LNG冷能空分技術的開發與應用

江　蓉，黃震宇

[四川空分設備(集團)有限責任公司，四川 簡陽 641400]

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·綜述評論·

LNG冷能空分技術的開發與應用

江蓉，黃震宇

[四川空分設備(集團)有限責任公司，四川 簡陽 641400]

隨著我國LNG接收站的建設，高效利用LNG冷能具有十分重要的意義。介紹了采用自主專利技術的LNG冷能空分裝置的原理、流程特點、關鍵技術，并介紹了LNG冷能空分裝置的工業化應用實例。分析了LNG冷能空分的工業化應用中存在的一些問題，提出了相應的建議。

LNG；冷能利用；空分；工業化應用

LNG(液化天然氣)是天然氣經過凈化、液化而成的低溫液體(約-162℃)，是一種高效清潔能源。隨著中國經濟持續快速發展，我國對LNG的需求量也持續增加。由于我國“缺油、少氣、富煤”的基本國情，LNG大部分依賴進口。2012年，我國進口LNG為1468萬t，預計到2020年以后，我國年進口LNG將達到6000萬～1億t。

在LNG接收站，為滿足天然氣管網輸送要求，LNG需要經過高壓泵加壓并氣化為常溫氣體后再送入天然氣管網。在氣化過程中LNG要釋放大量冷能，據估算，理論上其釋放的冷量約為830 kJ/kg。傳統的LNG接收站采用海水開架式氣化器(ORV)或浸沒燃燒式氣化器(SCV)來氣化LNG，不僅浪費了寶貴的低溫冷能，還對附近海域產生熱污染。因此，必須合理有效地利用LNG的冷能。

LNG冷能利用的方式可以分為直接利用和間接利用。直接利用包括：空氣分離、低溫發電、冷凍倉庫、制造液態CO2及干冰、海水淡化、汽車冷藏及空調、輕烴分離、空調制冷、蓄冷、建造人工滑雪場等。間接利用主要是利用LNG冷能產生的液氮和液氧，包括：低溫粉碎、污水處理、冷凍食品、低溫醫療等。空氣分離的溫區在-190～-150℃，LNG的氣化溫度是-162℃，與空氣分離的溫區相匹配，將LNG的冷能用于空氣分離是最合理的冷能利用方式。

四川空分集團與中海油針對LNG冷能空分技術進行聯合研發，取得了多項發明專利，并且采用自主專利技術的LNG冷能空分裝置已經在寧波、唐山、珠海項目上成功應用。

1　LNG冷能空分技術

空分裝置特別是液體空分裝置需要大量的低溫冷能，常規液體空分通常采用空氣增壓循環或氮氣增壓循環，再配置兩臺高溫、低溫增壓透平膨脹機制冷為空分裝置提供所需冷量。因此，常規空分裝置的低溫環境完全由電力驅動的機械制冷產生，一般其電力成本占到生產成本的70%左右，同時還要消耗大量的冷卻水。

LNG冷能空分裝置，將LNG高品質的低溫冷能用于空分裝置，取消高溫、低溫膨脹機，可使能耗顯著降低。同時 LNG冷能空分裝置在減排CO2方面也有重要意義，據相關資料顯示，一套600 t/d的液體空分裝置，相當于間接減排CO2約8.5萬t。

以四川空分集團與中海油聯合申請的LNG冷能空分專利技術為例，說明冷能空分的原理。自主專利技術采用循環氮氣吸收LNG的低溫端冷量，用乙二醇水溶液吸收LNG的高溫端冷量，可實現空分運行機組小型化，并且能使運行耗電降低約56%，工藝耗水降低99%以上，大大降低系統能耗。LNG冷能空分流程示意圖如圖1所示。

圖1　LNG冷能空分流程示意圖

LNG冷能空分裝置的主要工藝單元包括：1. 空氣過濾及壓縮系統；2. 空氣純化系統；3. 氧氮氬精餾系統；4. LNG-氮換熱系統；5. 乙二醇循環冷卻系統；6. 低溫液體貯存氣化系統。

在LNG冷能空分的工藝單元中，空氣過濾及壓縮、純化、氧氮氬精餾、低溫液體貯存裝車系統與常規空分相同。空氣經過壓縮純化后送入空氣分離單元，原料空氣在主換熱器中與低壓氮氣和循環氮氣換熱被冷卻后進入下塔參與精餾，經過精餾系統的精餾獲得液氧、液氮、液氬產品。液體產品送入貯存及裝車系統，供用戶使用。

空分系統是氧氣富集區，天然氣作為碳氫化合物，對空分系統是極為敏感的有害物質，因此，對LNG冷能的利用需要采用中間介質來實現，從而避免LNG與空分系統的直接接觸。采用壓力氮氣作為中間介質，即從空分裝置下塔塔頂抽取壓力氮氣，與LNG換熱器來的壓力液氮換熱并被液化后返回下塔，將冷量由LNG傳遞到空分系統。

在乙二醇循環冷卻系統中，LNG的高溫端冷量通過乙二醇水溶液作為冷媒，將冷量傳遞給壓縮機的各個冷卻器。

LNG與循環氮氣和乙二醇水溶液換熱后，升溫至管輸溫度送入輸氣管線。

2　LNG冷能空分技術的應用

四川空分集團在LNG冷能空分領域已經走在行業的前列，與中海油聯合取得“利用液化天然氣冷能的空氣分離方法”、“一種利用液化天然氣冷能的空分系統”兩項發明專利。除此以外，四川空分集團還取得了“一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統”一項發明專利。并且LNG冷能空分專利技術已經在多個項目上得到了工業化應用。

2.1LNG冷能空分項目

目前已有3個采用自主專利技術的LNG冷能空分項目成功應用，性能參數如表1所示。

表1　LNG冷能空分項目

中海油寧波LNG冷能空分項目，是國內首套采用中海油與四川空分聯合申請專利的具有自主知識產權的LNG冷能空分裝置。該項目已于2015年1月一次開車成功，空分裝置生產出的液氧、液氮、液氬產品的產量、純度及能耗均達到設計要求。

唐山LNG冷能空分項目，采用四川空分的自主專利技術。該項目已于2015年6月一次開車成功，各項性能指標均達到設計要求。

中海油珠海LNG冷能空分項目，采用與中海油寧波項目相同的專利技術。該項目已完成工藝包設計及關鍵設備制造，預計將于2016年投產。

2.2LNG冷能空分關鍵技術

2.2.1空氣分離液化系統

LNG冷能空分的空氣分離液化系統的冷源來自于LNG-氮換熱系統的循環液氮，氮氣采用封閉循環，不參與精餾，安全可靠。

LNG冷能空分與常規空分相比，取消了高低溫膨脹機。因此，空氣分離液化系統的工藝流程及配置更簡單，技術成熟可靠，操作方便，同時大幅降低能耗。

2.2.2LNG-氮換熱系統

LNG-氮換熱系統采用循環氮氣吸收LNG的低溫端冷量，本系統的關鍵設備是低溫氮氣壓縮機和LNG-氮高壓板翅式換熱器。

1. 低溫氮氣壓縮機。低溫氮氣壓縮機的特點是進氣溫度低(～-120℃)，壓比大，實際體積流量小。

低溫氮氣壓縮機設計和制造難度較大，在選型時可選用進口或國產機組。

2. LNG-氮高壓板翅式換熱器。LNG-氮高壓板翅式換熱器的特點是設計壓力高，局部溫差大。

LNG-氮高壓板式的LNG通道設計壓力需要與接收站的LNG高壓泵設計壓力一致，設計壓力高達11.6 MPa(G)/13.2 MPa(G)。

目前國產板翅式換熱器最高設計壓力約為10.0 MPa(G)，因此LNG-氮高壓板翅式換熱器選型時需要采用進口產品。

2.2.3LNG-乙二醇換熱系統

LNG-乙二醇系統采用乙二醇吸收LNG的高溫端冷量，采用乙二醇水溶液封閉循環系統為壓縮機提供冷卻水，取消傳統的循環水系統。

本系統的關鍵設備——LNG-乙二醇換熱器由四川空分集團設計。在設計過程中解決了下述問題：LNG-乙二醇換熱器熱力學計算、振動分析、啟動過程中防止乙二醇結冰分析。

LNG-乙二醇換熱器經過寧波和唐山項目現場開車驗證，設備的性能滿足裝置要求。

3　LNG冷能空分應用的建議

1. LNG冷能空分與接收站同步規劃、同步建設。根據四川空分集團目前建造的幾個LNG冷能空分項目，LNG冷能空分的建設往往滯后于接收站的建設。

LNG冷能空分的設計，在工藝條件、接口條件、操作方式等方面，都需要與接收站溝通協調。 但由于LNG冷能空分項目的滯后，在LNG冷能空分開始設計時，接收站的設計已經完成，相關設備已經訂貨，不能根據冷能空分項目的相關要求修改接收站的設計。這樣就給冷能空分的設計、建造及運行帶來了一些問題。

因此，建議LNG冷能空分項目，與接收站同步規劃、同步建設，使接收站在設計時能夠兼顧冷能空分的需求。

2. LNG溫度對冷能空分的影響。LNG的溫度對冷能空分的產量影響很大，LNG溫度越高，冷能空分的產量越小、能耗越高，反之亦然。LNG冷能空分裝置合理的LNG設計溫度在-145℃～-150℃。根據冷能空分的運行參數及理論計算分析：LNG溫度在一定范圍內，溫度每升高1℃，冷能空分的液體產量減少10 t/d；LNG溫度超過一定范圍，冷能空分的產量和能耗的影響更為明顯。

而LNG接收站在外輸氣量較小或者卸船時，大量BOG經過BOG再冷凝器，與LNG換熱后返回LNG儲罐，使得LNG外輸溫度升高，一般在-125℃～-135℃，對冷能空分的經濟運行造成很大影響。因此，建議LNG接收站在設計時能充分考慮冷能空分對LNG溫度的要求，采取相關措施(如冷能空分LNG接口設置在BOG再冷凝器之前等)，使冷能空分能夠經濟高效地運行。

[1] 黃震宇. 一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統：中國，200910059100.0 [P]. 2011-05-25.

[2] 江克忠. 一種利用液化天然氣冷能的空分系統：中國，201020548662.X [P]. 2011-06-01.

[3] 江楚標. 用液化天然氣的冷量生產液氧、液氮 [J]. 天然氣工業, 2007, 27(7): 124-126.

[4] 江楚標. 對LNG冷能利用中幾個問題的討論 [J]. 天然氣工業, 2008, 28(9): 126-128.

[5] 華賁. 大型LNG接收站冷能的綜合利用 [J]. 天然氣工業, 2008, 28(3): 10-15.

[6] 江克忠，楊學軍，等. LNG冷能綜合利用研究 [J]. 低溫與特氣, 2008, 26(2): 1-5.

[7] 傅皓，等. LNG接收站冷能利用方案與思考 [J]. 化工設計, 2011, 21(3): 10-14.

用于電子氣體儲存的

金屬有機骨架材料

申請(專利)號：201480048872.3

公開(公告)日：2016-07-27

申請(專利權)人：紐麥特科技公司

摘要：金屬有機骨架材料MOF包含金屬離子和至少雙齒有機配體的配位產物，其中所述金屬離子和所述有機配體經選擇以提供至少70g/L的電子氣體可遞送吸附容量。多孔有機聚合物POP包含來自至少多種有機單體的聚合產物，其中所述有機單體經選擇以提供至少70g/L的電子氣體可遞送吸附容量。

高純氨充裝系統及利用其充裝

高純氨的充裝方法

申請(專利)號：201610219093.6

公開(公告)日：2016-08-17

申請(專利權)人：海寧市英德賽電子有限公司

摘要：本發明公開了一種高純氨充裝系統及利用該充裝系統充裝高純氨的充裝方法，充裝系統包括產品緩沖罐、產品罐和冷卻裝置，產品緩沖罐連接高純氨生產線的采出端，其上裝有第一液位計，產品緩沖罐的液相接口通過第一液相管線與產品罐的液相接口連接，通過第二液相管線經充裝站與槽車的液相接口連接，產品罐的氣相接口通過產品罐氣相管線經充裝站與槽車的氣相接口連接，在第一液相管線、第二液相管線及產品罐氣相管線上分別設置有控制各管線通斷的閥門，產品罐上設置有第二液位計和溫度傳感器，冷卻裝置用于對產品罐冷卻降壓。采用本發明中的充裝系統及充裝方法能有效避免充裝過程中的污染，保證產品純度，并能有效降低充裝能耗，具有很好的實用性。

氙氣和其他高價值化合物的回收

申請(專利)號：201180040844.3

公開(公告)日：2016-06-01

申請(專利權)人：恩特格里斯公司

摘要：用于從含高價值氣體、例如氙氣的工藝流、材料或環境對其進行回收的系統和方法，通過將來自工藝流、材料或環境的氣體與能有效吸附捕獲高價值氣體的碳吸附劑接觸，以去除或降低所述工藝流、材料或環境的含高價值氣體的氣體中與高價值氣體共存的流體物種的濃度。本文公開內容的其他方面包括氡氣檢測方法和產品。

一種膜法氦氣提純裝置系統和工藝

申請(專利)號：201410219939.7

公開(公告)日：2016-05-11

申請(專利權)人：上海精騰新能源科技有限公司

摘要：本發明涉及一種膜法氦氣提純裝置系統及工藝：收集得到的混合氦氣經第一預處理器的預處理，達到設定的入膜氣體要求后，進入第一中空纖維膜進行分離；第一中空纖維膜分離得到的非滲透氣回收或排空，分離得到的滲透氣進入第二預處理器；第一中空纖維膜的滲透氣經第二預處理器預處理后，進入第二中空纖維膜繼續分離處理；第二中空纖維膜分離得到的非滲透氣循環至第一預處理器，分離得到的滲透氣為產品氦氣；本發明采用膜法提純工藝，對低濃度的氦氣進行回收再利用，設備體積小、工藝簡單、操作方便。

Research and Application of Air Separation Plant Using LNG Cold Energy

JIANG Rong, HUANG Zhenyu

[Sichuan Air Separation Plant (Group) Co., Ltd., Jianyang 641400, China]

With the construction of LNG receiving station, efficient utilization of LNG cold energy is very important. The principle, characteristics, technology and industrial application examples of air separation plant using LNG cold energy is introduced. Analyses on some issues relates to industrial application of air separation plant using LNG cold energy, and put forward the corresponding suggestion.

LNG; cold energy utilization; air separation; industrial application

2016-06-07

TE89

A

1007-7804(2016)04-0001-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.001

江蓉(1985)，女，工程師。2009年畢業于華中科技大學制冷與低溫工程專業，碩士研究生，現在四川空分設備(集團)有限責任公司低溫技術研究院從事研發設計工作。