LNG冷能空分技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

江　蓉，黃震宇

[四川空分設(shè)備(集團)有限責(zé)任公司，四川 簡陽 641400]

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·綜述評論·

LNG冷能空分技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

江蓉，黃震宇

[四川空分設(shè)備(集團)有限責(zé)任公司，四川 簡陽 641400]

隨著我國LNG接收站的建設(shè)，高效利用LNG冷能具有十分重要的意義。介紹了采用自主專利技術(shù)的LNG冷能空分裝置的原理、流程特點、關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了LNG冷能空分裝置的工業(yè)化應(yīng)用實例。分析了LNG冷能空分的工業(yè)化應(yīng)用中存在的一些問題，提出了相應(yīng)的建議。

LNG；冷能利用；空分；工業(yè)化應(yīng)用

LNG(液化天然氣)是天然氣經(jīng)過凈化、液化而成的低溫液體(約-162℃)，是一種高效清潔能源。隨著中國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，我國對LNG的需求量也持續(xù)增加。由于我國“缺油、少氣、富煤”的基本國情，LNG大部分依賴進口。2012年，我國進口LNG為1468萬t，預(yù)計到2020年以后，我國年進口LNG將達到6000萬～1億t。

在LNG接收站，為滿足天然氣管網(wǎng)輸送要求，LNG需要經(jīng)過高壓泵加壓并氣化為常溫氣體后再送入天然氣管網(wǎng)。在氣化過程中LNG要釋放大量冷能，據(jù)估算，理論上其釋放的冷量約為830 kJ/kg。傳統(tǒng)的LNG接收站采用海水開架式氣化器(ORV)或浸沒燃燒式氣化器(SCV)來氣化LNG，不僅浪費了寶貴的低溫冷能，還對附近海域產(chǎn)生熱污染。因此，必須合理有效地利用LNG的冷能。

LNG冷能利用的方式可以分為直接利用和間接利用。直接利用包括：空氣分離、低溫發(fā)電、冷凍倉庫、制造液態(tài)CO2及干冰、海水淡化、汽車冷藏及空調(diào)、輕烴分離、空調(diào)制冷、蓄冷、建造人工滑雪場等。間接利用主要是利用LNG冷能產(chǎn)生的液氮和液氧，包括：低溫粉碎、污水處理、冷凍食品、低溫醫(yī)療等?？諝夥蛛x的溫區(qū)在-190～-150℃，LNG的氣化溫度是-162℃，與空氣分離的溫區(qū)相匹配，將LNG的冷能用于空氣分離是最合理的冷能利用方式。

四川空分集團與中海油針對LNG冷能空分技術(shù)進行聯(lián)合研發(fā)，取得了多項發(fā)明專利，并且采用自主專利技術(shù)的LNG冷能空分裝置已經(jīng)在寧波、唐山、珠海項目上成功應(yīng)用。

1　LNG冷能空分技術(shù)

空分裝置特別是液體空分裝置需要大量的低溫冷能，常規(guī)液體空分通常采用空氣增壓循環(huán)或氮氣增壓循環(huán)，再配置兩臺高溫、低溫增壓透平膨脹機制冷為空分裝置提供所需冷量。因此，常規(guī)空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動的機械制冷產(chǎn)生，一般其電力成本占到生產(chǎn)成本的70%左右，同時還要消耗大量的冷卻水。

LNG冷能空分裝置，將LNG高品質(zhì)的低溫冷能用于空分裝置，取消高溫、低溫膨脹機，可使能耗顯著降低。同時 LNG冷能空分裝置在減排CO2方面也有重要意義，據(jù)相關(guān)資料顯示，一套600 t/d的液體空分裝置，相當于間接減排CO2約8.5萬t。

以四川空分集團與中海油聯(lián)合申請的LNG冷能空分專利技術(shù)為例，說明冷能空分的原理。自主專利技術(shù)采用循環(huán)氮氣吸收LNG的低溫端冷量，用乙二醇水溶液吸收LNG的高溫端冷量，可實現(xiàn)空分運行機組小型化，并且能使運行耗電降低約56%，工藝耗水降低99%以上，大大降低系統(tǒng)能耗。LNG冷能空分流程示意圖如圖1所示。

圖1　LNG冷能空分流程示意圖

LNG冷能空分裝置的主要工藝單元包括：1. 空氣過濾及壓縮系統(tǒng)；2. 空氣純化系統(tǒng)；3. 氧氮氬精餾系統(tǒng)；4. LNG-氮換熱系統(tǒng)；5. 乙二醇循環(huán)冷卻系統(tǒng)；6. 低溫液體貯存氣化系統(tǒng)。

在LNG冷能空分的工藝單元中，空氣過濾及壓縮、純化、氧氮氬精餾、低溫液體貯存裝車系統(tǒng)與常規(guī)空分相同?？諝饨?jīng)過壓縮純化后送入空氣分離單元，原料空氣在主換熱器中與低壓氮氣和循環(huán)氮氣換熱被冷卻后進入下塔參與精餾，經(jīng)過精餾系統(tǒng)的精餾獲得液氧、液氮、液氬產(chǎn)品。液體產(chǎn)品送入貯存及裝車系統(tǒng)，供用戶使用。

空分系統(tǒng)是氧氣富集區(qū)，天然氣作為碳氫化合物，對空分系統(tǒng)是極為敏感的有害物質(zhì)，因此，對LNG冷能的利用需要采用中間介質(zhì)來實現(xiàn)，從而避免LNG與空分系統(tǒng)的直接接觸。采用壓力氮氣作為中間介質(zhì)，即從空分裝置下塔塔頂抽取壓力氮氣，與LNG換熱器來的壓力液氮換熱并被液化后返回下塔，將冷量由LNG傳遞到空分系統(tǒng)。

在乙二醇循環(huán)冷卻系統(tǒng)中，LNG的高溫端冷量通過乙二醇水溶液作為冷媒，將冷量傳遞給壓縮機的各個冷卻器。

LNG與循環(huán)氮氣和乙二醇水溶液換熱后，升溫至管輸溫度送入輸氣管線。

2　LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用

四川空分集團在LNG冷能空分領(lǐng)域已經(jīng)走在行業(yè)的前列，與中海油聯(lián)合取得“利用液化天然氣冷能的空氣分離方法”、“一種利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)”兩項發(fā)明專利。除此以外，四川空分集團還取得了“一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)”一項發(fā)明專利。并且LNG冷能空分專利技術(shù)已經(jīng)在多個項目上得到了工業(yè)化應(yīng)用。

2.1LNG冷能空分項目

目前已有3個采用自主專利技術(shù)的LNG冷能空分項目成功應(yīng)用，性能參數(shù)如表1所示。

表1　LNG冷能空分項目

中海油寧波LNG冷能空分項目，是國內(nèi)首套采用中海油與四川空分聯(lián)合申請專利的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG冷能空分裝置。該項目已于2015年1月一次開車成功，空分裝置生產(chǎn)出的液氧、液氮、液氬產(chǎn)品的產(chǎn)量、純度及能耗均達到設(shè)計要求。

唐山LNG冷能空分項目，采用四川空分的自主專利技術(shù)。該項目已于2015年6月一次開車成功，各項性能指標均達到設(shè)計要求。

中海油珠海LNG冷能空分項目，采用與中海油寧波項目相同的專利技術(shù)。該項目已完成工藝包設(shè)計及關(guān)鍵設(shè)備制造，預(yù)計將于2016年投產(chǎn)。

2.2LNG冷能空分關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1空氣分離液化系統(tǒng)

LNG冷能空分的空氣分離液化系統(tǒng)的冷源來自于LNG-氮換熱系統(tǒng)的循環(huán)液氮，氮氣采用封閉循環(huán)，不參與精餾，安全可靠。

LNG冷能空分與常規(guī)空分相比，取消了高低溫膨脹機。因此，空氣分離液化系統(tǒng)的工藝流程及配置更簡單，技術(shù)成熟可靠，操作方便，同時大幅降低能耗。

2.2.2LNG-氮換熱系統(tǒng)

LNG-氮換熱系統(tǒng)采用循環(huán)氮氣吸收LNG的低溫端冷量，本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是低溫氮氣壓縮機和LNG-氮高壓板翅式換熱器。

1. 低溫氮氣壓縮機。低溫氮氣壓縮機的特點是進氣溫度低(～-120℃)，壓比大，實際體積流量小。

低溫氮氣壓縮機設(shè)計和制造難度較大，在選型時可選用進口或國產(chǎn)機組。

2. LNG-氮高壓板翅式換熱器。LNG-氮高壓板翅式換熱器的特點是設(shè)計壓力高，局部溫差大。

LNG-氮高壓板式的LNG通道設(shè)計壓力需要與接收站的LNG高壓泵設(shè)計壓力一致，設(shè)計壓力高達11.6 MPa(G)/13.2 MPa(G)。

目前國產(chǎn)板翅式換熱器最高設(shè)計壓力約為10.0 MPa(G)，因此LNG-氮高壓板翅式換熱器選型時需要采用進口產(chǎn)品。

2.2.3LNG-乙二醇換熱系統(tǒng)

LNG-乙二醇系統(tǒng)采用乙二醇吸收LNG的高溫端冷量，采用乙二醇水溶液封閉循環(huán)系統(tǒng)為壓縮機提供冷卻水，取消傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——LNG-乙二醇換熱器由四川空分集團設(shè)計。在設(shè)計過程中解決了下述問題：LNG-乙二醇換熱器熱力學(xué)計算、振動分析、啟動過程中防止乙二醇結(jié)冰分析。

LNG-乙二醇換熱器經(jīng)過寧波和唐山項目現(xiàn)場開車驗證，設(shè)備的性能滿足裝置要求。

3　LNG冷能空分應(yīng)用的建議

1. LNG冷能空分與接收站同步規(guī)劃、同步建設(shè)。根據(jù)四川空分集團目前建造的幾個LNG冷能空分項目，LNG冷能空分的建設(shè)往往滯后于接收站的建設(shè)。

LNG冷能空分的設(shè)計，在工藝條件、接口條件、操作方式等方面，都需要與接收站溝通協(xié)調(diào)。 但由于LNG冷能空分項目的滯后，在LNG冷能空分開始設(shè)計時，接收站的設(shè)計已經(jīng)完成，相關(guān)設(shè)備已經(jīng)訂貨，不能根據(jù)冷能空分項目的相關(guān)要求修改接收站的設(shè)計。這樣就給冷能空分的設(shè)計、建造及運行帶來了一些問題。

因此，建議LNG冷能空分項目，與接收站同步規(guī)劃、同步建設(shè)，使接收站在設(shè)計時能夠兼顧冷能空分的需求。

2. LNG溫度對冷能空分的影響。LNG的溫度對冷能空分的產(chǎn)量影響很大，LNG溫度越高，冷能空分的產(chǎn)量越小、能耗越高，反之亦然。LNG冷能空分裝置合理的LNG設(shè)計溫度在-145℃～-150℃。根據(jù)冷能空分的運行參數(shù)及理論計算分析：LNG溫度在一定范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，冷能空分的液體產(chǎn)量減少10 t/d；LNG溫度超過一定范圍，冷能空分的產(chǎn)量和能耗的影響更為明顯。

而LNG接收站在外輸氣量較小或者卸船時，大量BOG經(jīng)過BOG再冷凝器，與LNG換熱后返回LNG儲罐，使得LNG外輸溫度升高，一般在-125℃～-135℃，對冷能空分的經(jīng)濟運行造成很大影響。因此，建議LNG接收站在設(shè)計時能充分考慮冷能空分對LNG溫度的要求，采取相關(guān)措施(如冷能空分LNG接口設(shè)置在BOG再冷凝器之前等)，使冷能空分能夠經(jīng)濟高效地運行。

[1] 黃震宇. 一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)：中國，200910059100.0 [P]. 2011-05-25.

[2] 江克忠. 一種利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)：中國，201020548662.X [P]. 2011-06-01.

[3] 江楚標. 用液化天然氣的冷量生產(chǎn)液氧、液氮 [J]. 天然氣工業(yè), 2007, 27(7): 124-126.

[4] 江楚標. 對LNG冷能利用中幾個問題的討論 [J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(9): 126-128.

[5] 華賁. 大型LNG接收站冷能的綜合利用 [J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(3): 10-15.

[6] 江克忠，楊學(xué)軍，等. LNG冷能綜合利用研究 [J]. 低溫與特氣, 2008, 26(2): 1-5.

[7] 傅皓，等. LNG接收站冷能利用方案與思考 [J]. 化工設(shè)計, 2011, 21(3): 10-14.

用于電子氣體儲存的

金屬有機骨架材料

申請(專利)號：201480048872.3

公開(公告)日：2016-07-27

申請(專利權(quán))人：紐麥特科技公司

摘要：金屬有機骨架材料MOF包含金屬離子和至少雙齒有機配體的配位產(chǎn)物，其中所述金屬離子和所述有機配體經(jīng)選擇以提供至少70g/L的電子氣體可遞送吸附容量。多孔有機聚合物POP包含來自至少多種有機單體的聚合產(chǎn)物，其中所述有機單體經(jīng)選擇以提供至少70g/L的電子氣體可遞送吸附容量。

高純氨充裝系統(tǒng)及利用其充裝

高純氨的充裝方法

申請(專利)號：201610219093.6

公開(公告)日：2016-08-17

申請(專利權(quán))人：海寧市英德賽電子有限公司

摘要：本發(fā)明公開了一種高純氨充裝系統(tǒng)及利用該充裝系統(tǒng)充裝高純氨的充裝方法，充裝系統(tǒng)包括產(chǎn)品緩沖罐、產(chǎn)品罐和冷卻裝置，產(chǎn)品緩沖罐連接高純氨生產(chǎn)線的采出端，其上裝有第一液位計，產(chǎn)品緩沖罐的液相接口通過第一液相管線與產(chǎn)品罐的液相接口連接，通過第二液相管線經(jīng)充裝站與槽車的液相接口連接，產(chǎn)品罐的氣相接口通過產(chǎn)品罐氣相管線經(jīng)充裝站與槽車的氣相接口連接，在第一液相管線、第二液相管線及產(chǎn)品罐氣相管線上分別設(shè)置有控制各管線通斷的閥門，產(chǎn)品罐上設(shè)置有第二液位計和溫度傳感器，冷卻裝置用于對產(chǎn)品罐冷卻降壓。采用本發(fā)明中的充裝系統(tǒng)及充裝方法能有效避免充裝過程中的污染，保證產(chǎn)品純度，并能有效降低充裝能耗，具有很好的實用性。

氙氣和其他高價值化合物的回收

申請(專利)號：201180040844.3

公開(公告)日：2016-06-01

申請(專利權(quán))人：恩特格里斯公司

摘要：用于從含高價值氣體、例如氙氣的工藝流、材料或環(huán)境對其進行回收的系統(tǒng)和方法，通過將來自工藝流、材料或環(huán)境的氣體與能有效吸附捕獲高價值氣體的碳吸附劑接觸，以去除或降低所述工藝流、材料或環(huán)境的含高價值氣體的氣體中與高價值氣體共存的流體物種的濃度。本文公開內(nèi)容的其他方面包括氡氣檢測方法和產(chǎn)品。

一種膜法氦氣提純裝置系統(tǒng)和工藝

申請(專利)號：201410219939.7

公開(公告)日：2016-05-11

申請(專利權(quán))人：上海精騰新能源科技有限公司

摘要：本發(fā)明涉及一種膜法氦氣提純裝置系統(tǒng)及工藝：收集得到的混合氦氣經(jīng)第一預(yù)處理器的預(yù)處理，達到設(shè)定的入膜氣體要求后，進入第一中空纖維膜進行分離；第一中空纖維膜分離得到的非滲透氣回收或排空，分離得到的滲透氣進入第二預(yù)處理器；第一中空纖維膜的滲透氣經(jīng)第二預(yù)處理器預(yù)處理后，進入第二中空纖維膜繼續(xù)分離處理；第二中空纖維膜分離得到的非滲透氣循環(huán)至第一預(yù)處理器，分離得到的滲透氣為產(chǎn)品氦氣；本發(fā)明采用膜法提純工藝，對低濃度的氦氣進行回收再利用，設(shè)備體積小、工藝簡單、操作方便。

Research and Application of Air Separation Plant Using LNG Cold Energy

JIANG Rong, HUANG Zhenyu

[Sichuan Air Separation Plant (Group) Co., Ltd., Jianyang 641400, China]

With the construction of LNG receiving station, efficient utilization of LNG cold energy is very important. The principle, characteristics, technology and industrial application examples of air separation plant using LNG cold energy is introduced. Analyses on some issues relates to industrial application of air separation plant using LNG cold energy, and put forward the corresponding suggestion.

LNG; cold energy utilization; air separation; industrial application

2016-06-07

TE89

A

1007-7804(2016)04-0001-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.001

江蓉(1985)，女，工程師。2009年畢業(yè)于華中科技大學(xué)制冷與低溫工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)在四川空分設(shè)備(集團)有限責(zé)任公司低溫技術(shù)研究院從事研發(fā)設(shè)計工作。