基于綠色低碳的低溫工程技術(shù)

江 蓉，倪宏偉，黃 科

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

1 前 言

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

低溫工程技術(shù)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(shù)，廣泛應(yīng)用于能源、冶金、石油、化工、航空航天、低溫超導(dǎo)等領(lǐng)域。各行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與能源技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展都需要綠色低碳低溫工程技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)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(shù)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(zhì)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(shù)

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(jìn)口國，LNG進(jìn)口量呈爆發(fā)式增長，已超過進(jìn)口管道氣成為重要供給主體。2019年，我國總計進(jìn)口LNG達(dá)6048萬t；預(yù)計到2035年，我國LNG進(jìn)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(jù)有關(guān)部門規(guī)劃意見，到2035年沿海及沿江接收站總數(shù)可達(dá)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(dá)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(jìn)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(jìn)行了全面研究及工業(yè)應(yīng)用實踐，在LNG冷能利用領(lǐng)域擁有多項專利技術(shù)。除LNG冷能空分技術(shù)外，還開發(fā)了大型LNG接收站冷能發(fā)電技術(shù)、大型LNG冷能換冷站技術(shù)(可用于冰雪世界、大數(shù)據(jù)中心、冷庫等)、大型LNG接收站冷能綜合梯級利用技術(shù)等。

2.2 大型LNG接收站冷能空分技術(shù)

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(zhì)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(dá)約6.5萬t/a[3-4]。四川空分已有多套采用自主專利技術(shù)的LNG冷能空分設(shè)備成功應(yīng)用，且各項指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)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(shù)

LNG冷能發(fā)電技術(shù)將LNG冷能直接轉(zhuǎn)換為電能，其技術(shù)成熟，產(chǎn)業(yè)鏈短，不受市場、資源環(huán)境、運輸?shù)纫蛩氐母蓴_，是最值得推廣應(yīng)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?xì)廨啓C的聯(lián)合應(yīng)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(jù)循環(huán)工質(zhì)的不同，可采用單工質(zhì)(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(lǐng)域的技術(shù)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(shù)及工藝包，裝置關(guān)鍵設(shè)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(chǎn)化設(shè)備，大型LNG冷能發(fā)電裝置已具備工業(yè)化推廣應(yīng)用條件。

結(jié)合大型四川空分LNG接收站的冷能發(fā)電裝置專利技術(shù)，對丙烷工質(zhì)朗肯循環(huán)和混合工質(zhì)循環(huán)進(jìn)行了對比分析，主要參數(shù)如表1所示。采用混合工質(zhì)循環(huán)發(fā)電，其發(fā)電效率高，工藝系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備成熟可靠，系統(tǒng)經(jīng)濟性好，應(yīng)作為大型LNG接收站冷能發(fā)電項目的首選。采用單工質(zhì)(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(fù)荷型汽化器采用中間介質(zhì)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(shù)

2.4 大型LNG冷能換冷站技術(shù)

大型LNG冷能換冷站可將LNG冷能傳遞給不同的冷媒介質(zhì)，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(shè)大型LNG冷能換冷站，用于冰雪世界、冷庫、制冰、大數(shù)據(jù)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(shù)，獲得相關(guān)專利，并應(yīng)用于國內(nèi)大型冰雪小鎮(zhèn)項目，完成了成套工藝包設(shè)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(shù)

為提高LNG冷能的利用率，應(yīng)按照溫區(qū)對口的原則，對LNG冷能進(jìn)行梯級利用。根據(jù)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(diào)冷系統(tǒng)(-5～10℃)；淺冷部分主要用于海水淡化、大數(shù)據(jù)中心等。根據(jù)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(xiàn)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(shù)

為了實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，應(yīng)對溫室效應(yīng)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(shù)(CCUS)刻不容緩。富氧燃燒是一種典型的燃燒中CCUS技術(shù)，相較于其他CCUS技術(shù)，具有成本低、易于現(xiàn)有機組改造等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最有可能大規(guī)模推廣和商業(yè)應(yīng)用的CCUS技術(shù)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(chǎn)生的高濃度CO2(～80%體積分?jǐn)?shù))煙氣進(jìn)行壓縮凈化、純化及低溫分離后，得到體積分?jǐn)?shù)96%或以上純度的CO2產(chǎn)品，從而實現(xiàn)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(shù)上進(jìn)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(chǎn)業(yè)化的技術(shù)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(shù)的發(fā)展

2011年，四川空分與華中科技大學(xué)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(shè)備，并獲得相關(guān)專利。同年，參與國家科技支撐計劃“35 MWth富氧燃燒碳捕獲關(guān)鍵技術(shù)、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(shù)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)的研究，研究成果將填補國內(nèi)相關(guān)研究空白。

4 大型LNG裝置BOG提取高純氦氣技術(shù)

氦氣是國家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性物資，廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、核工業(yè)、科研、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)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(jìn)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(jié)合我國貧氦天然氣資源提氦的最合理的技術(shù)路線之一。目前國內(nèi)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(shù)開發(fā)和工業(yè)應(yīng)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(shù)”，獲得多項國家專利，并于2020年建設(shè)完成國內(nèi)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(rèn)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(shù)，建成了國內(nèi)首套年產(chǎn)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(chǎn)品綜合能耗低，裝置可靠性高、安全性好、適應(yīng)性強，其主要性能指標(biāo)達(dá)國際先進(jìn)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(chǎn)LNG粗制技術(shù)，在提氦的同時可生產(chǎn)LNG、液氮、氮氣產(chǎn)品，液氮和氮氣用于氦氣精制系統(tǒng)，產(chǎn)品綜合能耗低、設(shè)備可靠性高；不僅增加了原LNG裝置的產(chǎn)量，同時為精制系統(tǒng)提供液氮和氮氣，實現(xiàn)上游LNG裝置和下游氦氣精制裝置的產(chǎn)品綜合能耗最優(yōu)化。

該技術(shù)的成功開發(fā)及工業(yè)應(yīng)用，解決了我國氦氣戰(zhàn)略資源的“卡脖子”技術(shù)，為我國貧氦天然氣提氦開辟了新的技術(shù)路線，進(jìn)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(jìn)國內(nèi)液化天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，經(jīng)濟和社會效益顯著，應(yīng)用推廣前景廣闊。

5 結(jié)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(shù)，在LNG冷能利用技術(shù)、低純氧空分及CO2壓縮純化技術(shù)、BOG提氦技術(shù)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(zhuǎn)換工程、低溫液體儲能等低溫技術(shù)的研究及工業(yè)應(yīng)用實踐。

低溫工程技術(shù)，在眾多綠色低碳的前沿技術(shù)領(lǐng)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(shù)支撐，未來前景可期。