CN112833327B - 一种集传热分离一体化的lng冷能利用工艺装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，包括填料塔、混合气体储罐、冷能发电系统、冷库系统和冷水空调系统，冷能发电系统包括冷库区与依次相连的C2集液罐、换热系统和发电机组；冷库系统包括与填料塔中的C3液态出口相通的C3集液罐；冷水空调系统包括冷水空调区与依次相连的C4集液罐和第三换热单元。乙烷、丙烷、正丁烷混合气体由塔底通入塔内，混合气体与LNG在塔内换热，混合气由于沸点的差异，正丁烷在最先液化，作为工质流入冷水空调系统；塔内丙烷随之液化，采出后通入冷库系统；最后沸点最低的乙烷在液化，采出后通入冷能发电系统。完成换热的工质回到储罐重新通入塔底，实现循环,能有效降低损失。

Description

一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置
技术领域
本发明设计LNG冷能利用技术领域，特别涉及一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置。
背景技术
天然气是最清洁的化石原料之一，在世界各地已得到广泛应用，一般以液化天然气的形式进行运输，输送到LNG接收站储存，液化天然气在LNG接受站内由液态(-162℃)气化到气相(25℃)的过程中，会释放大约830kJ/kg的冷能。为了将如此巨大的冷能利用起来，科研工作者们设计了多种冷能利用方法。
LNG冷能利用方式多种多样，目前国内外常见的主要有：发电、制取液态二氧化碳和干冰、空气分离、轻烃分离、冷库、制冰、蓄冷空调、海水淡化等。但是目前已有的冷能利用装置和方法，效率很低，单一冷能利用方式LNG冷能利用率仅为8％～20％，同时，有效提高利用率的装置十分复杂，难以投入生产。
专利CN110864498A提出了一种LNG冷能利用装置和方法，公开了能同时进行空气分离、烟气分离以及LNG冷能发电的冷能多级利用方式，有效提高了冷能利用率，但是，装置包含四个换热单元，十分复杂。
专利CN109931732A公开了一种梯级利用LNG冷能的高适应性蓄冷多温冷库系统，三级冷库系统有效利用了LNG冷能，同时采用自控，可以有效控制冷库温度。即便如此，系统换热设备同样很多，较多的换热设备能量会存在较大损失。
有效降低损，提高冷能利用率是冷能利用目前研究的重点，同时，开发新的装置降低装置复杂性也是目前需要攻克的难题。
发明内容
针对现有冷能利用存在的突出问题，本发明提供一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，旨在克服现有LNG冷能利用技术装置冷能利用率低、损大、梯级利用装置复杂的问题。
为达到以上目的，本发明提供了一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，包括填料塔、混合气体储罐、冷能发电系统、冷库系统和冷水空调系统，
所述填料塔包括设置在塔内的绕管，且在塔内设置填料，所述混合气体储罐将混合气通入所述填料塔内，其中，低温LNG通过绕管的进口端通入绕管内并与绕管外的混合气体换热后经绕管的出口端流出塔底，混合气在所述填料塔内分离出C2气体、C3气体和气体并以液态形式输出；
所述冷能发电系统包括冷库区与依次相连的C2集液罐、换热系统和发电机组，且所述集液罐与所述填料塔中的C2液态出口相通，所述换热系统与所述冷库区相连以进行循环能量交换；
所述冷库系统包括与所述填料塔中的C3液态出口相通的C3集液罐，且所述C3集液罐通过所述换热系统与所述混合气体储罐相连；
所述冷水空调系统包括冷水空调区与依次相连的C4集液罐和第三换热单元，且所述C4集液罐与所述填料塔中的C4液态出口相通，所述第三换热单元与所述混合气体储罐相连，所述第三换热单元与所述冷水空调区相连以进行循环能量交换，且所述发电机组通过所述第三换热单元与所述混合气体储罐相连。
进一步地，还包括LNG储罐，所述LNG储罐的输出端与所述绕管的进口端相通。
进一步地，所述填料为柯赫柔性鞍形环填料。
进一步地，还包括不凝器，所述不凝器设置在所述填料塔的顶部。
进一步地，还包括NG汽化器，所述NG汽化器与所述绕管的出口端相通。
进一步地，所述发电机组包括透平膨胀机组。
进一步地，所述C2集液罐、所述C3集液罐和所述C4集液罐的出口处均分别与增压泵相连。
进一步地，所述换热系统包括第一换热单元和第二换热单元，所述C2集液罐、所述第一换热单元和第二换热单元依次相连，所述C3集液罐通过所述第二换热单元与所述混合气体储罐相连；
所述冷库区包括低温冷库区和常温冷库区，所述低温冷库区与所述第一换热单元并联以进行循环能量交换，所述常温冷库区与所述第二换热单元并联以进行循环能量交换。
进一步地，所述第一换热单元中的热源和所述第二换热单元中的热源均为盐水，所述第三换热单元中的热源为冷水。
进一步地，所述低温冷库区的温度为-22～-35℃，所述常温冷库区的温度为0～25℃，所述冷水空调区的温度为7～15℃。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
(1)本冷能利用工艺装置可以填料塔内同时实现传热与分离，在此过程中LNG将冷能传递给C2、C3、C4混合气体，由于其沸点的差异，C2、C3、C4混合气体在换热过程中实现分离，同时，由于混合气体沸点的不同，换热分离后的烷烃气体可以进行收集起来作为工质，进行合适温位的冷能利用，C2进入冷能发电系统，C3进入冷库系统，C4则进入冷水空调系统，形成三个循环，同时实现冷能的梯级利用，进而提高了系统的冷能利用率，有效降低了损失，同时，相比于其他冷能梯级利用工艺，以精馏塔代替多个换热器，减少了不必要的换热设备，降低了能耗，大大降低了流程复杂性。
(2)C2、C3、C4混合气体经过传热实现分离后，以液态形式分别进入冷能发电系统、冷库系统、冷水空调系统释放冷能后气化，于混合气体储罐前汇合流回混合气体储罐，进入下一个循环。
(3)本冷能利用工艺装置能有效降低损失，整个系统/>效率达到47.28％，相比于现有一般30％-40％LNG的冷能利用设备/>效率，本申请的/>效率得到了有效提升，且设备、流程简单，降低了流程复杂性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，现在对本实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一个实施例，但不仅限于本附图，还可以根据此附图获得其他的附图。
图1是一种传热、分离耦合的LNG冷能利用工艺装置。
设备说明：
1-LNG增压泵，2-第二换热单元，3-第一换热单元，4-C2增压泵，5-C3增压泵，6-透平膨胀发电机组，7-第三换热单元，8-C4增压泵，9-LNG储罐，10-低温冷库区，11-常温冷库区，12-C2集液罐，13-冷水空调区，14-C3集液罐，15-C4集液罐，16-混合气体储罐，17-LNG出口阀门，18-混合气体储罐进口阀，19-混合气体储罐出口阀，20-不凝器，21-NG汽化器，22--填料塔。
物流说明：
A-LNG，B-液态C2，C-液态C3，D-液态C4，E-C2、C3、C4混合气体，F-NG，G-盐水，H-循环冷水。
具体实施方式
本发明提供一种集传热、分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面通过附图1结合具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本实施例提供的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，包括LNG储罐9、填料塔22、混合气体储罐16、冷能发电系统、冷库系统和冷水空调系统。
LNG储罐9的输出端与填料塔22内的绕管的进口端相通，以向绕管内通入LNG。在LNG储罐9和填料塔22之间还设置有LNG出口阀门17和LNG增压泵1。液化天然气经加压、预热后由填料塔22上部进入塔中绕管内，在塔内与C2、C3、C4混合气体通过填料、绕管进行换热，绕管内液化天然气逐渐气化，从塔底流出，经NG汽化器21进一步加热后达到管网要求后，输送给下游用户。
填料塔22塔顶不凝器20，以防止少量进入塔顶的气体冷凝回流而影响换热。填料塔22的塔内设置有绕管，在塔内且位于绕管外填充柯赫柔性鞍形环填料，区别于一般填料塔，不采用直接接触换热，而是冷物流即LNG在绕管内，待分离的混合气体在绕管外，通过管壁实现换热，换热后，绕管内的LNG从绕管的出口端流出填料塔的搭底后进入NG汽化器21。填料塔实现LNG与循环工质C2、C3、C4的换热，同时利用其沸点差异将其分离，分离后的循环工质分别进入合适温位的冷能利用系统，释放冷能，实现LNG冷能的多级利用，最终气化后的烷烃气体汇合，流入混合气体储罐16，实现C2、C3、C4循环使用，整个装置持续运行。
本实施例中的填料塔22填料塔塔段直径为0.8m，采用柯赫柔性鞍形环填料填料，塔顶压力为110kPa，全塔压降为10kPa，为常压精馏塔，在常低压条件下进行操作，压力范围为75～120kPa。
混合气体储罐16将混合气通体入填料塔22内，混合气体在填料塔22内分离出C2气体、C3气体和C4气体并以液态形式输出。
冷能发电系统包括冷库区与依次相连的C2集液罐12、换热系统和发电机组6，且C2集液罐12与填料塔22中的C2液态出口相通，换热系统与冷库区相连以进行能量交换，具体的，本实施例中，换热系统包括第一换热单元2和第二换热单元3，C2集液罐12、第一换热单元2和第二换热单元3依次相连，C3集液罐14通过第二换热单元3与混合气体储罐16相连；冷库区包括低温冷库区10和常温冷库区11，低温冷库库内温度一般为-22～-35℃，低温冷库区10与第一换热单元2并联以进行能量交换，常温冷库区11与第二换热单元3并联以进行能量交换。包含有C2气体的混合气体自混合气体储罐16流出后，由塔底进入填料塔22内，在绕管外与LNG进行换热，并由塔底流向塔顶，随着气体的不断上升，换热达到其沸点(-85℃左右)后，C2气体逐渐液化，通过侧线采出液化的C2气体，进入C2集液罐12，C2集液罐12出来的C2液体经由C2增压泵4加压后，进入第一换热单元2复热而部分气化，后流入第二换热单元3进一步气化，随后通入透平膨胀机组，经透平膨胀成低压蒸汽，同时透平膨胀机组带动发动机运转，实现发电。透平膨胀后的C2低压蒸汽仍存在部分可利用的冷能，将其通入冷水空调系统中的第三换热单元7与循环冷水进一步换热，为冷水空调系统提供冷能，最后与完成换热后的C3、C4气体汇合后，回到混合气体储罐16，进行下一循环。与C2换热后的盐水，依次进入低温冷库区10和常温冷库区11，释放冷能后回到第二换热单元3实现循环。同样的，与C2换热后的冷水，进入冷水空调区13放冷后流回第三换热单元，实现循环。
本实施例中，发电机组6为透平膨胀机组。
冷库系统包括与填料塔22中的C3液态出口相通的C3集液罐14，且C3集液罐14通过换热系统与混合气体储罐16相连。包含有C3气体的混合气体自混合气体储罐16流出后，由填料塔22的塔底进入填料塔22内，在绕管外与LNG进行换热，混合气体由于沸点差异，实现分离，C3气体在-40℃左右液化，由侧线采出后，流入C3集液罐14，后经C3增压泵5增压，进入第一换热单元2进行换热，将冷能传递给盐水从而气化，盐水得到冷能后进入低温冷库区10，低温冷库区10即用于冷冻冰淇淋、海鲜等物品或其他用途，释放冷能后回到第一换热单元2重新换热，实现循环。C3气体与完成换热后的C3、C4气体汇合后，回到混合气体储罐16，进行下一循环。
冷水空调系统包括冷水空调区与依次相连的C4集液罐15和第三换热单元7，且C4集液罐15与填料塔22中的C4液态出口相通，第三换热单元7与混合气体储罐16相连，第三换热单元7与冷水空调区相连以进行能量交换，且发电机组6通过第三换热单元7与混合气体储罐16相连。包含有C4气体的混合气体自混合气体储罐16流出后，换热液化，由侧线采出，进入C4集液罐15，后经C4增压泵8加压后在第三换热单元7中换热，得到冷能的冷水进入冷水空调库13释放冷能后，流回第三换热单元7实现循环，而完成换热后的C4与完成换热后的C2、C3气体汇合后，回到混合气体储罐16，实现下一循环。
本实施例中，第一换热单元与第二换热单元都是与冷库系统进行换热的，一般冷库选择循环盐水换热；而第三换热单元与冷水空调进行换热，一般采用冷水。温度设定是根据冷库、空调温度来设定的，第一换热单元为低温冷库温度在-22～-35℃；第二换热单元为常温冷库温度在0～25℃；第三换热单元为冷水空调系统温度在7～15℃，热源温度据此选择。第一换热单元2中的热源为300kmol/h、5℃、0.11MPa的体积分数为25％的盐水，以盐水作为工质传递冷能；第二换热单元3中的热源为500kmol/h、20℃、0.11MPa的体积分数为25％的盐水，同样以盐水作为工质传递冷能；第三换热单元7中的热源为150kmol/h、15℃、0.11MPa的冷水，以冷水作为工质传递冷能。
低温LNG由填料塔顶部进入绕管，与混合气通过绕管管壁实现换热，由于混合器气中C2、C3、C4气体沸点的差异，在精馏塔的不同位置会实现液化，通过侧线采出的方式，将分离出吸收了LNG冷能的C2、C3、C4液体分别收集起来：液态C2输送到冷能发电系统，实现循环发电以及冷库、冷水空调供冷；液态C3输送到冷库系统，与盐水换热，实现冷库功能；液态C4输送到冷水空调库，释放冷能用于冷水空调。从而达到对LNG冷能的多级利用，提高了冷能利用率，大大减少了损失。
为了便于理解，下面对本实施例做进一步说明，以下说明只是一个具体实施方式，不构成对本方案的限定。
本实例的一个具体实现方式中，液化天然气以190.86kmol/hLNG以-162℃、0.4MPa的状态自LNG储罐流出，经过LNG出口阀门17，进入LNG增压泵1，压力由0.4MPa增至8MPa，由塔顶流如填料塔22内的绕管中，在塔内与混合气体换热后，自填料塔塔底流出，后经NG汽化器21复热升温后，送至外输管网。
100kmol/h、25℃、0.7MPa的C2、C3、C4混合气体(其中C2、C3、C4的摩尔分率分别为0.35、0.4、0.2)自C2、C3、C4混合气体储罐16流出，自填料塔底部进入填料塔22，由于沸点的差异，混合气体在填料塔中不同位置实现液化，在不同位置采出，从而达到分离效果。
其中，C2气体沸点最低，以35kmol/h、-86℃、0.11MPa状态自填料塔22采出，经C2增压泵4增压至1MPa后，进入第一换热单元2，与海水换热，换热后温度达到-29℃，后流入第二换热单元3进一步加热至19℃，流入透平膨胀机组实现冷能发电后以-39℃、0.2MPa的C2自透平膨胀机组流出，进入第三换热单元7，与冷水换热，升温至-5℃后，与C3、C4汇合后流回混合气体储罐16。
C3以41.445kmol/h、-44℃、0.11MPa状态自填料塔22采出，经C3增压泵5增压至0.6MPa后，进入第一换热单元2与盐水换热为低温冷库系统提供冷能，换热后温度达到-3℃，后与C3、C4汇合后流回储罐。
C4以23.555kmol/h、4℃、0.1MPa状态自填料塔22采出，经C4增压泵8增压至0.2MPa后，进入第三换热单元7，与冷水换热，为冷水空调系统提供冷能，换热后温度达到13℃流出，与C3、C4汇合后流回混合气体储罐16。
利用Aspen Plus对该工艺过程进行模拟，气化后自精馏塔底流出的天然气气体温度为-5℃，压力为8MPa，计算得到整个系统LNG效率达到47.28％，相比于其他LNG冷能利用设备效率得到了有效提升，主要原因是减少了过多的换热设备，一体化的设备使得损耗有效减少，/>损大大降低。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：包括填料塔（22）、混合气体储罐（16）、冷能发电系统、冷库系统和冷水空调系统，
所述填料塔（22）包括设置在塔内的绕管，且在塔内设置填料，所述混合气体储罐（16）将混合气通入所述填料塔（22）内，其中，低温LNG通过绕管的进口端通入绕管内并与绕管外的混合气体换热后经绕管的出口端流出塔底，混合气在所述填料塔（22）内分离出C2气体、C3气体和C4气体并以液态形式输出；
所述冷能发电系统包括冷库区与依次相连的C2集液罐（12）、换热系统和发电机组（6），且所述C2集液罐（12）与所述填料塔（22）中的C2液态出口相通，所述换热系统与所述冷库区相连以进行循环能量交换；
所述冷库系统包括与所述填料塔（22）中的C3液态出口相通的C3集液罐（14），且所述C3集液罐（14）通过所述换热系统与所述混合气体储罐（16）相连；
所述冷水空调系统包括冷水空调区与依次相连的C4集液罐（15）和第三换热单元（7），且所述C4集液罐（15）与所述填料塔（22）中的C4液态出口相通，所述第三换热单元（7）与所述混合气体储罐（16）相连，所述第三换热单元（7）与所述冷水空调区相连以进行循环能量交换，且所述发电机组（6）通过所述第三换热单元（7）与所述混合气体储罐（16）相连；
还包括不凝器（20），所述不凝器（20）设置在所述填料塔（22）的顶部。
2.根据权利要求1所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：还包括LNG储罐（9），所述LNG储罐（9）的输出端与所述绕管的进口端相通。
3.根据权利要求1所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述填料为柯赫柔性鞍形环填料。
4.根据权利要求1所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：还包括NG汽化器（21），所述NG汽化器（21）与所述绕管的出口端相通。
5.根据权利要求1所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述发电机组（6）包括透平膨胀机组。
6.根据权利要求1所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述C2集液罐（12）、所述C3集液罐（14）和所述C4集液罐（15）的出口处均分别与增压泵相连。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述换热系统包括第一换热单元（2）和第二换热单元（3），所述C2集液罐（12）、所述第一换热单元（2）和第二换热单元（3）依次相连，所述C3集液罐（14）通过所述第二换热单元（3）与所述混合气体储罐（16）相连；
所述冷库区包括低温冷库区（10）和常温冷库区（11），所述低温冷库区（10）与所述第一换热单元（2）并联以进行循环能量交换，所述常温冷库区（11）与所述第二换热单元（3）并联以进行循环能量交换。
8.根据权利要求7所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述低温冷库区（10）的温度为-22~-35℃，所述常温冷库区（11）的温度为0~25℃，所述冷水空调区的温度为7~15℃。
9.根据权利要求7所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述第一换热单元（2）中的热源和所述第二换热单元（3）中的热源均为盐水，所述第三换热单元（7）中的热源为冷水。
10.根据权利要求9所述的一种集传热分离一体化的LNG冷能利用工艺装置，其特征在于：所述低温冷库区（10）的温度为-22~-35℃，所述常温冷库区（11）的温度为0~25℃，所述冷水空调区的温度为7~15℃。
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