LNG冷能空分技术的开发与应用

江　蓉，黄震宇

[四川空分设备(集团)有限责任公司，四川 简阳 641400]



·综述评论·

LNG冷能空分技术的开发与应用

江蓉，黄震宇

[四川空分设备(集团)有限责任公司，四川 简阳 641400]

随着我国LNG接收站的建设，高效利用LNG冷能具有十分重要的意义。介绍了采用自主专利技术的LNG冷能空分装置的原理、流程特点、关键技术，并介绍了LNG冷能空分装置的工业化应用实例。分析了LNG冷能空分的工业化应用中存在的一些问题，提出了相应的建议。

LNG；冷能利用；空分；工业化应用

LNG(液化天然气)是天然气经过净化、液化而成的低温液体(约-162℃)，是一种高效清洁能源。随着中国经济持续快速发展，我国对LNG的需求量也持续增加。由于我国“缺油、少气、富煤”的基本国情，LNG大部分依赖进口。2012年，我国进口LNG为1468万t，预计到2020年以后，我国年进口LNG将达到6000万～1亿t。

在LNG接收站，为满足天然气管网输送要求，LNG需要经过高压泵加压并气化为常温气体后再送入天然气管网。在气化过程中LNG要释放大量冷能，据估算，理论上其释放的冷量约为830 kJ/kg。传统的LNG接收站采用海水开架式气化器(ORV)或浸没燃烧式气化器(SCV)来气化LNG，不仅浪费了宝贵的低温冷能，还对附近海域产生热污染。因此，必须合理有效地利用LNG的冷能。

LNG冷能利用的方式可以分为直接利用和间接利用。直接利用包括：空气分离、低温发电、冷冻仓库、制造液态CO2及干冰、海水淡化、汽车冷藏及空调、轻烃分离、空调制冷、蓄冷、建造人工滑雪场等。间接利用主要是利用LNG冷能产生的液氮和液氧，包括：低温粉碎、污水处理、冷冻食品、低温医疗等。空气分离的温区在-190～-150℃，LNG的气化温度是-162℃，与空气分离的温区相匹配，将LNG的冷能用于空气分离是最合理的冷能利用方式。

四川空分集团与中海油针对LNG冷能空分技术进行联合研发，取得了多项发明专利，并且采用自主专利技术的LNG冷能空分装置已经在宁波、唐山、珠海项目上成功应用。

1　LNG冷能空分技术

空分装置特别是液体空分装置需要大量的低温冷能，常规液体空分通常采用空气增压循环或氮气增压循环，再配置两台高温、低温增压透平膨胀机制冷为空分装置提供所需冷量。因此，常规空分装置的低温环境完全由电力驱动的机械制冷产生，一般其电力成本占到生产成本的70%左右，同时还要消耗大量的冷却水。

LNG冷能空分装置，将LNG高品质的低温冷能用于空分装置，取消高温、低温膨胀机，可使能耗显著降低。同时 LNG冷能空分装置在减排CO2方面也有重要意义，据相关资料显示，一套600 t/d的液体空分装置，相当于间接减排CO2约8.5万t。

以四川空分集团与中海油联合申请的LNG冷能空分专利技术为例，说明冷能空分的原理。自主专利技术采用循环氮气吸收LNG的低温端冷量，用乙二醇水溶液吸收LNG的高温端冷量，可实现空分运行机组小型化，并且能使运行耗电降低约56%，工艺耗水降低99%以上，大大降低系统能耗。LNG冷能空分流程示意图如图1所示。

图1　LNG冷能空分流程示意图

LNG冷能空分装置的主要工艺单元包括：1. 空气过滤及压缩系统；2. 空气纯化系统；3. 氧氮氩精馏系统；4. LNG-氮换热系统；5. 乙二醇循环冷却系统；6. 低温液体贮存气化系统。

在LNG冷能空分的工艺单元中，空气过滤及压缩、纯化、氧氮氩精馏、低温液体贮存装车系统与常规空分相同。空气经过压缩纯化后送入空气分离单元，原料空气在主换热器中与低压氮气和循环氮气换热被冷却后进入下塔参与精馏，经过精馏系统的精馏获得液氧、液氮、液氩产品。液体产品送入贮存及装车系统，供用户使用。

空分系统是氧气富集区，天然气作为碳氢化合物，对空分系统是极为敏感的有害物质，因此，对LNG冷能的利用需要采用中间介质来实现，从而避免LNG与空分系统的直接接触。采用压力氮气作为中间介质，即从空分装置下塔塔顶抽取压力氮气，与LNG换热器来的压力液氮换热并被液化后返回下塔，将冷量由LNG传递到空分系统。

在乙二醇循环冷却系统中，LNG的高温端冷量通过乙二醇水溶液作为冷媒，将冷量传递给压缩机的各个冷却器。

LNG与循环氮气和乙二醇水溶液换热后，升温至管输温度送入输气管线。

2　LNG冷能空分技术的应用

四川空分集团在LNG冷能空分领域已经走在行业的前列，与中海油联合取得“利用液化天然气冷能的空气分离方法”、“一种利用液化天然气冷能的空分系统”两项发明专利。除此以外，四川空分集团还取得了“一种高效利用液化天然气冷能的空分系统”一项发明专利。并且LNG冷能空分专利技术已经在多个项目上得到了工业化应用。

2.1LNG冷能空分项目

目前已有3个采用自主专利技术的LNG冷能空分项目成功应用，性能参数如表1所示。

表1　LNG冷能空分项目

中海油宁波LNG冷能空分项目，是国内首套采用中海油与四川空分联合申请专利的具有自主知识产权的LNG冷能空分装置。该项目已于2015年1月一次开车成功，空分装置生产出的液氧、液氮、液氩产品的产量、纯度及能耗均达到设计要求。

唐山LNG冷能空分项目，采用四川空分的自主专利技术。该项目已于2015年6月一次开车成功，各项性能指标均达到设计要求。

中海油珠海LNG冷能空分项目，采用与中海油宁波项目相同的专利技术。该项目已完成工艺包设计及关键设备制造，预计将于2016年投产。

2.2LNG冷能空分关键技术

2.2.1空气分离液化系统

LNG冷能空分的空气分离液化系统的冷源来自于LNG-氮换热系统的循环液氮，氮气采用封闭循环，不参与精馏，安全可靠。

LNG冷能空分与常规空分相比，取消了高低温膨胀机。因此，空气分离液化系统的工艺流程及配置更简单，技术成熟可靠，操作方便，同时大幅降低能耗。

2.2.2LNG-氮换热系统

LNG-氮换热系统采用循环氮气吸收LNG的低温端冷量，本系统的关键设备是低温氮气压缩机和LNG-氮高压板翅式换热器。

1. 低温氮气压缩机。低温氮气压缩机的特点是进气温度低(～-120℃)，压比大，实际体积流量小。

低温氮气压缩机设计和制造难度较大，在选型时可选用进口或国产机组。

2. LNG-氮高压板翅式换热器。LNG-氮高压板翅式换热器的特点是设计压力高，局部温差大。

LNG-氮高压板式的LNG通道设计压力需要与接收站的LNG高压泵设计压力一致，设计压力高达11.6 MPa(G)/13.2 MPa(G)。

目前国产板翅式换热器最高设计压力约为10.0 MPa(G)，因此LNG-氮高压板翅式换热器选型时需要采用进口产品。

2.2.3LNG-乙二醇换热系统

LNG-乙二醇系统采用乙二醇吸收LNG的高温端冷量，采用乙二醇水溶液封闭循环系统为压缩机提供冷却水，取消传统的循环水系统。

本系统的关键设备——LNG-乙二醇换热器由四川空分集团设计。在设计过程中解决了下述问题：LNG-乙二醇换热器热力学计算、振动分析、启动过程中防止乙二醇结冰分析。

LNG-乙二醇换热器经过宁波和唐山项目现场开车验证，设备的性能满足装置要求。

3　LNG冷能空分应用的建议

1. LNG冷能空分与接收站同步规划、同步建设。根据四川空分集团目前建造的几个LNG冷能空分项目，LNG冷能空分的建设往往滞后于接收站的建设。

LNG冷能空分的设计，在工艺条件、接口条件、操作方式等方面，都需要与接收站沟通协调。 但由于LNG冷能空分项目的滞后，在LNG冷能空分开始设计时，接收站的设计已经完成，相关设备已经订货，不能根据冷能空分项目的相关要求修改接收站的设计。这样就给冷能空分的设计、建造及运行带来了一些问题。

因此，建议LNG冷能空分项目，与接收站同步规划、同步建设，使接收站在设计时能够兼顾冷能空分的需求。

2. LNG温度对冷能空分的影响。LNG的温度对冷能空分的产量影响很大，LNG温度越高，冷能空分的产量越小、能耗越高，反之亦然。LNG冷能空分装置合理的LNG设计温度在-145℃～-150℃。根据冷能空分的运行参数及理论计算分析：LNG温度在一定范围内，温度每升高1℃，冷能空分的液体产量减少10 t/d；LNG温度超过一定范围，冷能空分的产量和能耗的影响更为明显。

而LNG接收站在外输气量较小或者卸船时，大量BOG经过BOG再冷凝器，与LNG换热后返回LNG储罐，使得LNG外输温度升高，一般在-125℃～-135℃，对冷能空分的经济运行造成很大影响。因此，建议LNG接收站在设计时能充分考虑冷能空分对LNG温度的要求，采取相关措施(如冷能空分LNG接口设置在BOG再冷凝器之前等)，使冷能空分能够经济高效地运行。

[1] 黄震宇. 一种高效利用液化天然气冷能的空分系统：中国，200910059100.0 [P]. 2011-05-25.

[2] 江克忠. 一种利用液化天然气冷能的空分系统：中国，201020548662.X [P]. 2011-06-01.

[3] 江楚标. 用液化天然气的冷量生产液氧、液氮 [J]. 天然气工业, 2007, 27(7): 124-126.

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[7] 傅皓，等. LNG接收站冷能利用方案与思考 [J]. 化工设计, 2011, 21(3): 10-14.

用于电子气体储存的

金属有机骨架材料

申请(专利)号：201480048872.3

公开(公告)日：2016-07-27

申请(专利权)人：纽麦特科技公司

摘要：金属有机骨架材料MOF包含金属离子和至少双齿有机配体的配位产物，其中所述金属离子和所述有机配体经选择以提供至少70g/L的电子气体可递送吸附容量。多孔有机聚合物POP包含来自至少多种有机单体的聚合产物，其中所述有机单体经选择以提供至少70g/L的电子气体可递送吸附容量。

高纯氨充装系统及利用其充装

高纯氨的充装方法

申请(专利)号：201610219093.6

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：海宁市英德赛电子有限公司

摘要：本发明公开了一种高纯氨充装系统及利用该充装系统充装高纯氨的充装方法，充装系统包括产品缓冲罐、产品罐和冷却装置，产品缓冲罐连接高纯氨生产线的采出端，其上装有第一液位计，产品缓冲罐的液相接口通过第一液相管线与产品罐的液相接口连接，通过第二液相管线经充装站与槽车的液相接口连接，产品罐的气相接口通过产品罐气相管线经充装站与槽车的气相接口连接，在第一液相管线、第二液相管线及产品罐气相管线上分别设置有控制各管线通断的阀门，产品罐上设置有第二液位计和温度传感器，冷却装置用于对产品罐冷却降压。采用本发明中的充装系统及充装方法能有效避免充装过程中的污染，保证产品纯度，并能有效降低充装能耗，具有很好的实用性。

氙气和其他高价值化合物的回收

申请(专利)号：201180040844.3

公开(公告)日：2016-06-01

申请(专利权)人：恩特格里斯公司

摘要：用于从含高价值气体、例如氙气的工艺流、材料或环境对其进行回收的系统和方法，通过将来自工艺流、材料或环境的气体与能有效吸附捕获高价值气体的碳吸附剂接触，以去除或降低所述工艺流、材料或环境的含高价值气体的气体中与高价值气体共存的流体物种的浓度。本文公开内容的其他方面包括氡气检测方法和产品。

一种膜法氦气提纯装置系统和工艺

申请(专利)号：201410219939.7

公开(公告)日：2016-05-11

申请(专利权)人：上海精腾新能源科技有限公司

摘要：本发明涉及一种膜法氦气提纯装置系统及工艺：收集得到的混合氦气经第一预处理器的预处理，达到设定的入膜气体要求后，进入第一中空纤维膜进行分离；第一中空纤维膜分离得到的非渗透气回收或排空，分离得到的渗透气进入第二预处理器；第一中空纤维膜的渗透气经第二预处理器预处理后，进入第二中空纤维膜继续分离处理；第二中空纤维膜分离得到的非渗透气循环至第一预处理器，分离得到的渗透气为产品氦气；本发明采用膜法提纯工艺，对低浓度的氦气进行回收再利用，设备体积小、工艺简单、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，工程师。2009年毕业于华中科技大学制冷与低温工程专业，硕士研究生，现在四川空分设备(集团)有限责任公司低温技术研究院从事研发设计工作。