【摘要】：LNG是一種清潔、高效的能源,其在使用過程中需要釋放大量冷能。目前,我國已成為全球第二大LNG進口國,合理與高效的利用進口LNG所釋放冷能會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。為實現(xiàn)LNG冷能的高效利用,并解決現(xiàn)有LNG冷能在空氣分離系統(tǒng)研究中存在的問題,本文分別開展LNG冷能在雙級精餾塔型和熱泵精餾塔型空氣分離系統(tǒng)中的研究,并對其中的超臨界流體換熱、精餾塔內部能量分配規(guī)律以及冷能系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化進行詳細論述。上述研究對于LNG冷能的高效利用以及低溫空氣分離系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的理論意義和工程應用價值。主要研究內容與結論如下:(1)針對LNG冷能在空分系統(tǒng)中運用存在的超臨界換熱問題,采用可變有限體積法對超臨界氮氣與甲烷換熱進行研究,結果表明夾點會出現(xiàn)于換熱過程中段,并受冷端溫差與氮氣壓力影響。當?shù)獨獬鰮Q熱器狀態(tài)靠近臨界區(qū)域時,熱冷流體質量比隨冷端溫差的增加而增加,熱端出口溫差和換熱(?)損失隨冷端溫差的增加而快速降低;當?shù)獨獬隹跔顟B(tài)遠離臨界區(qū)域時,熱冷流體質量比和換熱(?)損失均隨冷端溫差的增加而線性增加。(2)由于超臨界流體換熱時夾點的存在,LNG冷能在雙級精餾塔型空氣分離系統(tǒng)中不能完全被利用。LNG冷能換熱器中的冷端溫差、氮氣壓力以及氮壓機級數(shù)的選擇都會影響系統(tǒng)的單位液體能耗、單位液體折合能耗以及冷能利用率。將未完全利用的冷能用于冷卻原料空氣,空氣分離系統(tǒng)的的單位液體能耗有5～12%的降低,單位液體折合能耗保持不變,LNG冷能利用溫度范圍變寬,冷能利用量增加。(3)通過對MESH方程改型,推導出三種適用于空分系統(tǒng)的精餾塔模型之間的進料條件與產(chǎn)品量約束關系。結果表明熱泵精餾塔對壓縮耗功需求較少,對外部冷能需求較多;熱集成精餾塔的產(chǎn)品純度與產(chǎn)量與塔板熱負荷分布相關,其在高純產(chǎn)品的制取中無法達到雙級精餾塔分離能力�；谏鲜鼋Y果,將LNG冷能用于熱泵精餾塔型空氣分離系統(tǒng),系統(tǒng)分離能耗能夠得到降低。優(yōu)化結果表明制取氣體氧產(chǎn)品時最優(yōu)操作壓力是0.4 MPa,電力能耗為0.147 kWh/kg;制取液體氧產(chǎn)品的最優(yōu)操作壓力是0.38 MPa,電力能耗是0.246 kWh/kg。(4)采用數(shù)值模擬法對超臨界氮氣與甲烷在水平圓管內的換熱特性進行研究。結果表明,在靠近準臨界點區(qū)域,超臨界氮氣或甲烷劇烈物性變化會產(chǎn)生浮升力,引起換熱強化,其對應體溫度與壁面溫度溫差值也隨之減小;在遠離準臨界點區(qū)域,各壓力下的氮氣或甲烷換熱系數(shù)基本一致,其換熱系數(shù)與體溫度與壁面溫度溫差值只與流動形式有關。采用已有半經(jīng)驗換熱準則關聯(lián)式對微元段內超臨界氮氣與甲烷的換熱特性研究,表明Jackson換熱準則關聯(lián)式對處在未過準臨界點處的超臨界氮氣換熱系數(shù)預測較準,而Gnielinski換熱準則關聯(lián)式對超臨界甲烷以及過準臨界點區(qū)域的超臨界氮氣換熱系數(shù)預測較為準確。
【圖文】：

圖１．１邋ＬＮＧ的供應與使用鏈示意圖［２］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋ＬＮＧ邋ｓｕｐｐｌｙ邋ｃｈａｉｎ［２］逡逑ＬＮＧ的生產(chǎn)與應用流程如圖１．１所示［２］。在原產(chǎn)地，天然氣需要消耗電能（約為逡逑８５０ｋＷｈ／ｔ）轉為ＬＮＧ；在供應地，ＬＮＧ需要吸熱轉變?yōu)槌靥烊粴猓ǎ危牵┎拍苁褂�，逡逑吸熱熱源一般為環(huán)境，所釋放的高品味冷能大約為８３０？８５０邋ｋＪ／ｋｇ。逡逑自２０１７年開始，我國政府提出打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”，加大力度落實環(huán)保政策以及逡逑“煤改氣”工作，天然氣作為相對高效的清潔能源，受到政府和市場廣泛青睞。根據(jù)逡逑海關總署消息，我國在２０１８年ＬＮＧ進口量達到５３８８萬噸，牢牢占據(jù)世界第二大ＬＮＧ逡逑進口國，近五年年進口量增長率大于４０％，一直保持世界第一。根據(jù)ＩＧＵ邋（國際天然逡逑氣產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟）報告［３］（圖１．２），進口量的不斷增加帶來的是ＬＮＧ接收能力嚴重不足，逡逑我國現(xiàn)有大型ＬＮＧ接收站１９座

內循環(huán)系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的壓力得到很大程度的降低，減少系統(tǒng)能耗；由于主換熱器逡逑的熱負荷下降，利用一部分污氮與冷卻水進行換熱，繼續(xù)降低系統(tǒng)能耗，具體流程如逡逑圖１．５。為更進一步降低制氧耗能，Ｘｕ等人［２８］采用高效換熱網(wǎng)絡以及規(guī)整填料技術，逡逑將生產(chǎn)單位產(chǎn)品能耗進一步降低到０．３１３邋ｋＷｈ／ｋｇ，且系統(tǒng)uQ效率提升４２．５％。鄭捷宇等逡逑［２９］人同樣對ＬＮＧ冷能在空分系統(tǒng)中換熱網(wǎng)絡匹配進行研究，并考慮到ＬＮＧ換熱處于逡逑超臨界換熱狀態(tài)，提出四種利用方式，雖然流程形式與上述文獻流程相似，但通過布逡逑置ＬＮＧ與氮氣換熱形式以及參數(shù)優(yōu)化，對應系統(tǒng)最低液體產(chǎn)品能耗可達０．１７６邋ｋＷｈ／ｋｇ。逡逑鄭小平等人［３（）］通過研究ＬＮＧ冷量煙，，根據(jù)ＬＮＧ不同溫度段冷量情況，先讓ＬＮＧ與逡逑下塔高壓氮氣進行換熱，然后從中部抽出一部分ＬＮＧ與乙二醇水溶液換熱，用于原料逡逑空氣的預冷，提高ＬＮＧ冷能利用率。Ｍｏｒｏｓｕｋ等人［３１］則是通過分流器將ＬＮＧ分別冷逡逑卻原料空氣與下塔高壓氮氣
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TE96

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本文編號：2662002