连接干冰机和干冰储运车，储槽另一路通过管道依次连接液态二氧化碳泵、液态二氧化碳加热器和液态二氧化碳储罐，液态二氧化碳储罐又通过另一液态二氧化碳泵连接液态二氧化碳储运车。生产液化二氧化碳或干冰的前提是有充足的气态二氧化碳作为原料，利用lng的冷能制造液态二氧化碳或干冰通常是以化工厂的副产品二氧化碳为原料，可以实现化工厂等高二氧化碳排放的企业实现二氧化碳零排放。目前在大量固定产生co2的火力发电厂及钢铁厂等处利用作为燃料的lng冷能类固化回收co2，是当今研讨的重要课题。这种方案不仅极大地节约能源，而且控制了目前全球关注的温室气体co2的排放。与传统的液化co2及干冰制取工艺相比，利用lng冷能的制冷设备的负荷大大降低，电力消耗降低30％～40％。以化工厂所产生的副产品co2为原料，利用lng冷能制取液化co2及干冰，可以大量降低原料的成本和耗电量，同时所生产的液化co2及干冰纯度高达99.99％。但利用-162℃的lng冷能制取温位为-70℃的液态co2，过程损失很大，是很不经济的，所以要开发lng冷能的梯级利用方案，力求最大限度的提高lng的冷能利用效率。所述的利用完成液化分离空气后的lng冷能低温粉碎废旧橡胶的方法有两种：一种是先将lng用于空气分离，然后用分离后的液氮冷冻胶粉进行粉碎。另一种以氮气为冷媒回收lng的冷能，并将其用于橡胶低温粉碎。氮气与-150℃的lng换热而获得冷能，温度降至-95℃左右后输入冷冻室和低温粉碎机用于橡胶的冷冻和粉碎。废旧轮胎经初步破碎成一定粒度的胶粒后，再经磁选、筛分和干燥后送到预冷室进行初步降温,然后送入冷冻室冷冻，冷冻脆化后的胶粒在低温粉碎机中粉碎。具体工艺如图4所示。氮气回收lng的冷能后对冷冻室和低温粉碎机进行降温，降温后的氮气再流经预冷室，对预冷室进行降温，充分换热后的氮气经压缩机后先经水冷器降温，再经换热器与lng进行热交换。废旧轮胎经过破碎后依次经过粗碎机、细碎机、磁选机、筛分器、胶粒仓和干燥器，然后依次经过预冷室预冷和冷冻室冷冻，与氮气发生热交换，最后由低温破碎机进行深冷粉碎，破碎后的物料经筛分、包装得到胶粉。氮气与-150℃的lng在热交换器内换热后，而获取冷能发生液化，降到-95℃左右，输入冷冻室和低温粉碎机内，对橡胶进行冷冻和粉碎。传统的低温粉碎工艺采用-196℃的液氮来冷冻橡胶，造成了能量的降质使用，并且提高了生产成本(每生产110kg胶粉需耗用110～115kg液氮)，在经济上不可行。lng冷能深冷粉碎橡胶工艺不需要膨胀机等制冷设备，节省了这些设备消耗的电力，节省了设备投资和能耗费用，大大缩小了建设成本。废旧橡胶具有较高的热值(29～37mj/kg)，可替代煤用来做燃料，但会排放出废气对大气造成污染，且通过热裂解提取的燃料气等化学产品质量低，运转成本高，在现有技术上经济性不可行。但如果将橡胶粉碎成胶粉，减少了脱硫和精炼的工序，大大的节省了财力、物力和人力，同时不存在废水、废气和粉尘等二次污染。将废旧橡胶低温粉碎可安全生产处高附加值的精细胶粉，胶粉直接或改性后可广泛应用于橡胶塑料制品、化工建材、公路交通等领域，不仅可以替代部分生胶，而且可以提高产品的性能。利用lng冷能进行仓库制冷的方法为：如图5所示，将lng与冷媒通过换热器进行热量交换，被冷却的冷媒依次进入到低温冻结装置(-60℃)、冷冻库(-35℃)、冷藏库(0℃以下)、预冷装置(0～10℃)进行冷冻物品，这样lng冷能的损失将大幅度降低，整个流程的运行成本较机械制冷方式下降了37.5％。传统的冷库采用多级或复叠式压缩机制冷装置维持冷库所要求的低温，耗电巨大。这种将lng与冷媒通过换热器进行热量交换，被冷却的冷媒流经管道进入冷库，最后在冷库内通过冷却盘管实现对冷库内物品的冷冻冷藏，从而省去制冷机，减少了大量的初始投资，还节约了30％以上的电力。利用lng冷能建设食品冷冻/保鲜还有建设费用大幅消减、有效利用占地面积、噪音震动小、故障少、易维修、冷库内温度回升快等优点。如图6所示为lng冷能用于冷冻冷藏库的装置流程图。完成油田伴生气凝液回收或制取co2及干冰或低温粉碎废旧橡胶后的lng首先通过换热器与载冷剂发生热交换，把冷量传递给载冷剂，载冷剂储存于蓄冷槽中，通过氨液的循环把冷量传递到冷库内。一般选用的载冷剂为乙二醇溶液或氟利昂。冷库是实现特定的温度和湿度，用来加工或者存储食品、工业原料等的建筑物。根据冷冻物品不同，冷库可分为低温冻结库、低温冷冻库、冷藏库以及果蔬预冷库，以上冷库的温度分别控制在-60℃、-35℃、0℃、0～10℃。如采用lng冷能梯级利用的方案，将lng冷能通过媒介分别通向上述4种冷库，能极大程度上降低冷能的损。海水淡化是通过一系列的过程将高盐度的海水转变为人们可以直接使用的低盐度的海水或淡水。目前海水淡化的方法有许多种，而能利用lng能冷的海水淡化方法是冷冻法。冷冻法工艺主要包括冰晶的形成、洗涤、分离、融化等。因此，冷冻法海水淡化的核心部分是海水的结晶过程，结晶的好坏这直接关系到最后淡水的含盐度。根据向海水提供冷量的方式不同，冷冻法海水淡化分为各种不同的形式，利用lng冷能进行海水淡化的方法有：间接冷冻法、冷媒直接接触冷冻法、真空冷冻法。所述的冷媒直接接触冷冻法，是冷冻剂或冷媒与海水直接接触而使海水结冰的方法。由于接触面积大，这种方法具有传热效率高，能在较低温差下进行的特点。具体过程是：以不溶于水、费电接近于海水冰点的冷媒为冷冻剂，与预冷后的海水混合进入结晶器中。冷媒气化吸热，海水冷冻结冰，交换的基本上是潜热。气态的冷媒异丁烷从结晶器的顶部出去后进入lng换热器降温液化，经泵加压后喷到结晶器的海水中循环使用。经过预冷的原料海水，进入到结晶器中与异丁烷发生热交换。被冷却成冰晶，然后冰盐水进入到洗涤塔中，把洗涤所得的冰晶输送到熔化器中，融化而获得淡水。工艺流程如图7所示。这种工艺的优点是：利用中间冷媒和海水直接接触换热，换热效率很高，每消耗1kglng能获得1.8l淡水，原则上式一种较佳的方法；缺点是，从参考的文献来看，对该方法的研究基本为空白，缺少足够的理论支持，技术不够成熟，从模拟计算来看，结冰装置也比较大。冷能利用工艺的利用温度区间表实施例1：如图8所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行低温粉碎废旧橡胶；s3、利用完成低温粉碎废旧橡胶后的lng冷能进行仓库制冷。根据热力学计算方法，该工艺的损计算过程如下：ex代表单阶段工艺；ex代表方案总压力:exp＝t0rin(p/p0)，显热冷：exc,s＝cp(t-t0)+cpt0ln(t0/t)潜热冷:：ex＝exp+exc,s+exc,l。①液化分离空气exp＝-162kj/kg；exc,s＝53.5kj/kg；exc,l＝373.1kj/kg；ex＝265kj/kg②低温粉碎废旧橡胶exp＝-40.8kj/kg；exc,s＝8.4kj/kg；exc,l＝104.7kj/kg；ex＝72.3kj/kg③冷冻仓库exp＝50.4kj/kg；exc,s＝13.0kj/kg；exc,l＝119.2kj/kg；ex＝182.6kj/kgex＝519.9kj/kg。实施例2：如图9所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行低温粉碎废旧橡胶；s3、利用完成低温粉碎废旧橡胶后的lng冷能进行海水淡化。①液化分离空气exp＝-162kj/kg；exc,s＝53.5kj/kg；exc,l＝373.1kj/kg；ex＝265kj/kg②低温粉碎废旧橡胶exp＝-106.1kj/kg；exc,s＝8.4kj/kg；exc,l＝104.7kj/kg；ex＝7.0kj/kg③海水淡化exp＝131.1kj/kg；exc.s＝13.03kj/kg；exc,l＝119.2kj/kg；ex＝263.3kj/kgex＝535.3kj/kg.实施例3：如图10所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能制取液化co2及干冰；s3、利用完成制取液化co2及干冰后的lng冷能进行仓库制冷。①液化分离空气exp＝-174.8kj/kg；exc,s＝15.3kj/kg；exc,l＝191.1kj/kg；ex＝31.6kj/kg②制取液化co2及干冰exp＝28.4kj/kg；exc,s＝25.6kj/kg；exc,l＝211.2kj/kg；ex＝265.2kj/kg③冷冻仓库exp＝50.4kj/kg；exc,s＝22.7kj/kg；exc,l＝165.2kj/kg；ex＝238.3kj/kgex＝535.1kj/kg实施例4：如图11所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能制取液化co2及干冰；s3、利用完成制取液化co2及干冰后的lng冷能进行海水淡化。①液化分离空气exp＝-197.7kj/kg；exc,s＝31.9kj/kg；exc,l＝282.1kj/kg；ex＝116.3kj/kg②制取液化co2及干冰exp＝30.4kj/kg；exc,s＝20.2kj/kg；exc,l＝175.1kj/kg；ex＝225.8kj/kg③海水淡化exp＝50.4kj/kg；exc,s＝13.0kj/kg；exc,l＝119.2kj/kg；ex＝182.6kj/kgex＝524.7kj/kg。实施例5：如图12所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行油田伴生气凝液回收；s3、利用完成油田伴生气凝液回收后的lng冷能进行仓库制冷。①液化分离空气exp＝-210.0kj/kg；exc,s＝15.3kj/kg；exc,l＝191.1kj/kg；ex＝-3.5kj/kg②油田伴生气凝液回收exp＝84kj/kg；exc,s＝38.9kj/kg；exc,l＝264.1kj/kg；ex＝387kj/kg③冷冻仓库exp＝50.4kj/kg；exc,s＝13.0kj/kg；exc,l＝119.2kj/kg；ex＝182.6kj/kgex＝566.1kj/kg实施例6：如图13所示，采用冷能液化分离空气的lng冷能梯级利用方法，它包括以下步骤：s1、利用lng冷能进行液化分离空气；s2、利用完成液化分离空气后的lng冷能进行油田伴生气凝液回收；s3、利用完成油田伴生气凝液回收后的lng冷能进行海水淡化。①液化分离空气exp＝-210.0kj/kg；ext＝15.3kj/kg；exc,l＝191.1kj/kg；ex＝-3.5kj/kg②油田伴生气凝液回收exp＝231kj/kg；ext＝34.5kj/kg；exc,l＝247.5kj/kg；ex＝512.7kj/kg③海水淡化exp＝-137.2kj/kg；ext＝13.0kj/kg；exc,l＝119.2kj/kg；ex＝-5.0kj/kgex＝504.2kj/kg。通过上述计算结果可知实施例5的利用做多，可作为优选实施例。储罐lng由初态-162℃，0.1mpa达到与环境平衡态时可释放950kj/kg冷能，结合上述六种梯级利用方案可得各方案冷能利用效率。效率计算公式为：实施例编号η(％)154.73％256.35％356.33％455.23％559.59％653.07％当前第1页12