利用液化天然气冷能的空气分离技术

关键词：空气分离；液化天然气；冷能利用

Air Separation Technology Utilizing LNG Cold Energy

ZHANG Zhong-xiu，  ZHOU Wei-guo

(College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092 China)

Abstract：With the rapid development of LNG project construction in China，the actual significance of efficient utilization of LNG cold energy gets more and more important. The characteristics of air separation equipment utilizing LNG cold energy and its energy-saving effect are analyzed. The typical air separation flow utilizing LNG cold energy is introduced. The present status of development and application of air separation technology utilizing LNG cold energy is presented. Some problems existing in the practical popularization and application are pointed out， and the corresponding suggestions are put forward.

Key words：air separation；LNG；cold energy utilization

1 概述

    近几年来，在世界液化天然气(LNG)贸易飞速发展的背景下，我国LNG项目的建设也进入了一个快速增长期，包括已建成投产的广东大鹏LNG终端接收站、正在建设中的福建莆田LNG终端接收站和正在扩建中的上海LNG事故调峰站，以及沿海的多个城市燃气或燃气电厂用LNG卫星站等，将有大量的LNG需进行气化。

    LNG通常是常压下温度为111 K的低温液体，气化过程中放出大量冷能，约为833 kJ/kg，若年利用500×10⁴ t的LNG，约含冷能4.15×10¹² kJ，相当于11.5×10⁸ kW·h的电能^[1]。通常这部分冷能通过天然气气化器被空气或海水吸收，其中包含的冷量火用未能得到利用，造成了能量的巨大浪费。因此，回收这部分高品质冷能具有重要的现实意义。

    利用LNG气化时的冷能对空气进行分离，生产液态空气产品，系统工艺温度低，对LNG冷能的整体利用率高，节能效果显著。在国际上此类研究已有逾30年的历史，并已有多个项目建成运营。在我国，由于LNG项目刚刚开始大规模发展，其冷能利用的工作也正在起步阶段，目前此类成果和专利较少，还没有投入商业运行的实际项目。

2 空气分离装置利用LNG冷能的特点

    在LNG气化过程中，各种应用场所下所能回收到的总冷量一定，但不同的回收温度下所得到的有用功却不同，即对LNG中所含的冷量火用的利用效率不同。由制冷原理可知，要求的工艺温度越低，常规制冷方式所消耗的能量越多，在到达一定的低温区时，蒸发温度每降低1 K，能耗要增加10％，此时利用LNG冷能的节能效果也就越明显，冷量火用的利用率也高。因此应在尽可能低的温度下利用冷能。冷能利用场所的温度较高时，传热过程中未能加以利用的大量冷量火用白白损失。

    LNG冷能用于空气分离装置时，由于工艺温度(90～100 K)比LNG温度(111 K)还要低，与用于冷藏冷冻(253 K)、低温发电(233 K)、制取干冰(193 K)、低温粉碎(133 K)等场合相比，LNG的冷量火甩得到最大程度的利用，是目前技术上最为合理的方式^[2]。这种冷能利用方式不但大大降低了生产液态空气产品的能耗，而且降低了LNG气化的成本，具有一定的经济性，因此可以考虑在LNG气化中采用。

3 典型的利用LNG冷能的空气分离流程

    空气分离装置利用LNG冷能有多种流程，可根据工程的实际情况选用。目前国外同类项目中的典型流程见图1。

    原料空气经过空气过滤器除掉灰尘后，进入空气压缩机。压缩后压力为0.6 MPa的空气进入空气预冷器中被冷却至283 K。随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵。在低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却至约100 K后，依次进入高压分馏塔、低压分馏塔与其中的低温液态氮气进行换热，气态空气各组分依次液化。所得的液氧产品进入液氧储罐中储存，液氮产品进入液氮储罐中储存。含氩液态气体使用氢罐加氢催化脱氧后，依次通过氩净化器和氩提纯塔进行净化和提纯，所得液氩产品送入液氩储罐中储存。

    高压分馏塔流出的100～110 K的循环气态氮气经过低温换热器与原料空气换热后温度升至270 K左右，再进入主换热器与LNG换热，温度降为120 K左右，然后在循环氮压缩机中被压缩，所得195 K、2.6 MPa左右的高压气态氮气再次进入主换热器冷凝，温度降为120 K左右，通过氮节流阀节流降温降压至91 K、0.4 MPa左右后，进入高压分馏塔的液氮入口，与空气换热，气化后继续循环。低压分馏塔顶部流出的100 K左右的低纯度氮气，经过低温换热器进行冷能回收后，一部分在需要时通过电加热器加热后用于空气净化器中分子筛的再生，其余部分放空。

    110 K的LNG经主换热器气化后，升温至250 K左右，热量不足部分由天然气加热器进行补充调节，或由系统中的空气预冷器等其他冷能回收装置补充调节。

    系统中氮气内循环系统的作用主要有两方面：一方面在比LNG温度更低的工况下提供了冷量，以满足高压下产品的沸点等工艺要求；另一方面将LNG与液氧系统分离开，避免了工质泄漏可能引起的危险，提高了系统的安全性。
    文献[1]中设计的利用LNG冷能的空气分离流程，空气预冷器的冷源由系统末端的低温天然气提供，LNG与氮气的热交换器由两部分分级构成，并使用了多级低温氮压缩机，设置了低温过冷器，节能效果较好，计算耗电量(即以获取单位体积氧气产品所消耗的电量作为计算空气分离系统的耗电量，下文同此)为0.413～0.560 kW·h/m³。文献[3]中设计的利用LNG冷能的空气分离流程，空气预冷器的冷源由低纯度废弃氮气提供，液氧直接在低温换热器中获得，其计算耗电量为0.581 kW·h/m³。

4 利用LNG冷能空气分离的应用现状

    1971年，世界上首台利用LNG冷能的空气分离装置在日本东京液氧公司投入运行。空气分离作为LNG冷能利用中的最常用技术之一，应用越来越广泛，日本、韩国、法国、澳大利亚等国家已有多处此类项目投入运营。表1列出了其中一些利用LNG冷能的空气分离装置^[4-6]。

表1 利用LNG冷能的空气分离装置

Tab.1 Air separation equipment utilizing LNG cold energy

    利用LNG冷能的空气分离装置耗电量约0.4～0.6 kW·h/m³，与常规的空气分离装置的耗电量1.2 kW·h/m³相比，电力消耗节约50％以上^[7]。

    我国第一个利用LNG冷能的空气分离项目是福建莆田利用LNG冷能空气分离项目，计划LNG日使用量1200 t/d，日产液氧250 t/d、液氮340 t/d和液氩10 t/d，将于2007年底建成。广东大鹏、宁波LNG项目利用冷能的空气分离项目计划将于2010年底建成。

5 存在的问题与建议

    ① LNG冷能供应的稳定性

    LNG最终主要用于城市燃气和发电，其气化量随实际需求量的变化而不断变化。如城市燃气存在季节和日峰谷差，燃气电厂根据电力调峰需求而调度运行。同时，由于LNG储罐中存在BOG(Boil Off Gas，蒸发气体)，对其进行再液化也需要消耗一部分LNG冷能，特别是夏天这种需求量更大。由于冷能供应不稳定对冷能利用设备负荷的限制，影响了设备的连续稳定运行和利用率，大大降低了系统的经济性。国外建设较早的一些利用LNG冷能的空气分离设备就曾出现过因夏季可利用LNG冷能低于设计值的50％而停运的情况，使立项时的预期收益大打折扣^[5]。因此对于具体工程，应做好相应的天然气供应需求预测、LNG实际可利用冷能计算等工作。

    ② 液态空气产品的市场需求

    液氮是应用范围最广的低温工质之一，主要用于低温粉碎、食品冷冻、低温运输、生物保存、医疗手术及工业速冻等。液氧主要用于航空燃料、液氧炸药，制取臭氧用于污水处理和造纸漂白等。目前的液氧和液氩直接应用不多，液化的主要作用是便于储运，终端使用时仍多为气态。由于在终端市场需求方面，空气产品以气态为主，液态产品所占的市场份额较少，甚至在一些地区出现供大于求的情况，因此液态空气产品的生产要考虑到市场的需求、容量和定价问题，这也是实际工程中保证项目经济性的重要因素。

    ③ LNG冷能的综合利用率

    由于利用LNG冷能的空气分离工艺温度低，因此系统末端排放的各种物质流中均具有一定的剩余冷能，应注意对其进行回收利用。如排出的低纯废氮、液氩提纯废气等温度都较低，主换热器出口的天然气温度也在-20℃左右，可通过增加换热器等对其中的冷能进一步回收利用，优化系统工艺流程，提高LNG冷能的综合利用率。

参考文献：

[1] 陈则韶，程文龙，胡芃.一种利用LNG冷能的空气分离装置新流程[J].工程热物理学报，2004，25(6)：913-916.

[2] 陈国邦.新型低温技术[M].上海：上海交通大学出版社，2003.

[3] 金滔，胡建军.一种利用LNG冷能的空分流程[J].空气分离，2005，9(5)：15-20.

[4] 林文胜，顾安忠，鲁雪生，等.空分装置利用LNG冷量的热力学分析[J].深冷技术，2003，43(3)：26-30.

[5] Kim H，Hong S. Review on economical efficiency of LNG cold energy use in South Korea[A]. 23rd World Gas Conference[C]. Copenhagen：International Gas Union，2006.2402-2411.

[6] Tajima M. LNG cryogenic technology[J]. Journal of the Japan Institute of Energy，2001，80(8)：707-712.

[7] Nakaiwa M，Akiya T，Owa M，et a1.Evaluation of an energy supply system with air separation[J]. Energy Conversion and Management，1996，37(3)：295-301.

(本文作者：张中秀 周伟国 同济大学机械工程学院 上海200092)