Утилизация холода сжиженного природного газа в установках разделения воздуха, получающих газообразные криопродукты

Возможности использования холода регазифицируемого СПГ в ВРУ, получающих газообразные криопродукты, более ограничены по сравнению с установками, предназначенными для производства жидких О₂, N₂ и Ar. В жидкостных ВРУ основными холодопотерями криогенного блока являются потери холода с отводимыми жидкими криопродуктами. В общем балансе холода ВРУ такие холодопотери значительно превосходят все остальные виды холодопотерь. В связи с этим использование для их компенсации внешнего источника охлаждения в виде регазифицируемого СПГ, который имеет температуру кипения, близкую к температуре конденсации воздуха и продуктов его разделения, позволяет существенно повысить эффективность ВРУ.

В установках, получающих газообразные продукты, потери холода в криогенном блоке в основном складываются из холодопотерь от недорекуперации с продуктами разделения воздуха и холодопотерь через изоляционное ограждение криогенного блока. Эти холодопотери, особенно в крупных ВРУ, относительно невелики и их компенсация может быть осуществлена за счет холодопроизводительности используемого в ВРУ криогенного цикла. В установках такого типа обычно применяется криогенный цикл низкого давления с турбодетандером, в котором расширяется либо часть перерабатываемого воздуха, либо часть азота, отбираемого из нижней колонны. Использование в них холода СПГ позволяет отказаться от применения в схеме турбодетандера и обеспечить лучшие условия работы узла ректификации.

Давление воздуха, поступающего в ВРУ низкого давления, обычно определено требованиями процесса осушки и очистки его от СО₂ и условиями ректификации. В связи с этим включение в схему установки внешнего источника охлаждения в большинстве случаев не позволяет значительно уменьшить давление перерабатываемого воздуха и добиться за счет этого существенного снижения энергетических затрат.

Из предлагаемых в настоящее время направлений возможного использования холода СПГ в установках низкого давления, получающих газообразные криопродукты, можно выделить два основных.

Первое направление связано с уменьшением затрат энергии в ВРУ на сжатие перерабатываемого воздуха при конечном давлении сжатия Р = 0,55–0,65 МПа. Одно из таких решений предложено в работе [61] и показано на рис. 2.5.1.

Рис. 2.5.1. Схема использования холода СПГ в системе предварительного охлаждения и осушки ВРУ низкого давления, получающей газообразные криопродукты:

I – воздух; II – отбросной азот из регенераторов; III – отбросной азот в регенераторы; IV – воздух в кислородные регенераторы; V – СПГ; VI – воздух в азотные регенераторы; VII – ПГ; VIII – внешний источник тепла;

1 – турбодетандер; 2, 3, 4, 5, 8 – теплообменники; 6 – турбокомпрессор;
7 – регенераторы

Перерабатываемый воздух поступает в теплообменник 3, где охлаждается приблизительно до 273 К подогретым ПГ. Сконденси-ровавшаяся влага затем отводится во влагоотделителе (на рис. 2.5.1 не показан). Далее поток воздуха делится на две части. Большая, примерно 70 %, направляется в попеременно работающие вымораживатели 4, а меньшая – в азотные регенераторы 7, где охлаждается до 193–213 К и освобождается от Н₂О. После теплообменных аппаратов 4 и 7 оба потока воздуха смешиваются и поступают на доохлаждение в теплообменник 5. Выходящий из теплообменника 5 воздух при Т = 153–173 К поступает в турбокомпрессор 6, где сжимается до Р = 0,55–0,6 МПа, и его температура повышается до температуры окружающей среды.

Затем поток воздуха снова делится на две части, меньшая из которых поступает в кислородные регенераторы криогенного блока, а большая – на охлаждение в теплообменник 8. В этом теплообменнике в качестве хладоносителя используется СПГ, который отнимает от воздуха теплоту, равную той, которая отнималась от него в системе АВО (азото-водяного охлаждения) и в регенераторах 7. Часть потока СПГ поступает в теплообменник 5. Выходящие из теплообменников 5 и 8 потоки ПГ окончательно подогреваются в аппаратах 4 и 3.

В теплообменнике 2 производится дополнительный подогрев ПГ от внешнего источника перед расширением ПГ в турбодетандере 1. Применение в вышерассмотренной схеме процесса низкотемпературного сжатия воздуха приводит к снижению энергозатрат на получаемые криопродукты.

В значительной степени аналогичное решение предлагается в работе [62]. Перерабатываемый воздух при Р = 0,2 МПа проходит систему адсорбционной осушки и очистки от СО₂ и затем охлаждается обратными потоками в теплообменнике криогенного блока до 123 К.

При этой температуре воздух поступает на сжатие в низкотемпературный компрессор, где его давление повышается до 0,6 МПа. Понижение температуры сжатого воздуха до 123 К производится в теплообменнике СПГ, а затем он снова направляется в криогенный блок, где охлаждается газообразными О₂ и N₂ до Т = 103 К и подается на разделение в колонну двукратной ректификации.

Одним из вариантов такого решения является схема ВРУ, предложенная в работе [63] и показанная на рис. 2.5.2.

Рис. 2.5.2. Схема ВРУ низкого давления для получения газообразных О₂ и N₂
c использованием холода регазифицируемого СПГ:
I – воздух; II – газообразный О₂; III – отбросной N₂; IV – чистый N₂;
V – СПГ; VI – ПГ;
1, 7 – компрессоры; 2 – адсорберы; 3, 6, 8 – теплообменники; 4 – ректификационная колонна; 5 – конденсатор-испаритель

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 до Р = 0,2 МПа, осушается и очищается от СО₂ в двух попеременно работающих адсорберах 2 и после охлаждения в теплообменнике 3 до состояния, близкого к насыщению, подается в среднюю часть колонны однократной ректификации 4. Продукты разделения воздуха – газообразный кислород, «грязный» и чистый азот – отводятся из колонны и подогреваются до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в теплообменнике 3. Часть чистого азота, отводимого из колонны 4, поступает во флегмообразующий контур установки. Этот контур включает в себя теплообменники 6 и 8, низкотемпературный азотный компрессор 7 и конденсатор-испаритель 5. Циркуляционный N₂, отводимый из верха колонны 4, подогревается в теплообменнике 6 до 108 К и сжимается в компрессоре 7 до Р = 0,6 МПа. Теплота сжатия от азота отводится в теплообменнике 8, охлаждаемом СПГ, далее в теплообменнике 6 и конденсаторе-испарителе 5 происходят дополнительное охлаждение и конденсация N₂, а затем – дросселирование на верхнюю тарелку ректификационной колонны.

Аналогичный принцип в построении флегмообразующего контура ВРУ, использующей холод СПГ, заложен и в схемы, приведенные в работах [64, 65]. На рис. 2.5.3 приведена принципиальная схема ВРУ, предназначенной для получения газообразных О₂ и N₂.

Рис. 2.5.3. Установка для получения газообразных О₂ и N₂ с использованием
холода СПГ:
I – воздух; II – газообразный О₂; III – газообразный N₂; IV – СПГ из емкости;
V – ПГ потребителю;
1, 10 – турбокомпрессоры; 2, 3, 9, 11 – теплообменники; 4 – турбодетандер;
5 – переохладитель; 6 – нижняя колонна; 7 – верхняя колонна; 8 – конденсатор-испаритель

Схему этой установки, предложенной в работе [64], отличает то, что без узла использования СПГ она тождественна схеме ВРУ низкого давления с турбодетандером на потоке газообразного азота, отбираемого из нижней колонны.

Перерабатываемый воздух поступает в турбокомпрессор 1, где сжимается до давления 0,38 МПа. После охлаждения в каналах пластинчато-ребристых теплообменников 2 и 3 поток воздуха при температуре около 94 К подается в нижнюю ректификационную колонну. В теплообменниках 2 и 3 одновременно с охлаждением воздуха производится удаление из него примесей Н₂О и СО₂, которые вымерзают в каналах пластинчато-ребристых теплообменников. В колонне 6 осуществляется предварительное разделение воздуха на обогащенную кислородом кубовую жидкость и газообразный азот.

Из колонны 6 газообразный азот поступает в теплообменник 9, где подогревается при температуре от 88 до 126 К. После теплообменника 9 азот направляется в низкотемпературный дожимающий турбокомпрессор 10, где его давление повышается с 0,35 до 0,58 МПа. Понижение температуры азота после турбокомпрессора 10 производится за счет охлаждения потока азота в теплообменнике 11 испаряющимся СПГ и в теплообменнике 9 азотом. Азот, выходящий из теплообменника 9, распределяется на два потока. Один поток поступает в конденсатор-испаритель 8, где конденсируется за счет кипения в трубном пространстве жидкого кислорода, подаваемого из верхней колонны 7. Часть паров О₂ из конденсатора-испарителя поступает в нижнее сечение верхней колонны 7, а другая часть, являющаяся продукционным О₂, последовательно подогревается в теплообменниках 3 и 2.

Другой поток газообразного азота под давлением 0,58 МПа подогревается в одной из секций теплообменника 3 и затем расширяется до давления, близкого к атмосферному, в турбодетандере 4. Поток азота, расширенный в детандере, затем соединяется с потоком N₂, выходящим из колонны 7 и подогретым в переохладителе 5. После смешения этих потоков азота суммарный поток N₂ последовательно подогревается в теплообменниках 3 и 2.

Жидкий N₂, отводимый из конденсатора-испарителя, переохлаждается в переохладителе 5 и дросселируется на верхнюю тарелку ректификационной колонны 6. Часть этого азота используется для обеспечения флегмой верхней ректификационной колонны 7, которая работает при Р = 0,135 МПа.

Использование в данной схеме ВРУ холода СПГ позволяет проводить процесс предварительного разделения воздуха в колонне 6 при более низком давлении, чем в обычной ВРУ низкого давления, предназначенной для получения газообразных О₂ и N₂. В этом случае до давления 0,58 МПа, при котором обычно работает нижняя ректификационная колонна, сжимается лишь часть перерабатываемого потока, приходящаяся на долю N₂, отводимого из верхней части колонны 6. При этом затраты энергии на его сжатие относительно невелики, так как процесс сжатия производится в низкотемпературном турбокомпрессоре 10.

Как уже отмечалось выше, при отключении аппаратов 9 и 11 и турбокомпрессора 10, повышении давления за компрессором 1 до 0,6 МПа и подаче части потока N₂ из колонны 6 в конденсатор-испаритель 8, а части – на турбодетандер 4, данная схема ВРУ становится подобной схеме ВРУ низкого давления, в которой нижняя колонна работает при Р = 0,6 МПа, а необходимая холодопроизводительность обеспечивается за счет расширения в турбодетандере части газообразного N₂, отводимого из нижней колонны.

В работе [66] в дополнение к использованию холода СПГ во флегмообразующем контуре предлагается частично использовать СПГ для охлаждения переключающихся пластинчато-ребристых теплообменников, служащих для охлаждения перерабатываемого воздуха. Это достигается путем введения в верхней части теплообменников дополнительных секций, в которые направляется часть потока отбросного азота после охлаждения в теплообменнике СПГ. Такая система охлаждения позволяет уменьшить время пуска установки и может быть отключена по выходе установки на рабочий режим.

В связи с возрастающим объемом производства и потребления СПГ странами, импортирующими СПГ, и широким использованием его в установках регулирования «пиковых» нагрузок, становится весьма актуальной задача использования холода регазифицируемого СПГ.

Анализ научно-технической и патентной литературы в области использования холода регазифицируемого СПГ показал, что одним из наиболее эффективных потребителей холода СПГ может стать воздухоразделительная техника.

В технике разделения воздуха утилизация холода регазифицируемого СПГ возможна как в установках ожижения газообразных криопродуктов, получаемых на обычных ВРУ, так и в ВРУ, включающих систему регазификации СПГ. В этих случаях осуществляется наиболее полное использование холода регазифицируемого СПГ и существенно снижаются энергозатраты на получение криопродуктов.

Опыт эксплуатации ВРУ, утилизирующих холод СПГ, подтверждает их высокую экономическую эффективность. Сопоставление установок такого типа с обычной ВРУ при одинаковой производительности по жидким криопродуктам показывает, что для установки, использующей холод СПГ, удельные затраты электроэнергии составляют лишь 40 % от удельных энергозатрат обычной ВРУ при одновременном снижении стоимости оборудования.