液化天然氣冷量在空氣分離裝置的應(yīng)用

臧志剛

摘要：本文介紹空氣分離裝置，對冷量的需求，詳細(xì)敘述液化天然氣（LNG）的發(fā)展前景，中國天然氣的發(fā)展及冷量分析，利用LNG冷量的空分裝置工藝流程設(shè)計簡述。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；空氣分離；精餾

1 前言

空氣分離裝置是一種高耗電的行業(yè)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品氧氣、氮氣、氬氣等在化工、鋼鐵、醫(yī)藥業(yè)、冶金、食品等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，針對日益緊張的電力能源，液化天然氣在民用和工業(yè)用氣的增加及空分市場的激烈競爭，降低生產(chǎn)產(chǎn)品的單耗就越來越重要。液化天然氣冷量的回收對空氣分離裝置來說，是一個新機遇，一個新課題。

2 空分分離裝置簡介

空氣分離裝置是以空氣為原料生產(chǎn)氧、氮、氬及其它稀有氣體的裝置。裝置是用人工制冷的方法使空氣液化，然后根據(jù)各組分沸點的不同，在精餾塔內(nèi)進(jìn)行精餾，以獲得氧、氮、氬及其它稀有氣體。

3 空分裝置對冷量的需求

3.1 空分裝置設(shè)備在啟動階段，冷量首先用來冷卻裝置，降低溫度，產(chǎn)生液態(tài)空氣，在塔內(nèi)積累起精餾所需的液體，待內(nèi)部溫度、液面等工況達(dá)到正常后，所需的冷量比啟動階段大為減少。

3.2 裝置生產(chǎn)部分液態(tài)產(chǎn)品輸出裝置時，低溫產(chǎn)品需帶出冷量。

3.3 設(shè)備處于低溫狀態(tài)，在保冷箱內(nèi)，充填有導(dǎo)熱性能差的保溫材料并有氮封保護(hù)，但外部必然有熱量不斷地傳入，需要消耗一定的冷量。

3．4 生產(chǎn)的氣態(tài)產(chǎn)品在出主換熱器的熱端時，不能復(fù)熱到正流空氣進(jìn)熱交換器的溫

度而引起熱交換不完全損失。

3.5 裝置存在的跑冷、泄漏。

4 獲得冷量的一般途徑

熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，要從低溫物體取走熱量，造成一個更低溫度的狀態(tài)，使它具有吸收并帶走熱量的能力，這種吸熱并帶走熱量是花費代價才能得到的。

4.1 節(jié)流效應(yīng)制冷量。進(jìn)入空分裝置壓力較高的空氣或液體，在裝置內(nèi)經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流膨脹后溫度會降低，氣體具有帶走熱量的能力。壓縮空氣在節(jié)流后所具有的制冷能力是由于壓縮和冷卻而產(chǎn)生的。

4.2 空氣在膨脹機中絕熱膨脹。壓力較高的氣體經(jīng)過膨脹機膨脹時，由于氣體推動葉輪旋轉(zhuǎn)，對外輸出功，因而氣體本身的能量減少，溫度顯著降低。膨脹機的制冷能力包括兩部分：一部分是在膨脹機中的焓降，即膨脹機的制冷量；另一部分是相當(dāng)于膨脹空氣經(jīng)膨脹機節(jié)流后所具有的節(jié)流制冷能力，即節(jié)流制冷量。

4.3 冷凍機提供的制冷量。采用分子篩凈化的空分設(shè)備，常常用冷凍機的低溫工質(zhì)來預(yù)冷空氣，以提高吸附凈化效果。這是由空分設(shè)備外部提供的制冷量，就是指冷凍水從空氣帶走的熱量，它可使所需的節(jié)流效應(yīng)和膨脹制冷量減少。

目前世界天然氣探明儲量已經(jīng)接近石油儲量。預(yù)計50年后天然氣將超過石油和煤炭，成為世界主要能源。LNG工業(yè)近幾年的迅速發(fā)展下，技術(shù)的成熟和貿(mào)易的發(fā)達(dá)已使LNG價格降至合理的水平。目前，日本、韓國、美國等均進(jìn)口大量LNG。因此，無論從多氣源保障能源安全還是從經(jīng)濟(jì)方面出發(fā)，同時考慮國產(chǎn)、進(jìn)口氣態(tài)天然氣（主要從俄羅斯）和進(jìn)口液化天然氣應(yīng)該是合理的。預(yù)計2010年LNG產(chǎn)量將達(dá)到2400*108立方米，為LNG冷能的回收利用奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 中國液化天然氣的發(fā)展

我國有豐富的天然氣資源，近幾年來在地質(zhì)綜合研究、勘探開發(fā)和合理 利用方面均有進(jìn)展。為了改變能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境狀況，發(fā)展西部經(jīng)濟(jì)（"西氣東輸"被列為西部大開發(fā)的頭號工程），中國政府十分重視天然氣的開發(fā)和利用。近十年來，中國的液化天然氣產(chǎn)業(yè)已起步，在某些環(huán)節(jié)上有較大的進(jìn)展。天然氣液化工廠有上海的LNG事故調(diào)峰站、河南中原天然氣液化工廠和新疆廣匯天然氣液化工廠。中國為了引進(jìn)國外液化天然氣，正在廣東、深圳和福建莆田建造液化天然氣接收終端。LNG運輸方面，儲罐的制造商生產(chǎn)的天然氣槽車已投入運行，還計劃開發(fā)制造運輸液化天然氣的集裝箱。中國第一艘液化天然氣船在上海開工建造，標(biāo)志著我國船舶制造工業(yè)實現(xiàn)了新的技術(shù)突破。在液化天然氣應(yīng)用方面，山東、江蘇、河南、浙江和廣東等省的一些城鎮(zhèn)建立了氣化站，向居民或工業(yè)提供燃?xì)?。為了適應(yīng)液化天然氣在中國的迅速發(fā)展，相應(yīng)的液化天然氣標(biāo)準(zhǔn)制定工作也已經(jīng)開展。隨著我國西部大開發(fā)，中國大工程之一的"西氣東輸"工程的實施，將有力地促進(jìn)天然氣的開發(fā)利用。國外（特別是日韓法等LNG輸入大國 ），已對LNG冷量的應(yīng)用展開了廣泛研究，并在低溫發(fā)電、冷凍食品及空氣液化等方面達(dá)到實用化程度，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益非常顯著。隨著國內(nèi)對LNG的進(jìn)口需求越來越大，LNG接收站正在大力建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)之中，如何對LNG所蘊含的大量優(yōu)質(zhì)冷能進(jìn)行充分利用也成為最近幾年來的熱點研究問題。國內(nèi)許多研究人員對如何合理利用LNG冷量展開了一些有益的討論，范圍包括用于發(fā)電、空氣分離、低溫粉碎等。

6 LNG冷量回收利用技術(shù)

LNG是天然氣的一種獨特的儲存和運輸形式，它有利于天然氣的遠(yuǎn)距離運輸，有利于邊遠(yuǎn)天然氣的回收，降低天然氣的儲存成本，有利于天然氣應(yīng)用中的調(diào)峰。同時，由于天然氣在液化前進(jìn)行了凈化處理，所以它比管道運輸?shù)奶烊粴飧鼮闈崈?。生產(chǎn)LNG的動力及公用設(shè)施耗電量約為850KWH/H。而在LNG接收站，一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用，氣化時放出大量的冷量，其值大約為837KJ/KG（包括LNG的氣化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲存溫度復(fù)熱到環(huán)境溫度的顯熱）。這部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空 氣被舍棄，造成能源的極大浪費。通過特定工藝技術(shù)利用LNG冷量，可以達(dá)到節(jié)省能源，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

7 LNG冷量回收在空氣分離中的應(yīng)用

通常的低溫環(huán)境都是由電力驅(qū)動的機器制冷產(chǎn)生的，由制冷原理可知，隨著溫度的降低，其消耗的電能將急劇增加。在一定的低溫蒸發(fā)范圍內(nèi)，蒸發(fā)溫度降低1K，能耗要增加10%。利用回收的LNG冷能和兩級壓縮式制冷機冷卻空氣制取液氮、液氧、液氬，電能消耗也可減少50%（原來生產(chǎn)1立方米的液氧電耗為1.2KWH，采用LNG冷量回收的方法可使電耗減少0.5KWH），水耗減少30%，這樣就會大大降低液氧、液氮、液氬的生產(chǎn)成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

利用LNG冷能的空分流程有三個主要特點：一是在離LNG最接近的溫度位對其冷能加以利用，有用能利用率高；二是可以在較低的能耗指標(biāo)下得到大量的液態(tài)產(chǎn)品；三是可以縮短空分流程的起動時間，因為傳統(tǒng)流程靠透平膨脹機產(chǎn)冷，冷量需要逐漸積累，而LNG則可以瞬間釋放出大量高品位的冷能。

8 利用LNG冷量的空分裝置工藝流程設(shè)計簡述

空氣經(jīng)過濾器除去灰塵和雜質(zhì)后進(jìn)入壓縮機壓縮至5.8bar，經(jīng)氮水預(yù)冷系統(tǒng)后，進(jìn)入分子篩純化器除去其中的水分、二氧化碳和其它碳?xì)浠衔?，干燥而潔凈的空氣進(jìn)入換熱器中與污氮和循環(huán)氮氣換熱并將至飽和溫度后進(jìn)入下塔底部。在下塔頂部抽出一股循環(huán)氮氣，在主換熱器中復(fù)熱后，經(jīng)過循環(huán)氮氣壓縮機加壓和冷凍機組冷卻，達(dá)到300K，23bar。然后在LNG換熱器中與LNG換熱，利用LNG的冷量使循環(huán)氮氣溫度降到118K，節(jié)流后返回下塔，液氧產(chǎn)品從冷凝蒸發(fā)器引出，液氮產(chǎn)品從下塔液氮槽抽出節(jié)流進(jìn)入上塔頂部后進(jìn)出。

9 結(jié)論。本文提出了空分裝置中利用LNG冷量，以替代常規(guī)空分裝置中膨脹空氣的冷量來生產(chǎn)產(chǎn)品氮氣和氧氣的方案。與普通的空氣分離裝置相比，可節(jié)省電力50%以上，節(jié)約冷卻水約70%。日本等許多LNG的進(jìn)口大國，在LNG冷熱能利用方面的研究投入很大，而且已經(jīng)有了許多成熟的工藝流程投產(chǎn)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題受到越來越多的重視，天然氣已經(jīng)悄然地攀升到世界三大主要能源之一，在不久的將來勢必會取代煤炭和石油成為全球消耗第一的能源，LNG比天然氣更便于儲運。隨著LNG利用的日益廣泛，LNG中所蘊藏的冷熱能也越來越引起人們的重視，在我國隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平和人們環(huán)保意識的不斷提高，我們的能源消費結(jié)構(gòu)正在逐漸改變，對天然氣等清潔能源的需求將持續(xù)增長，對LNG冷熱能的開發(fā)利用已被提到議事日程上來。大量LNG潛在冷量資源非?？捎^。有效地利用LNG冷量，可以收到很好的 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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