我國LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

江 蓉，賴勇杰，黃震宇，倪宏偉

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

1 前 言

隨著全球能源需求的持續(xù)激增，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，逐步成為低碳新能源供應(yīng)增量的主體，液化天然氣(LNG)已經(jīng)成為天然氣國際貿(mào)易供應(yīng)鏈中的重要一環(huán)。中國目前已成為全球天然氣第一大進(jìn)口國，進(jìn)口LNG量呈爆發(fā)式增長，沿海地區(qū)配套投入使用的LNG接收站工程數(shù)量和規(guī)模日趨增大。在大型LNG接收站，為滿足內(nèi)陸地區(qū)天然氣管網(wǎng)輸送要求，LNG需要經(jīng)過加壓汽化成為常溫氣體后再輸入到天然氣管網(wǎng)中，在汽化過程中LNG會(huì)釋放大量冷能。

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，浪費(fèi)了寶貴的冷能，對附近海域和環(huán)境產(chǎn)生了冷污染[1]。LNG在汽化過程中會(huì)釋放大量冷能，對于一座接收能力為300萬t/a的接收站，可利用冷功率為65 MW，折合電能約10×108kW·h/a[2]，如何更加合理高效地利用大型接收站的LNG冷能具有重要的意義。

LNG冷能可分為直接利用和間接利用兩種方式，直接利用可應(yīng)用于發(fā)電、空分、海水淡化、冰鮮食品運(yùn)輸、冷庫及冰雪娛樂場所等領(lǐng)域；間接利用可用于低溫醫(yī)療和橡膠粉碎等領(lǐng)域[3-8]?；谀芰刻蓦A利用理論，LNG的汽化溫度約-162℃，與空氣分離的溫區(qū)(-190～-150℃)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。

2 國內(nèi)外LNG冷能利用概況

據(jù)IGU(International Gas Union)發(fā)布的《World LNG report 2020》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[9]，截至2019年末，全球共有129座已投運(yùn)的LNG接收站。其中，陸上LNG接收站共104座，浮式LNG接收站共25座。全球已投運(yùn)LNG接收站主要分布在亞洲，該地區(qū)共有86座LNG接收站，占已投運(yùn)LNG接收站總量的66.7%；其次是歐洲地區(qū)，共擁有已投運(yùn)LNG接收站25座，占比約19.4%。其中，日本是全球已投運(yùn)LNG接收站數(shù)量最多的國家，已投運(yùn)數(shù)量為32座，而我國投運(yùn)的大型LNG接收站已有22座，中日占比合計(jì)達(dá)41.8%。我國在建與規(guī)劃中的LNG接收站約有46座。

LNG接收站的建設(shè)帶動(dòng)了LNG冷能利用技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，并已進(jìn)行了較成功的工程實(shí)踐，如表1所示。日本作為目前世界上LNG冷能利用率最高的國家，約有50%的LNG冷能被利用，其LNG冷能主要用于發(fā)電、空氣分離、干冰及低溫冷庫等領(lǐng)域[3-4]。韓國主要將LNG冷能用于空氣液化分離以及食品冷凍庫兩個(gè)方面，目前LNG冷能利用率不到20%。印度LNG冷能利用的主要方式是低溫發(fā)電。

表1 國內(nèi)外LNG冷能利用現(xiàn)狀

我國于2007年9月在福建莆田建設(shè)了國內(nèi)第一套LNG冷能利用裝置[10]，并在之后陸續(xù)建設(shè)了6套冷能利用裝置，包括低溫粉碎、冷能空分和輕烴回收等裝置，總體冷能利用率偏低，如表2所示。根據(jù)我國對節(jié)能減排、發(fā)展低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，我國大型LNG接收站的冷能利用還有很大的發(fā)展空間。

表2 國內(nèi)LNG冷能利用現(xiàn)狀

3 LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

LNG冷能空分技術(shù)是冷能利用最合理的一種方式，目前已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中。該工藝與常規(guī)空分工藝的區(qū)別主要在于其利用LNG冷能取代了常規(guī)空分中以消耗大量電能為代價(jià)的機(jī)械制冷，使系統(tǒng)能耗及水耗大大降低。

綜合目前國內(nèi)外冷能空分技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用情況來看，具有代表性的利用LNG冷能的空氣分離裝置主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3、表4所示。從表3、表4可知，目前已經(jīng)投入工業(yè)應(yīng)用的LNG空分裝置主要集中在亞洲各國，其中包括日本、韓國和中國。

表3 國外LNG冷能空分項(xiàng)目分布及參數(shù)

續(xù)表3

表4 國內(nèi)LNG冷能空分項(xiàng)目分布及參數(shù)

冷能空分技術(shù)工業(yè)化的發(fā)展需要工藝技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新的支持，充分利用冷能后的空氣分離裝置可使整體運(yùn)行電耗降低約56%，工藝耗水可降低99%以上[11]。同時(shí)LNG冷能空分裝置在減排CO2方面也有重要的意義，一套600 t/d的液體空分裝置相當(dāng)于間接減排CO2約6.5萬t。

LNG冷能空分裝置采用氮?dú)庾鳛檠h(huán)介質(zhì)，吸收LNG低溫段的冷量后被液化，返回空分冷箱，為空氣的分離、液化提供冷量，取代了常規(guī)增壓膨脹制冷的模式，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果；同時(shí)采用乙二醇水溶液為循環(huán)冷卻劑，吸收LNG高溫段的冷量后去空壓機(jī)級間冷卻器，降低了空壓機(jī)的級間溫度，從而進(jìn)一步降低了能耗；而閉式循環(huán)的乙二醇水溶液系統(tǒng)基本不消耗水，從而也降低了裝置的水消耗。其原理如圖1所示。

空分系統(tǒng)為富氧區(qū)，而天然氣主要成分為甲烷，是對空分系統(tǒng)極為敏感的有害物質(zhì)，因此，LNG冷能空分裝置采用氮?dú)鉃橹虚g循環(huán)介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)LNG冷量的傳遞，從而避免LNG與空分系統(tǒng)的直接接觸。同時(shí)，為進(jìn)一步確保LNG冷能空分裝置的安全性，還設(shè)置了超壓泄放裝置、碳烴化合物分析儀、可燃?xì)怏w監(jiān)測探頭、SIS系統(tǒng)等安全設(shè)施。

圖1 LNG冷能空分裝置示意圖[1]

4 LNG冷能空分裝置工業(yè)運(yùn)行建議

隨著國內(nèi)LNG冷能空分裝置的陸續(xù)投運(yùn)，LNG供應(yīng)與冷能空分裝置需求不同步的問題也隨之突顯。從實(shí)際工程運(yùn)行中總結(jié)并提取出關(guān)鍵技術(shù)瓶頸點(diǎn)，分析解決工程內(nèi)在的技術(shù)難點(diǎn)，將為后續(xù)新的冷能空分裝置設(shè)計(jì)創(chuàng)新和運(yùn)行管理提供可靠的實(shí)踐依據(jù)，也為LNG冷能空分技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。對LNG供應(yīng)與冷能空分裝置需求不同步的問題分析和建議如下。

4.1 LNG供應(yīng)不連續(xù)

LNG冷能空分裝置的冷量由接收站供應(yīng)的LNG提供，因此LNG的連續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)是LNG冷能空分裝置穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。而目前部分接收站的LNG供應(yīng)量會(huì)根據(jù)下游管網(wǎng)用氣波動(dòng)而頻繁變化，在用氣低谷時(shí)LNG供應(yīng)量少，甚至供應(yīng)中斷，致使利用LNG冷能的空分裝置的冷量供應(yīng)中斷而不能穩(wěn)定運(yùn)行，即LNG汽化負(fù)荷的波動(dòng)性與冷能空分裝置要求的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的矛盾是LNG冷能空分面臨的重大挑戰(zhàn)[10]。因此LNG汽化負(fù)荷的波動(dòng)與后續(xù)的空分裝置冷能需求的適配性問題亟待解決。

4.2 LNG供應(yīng)溫度高

LNG溫度越低，所提供的冷能品質(zhì)越高，對冷能空分裝置提高產(chǎn)量和降低能耗越有利。一般適用于冷能空分裝置的LNG溫度在-150℃左右，而實(shí)際上接收站運(yùn)行后，因BOG的冷凝回收換熱器導(dǎo)致LNG供應(yīng)溫度升高，從而降低LNG提供冷量的品質(zhì)，導(dǎo)致LNG冷能空分產(chǎn)量下降，運(yùn)行能耗增加。根據(jù)冷能空分裝置的運(yùn)行參數(shù)及理論計(jì)算分析，在冷能空分裝置可運(yùn)行的溫度范圍內(nèi)，LNG溫度每升高1℃，冷能空分的液體產(chǎn)量約減少10 t/d；當(dāng)LNG溫度超過可運(yùn)行范圍后，對冷能空分的產(chǎn)量和能耗的影響更為明顯[12]。

基于以上情況，建議LNG冷能空分項(xiàng)目與接收站同步規(guī)劃、同步建設(shè)，使接收站在設(shè)計(jì)時(shí)能夠兼顧冷能空分的需求，從而降低接收站LNG負(fù)荷波動(dòng)對空分裝置運(yùn)行的影響。同時(shí)針對LNG冷能空分技術(shù)的需求，適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)LNG接收站的工藝，如增加小流量的LNG高壓泵，保證LNG連續(xù)供應(yīng)的時(shí)間；建設(shè)獨(dú)立的LNG供應(yīng)管線至冷能空分裝置，避免BOG再冷凝液化時(shí)對LNG供應(yīng)溫度產(chǎn)生影響，從而保證冷能空分裝置高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

5 LNG冷能空分技術(shù)的展望

在LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用中，一方面要對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行升級完善，另一方面要不斷開發(fā)出具有高效率、高適用性的新技術(shù)，對LNG冷能空分的技術(shù)發(fā)展建議如下。

5.1 LNG冷能用于氣體空分技術(shù)的開發(fā)

對于冶金、煤化工等行業(yè)配套的大型氣體空分裝置，將LNG冷能與之結(jié)合，可大幅降低空分裝置的能耗，同時(shí)有效提高接收站的冷能利用率。以一套配套冶金行業(yè)的6萬等級LNG冷能氣體空分裝置為例，其能耗可比常規(guī)空分裝置降低約20%以上；同時(shí)輔助接收站汽化LNG約240 t/h，對于一座年接收能力為300萬t/a的LNG接收站，冷能利用率可達(dá)約65%。

5.2 LNG冷能液體空分裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

冷能液體空分裝置的單位能耗受液體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中氮氧比例越大，產(chǎn)品的綜合單位能耗越低。因此，對于液氮需求量大的區(qū)域，建議在確定空分裝置產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能提高空分液體產(chǎn)品的氮氧比例，從而降低裝置的綜合能耗。

5.3 基于低溫液體儲能的LNG冷能空分技術(shù)研究

針對LNG接收站供應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)與空分系統(tǒng)的冷能需求不匹配的問題，開展基于低溫液體儲能技術(shù)(液空或液氮儲能)的LNG冷能空分技術(shù)研究，從而實(shí)現(xiàn)LNG冷能空分裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。