液化天然氣冷量在空氣分離裝置的應用

臧志剛

摘要：本文介紹空氣分離裝置，對冷量的需求，詳細敘述液化天然氣（LNG）的發展前景，中國天然氣的發展及冷量分析，利用LNG冷量的空分裝置工藝流程設計簡述。

關鍵詞：液化天然氣；空氣分離；精餾

1 前言

空氣分離裝置是一種高耗電的行業，其生產的產品氧氣、氮氣、氬氣等在化工、鋼鐵、醫藥業、冶金、食品等行業中的應用越來越廣，針對日益緊張的電力能源，液化天然氣在民用和工業用氣的增加及空分市場的激烈競爭，降低生產產品的單耗就越來越重要。液化天然氣冷量的回收對空氣分離裝置來說，是一個新機遇，一個新課題。

2 空分分離裝置簡介

空氣分離裝置是以空氣為原料生產氧、氮、氬及其它稀有氣體的裝置。裝置是用人工制冷的方法使空氣液化，然后根據各組分沸點的不同，在精餾塔內進行精餾，以獲得氧、氮、氬及其它稀有氣體。

3 空分裝置對冷量的需求

3.1 空分裝置設備在啟動階段，冷量首先用來冷卻裝置，降低溫度，產生液態空氣，在塔內積累起精餾所需的液體，待內部溫度、液面等工況達到正常后，所需的冷量比啟動階段大為減少。

3.2 裝置生產部分液態產品輸出裝置時，低溫產品需帶出冷量。

3.3 設備處于低溫狀態，在保冷箱內，充填有導熱性能差的保溫材料并有氮封保護，但外部必然有熱量不斷地傳入，需要消耗一定的冷量。

3．4 生產的氣態產品在出主換熱器的熱端時，不能復熱到正流空氣進熱交換器的溫

度而引起熱交換不完全損失。

3.5 裝置存在的跑冷、泄漏。

4 獲得冷量的一般途徑

熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，要從低溫物體取走熱量，造成一個更低溫度的狀態，使它具有吸收并帶走熱量的能力，這種吸熱并帶走熱量是花費代價才能得到的。

4.1 節流效應制冷量。進入空分裝置壓力較高的空氣或液體，在裝置內經過節流閥節流膨脹后溫度會降低，氣體具有帶走熱量的能力。壓縮空氣在節流后所具有的制冷能力是由于壓縮和冷卻而產生的。

4.2 空氣在膨脹機中絕熱膨脹。壓力較高的氣體經過膨脹機膨脹時，由于氣體推動葉輪旋轉，對外輸出功，因而氣體本身的能量減少，溫度顯著降低。膨脹機的制冷能力包括兩部分：一部分是在膨脹機中的焓降，即膨脹機的制冷量；另一部分是相當于膨脹空氣經膨脹機節流后所具有的節流制冷能力，即節流制冷量。

4.3 冷凍機提供的制冷量。采用分子篩凈化的空分設備，常常用冷凍機的低溫工質來預冷空氣，以提高吸附凈化效果。這是由空分設備外部提供的制冷量，就是指冷凍水從空氣帶走的熱量，它可使所需的節流效應和膨脹制冷量減少。

目前世界天然氣探明儲量已經接近石油儲量。預計50年后天然氣將超過石油和煤炭，成為世界主要能源。LNG工業近幾年的迅速發展下，技術的成熟和貿易的發達已使LNG價格降至合理的水平。目前，日本、韓國、美國等均進口大量LNG。因此，無論從多氣源保障能源安全還是從經濟方面出發，同時考慮國產、進口氣態天然氣（主要從俄羅斯）和進口液化天然氣應該是合理的。預計2010年LNG產量將達到2400*108立方米，為LNG冷能的回收利用奠定了良好的基礎。

5 中國液化天然氣的發展

我國有豐富的天然氣資源，近幾年來在地質綜合研究、勘探開發和合理 利用方面均有進展。為了改變能源結構，改善環境狀況，發展西部經濟（"西氣東輸"被列為西部大開發的頭號工程），中國政府十分重視天然氣的開發和利用。近十年來，中國的液化天然氣產業已起步，在某些環節上有較大的進展。天然氣液化工廠有上海的LNG事故調峰站、河南中原天然氣液化工廠和新疆廣匯天然氣液化工廠。中國為了引進國外液化天然氣，正在廣東、深圳和福建莆田建造液化天然氣接收終端。LNG運輸方面，儲罐的制造商生產的天然氣槽車已投入運行，還計劃開發制造運輸液化天然氣的集裝箱。中國第一艘液化天然氣船在上海開工建造，標志著我國船舶制造工業實現了新的技術突破。在液化天然氣應用方面，山東、江蘇、河南、浙江和廣東等省的一些城鎮建立了氣化站，向居民或工業提供燃氣。為了適應液化天然氣在中國的迅速發展，相應的液化天然氣標準制定工作也已經開展。隨著我國西部大開發，中國大工程之一的"西氣東輸"工程的實施，將有力地促進天然氣的開發利用。國外（特別是日韓法等LNG輸入大國 ），已對LNG冷量的應用展開了廣泛研究，并在低溫發電、冷凍食品及空氣液化等方面達到實用化程度，經濟效益和社會效益非常顯著。隨著國內對LNG的進口需求越來越大，LNG接收站正在大力建設或規劃建設之中，如何對LNG所蘊含的大量優質冷能進行充分利用也成為最近幾年來的熱點研究問題。國內許多研究人員對如何合理利用LNG冷量展開了一些有益的討論，范圍包括用于發電、空氣分離、低溫粉碎等。

6 LNG冷量回收利用技術

LNG是天然氣的一種獨特的儲存和運輸形式，它有利于天然氣的遠距離運輸，有利于邊遠天然氣的回收，降低天然氣的儲存成本，有利于天然氣應用中的調峰。同時，由于天然氣在液化前進行了凈化處理，所以它比管道運輸的天然氣更為潔凈。生產LNG的動力及公用設施耗電量約為850KWH/H。而在LNG接收站，一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用，氣化時放出大量的冷量，其值大約為837KJ/KG（包括LNG的氣化潛熱和氣態天然氣從儲存溫度復熱到環境溫度的顯熱）。這部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空 氣被舍棄，造成能源的極大浪費。通過特定工藝技術利用LNG冷量，可以達到節省能源，提高經濟效益的目的。

7 LNG冷量回收在空氣分離中的應用

通常的低溫環境都是由電力驅動的機器制冷產生的，由制冷原理可知，隨著溫度的降低，其消耗的電能將急劇增加。在一定的低溫蒸發范圍內，蒸發溫度降低1K，能耗要增加10%。利用回收的LNG冷能和兩級壓縮式制冷機冷卻空氣制取液氮、液氧、液氬，電能消耗也可減少50%（原來生產1立方米的液氧電耗為1.2KWH，采用LNG冷量回收的方法可使電耗減少0.5KWH），水耗減少30%，這樣就會大大降低液氧、液氮、液氬的生產成本，具有可觀的經濟效益。

利用LNG冷能的空分流程有三個主要特點：一是在離LNG最接近的溫度位對其冷能加以利用，有用能利用率高；二是可以在較低的能耗指標下得到大量的液態產品；三是可以縮短空分流程的起動時間，因為傳統流程靠透平膨脹機產冷，冷量需要逐漸積累，而LNG則可以瞬間釋放出大量高品位的冷能。

8 利用LNG冷量的空分裝置工藝流程設計簡述

空氣經過濾器除去灰塵和雜質后進入壓縮機壓縮至5.8bar，經氮水預冷系統后，進入分子篩純化器除去其中的水分、二氧化碳和其它碳氫化合物，干燥而潔凈的空氣進入換熱器中與污氮和循環氮氣換熱并將至飽和溫度后進入下塔底部。在下塔頂部抽出一股循環氮氣，在主換熱器中復熱后，經過循環氮氣壓縮機加壓和冷凍機組冷卻，達到300K，23bar。然后在LNG換熱器中與LNG換熱，利用LNG的冷量使循環氮氣溫度降到118K，節流后返回下塔，液氧產品從冷凝蒸發器引出，液氮產品從下塔液氮槽抽出節流進入上塔頂部后進出。

9 結論。本文提出了空分裝置中利用LNG冷量，以替代常規空分裝置中膨脹空氣的冷量來生產產品氮氣和氧氣的方案。與普通的空氣分離裝置相比，可節省電力50%以上，節約冷卻水約70%。日本等許多LNG的進口大國，在LNG冷熱能利用方面的研究投入很大，而且已經有了許多成熟的工藝流程投產。隨著世界經濟的發展，能源問題受到越來越多的重視，天然氣已經悄然地攀升到世界三大主要能源之一，在不久的將來勢必會取代煤炭和石油成為全球消耗第一的能源，LNG比天然氣更便于儲運。隨著LNG利用的日益廣泛，LNG中所蘊藏的冷熱能也越來越引起人們的重視，在我國隨著經濟的發展，人們的生活水平和人們環保意識的不斷提高，我們的能源消費結構正在逐漸改變，對天然氣等清潔能源的需求將持續增長，對LNG冷熱能的開發利用已被提到議事日程上來。大量LNG潛在冷量資源非常可觀。有效地利用LNG冷量，可以收到很好的 經濟效益和社會效益。

參考文獻

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