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小型天然气液化装置的实验研究
张爱民,陈光明,王 勤
(浙江大学制冷与低温研究所,浙江杭州310027)
摘 要:为了制得成本低、可模块化、适于回收垃圾填埋气和煤层气的小型天然气液化装置,提出了一种新的带精馏的混合制冷剂液化流程.该流程结构简单,只需一台商用压缩机;通过精馏装置可以避免润滑油在低温端的堵塞.搭建了小型天然气液化实验台,采用以R728、R50、R14、R23、R290和R600a为组元的多元混合工质进行了初步实验研究,得到了-165.6℃的最低制冷温度和0.088的循环性能系数(COP).该流程在气源压力为0.14 MPa的情况下,能够实现天然气的液化,单位能耗为0.69 kW·h/kg.
关键词:混合工质;液化天然气;精馏
中图分类号:TB657.8 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2008)11-1973-04
随着经济的发展,能源危机日趋显现,环境污染日益严重.天然气作为一种优质、洁净的能源占一次性能源的比重将越来越大,是世界一次性能源消费中增长最快的能源.由于天然气的主要成分是甲烷,液化后的体积是其标准状态的1/625,天然气液化后十分有利于输送和储存.
自1964年世界上第一座天然气液化工厂在阿尔及利亚建成投产以来,天然气液化装置已经广泛应用于商业天然气液化领域,这种大中型液化装置结构庞大,不便于小型化,对于小型气藏资源难以适用.小型天然气液化装置具有结构简单紧凑、造价低廉、装置可模块化、适应性强的特点,在实际中可以灵活应用:能够用来开发边远小气田、回收油井残气、液化回收垃圾填埋法产生的沼气、回收煤层气;可以用于城市的调峰,来调节天然气的供需平衡;还可以为LNG汽车建立加液站.
我国具有丰富的煤层气和垃圾填埋气资源,近些年注重了它们的开发和利用,但目前国内具有自主知识产权的天然气液化工业和实际运行的天然气液化装置非常少.发展小型天然气液化装置,对于我国改变能源结构、改善环境状态、更好地发展经济具有重要意义.
1 新型天然气液化流程
由于环境危机及温室效应,回收煤层气、垃圾填埋产气、油井残气具有重要的现实意义.这些气源压力小且产量小,需要成本低、结构简单、方便维护的小型装置.小型天然气液化装置具有适合各种小型气藏资源的优点,国内外先后开展了广泛研究[1-7].但是上述文献中的小型天然气液化装置存在结构复杂、造价较高的缺点.由于混合制冷剂液化流程和膨胀制冷液化流程比级联式流程结构简单、易于小型化,小型天然气液化装置大多采用这2种流程.虽然膨胀循环在气源压力高的场合有一定优势,但是对于垃圾填埋法所产生的沼气、煤层气等压力比较低的气源不适用;而混合工质循环低温端没有运动部件、易于小型化,与其他循环相比较,更适于以上气源.
在混合工质循环中,由于压缩和换热过程的简化,混合制冷剂可以是氟利昂、烷烃类、氮等组成的多组分混合物,其组成根据被液化的原料气的组成和压力而定.这些由不同组分组成的混合气体在制冷装置中作为制冷循环的混合制冷剂来冷却待液化气体.在工作时多组分混合物中的重组分先冷凝,轻组分后冷凝,它们依次冷凝、节流、蒸发,得到不同温度级的冷量,使天然气中对应的组分冷凝并最终全部被液化,从而减小天然气与制冷剂之间的温差,降低系统的不可逆性.可以根据不同气源的天然气的冷却曲线充灌不同组分的制冷剂,使换热器的实际温差达到最小值.图1示出了用C3/MRC循环(丙烷预冷混合制冷剂循环)和复叠循环的冷却曲线的对比,横坐标Δh为焓差,纵坐标T为温度.可以看出,C3/MRC循环的温差小得多.另外,系统采用混合工质使系统在较小的压力范围内进行,这也是混合工质的一个主要优点.
从20世纪90年代末开始,浙江大学陈光明等人[8-11]对单级压缩混合制冷剂深度冷冻进行了深入研究.首先提出了采用单级压缩一次精馏自动复叠低温制冷机的专利,并对流程型式、部件和流程的模拟计算以及工质配比等进行了研究.采用一台普通商用压缩机,达到-124℃的低温,并取得了良好的热力学效率.在此基础上,笔者提出了以单级压缩混合工质自动复叠循环来液化天然气,该流程结构简单、造价低、特别适合小型化,适用于天然气压力比较低的场合.具体流程如图2所示.
1.1 流程介绍
混合工质经压缩机加压后,通过冷凝器被冷却为气液两相的高压流体,并经干燥过滤器后流进精馏柱釜底.在精馏装置中,混合工质被分为2部分流出.
1)从釜底流出以高沸点组分为主的液态混合工质,经换热器5冷却,通过节流阀9节流降温后进入换热器6,在换热器6中对天然气和从精馏柱顶部流出的高压工质冷却,然后与精馏柱顶部换热器返回的低压制冷剂混合后,经换热器5复热后,返回压缩机吸气口.
2)釜底的气态混合工质自下而上通过精馏柱中的填料,与柱顶下流的回流液进行热量、质量交换,高沸点组分和润滑油以及少量低沸点组分被冷凝下来成为回流液的一部分.最终低沸点为主的气态混合工质通过柱顶换热器,从柱顶流出.然后通过换热器6和换热器7,被冷却后流过节流阀10节流降温,进入蒸发器冷却天然气,然后返流复热,从换热器7流出后,进入精馏柱顶部换热器进行复热,然后与换热器6返回的低压制冷剂混合后,经换热器5复热后,返回压缩机吸气口.
经净化的天然气,通过换热器6和换热器7冷却后,最后进入换热器8被冷却液化,并被送往储液罐保存.
1.2 流程特点
1)该流程只使用一台普通空调压缩机,造价低,低温端采用节流制冷方式,系统结构简单、运行稳定、易于控制和维护.
2)由于采用混合工质,当冷凝蒸发时有一定的温度滑移,使换热器两端的温差减小,从而减小了系统的不可逆损失,使换热器的效率得到提高.高沸点工质被分离后经节流来预冷低沸点工质,使低沸点工质在节流前得到充分预冷从而减少了节流损失.所以该流程具有较高的热力学效率.
3)由于采用混合工质,可以通过调节组成和配比达到良好的热力学性质,使运行压力大大降低,从而降低了压比,提高了系统效率.通过精馏使高温制冷剂和润滑油分离出来,使润滑油只走高温回路而不进入低温回路.由于高温回路管路短、部件少,有很好的回油效果,避免了低温下堵塞节流元件,提高了系统的可靠性.
2 实验研究
基于提出的新型天然气液化流程,搭建了新型天然气液化实验台,如图3所示.该装置的主要特点是装置中只使用普通商用压缩机1个、冷凝器1个、干燥过滤器1个、节流阀2个和容易制造的精馏柱1个、换热器4个.
在实验装置的测试系统中,温度采用铜-康铜热电偶和二次仪表共同测量,二次仪表采用Agilent公司生产的34970A型数据采集器,温度测量精度为±0.5℃;流量采用美国EMERSON公司生产的CMF025M319NWBAMZZZ型质量流量计测量,测量气体流量的精度为±0.35%;压力采用上海自动化仪表四厂生产的精度为0.25级的精密压力表测量;功率采用青岛青智仪器公司生产的精度为0.5级的ZW5435型数字式功率表测量.除压力外,全部实验数据由计算机采集和处理.
采用R728、R50、R14、R23、R290和R600a为组元的混合工质进行研究.为了安全起见,用氮气代替净化天然气,氮气冷却后直接通到大气中.开始时制冷系统首先进行降温,当温度稳定后,通入氮气,通过调节氮气流量使系统达到稳定.实验结果见表1.该系统稳定后高压为1.54 MPa,低压为0.29MPa,得到了-165.6℃的最低制冷温度,制冷系统降温曲线如图4所示.如果把冷却氮气的冷量103.7 W用来液化气源压力为0.14 MPa的天然气,单位能耗为0.69 kW·h/kg.
3 结 论
(1)该装置具有结构简单、造价低、易于控制和维护、液化率高等优点.
(2)由于采用混合工质,使系统的不可逆损失减小,并可以使运行压力大大降低,从而降低了压比,提高了系统效率.另外,由于精馏的作用使系统回油发生在高温段,系统可以可靠、稳定地运行.
(3)在较低的循环压力下,得到了-165.6℃的最低制冷温度,可以将质量流量为0.54 g/s的氮气冷却到-157.6℃,如果用来液化气源压力为0.14MPa的天然气,单位能耗为0.69 kW·h/kg.
(4)该小型天然气液化流程可以在不需加压的情况下液化回收煤层气和垃圾填埋法所产生的沼气,该装置还可以方便地为LNG汽车建立加液站.
(5)换热器6~8可以采用体积小的板翅式换热器,组成一个模块,将压缩机、精馏柱和换热器5以及冷凝器做成一个模块,这样更便于安装,在施工时只须进行管路连接即可,从而降低了建设费用.
参考文献:略
标签：天然气 液化装置
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