天然气压力能利用与空气分离的集成工艺研究

高压力、大输量的长输天然气需在天然气分输站调压后输送至下游管网，目前多采用节流阀调压，不仅产生巨大噪音，伴随的Joule-Thomson效应还可能造成下游管道低温冻堵，而调压过程中巨大压力能则被浪费[1-2]。伴随国内外天然气管网的迅猛发展，天然气分输站调压过程蕴含压力能的回收利用已逐渐引起业内的重视。目前电压缩制冷的空气分离技术仍占据空气分离产业的主流地位，其耗电十分高，设备能耗约占空分成本的70%～80%。开发节能、高效的空气分离技术已成为空分行业发展方向[3]。

(3)第三阶段。从技术服务中心、名师工作室、技能竞赛等团队中根据学生意愿挑选优秀学生组建虚拟公司进行自主创业，培养自主创业能力，其他学生留在团队中继续提升专业技能；部分技能考证的学生进入专业签订的合作企业中进行订单式培养，经过三年的课堂教育和丰富的第二课堂教育，最终将学生打造成卓越工程师，实现专业制订的培养高素质技能型人才的培养目标。同时建立以创新创业成果作为学分互换的机制，即学生可在第二课堂中获取创新学分，取得的相关竞赛成果、科研成果均可进行相应课程的学分互换，提高第二课堂的效果。

天然气压力能的回收利用主要分为发电及制冷2大类，以日本东京电力公司的冷热发电站、北美Enbridge公司的DFC—ERG系统为代表，压力能回收用于发电技术已获得业内广泛的应用。制冷技术也在储气调峰、天然气液化、冷水空调、冷库、深冷粉碎等领域广泛运用[4]，但将回收天然气压力能用于空气分离的研究仍在起步阶段，最早郑志等[5]提出将天然气调压过程冷能用于空气分离的构想，但仅局限于理论层面。

为了有效地回收高压天然气调压过程的压力能，降低空分产品的生产成本，笔者在国内外压力能回收技术及低温空分技术研究的基础上，将天然气压力能利用与低温空气分离的集成理论应用于一种常规氮循环膨胀制冷的空分工艺，构建新型集成工艺，并对新旧工艺进行了对比分析。

通过对最新脑科学研究成果的解读，我们可以看到脑科学的研究已经走到了与其他多学科交叉的关键时刻，而且物理、化学等多种方法在脑科学研究中的运用一再突破脑科学的极限，使最终观测大脑实时活动成为可能。

1　天然气压力能的低温空分工艺流程

1.1　集成工艺原理

图2　常规氮循环制冷的空气分离流程 Fig.2　Conventional nitrogen cycle cooling air separation process

根据Douglas系统分割理论[6]，将利用天然气压力能的空气分离工艺视为一个完整的系统，按照功能的不同将整体系统分割为3个子系统，即压力能回收系统、冷媒循环系统及空气分离系统。高压天然气压力能的空气分离工艺原理图如图1所示。

天然气压力能回收系统中，高压天然气调压过程通过透平膨胀机将高压天然气压力能转化为机械能及冷能[7]，再利用冷媒循环作为媒介回收产生的机械功及冷能，一方面利用高压天然气膨胀产生的机械功将冷媒压缩，使其成为高压制冷工质；另一方面，通过换热网络的优化设计，利用高压天然气膨胀产生的冷能来冷却压缩后的高压冷媒，通过冷媒循环将高压低温冷媒输送至空气分离系统，同时提高高压天然气进入膨胀机的进气温度，增加高压天然气膨胀产生的机械能；而在空气分离系统中空气经过过滤、预冷、深冷后经精馏塔获得液态空分产品。

图1　高压天然气压力能的空气分离工艺原理 Fig.1　The principle of air separation process using natural gas pressure energy

1.2　天然气压力能的低温空分工艺流程

利用12.87 t/h(100×104 Nm3/d)高压天然气调压过程产生的冷能及机械功处理12.87 t/h的空气时，共计生产高纯度的液氮6.396 t/h，液氧1.694 t/h，氧的提取率达到0.889%。

当处理相同原料空气时，模拟得到新旧空气分离流程模拟结果如表3所示。由表3中可以看出，集成流程所需的循环氮气量大幅减少；新流程的单位液态产品能耗降低近58%，根本原因在于空气分离流程的主要耗能设备是循环氮气压缩机和空压机，原始流程完全依靠电能驱动，而集成流程中氮循环的压缩机利用高压天然气膨胀产生的机械功进行驱动，空气增压过程采用二级增压方式，其中一级空压机采用氮循环膨胀产生的机械功驱动，从而大大减小了空分流程的能耗。

在了解独立学院非英语专业本科学生个人基本情况的基础上，综合分析其入学英语听力能力测试结果和一年后的英语听力学习情况问卷调查结果，可以看出：多种因素在制约独立学院非英语专业学生听力能力的提高，大致可以分为客观因素和主观因素。

图3　天然气压力能利用与空气分离集成工艺 Fig.3　Air separation process using natural gas pressure energy

根据欧洲工业气体协会(EIGA)2010年公布的数据，采用最先进的常规空分流程生产的单位液氮的能耗为549 kWh/t。而在将压力能回收与空气分离集成的工艺中单位液氮的能耗为297.90 kWh/t。更加验证了集成流程具有明显的节能效益。

新工艺实现了天然气调压过程压力能的回收与空气分离工艺集成，将天然气压差制冷取代原有的氮循环制冷，充分利用了高压天然气调压过程蕴含的压力能，同时利用冷媒压缩产生的热能提高中间天然气膨胀机入口温度及进入下游天然气管网的温度，增加天然气膨胀过程产生的机械功，保证天然气进入下游天然气管网的温度，省去加热装置，减少能耗。

2　流程模拟与结果分析

为进一步说明集成工艺的优势，首先使用Aspend Hysys软件对新流程进行模拟分析，空气分离部分参考一组算例的运行参数，压力能回收部分利用西气东输某天然气分输站的运行数据[10]，具体如表1所示。原料空气初始状态为15 ℃、101.3 kPa，各组分的体积分数为氮气77.31%，氧气20.73%，氩0.92%，水1%，二氧化碳约0.04%。高压天然气中各组分的摩尔分数为甲烷97.56%，乙烷1.44%，丙烷0.2%，正丁烷0.02%，异丁烷0.07%，正戊烷0.01%，异戊烷0.02%，二氧化碳约0.64%。各物流的热力学性质选用Peng-Rohinson(PR)方程计算。当高压天然气初始状态为20 ℃、7.0 MPa，下游天然气管网压力要求为2.5 MPa时，集成空分流程中主要物流参数的模拟结果如表2所示。

表1　空分流程模拟主要设定参数

Table 1　Main parameters of the air separation process simulation

参数数值压缩机等熵效率/%80压缩机机械效率/%90透平膨胀机等熵效率/%85透平膨胀机膨胀效率/%90冷凝再沸器最小传热温差/℃2空气净化装置压力损失/kPa10换热器压力损失/kPa10换热器最小传热温差/℃2

表2　集成空分流程物流模拟结果

Table 2　Logistics simulation results for the new air separation process

物流温度/℃压力/kPa流量/(t·h-1)原料空气15101.312.87高压天然气入口(物流)207.0×10330.74天然气出口(物流)52.5×10330.74液氮产品(摩尔分数>99.9%)-183.83406.396液氧产品(摩尔分数99.8%)-180.81301.694污氮(摩尔分数89.46%)-1921304.83

常规氮循环制冷的空气分离流程如图2所示[8]。原料气经空压机压缩至0.6 MPa后进入分子筛纯化器除杂，在主换热器冷却后调压进入精馏塔下塔进行精馏。氮循环中，循环增压机出口处的氮气一部分经循环换热器冷却后进入透平膨胀机膨胀，另一部分氮气经增压机增压后再经过循环换热器冷却，在透平膨胀机进行膨胀。2次膨胀后的氮气经循环换热器升温回输至循环增压机入口。还有部分升压后的氮气经循环换热器冷却后，调压进入精馏塔下塔顶部为精馏塔提供冷量。

如果表2所示的液体产品全部采用原始空分流程来生产，利用Aspend Hysys软件对原始空分流程进行模拟，主要设定参数参照表1，构建集成流程的目标是低能耗的生产高纯的液氧液氮产品，为了便于分析流程的性能，在此引入单位液态产品的能耗N，即生产每吨液态产品的能耗，计算式为：

(1)

为了直观判断将压力能与空气分离相集成的能量利用程度，在此引入焖分析的方法对新旧空气分离工艺进行建模分析。焖分析是基于物料衡算和能量衡算，对装置或者过程计算各能流及物料的焖值，然后根据焖平衡的原理，计算出焖损失及其分布，从而分析出损失的原因，为有效能的利用优劣提供判据。从能量的角度，在相同工况下对新旧空气分离流程主要耗能单元与系统进行焖分析[10]。

基于集成工艺的基本原理，由原始流程改造得到的新流程如图3所示，其中空气分离系统与原流程基本相同，主要改造了制冷过程，原始流程的氮循环中，内循环为精馏提供冷量，外循环为内循环氮气提供冷量。新流程冷媒循环冷媒依然选用氮气，却取消了氮气外循环部分，而采用压力能回收系统为空气分离提供冷量及机械功。

表3　新旧流程模拟结果汇总

Table 3　Summary of new and old process simulation results

技术指标原始流程新流程循环氮气流量/(Nm3·d-1)210009234空气压缩机功耗/kW1592.81305循环氮气压缩机功耗/kW27600分子筛纯化器、水冷器能耗/kW600600总功耗/kW4952.81905氮循环最高压力/MPa4.62.6单位液态产品能耗/(kWh·t-1)663235.4

新流程的运行过程:在天然气压力能回收系统中，高压天然气(5～10 MPa)流经天然气净化装置净化处理后，采用二次膨胀-换热的方式回收其压力能，一次膨胀至2～4 MPa，同冷媒换热后进行二次膨胀至0.3～2 MPa(根据下游管网要求)，同冷媒再次换热后输送至下游天然气管网，膨胀产生的机械能用于冷媒压缩机的驱动；在冷媒循环系统，冷媒经压缩-换热-压缩-换热-膨胀后获得低温低压冷媒，通过主换热器为空气分离系统提供低温冷能，而膨胀过程产生的机械功用于一级空压机的驱动。经空气分离系统过滤后的空气经2次压缩至1.2～3 MPa，进入预冷装置预冷至10～20 ℃，通过分子筛纯化器处理后进入主换热器降温至-150～-170 ℃，经膨胀机膨胀至0.3 MPa左右从底部进入精馏塔进行精馏。从精馏塔塔顶分流一股低温废气，进入主换热器升温后，输送至预冷设备为空气遇冷提供冷量，经电加热器加热后作为分子筛吸附装置的再生气，剩余部分直接排入大气。

3　能量分析

式中：N总为系统总能耗，kW；mLN为单位时间液氮的产量，t/h；mLO为单位时间液氧的产量，t/h。

各物流焖的计算式为：

各系统的焖损失为：

ex=(h-h0)-T0(s-s0)

(2)

式中：ex为单位质量物流的焖，kWh/t；h、s分别为某状态该物流的焓和熵，单位分别为kWh/t、kWh/(t·K)；p0及T0为物流基准态压力和温度，单位分别为kPa、K。

1959年美国贝尔实验室发现二氧化钒(VO2)具备相变特性[1]，由于VO2属于一种强关联电子氧化物，在低温时呈现半导体态(绝缘态)，在高温时呈现金属态，在温度变化过程中能够实现金属-半导体相变，伴随该相变过程会有一些特殊且可逆的物理现象发生[2].VO2在太赫兹调制器[3-4]、节能智能窗[5-6]、电致光开关器件[7]、发射率可控的自适应红外隐身材料[8-9]、记忆功能材料[10]、航天热控领域的智能型辐射计[11]、非制冷型红外焦平面探测器[12-13]、以及抗红外干扰等[14]诸多领域均有应用.

Iint=Ex,in-Ex,ef

(3)

对于集成流程，供给焖Ex，in包括天然气的压力焖Ex，压力和空压机输入系统的功Ex，p1，收益焖Ex，ef为系统输出的液氮液氧产品的焖即Ex，O、Ex，N，即：

(1)K2O：1～3质量及分子9.8、99-9.1、97-6.8、72；4～6质量及分子9.7、103,6.6、70,9.197；7～8质量及分子11.2、119,8.2、87；

Ex，in=Ex，压力+Ex，p1;Ex，ef=Ex，N+Ex，O

(4)

对于原始流程，供给焖Ex，in包括空压机输入系统的功Ex，p1和循环氮气压缩机输入系统的功Ex，p2。收益焖Ex，ef为系统输出的液氮液氧产品的焖即Ex，O、Ex，N，即：

Ex，in=Ex，压力+Ex，p1;Ex，ef=Ex，N+Ex，O

(5)

系统的焖效率：

ηex=Ex，ef/Ex，in

(6)

由于本流程主要在于液氮产品的获得，在此处对比分析时，分析条件设定为液氮产品产量为6.317 t/h，利用焖分析方法对新旧流程的分析结果如表4、表5所示。从表4中可以看出，采用集成工艺所需的供给焖为2 123.8 kW，比原始流程的供给焖降低31.7%，其中有38.6%由高压天然气的压力能提供，大大减少了电能的损耗。由表5原始流程与集成流程对比得到集成流程的系统焖效率与原流程相比提高了16.9%，说明新流程的热力学完善程度较高，有效能得到了更好的利用。

表4　新旧空分流程物流模拟结果

Table 4　Logistics simulation results of new and old air separation process

类型投入焖■用/kW收益焖■用/kW设备原始流程集成流程空气压缩机11371305氮循环压缩机1971.40高压天然气压力焖■用0818.8液氮产品831.3831.3液氧产品242.5209.9

表5　新旧空分流程系统焖效率计算结果

Table 5　Energy efficiency calculation results of new and old air separation process

类型原始流程集成流程系统焖■用效率/%35.652.5

4　结论

在Douglas系统分割理论对集成工艺分析的基础上，构建出天然气压力能回收与氮气外循环膨胀制冷空气分离的集成工艺，集成工艺将天然气压差制冷取代原有的氮循环制冷，省去常规流程中的氮气外循环，氮气循环量明显减少，且利用冷媒压缩产生的热能提高天然气进入下游天然气管网的温度，省去加热装置，减少能耗。

她处于极度的绝望，坐在风雪中，仰望天空，雪在空中凝固了，风在空中凝固了，一切在这一刻都停止了呼吸，就连高高的烟囱上面飘散出来的浓烟和热气，这一刻也定格成一种僵硬的造型。

集成工艺有效的利用天然气压力能膨胀产生的冷量及机械功，系统能耗大幅减少，单位液态产品的能耗由663 kWh/t降至235.4 kWh/t，单位液氮能耗仅为297.90 kWh/t，远低于欧洲工业气体协会(EIGA)2010年公布的常规空分流程的数值。经过对新旧流程的焖分析，集成流程系统的焖效率提高至52.5%，有效能的利用得到了改善，进一步说明将天然气压力能利用与空气分离工艺结合可以达到节能的目的，具有广阔的应用前景。

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通过运用证伪思维对司法机关所搜集的被害人陈述进行审查,往往能够发现新的破案线索和证据,尤其是有利于发现真正的犯罪实施者。证据的收集与审查判断本身就是互为条件、相辅相成的。被害人陈述有时往往从表面上看是就事论事，但由于它是反映案件事实的直接证据，所以在对其个证与他证关系的审查判断中，通常能从对案件的详细叙述中获得新的破案线索或证据。