LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用與節(jié)能分析

許 澎

（中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210049）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG） 接收站在LNG 上岸后轉(zhuǎn)輸管道前需要進(jìn)行氣化，在氣化過程中會(huì)釋放大量冷能，據(jù)理論估算其釋放的冷量約為830 kJ/kg，如不加以利用，將會(huì)造成巨大的冷能資源浪費(fèi)和環(huán)境的冷污染，按600 萬t/a 規(guī)模測算，相當(dāng)于進(jìn)口4 980～5 160 TJ/a 的冷能，接近1 臺300 MW 發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量[1]。國家發(fā)展改革委印發(fā)的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確要求“實(shí)現(xiàn)天然氣開發(fā)利用與安全健康、節(jié)能環(huán)保協(xié)調(diào)發(fā)展”，并明確要求“加大LNG 冷能利用力度”?？梢哉fLNG 冷能回收利用具有顯著的節(jié)能減排作用，是典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式[2]。

當(dāng)前，LNG 冷能利用最成熟的技術(shù)是將空氣液化分離，用以生產(chǎn)液氮、液氧和液氬產(chǎn)品。傳統(tǒng)空分裝置的冷量完全由電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械制冷產(chǎn)生，其電力成本在生產(chǎn)成本中的占比很大。利用LNG 冷能進(jìn)行空分，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)組小型化，相比傳統(tǒng)空分，耗電量降低56%左右，工藝耗水降低99%以上，系統(tǒng)能耗大大降低，使空分產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場競爭力[3]。

1 LNG 冷能空分技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

LNG 冷能空分是將LNG 的氣化與空分相結(jié)合，利用LNG 氣化時(shí)釋放的巨大冷量來液化分離出液氮、液氧、液氬等空分產(chǎn)品的一種工藝，主要包括空氣過濾及壓縮系統(tǒng)、空氣純化系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)（冷箱）、乙二醇循環(huán)冷卻系統(tǒng)、液體產(chǎn)品貯存汽化系統(tǒng)、液體產(chǎn)品裝車系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)（儀表空氣系統(tǒng)，加溫、解凍、置換系統(tǒng)，殘液排放系統(tǒng)）、儀控系統(tǒng)等[4]。由于空分區(qū)域氧氣富集，以甲烷為主要成分的天然氣作為碳?xì)浠衔锸菢O為敏感的有害物質(zhì)，因此，LNG 冷能的利用需要采用中間介質(zhì)，從而避免LNG 與空分系統(tǒng)直接接觸。LNG 冷能空分裝置采用的中間介質(zhì)為壓力氮?dú)猓纯辗盅b置下塔中抽取的壓力氮?dú)猓cLNG 換熱器中的壓力液氮換熱并被液化后返回下塔，從而將冷量由LNG 傳遞到空分系統(tǒng)，并由此獲得液氧、液氬及部分液氮產(chǎn)品。LNG 的高溫端冷量通過冷媒乙二醇水溶液傳遞給各冷卻器。

LNG 冷能空分技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相對成熟，如中海油空氣化工產(chǎn)品（福建） 有限公司的LNG 冷能空分裝置采用了美國AP 公司的專有技術(shù)，聯(lián)華工業(yè)氣體公司在高雄永安工廠的冷能空分裝置中采用原英國BOC 公司（現(xiàn)林德） 提供的技術(shù)。近年來，我國在LNG 冷能空分技術(shù)領(lǐng)域做了大量工作，多項(xiàng)自主研發(fā)的裝置運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)、性能穩(wěn)定，相關(guān)技術(shù)具有國際先進(jìn)水平，其中空氣過濾、壓縮、分子篩凈化、精餾、無氫制氬等工藝技術(shù)及設(shè)備與常規(guī)空分裝置相同，不同點(diǎn)是在空氣預(yù)冷系統(tǒng)和制冷液化系統(tǒng)用LNG 冷能換熱替代了水冷卻和膨脹機(jī)械制冷，相應(yīng)的用乙二醇冷卻設(shè)備、氮?dú)庖夯鳠峤粨Q器、冷氮壓縮機(jī)取代了空冷塔、循環(huán)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)[5]。

空分裝置的主要成本取決于能耗水平，LNG 冷能空分工藝能耗水平相對較低，利用LNG 冷能來冷卻和液化空氣可以使空分過程的電耗降低56%左右。但由于LNG 冷能工藝涉及低溫高壓LNG/NG管道系統(tǒng)及設(shè)備，投資水平略高于傳統(tǒng)空分工藝，以傳統(tǒng)空分工藝為基準(zhǔn)（基準(zhǔn)值假設(shè)為1），將LNG 冷能空分工藝和傳統(tǒng)空分工藝進(jìn)行對比，可知LNG 冷能空分工藝的能耗水平只有傳統(tǒng)空分工藝的30%，而單位投資增加20%～40%，見表1。

表1 LNG 冷能空分和傳統(tǒng)空分對比表

2 LNG 冷能空分技術(shù)的先進(jìn)性

LNG 冷能空分技術(shù)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1） 傳統(tǒng)空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生，消耗大量的電能，而LNG含有大量的低溫能量，在被用于燃料或化工原料之前需要進(jìn)行熱交換將其氣化為常溫氣體，回收利用這部分LNG 冷能來冷卻和液化空氣可以使空分過程的電耗降低56%左右。此外，LNG 冷能空分采用乙二醇水溶液封閉循環(huán)利用LNG 代替?zhèn)鹘y(tǒng)空分的循環(huán)冷卻水，所以幾乎沒有水耗。采用乙二醇水溶液作為冷卻劑，乙二醇水溶液在LNG-乙二醇換熱器中被LNG/NG 冷卻并作為壓縮機(jī)級間及末級冷卻器、潤滑油系統(tǒng)、低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)電機(jī)及潤滑油系統(tǒng)的冷源，充分利用了LNG 的高溫段冷量。乙二醇水溶液循環(huán)冷卻系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng)，可使壓縮機(jī)級間及末級冷卻器的排氣溫度更低，能耗更低。同時(shí)，乙二醇水溶液還具有配兌容易、不易揮發(fā)、使用安全可靠、防腐和防垢等優(yōu)點(diǎn)。

2） 采用氮作為與LNG 換熱的介質(zhì)，空分系統(tǒng)與LNG-氮液化系統(tǒng)采用壓力氮循環(huán)傳送冷量，循環(huán)氮不參與精餾，空分的安全性能好。

3） 采用常溫低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)可顯著增加上塔液氮回流量，氧、氬的提取率升高，原料空氣壓縮機(jī)氣量減小，能耗降低。

4） 低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用中低壓分開的配置，即單獨(dú)設(shè)置一臺低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)將來自空分系統(tǒng)的原料氮?dú)鈮嚎s到適當(dāng)壓力，再匯合其余壓力氮后進(jìn)入中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)的入口，啟動(dòng)及正常操作更加容易，調(diào)節(jié)范圍更大，運(yùn)行更加穩(wěn)定。在LNG 進(jìn)料溫度偏高需要降低液氮產(chǎn)量時(shí)，可停運(yùn)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)而只運(yùn)行循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)，從而降低了能耗。

5） 液氮產(chǎn)品一部分直接來源于液氮過冷器的液氮并經(jīng)空分過冷，另一部分來源于空分裝置，調(diào)節(jié)靈活，適應(yīng)范圍廣，一旦LNG 冷箱內(nèi)的板式換熱器內(nèi)漏，可關(guān)閉LNG 來液氮管線，液氮產(chǎn)品全部取自空分，可通過增大液氮產(chǎn)品和適當(dāng)減少液氧、液氬產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

6） LNG-氮換熱器的出口段設(shè)置天然氣泄漏純度分析聯(lián)鎖報(bào)警點(diǎn)，可以起到很好的防護(hù)作用，避免對液氮貯槽造成污染。

7） 液氧產(chǎn)品直接由主冷凝蒸發(fā)器連續(xù)抽出，烴類物質(zhì)在主冷中濃度遠(yuǎn)低于壓力極限值，確保了主冷安全。

8） 傳統(tǒng)空分要增加壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)等大功耗設(shè)備來獲得冷量，耗電量大，電力成本占生產(chǎn)成本的比重達(dá)70%左右。與之相比，LNG 冷能空分充分利用回收LNG 的冷能實(shí)現(xiàn)空氣的冷卻和液化，省去了制冷裝置，可使空分運(yùn)行機(jī)組小型化，耗電量和耗水量大大減少，從而降低了生產(chǎn)成本。

3 LNG 冷能空分的節(jié)能分析

3.1 節(jié)能措施

1） 低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用中低壓分開的配置，即單獨(dú)設(shè)置一臺低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)將來自空分系統(tǒng)的原料氮?dú)鈮嚎s到適當(dāng)壓力，再匯合其余壓力氮后進(jìn)入中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)的入口，啟動(dòng)及正常操作更加容易，調(diào)節(jié)范圍更大，運(yùn)行更加穩(wěn)定。在LNG 進(jìn)料溫度偏高需要降低液氮產(chǎn)量時(shí)，可停運(yùn)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)而只運(yùn)行循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī)，從而降低了能耗。

2） LNG-氮換熱系統(tǒng)冷箱板翅式換熱器采用兩級節(jié)流過冷，改善板翅式換熱器溫差，LNG 利用效率高，能耗比常規(guī)流程低。

3） 關(guān)鍵設(shè)備LNG-氮?dú)飧邏喊宄崾綋Q熱器、高壓LNG/NG 均采用進(jìn)口閥門，能耗更低，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)更加安全。

4） 與常規(guī)液體空分流程相比，LNG 冷能空分取消了冷熱端膨脹機(jī)、循環(huán)壓縮機(jī)及預(yù)冷機(jī)組，能耗更低。

5） 常規(guī)液體空分壓縮機(jī)功率大，采用涼水塔蒸發(fā)大量水提供循環(huán)冷卻水；LNG 冷能空分利用乙二醇水溶液封閉循環(huán)，減少跑、滴、漏，幾乎不消耗工藝水，檢修通過收集、過濾回收，幾乎無工藝排污。

6） 純化器采用立式內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)，可減少再生熱負(fù)荷，降低再生功耗10%以上，能耗低。

3.2 節(jié)能效果

1） LNG 冷能空分具有先進(jìn)水平的相關(guān)節(jié)能技術(shù)，再通過系統(tǒng)能量集成等綜合節(jié)能措施，能耗指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

2） LNG 冷能空分屬國家鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，工藝先進(jìn)、能耗低，并采取了各種節(jié)能措施。

3） LNG 冷能空分工藝同時(shí)在電氣、給排水、建筑、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)、設(shè)備選型等方面采取各種節(jié)能措施，與同等規(guī)模的常規(guī)空分相比，電耗節(jié)省56%左右，水耗節(jié)省99%以上。

4 結(jié)束語

對于空分產(chǎn)品而言，因?yàn)楫a(chǎn)品本身差異不大，所以競爭力主要集中在價(jià)格、安全性、供應(yīng)的可靠性和氣體應(yīng)用技術(shù)方面。一般情況下，空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制冷產(chǎn)生，隨著溫度的降低，消耗的電能將急劇增加，因而電力成本占生產(chǎn)成本的70%左右。利用LNG 氣化的冷能冷卻液化空氣來制取空分產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)空分運(yùn)行機(jī)組小型化，通?？梢怨?jié)約電耗56%左右，且無水耗，在節(jié)能上具有很大優(yōu)越性，使空分產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場競爭力。

LNG 冷能空分具有生產(chǎn)流程長、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備多、操作要求高的特點(diǎn)，需要消耗較多的能量。為保證工程項(xiàng)目可以合理利用并節(jié)約能源，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需積極采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新材料，使生產(chǎn)過程中的水、電、氣等的消耗得到進(jìn)一步的降低，從而進(jìn)一步提高節(jié)能效果。