基于綠色低碳的低溫工程技術

江 蓉，倪宏偉，黃 科

[四川空分設備(集團)有限責任公司，四川 簡陽 641400]

1 前 言

世界主要經濟體相繼承諾在本世紀中葉達成碳中和的目標，我國提出力爭在2030年前使二氧化碳排放量達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經濟體系，促進經濟社會發(fā)展全面綠色轉型，是解決我國資源環(huán)境生態(tài)問題的基礎之策，發(fā)展綠色低碳經濟是新常態(tài)下對各行各業(yè)的要求。

低溫工程技術主要包括空氣、天然氣、化工多組分氣體的分離及液化，氫、氦液化等技術，廣泛應用于能源、冶金、石油、化工、航空航天、低溫超導等領域。各行業(yè)的轉型升級與能源技術的創(chuàng)新發(fā)展都需要綠色低碳低溫工程技術的創(chuàng)新發(fā)展和應用。LNG冷能綜合利用、氫能、低溫液體儲能、用于碳捕集利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)的富氧燃燒低純氧空分、CO2壓縮純化、稀有氣體等低溫工程技術將在發(fā)展清潔能源、節(jié)能減排、提高能源綜合利用效率、開發(fā)高品質資源等方面發(fā)揮著重要作用。

2 大型LNG接收站冷能綜合利用技術

2.1 LNG冷能利用概況

目前中國已成為全球天然氣第一大進口國，LNG進口量呈爆發(fā)式增長，已超過進口管道氣成為重要供給主體。2019年，我國總計進口LNG達6048萬t；預計到2035年，我國LNG進口需求量約為1.15～1.45億t。至2019年底，我國已建成大型LNG接收站22座，接收能力9035萬t/a[2]。根據有關部門規(guī)劃意見，到2035年沿海及沿江接收站總數可達46座，總接收能力在2.6億t左右。

在大型LNG接收站，LNG在汽化過程中要釋放大量冷能，理論上其釋放的冷量約為830 kJ/kg，對于一座接收能力為300萬t/a的接收站，年可利用冷量達7.5×108kW·h。而傳統(tǒng)的LNG接收站采用海水開架式汽化器(ORV)或浸沒燃燒式汽化器(SCV)來汽化LNG，不僅浪費了寶貴的冷能，還對附近海域和環(huán)境造成冷污染。隨著我國LNG進口量的持續(xù)增長，大型接收站可利用的LNG冷量十分可觀，因此合理高效地利用大型接收站的LNG冷能具有十分重要的意義。

四川空分對大型LNG接收站冷能綜合利用方面進行了全面研究及工業(yè)應用實踐，在LNG冷能利用領域擁有多項專利技術。除LNG冷能空分技術外，還開發(fā)了大型LNG接收站冷能發(fā)電技術、大型LNG冷能換冷站技術(可用于冰雪世界、大數據中心、冷庫等)、大型LNG接收站冷能綜合梯級利用技術等。

2.2 大型LNG接收站冷能空分技術

空氣分離的溫區(qū)在-190～-150℃，大型LNG接收站高壓LNG溫度約-155～-130℃，與空氣分離的溫區(qū)相匹配，將LNG高品質的低溫冷能用于空分裝置，可大幅降低空分裝置能耗，節(jié)能減排效益顯著。因此LNG冷能空分是冷能利用最合理的方式，也是大型LNG接收站冷能利用的首選。

四川空分與中海油聯(lián)合開發(fā)的LNG冷能空分系統(tǒng)比常規(guī)空分耗電降低約56%，工藝耗水降低約99%，節(jié)能減排效益顯著，一套600 t/d的LNG冷能空分，CO2減排量可達約6.5萬t/a[3-4]。四川空分已有多套采用自主專利技術的LNG冷能空分設備成功應用，且各項指標均優(yōu)于設計值，氧、氬提取率高，綜合性能好。

2.3 大型LNG接收站冷能發(fā)電技術

LNG冷能發(fā)電技術將LNG冷能直接轉換為電能，其技術成熟，產業(yè)鏈短，不受市場、資源環(huán)境、運輸等因素的干擾，是最值得推廣應用的冷能利用方式。LNG冷能發(fā)電方法包括直接膨脹發(fā)電、朗肯循環(huán)發(fā)電、聯(lián)合法發(fā)電、布雷頓循環(huán)發(fā)電和與燃氣輪機的聯(lián)合應用發(fā)電等。我國沿海大型LNG接收站外輸壓力較高，無可用壓力能，一般采用低溫朗肯循環(huán)發(fā)電，根據循環(huán)工質的不同，可采用單工質(丙烷)循環(huán)流程或混合冷劑循環(huán)流程。

四川空分基于在天然氣液化及LNG冷能利用領域的技術實力，已成功開發(fā)出適用于大型LNG接收站的LNG冷能發(fā)電裝置的專利技術及工藝包，裝置關鍵設備如發(fā)電膨脹機、高壓板翅式換熱器、開架式汽化器等均已有成熟可靠的國產化設備，大型LNG冷能發(fā)電裝置已具備工業(yè)化推廣應用條件。

結合大型四川空分LNG接收站的冷能發(fā)電裝置專利技術，對丙烷工質朗肯循環(huán)和混合工質循環(huán)進行了對比分析，主要參數如表1所示。采用混合工質循環(huán)發(fā)電，其發(fā)電效率高，工藝系統(tǒng)及關鍵設備成熟可靠，系統(tǒng)經濟性好，應作為大型LNG接收站冷能發(fā)電項目的首選。采用單工質(丙烷)循環(huán)發(fā)電，系統(tǒng)簡單，但發(fā)電效率較低，適用于原LNG接收站的基本負荷型汽化器采用中間介質汽化器的冷能發(fā)電裝置。

表1 大型LNG冷能發(fā)電裝置主要參數

2.4 大型LNG冷能換冷站技術

大型LNG冷能換冷站可將LNG冷能傳遞給不同的冷媒介質，滿足下游不同用冷溫區(qū)的需求，LNG冷能換冷站的基本原理如圖1所示。可在大型LNG接收站附近集中建設大型LNG冷能換冷站，用于冰雪世界、冷庫、制冰、大數據中心等各類用冷項目。四川空分已開發(fā)出大型LNG冷能換冷站技術，獲得相關專利，并應用于國內大型冰雪小鎮(zhèn)項目，完成了成套工藝包設計。

圖1 大型LNG冷能換冷站示意圖

2.5 LNG冷能綜合梯級利用技術

為提高LNG冷能的利用率，應按照溫區(qū)對口的原則，對LNG冷能進行梯級利用。根據LNG冷能用戶的溫度要求，深冷利用部分主要用于空氣分離

(-190～-150℃)；中冷利用部分主要用于冷能發(fā)電(-130～-80℃)、干冰制造(-78℃)等；次中冷利用部分主要用于包括冷庫(-60～10℃)、空調冷系統(tǒng)(-5～10℃)；淺冷部分主要用于海水淡化、大數據中心等。根據不同溫區(qū)用冷用戶的需求建立LNG冷能綜合梯級利用的集成模型，實現LNG冷能利用效率的最優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 一種LNG冷能綜合梯級利用示意圖

3 低純氧空分及CO2壓縮純化技術

為了實現碳中和的目標，應對溫室效應引發(fā)的全新氣候變化形勢，發(fā)展碳捕集、利用與封存技術(CCUS)刻不容緩。富氧燃燒是一種典型的燃燒中CCUS技術，相較于其他CCUS技術，具有成本低、易于現有機組改造等優(yōu)勢，被認為是最有可能大規(guī)模推廣和商業(yè)應用的CCUS技術之一[5-6]。

在富氧燃燒系統(tǒng)中，空分系統(tǒng)可采用深冷法制取低純度氧氣(80%～98%)。新型低純氧空分流程被相繼提出，與傳統(tǒng)深冷空分工藝相比，可大幅降低系統(tǒng)能耗。CO2壓縮純化系統(tǒng)采用低溫冷凝分離的物理過程，將富氧燃燒產生的高濃度CO2(～80%體積分數)煙氣進行壓縮凈化、純化及低溫分離后，得到體積分數96%或以上純度的CO2產品，從而實現燃煤電廠的高效CO2捕集。

四川空分在低純氧空分及CO2壓縮純化技術上進行了深入的研究工作，取得了一系列研究成果，完成了從小試、中試、再到產業(yè)化的技術開發(fā)之路，如圖3所示。

圖3 四川空分富氧空分及CO2壓縮純化技術的發(fā)展

2011年，四川空分與華中科技大學合作建成了3 MWe富氧燃燒全流程試驗平臺，為該項目提供了空分裝置和CO2提純設備，并獲得相關專利。同年，參與國家科技支撐計劃“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關鍵技術、裝備研發(fā)及工程示范”，成功研制出全球首套用于富氧燃燒的新型低純氧空分裝置，該技術與常規(guī)空分相比單位制氧能耗可降低8%～15%[7]，為富氧燃燒技術的發(fā)展起到了很好的示范作用。四川空分正開展基于富氧燃燒的百萬噸級CO2壓縮純化系統(tǒng)關鍵技術的研究，研究成果將填補國內相關研究空白。

4 大型LNG裝置BOG提取高純氦氣技術

氦氣是國家安全和高新技術產業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性物資，廣泛應用于國防、航空航天、核工業(yè)、科研、醫(yī)療、工業(yè)等領域。氦氣主要存在于天然氣中，而我國屬貧氦天然氣氣田，氦含量極低，并且直接從天然氣中提取氦氣成本極高，工業(yè)用氦基本全靠進口，對外依存度極高[8-9]。從大型LNG裝置閃蒸氣(BOG)中提取高純氦氣，是結合我國貧氦天然氣資源提氦的最合理的技術路線之一。目前國內已建成約兩百余套LNG裝置，已具備從大型LNG裝置中提取高純氦技術開發(fā)和工業(yè)應用的條件。

四川空分于2015年起開始研發(fā)“大型液化天然氣裝置閃蒸氣提取高純氦技術”，獲得多項國家專利，并于2020年建設完成國內首套BOG提氦工業(yè)示范裝置，順利通過了中國通用機械工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會認為：四川空分開發(fā)出適用于我國貧氦天然氣資源的高效提取氦氣的專利技術，建成了國內首套年產百萬方級的液化天然氣閃蒸氣提取高純氦氣工業(yè)示范裝置，并一次開車成功，產品綜合能耗低，裝置可靠性高、安全性好、適應性強，其主要性能指標達國際先進水平。

該套裝置采用混合冷劑與氮雙循環(huán)制冷的BOG提氦聯(lián)產LNG粗制技術，在提氦的同時可生產LNG、液氮、氮氣產品，液氮和氮氣用于氦氣精制系統(tǒng)，產品綜合能耗低、設備可靠性高；不僅增加了原LNG裝置的產量，同時為精制系統(tǒng)提供液氮和氮氣，實現上游LNG裝置和下游氦氣精制裝置的產品綜合能耗最優(yōu)化。

該技術的成功開發(fā)及工業(yè)應用，解決了我國氦氣戰(zhàn)略資源的“卡脖子”技術，為我國貧氦天然氣提氦開辟了新的技術路線，進一步擴大了我國有效氦氣資源，提升了液化天然氣工廠的綜合競爭力，促進國內液化天然氣產業(yè)的發(fā)展，經濟和社會效益顯著，應用推廣前景廣闊。

5 結語與展望

四川空分堅持創(chuàng)新發(fā)展，堅持自主研發(fā)綠色低碳高效的低溫工程技術，在LNG冷能利用技術、低純氧空分及CO2壓縮純化技術、BOG提氦技術等方面取得了一系列成果，同時也正在開展大型氫液化、氦液化、能量轉換工程、低溫液體儲能等低溫技術的研究及工業(yè)應用實踐。

低溫工程技術，在眾多綠色低碳的前沿技術領域都扮演著不可或缺的角色，必將為我國發(fā)展清潔能源、提高能源綜合利用效率提供有力的技術支撐，未來前景可期。