LNG冷能梯級利用工藝研究

銀永明 高繼峰 王艷芳 趙菁雯 肖慧琳

(1.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州，451000；2.濮陽中原建設(shè)工程咨詢有限公司，河南濮陽，457001)

天然氣因其具有較好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，被稱為清潔能源，在工業(yè)和民用領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]，液化天然氣(LNG)具有體積小、便于遠(yuǎn)距離低成本運(yùn)輸(船運(yùn))的特點(diǎn)，在國際貿(mào)易中約有25%采用液化天然氣(LNG)進(jìn)行運(yùn)輸。近年來，我國LNG的供應(yīng)量呈穩(wěn)定的增長趨勢，預(yù)計(jì)到2040年中國對LNG需求量會突破全球總需求的15%。

LNG是天然氣通過凈化工藝脫去里面的酸和水后，通過低溫工藝?yán)淠傻牡蜏?-162℃)液體混合物。LNG接收站通常會采用海水加熱方式氣化成氣態(tài)天然氣外輸[2]，LNG在氣化釋放的大量冷量被海水吸收并排入海洋，約為830kWh/kg。以2018年我國接收能力計(jì)算LNG冷量折合20.7億kW·h，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)到59.8億kW·h，蘊(yùn)含冷能資源豐富[3]。隨著我國大量進(jìn)口LNG，LNG冷能的綜合利用顯得越來越重要。

1 LNG接收站冷能利用現(xiàn)狀

LNG冷能利用技術(shù)在世界多個國家都進(jìn)行了應(yīng)用。日本利用LNG冷能發(fā)電已有30多年的歷史，是世界上開展LNG冷能利用較早的國家之一，同時(shí)還將冷能用于冷庫、制干冰和空氣分離；法國、澳大利亞、韓國等國家主要利用LNG冷能進(jìn)行輕烴分離、空氣分離；美國、俄羅斯及歐盟等國家也針對LNG冷能利用開展了研究[4]。

中國LNG接收站發(fā)展至今已有20多年的歷史，截至2020年，我國已經(jīng)投運(yùn)的LNG接收站數(shù)量已達(dá)22座[5]，但目前已建成LNG接收站冷能利用率較低，具體分布情況如表1。

表1 我國已建成LNG接收站及其冷能利用分布情況

2 冷能梯級利用一體化方案設(shè)計(jì)

針對天津LNG接收站的富液進(jìn)行冷能梯級利用設(shè)計(jì)，通過分析不同利用方式的優(yōu)缺點(diǎn)及冷能需求范圍，把握“溫度對口，梯級利用”的原則，建立冷能梯級高效利用一體化方案。

通過利用LNG氣化的冷能，-161℃～-73℃的溫位給空分系統(tǒng)提供冷量；-83℃～-59℃的溫位給發(fā)電系統(tǒng)提供冷量；其余冷量提供給輕烴回收系統(tǒng)。具體工藝流程框圖如圖1。

圖1 冷能綜合利用流程框圖

2.1 冷能空分系統(tǒng)

利用低溫精餾的方法，將去除雜質(zhì)的空氣經(jīng)冷卻液化后進(jìn)入精餾塔，在塔內(nèi)根據(jù)空氣中氧氣、氮?dú)夥悬c(diǎn)的不同(在大氣壓力下，氧氣的沸點(diǎn)為-183.15℃，氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為-196.15℃)，對空氣進(jìn)行精餾分離得到所需產(chǎn)品?？辗窒到y(tǒng)主要由預(yù)處理系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和換熱系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成。

2.1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

溫度為15℃的原料空氣通過自潔式空氣過濾器除去灰塵等小顆粒固體雜質(zhì)后進(jìn)入空壓機(jī)進(jìn)行壓縮，空氣壓力經(jīng)過壓縮升至0.51MPa，然后進(jìn)入預(yù)冷系統(tǒng)，通過對空氣降溫冷卻、洗滌清除空氣中的灰塵、硫化氫和氨等有害物質(zhì)后進(jìn)入純化系統(tǒng)。經(jīng)過壓縮和預(yù)冷降溫的空氣先后經(jīng)過填充鋁膠和分子篩的吸附床除去水分、乙炔、二氧化碳和烴類等雜質(zhì)進(jìn)入到LNG換熱器。

2.1.2 精餾系統(tǒng)

脫水后的空氣與LNG換熱至-70℃，經(jīng)過空分系統(tǒng)主換熱器溫度冷至-172.8℃從下部進(jìn)入精餾塔。氧氣含量為20.9%(摩爾分?jǐn)?shù))的原料空氣在0.49MPa 進(jìn)行預(yù)精餾，隨蒸氣逐漸上升，作為上升氣，其含氮量逐層增加，在制氮塔頂為純氣氮(含氮99.99%)，在冷凝蒸發(fā)器中冷凝為液氮作為回流液從下塔頂部下流，純氣氮(含氮99.99%)在0.45MPa下的飽和溫度約為-178℃。下塔頂部流出的氮?dú)庠诶淠舭l(fā)器中冷凝為液氮，引出后分為三股，一股作為回流液回制氮塔頂部；一股節(jié)流后(0.05MPa)作為回流液從制氧塔頂部下流為制氧塔上升的蒸氣提供冷量，以便得到純度更高的液態(tài)產(chǎn)品；另一股導(dǎo)入液氮收集器被儲存；上塔底部獲得高純度液氧(含氧99.60%)，被導(dǎo)入液氧收集器儲存，從而實(shí)現(xiàn)了氮、氧分離。

2.1.3 換熱系統(tǒng)

整個空分裝置的冷源部分來自LNG提供的冷量，另一部分是氮?dú)?。換熱系統(tǒng)作為空分系統(tǒng)至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)在很大程度上決定了空分系統(tǒng)能耗的高低。換熱系統(tǒng)以氮?dú)鉃檠h(huán)介質(zhì)，利用LNG(潛熱和顯熱從-161℃～-73℃)給氮?dú)馓峁├淞?，同時(shí)氮?dú)馔ㄟ^增壓機(jī)組及節(jié)流閥膨脹制冷。一部分冷量用于自身循環(huán)，一部分冷量給空分系統(tǒng)進(jìn)行換熱。

常規(guī)空分裝置的耗電量為1.0kW·h/kg，通過利用LNG(-161℃～-73℃)冷能，空分系統(tǒng)的耗電量可實(shí)現(xiàn)<0.4kW·h/kg，節(jié)約60%電量。

2.2 冷能發(fā)電系統(tǒng)

利用有機(jī)郎肯循環(huán)方法，在換熱器中將低溫LNG的冷量傳遞到冷媒上，利用單位工質(zhì)凈輸出功高的有機(jī)冷媒進(jìn)行動力循環(huán)，通過膨脹發(fā)電機(jī)，將壓力能轉(zhuǎn)化成電能。

對ORC工質(zhì)比選研究發(fā)現(xiàn)，飽和碳烴化合物對于不含氯的鹵代烴有更高的單位工質(zhì)凈輸出功，結(jié)合冷能綜合利用溫位考慮，所以工質(zhì)選擇飽和碳烴化合物乙烷。

脫甲烷塔中-83℃的溫位的冷流通過換熱器，給冷能發(fā)電系統(tǒng)提供冷量(-83℃～-59℃)。氣相的0.4MPa、-52.86℃的氣相乙烷通過換熱器，與-83℃的冷流進(jìn)行換熱，乙烷冷卻至-54℃液相，通過泵增壓至3.4MPa，再通過復(fù)溫器溫度復(fù)溫至20℃氣相，進(jìn)入膨脹發(fā)電機(jī)通過絕熱膨脹(氣相從高壓至低壓做絕熱膨脹，膨脹前后熵值不變，氣體溫度降低)對外做功發(fā)電，膨脹發(fā)電機(jī)出口介質(zhì)參數(shù)為0.4MPa、-52.86℃。膨脹發(fā)電機(jī)可對外做功2569kW。

冷能發(fā)電主要是回收LNG的物理火用，火用是能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪且徊糠帜芰?。物理火用在可壓縮系統(tǒng)時(shí)，并且不涉及化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散，選取不完全平衡狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)能量即為物理火用[3]。通過利用LNG(-83℃～-59℃)冷能，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電火用效率>25%。

2.3 冷能輕烴回收系統(tǒng)

按照冷能梯級利用的原則進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，輕烴回收流程的設(shè)備主要包括LNG增壓泵、壓縮機(jī)、換熱器、閃蒸塔、脫甲烷塔及脫乙烷塔。輕烴分離流程分為三個部分：原料預(yù)熱、脫甲烷、脫乙烷。

2.3.1 原料預(yù)熱

LNG原料通過LNG增壓泵進(jìn)行增壓后分兩部分，部分(69%)經(jīng)過空氮系統(tǒng)的換熱器給空氮系統(tǒng)提供冷能后至-73℃，進(jìn)入輕烴回收系統(tǒng)的分離器，分離器頂部氣相與另一部分LNG通過換熱器進(jìn)行熱交換，部分氣化，隨后兩路LNG進(jìn)入脫甲烷塔不同溫位進(jìn)行分離。

2.3.2 脫甲烷

進(jìn)入脫甲烷塔的原料在塔內(nèi)根據(jù)沸點(diǎn)不同進(jìn)行精餾分離，氣態(tài)甲烷從塔頂分離，甲烷經(jīng)過換熱器與脫乙烷塔頂物流換熱后進(jìn)入外輸壓縮機(jī)。通過壓縮機(jī)壓縮升壓至管輸?shù)膲毫σ蟆?/p>

2.3.3 脫乙烷

脫甲烷塔塔底液相為C2+輕烴，其中含有大量乙烷、丙烷及少量C4+，將該物流節(jié)流降壓后進(jìn)入脫乙烷塔進(jìn)一步精餾提純，在塔頂?shù)玫揭彝楫a(chǎn)品，塔底得到LPG產(chǎn)品。

通過輕烴回收，有效地對LNG進(jìn)行熱值調(diào)整，在天然氣氣化外輸?shù)耐瑫r(shí)，獲得乙烷和LPG附加產(chǎn)品，大大提高了資源利用率。

2.4 冷能綜合利用物料平衡

根據(jù)HYSYS工藝模擬軟件計(jì)算，冷能空分制氮、輕烴回收和冷能發(fā)電的一體化方案可利用-162℃～-30℃的冷能，實(shí)現(xiàn)冷能利用率>60%。具體物料平衡見表2。

3 LNG冷能綜合利用展望

通過利用LNG氣化的冷能，一部分冷能供自身進(jìn)行輕烴回收；一部分冷能(-161℃～-70℃)傳遞給氮?dú)馀蛎浵到y(tǒng)，降低了膨脹機(jī)的負(fù)荷，給空分系統(tǒng)提供能量；一部分冷能(-76℃～-60℃)通過換熱器傳膨脹發(fā)電系統(tǒng)用于發(fā)電；剩余部分(-16℃～4℃)給冷庫提供冷源。

圖2 LNG冷能利用工藝溫度分布圖

4 結(jié)論

(1)針對天津LNG接收站進(jìn)行冷能梯級利用設(shè)計(jì)，建立冷能空分制氮、輕烴回收和冷能發(fā)電的一體化方案。

(2)通過冷能綜合利用設(shè)計(jì)，利用LNG(-161℃～-73℃)冷能，空分系統(tǒng)的耗電量可實(shí)現(xiàn)<0.4kW.h/kg，比常規(guī)空分裝置節(jié)約60%電量；利用LNG(-83℃～-59℃)冷能，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電火用效率>25%；通過冷能輕烴回收，獲得乙烷和LPG附加產(chǎn)品，冷能利用率>60%。