小型天然氣液化裝置的實驗研究

張愛民,陳光明,王　勤

(浙江大學制冷與低溫研究所,浙江杭州310027)

    摘　要:為了制得成本低、可模塊化、適于回收垃圾填埋氣和煤層氣的小型天然氣液化裝置,提出了一種新的帶精餾的混合制冷劑液化流程.該流程結構簡單,只需一臺商用壓縮機;通過精餾裝置可以避免潤滑油在低溫端的堵塞.搭建了小型天然氣液化實驗臺,采用以R728、R50、R14、R23、R290和R600a為組元的多元混合工質進行了初步實驗研究,得到了-165.6℃的最低制冷溫度和0.088的循環性能系數(COP).該流程在氣源壓力為0.14 MPa的情況下,能夠實現天然氣的液化,單位能耗為0.69 kW·h/kg.

    關鍵詞:混合工質;液化天然氣;精餾

    中圖分類號:TB657.8　　　　　文獻標識碼:A　　　　　文章編號:1008-973X(2008)11-1973-04

    隨著經濟的發展,能源危機日趨顯現,環境污染日益嚴重.天然氣作為一種優質、潔凈的能源占一次性能源的比重將越來越大,是世界一次性能源消費中增長最快的能源.由于天然氣的主要成分是甲烷,液化后的體積是其標準狀態的1/625,天然氣液化后十分有利于輸送和儲存.

    自1964年世界上第一座天然氣液化工廠在阿爾及利亞建成投產以來,天然氣液化裝置已經廣泛應用于商業天然氣液化領域,這種大中型液化裝置結構龐大,不便于小型化,對于小型氣藏資源難以適用.小型天然氣液化裝置具有結構簡單緊湊、造價低廉、裝置可模塊化、適應性強的特點,在實際中可以靈活應用:能夠用來開發邊遠小氣田、回收油井殘氣、液化回收垃圾填埋法產生的沼氣、回收煤層氣;可以用于城市的調峰,來調節天然氣的供需平衡;還可以為LNG汽車建立加液站.

    我國具有豐富的煤層氣和垃圾填埋氣資源,近些年注重了它們的開發和利用,但目前國內具有自主知識產權的天然氣液化工業和實際運行的天然氣液化裝置非常少.發展小型天然氣液化裝置,對于我國改變能源結構、改善環境狀態、更好地發展經濟具有重要意義.

    1　新型天然氣液化流程

    由于環境危機及溫室效應,回收煤層氣、垃圾填埋產氣、油井殘氣具有重要的現實意義.這些氣源壓力小且產量小,需要成本低、結構簡單、方便維護的小型裝置.小型天然氣液化裝置具有適合各種小型氣藏資源的優點,國內外先后開展了廣泛研究[1-7].但是上述文獻中的小型天然氣液化裝置存在結構復雜、造價較高的缺點.由于混合制冷劑液化流程和膨脹制冷液化流程比級聯式流程結構簡單、易于小型化,小型天然氣液化裝置大多采用這2種流程.雖然膨脹循環在氣源壓力高的場合有一定優勢,但是對于垃圾填埋法所產生的沼氣、煤層氣等壓力比較低的氣源不適用;而混合工質循環低溫端沒有運動部件、易于小型化,與其他循環相比較,更適于以上氣源.

    在混合工質循環中,由于壓縮和換熱過程的簡化,混合制冷劑可以是氟利昂、烷烴類、氮等組成的多組分混合物,其組成根據被液化的原料氣的組成和壓力而定.這些由不同組分組成的混合氣體在制冷裝置中作為制冷循環的混合制冷劑來冷卻待液化氣體.在工作時多組分混合物中的重組分先冷凝,輕組分后冷凝,它們依次冷凝、節流、蒸發,得到不同溫度級的冷量,使天然氣中對應的組分冷凝并最終全部被液化,從而減小天然氣與制冷劑之間的溫差,降低系統的不可逆性.可以根據不同氣源的天然氣的冷卻曲線充灌不同組分的制冷劑,使換熱器的實際溫差達到最小值.圖1示出了用C3/MRC循環(丙烷預冷混合制冷劑循環)和復疊循環的冷卻曲線的對比,橫坐標Δh為焓差,縱坐標T為溫度.可以看出,C3/MRC循環的溫差小得多.另外,系統采用混合工質使系統在較小的壓力范圍內進行,這也是混合工質的一個主要優點.

    從20世紀90年代末開始,浙江大學陳光明等人[8-11]對單級壓縮混合制冷劑深度冷凍進行了深入研究.首先提出了采用單級壓縮一次精餾自動復疊低溫制冷機的專利,并對流程型式、部件和流程的模擬計算以及工質配比等進行了研究.采用一臺普通商用壓縮機,達到-124℃的低溫,并取得了良好的熱力學效率.在此基礎上,筆者提出了以單級壓縮混合工質自動復疊循環來液化天然氣,該流程結構簡單、造價低、特別適合小型化,適用于天然氣壓力比較低的場合.具體流程如圖2所示.

    
    1.1　流程介紹

    混合工質經壓縮機加壓后,通過冷凝器被冷卻為氣液兩相的高壓流體,并經干燥過濾器后流進精餾柱釜底.在精餾裝置中,混合工質被分為2部分流出.

    1)從釜底流出以高沸點組分為主的液態混合工質,經換熱器5冷卻,通過節流閥9節流降溫后進入換熱器6,在換熱器6中對天然氣和從精餾柱頂部流出的高壓工質冷卻,然后與精餾柱頂部換熱器返回的低壓制冷劑混合后,經換熱器5復熱后,返回壓縮機吸氣口.

    2)釜底的氣態混合工質自下而上通過精餾柱中的填料,與柱頂下流的回流液進行熱量、質量交換,高沸點組分和潤滑油以及少量低沸點組分被冷凝下來成為回流液的一部分.最終低沸點為主的氣態混合工質通過柱頂換熱器,從柱頂流出.然后通過換熱器6和換熱器7,被冷卻后流過節流閥10節流降溫,進入蒸發器冷卻天然氣,然后返流復熱,從換熱器7流出后,進入精餾柱頂部換熱器進行復熱,然后與換熱器6返回的低壓制冷劑混合后,經換熱器5復熱后,返回壓縮機吸氣口.

    經凈化的天然氣,通過換熱器6和換熱器7冷卻后,最后進入換熱器8被冷卻液化,并被送往儲液罐保存.

    1.2　流程特點
    1)該流程只使用一臺普通空調壓縮機,造價低,低溫端采用節流制冷方式,系統結構簡單、運行穩定、易于控制和維護.
    2)由于采用混合工質,當冷凝蒸發時有一定的溫度滑移,使換熱器兩端的溫差減小,從而減小了系統的不可逆損失,使換熱器的效率得到提高.高沸點工質被分離后經節流來預冷低沸點工質,使低沸點工質在節流前得到充分預冷從而減少了節流損失.所以該流程具有較高的熱力學效率.
    3)由于采用混合工質,可以通過調節組成和配比達到良好的熱力學性質,使運行壓力大大降低,從而降低了壓比,提高了系統效率.通過精餾使高溫制冷劑和潤滑油分離出來,使潤滑油只走高溫回路而不進入低溫回路.由于高溫回路管路短、部件少,有很好的回油效果,避免了低溫下堵塞節流元件,提高了系統的可靠性.

    2　實驗研究
    基于提出的新型天然氣液化流程,搭建了新型天然氣液化實驗臺,如圖3所示.該裝置的主要特點是裝置中只使用普通商用壓縮機1個、冷凝器1個、干燥過濾器1個、節流閥2個和容易制造的精餾柱1個、換熱器4個.

    在實驗裝置的測試系統中,溫度采用銅-康銅熱電偶和二次儀表共同測量,二次儀表采用Agilent公司生產的34970A型數據采集器,溫度測量精度為±0.5℃;流量采用美國EMERSON公司生產的CMF025M319NWBAMZZZ型質量流量計測量,測量氣體流量的精度為±0.35%;壓力采用上海自動化儀表四廠生產的精度為0.25級的精密壓力表測量;功率采用青島青智儀器公司生產的精度為0.5級的ZW5435型數字式功率表測量.除壓力外,全部實驗數據由計算機采集和處理.

             
    采用R728、R50、R14、R23、R290和R600a為組元的混合工質進行研究.為了安全起見,用氮氣代替凈化天然氣,氮氣冷卻后直接通到大氣中.開始時制冷系統首先進行降溫,當溫度穩定后,通入氮氣,通過調節氮氣流量使系統達到穩定.實驗結果見表1.該系統穩定后高壓為1.54 MPa,低壓為0.29MPa,得到了-165.6℃的最低制冷溫度,制冷系統降溫曲線如圖4所示.如果把冷卻氮氣的冷量103.7 W用來液化氣源壓力為0.14 MPa的天然氣,單位能耗為0.69 kW·h/kg.

              
    3　結　論

    (1)該裝置具有結構簡單、造價低、易于控制和維護、液化率高等優點.

    (2)由于采用混合工質,使系統的不可逆損失減小,并可以使運行壓力大大降低,從而降低了壓比,提高了系統效率.另外,由于精餾的作用使系統回油發生在高溫段,系統可以可靠、穩定地運行.

    (3)在較低的循環壓力下,得到了-165.6℃的最低制冷溫度,可以將質量流量為0.54 g/s的氮氣冷卻到-157.6℃,如果用來液化氣源壓力為0.14MPa的天然氣,單位能耗為0.69 kW·h/kg.

    (4)該小型天然氣液化流程可以在不需加壓的情況下液化回收煤層氣和垃圾填埋法所產生的沼氣,該裝置還可以方便地為LNG汽車建立加液站.
    (5)換熱器6~8可以采用體積小的板翅式換熱器,組成一個模塊,將壓縮機、精餾柱和換熱器5以及冷凝器做成一個模塊,這樣更便于安裝,在施工時只須進行管路連接即可,從而降低了建設費用.

    參考文獻:略