LNG 冷能利用空氣分離模擬研究

摘要：為了便于天然氣的儲運，通常將潔凈的天然氣經過壓縮、冷卻液化成 液化天然氣LNG，在使用前將其再氣化。LNG 冷能的利用因盡可能在低壓低溫條件下，并充分利用其氣化潛熱所帶來的可觀冷量。空氣分離作為所需制冷溫位很低的工藝，在 LNG 低溫段具很好的適應性，高品位冷量可充分利用。

關鍵詞：LNG；冷能；空氣分離；模擬

天然氣作為一種優質清潔的化石能源在化工、能源等領域具有廣泛的應用和光明的發展前景。大量 LNG 在氣化過程中能釋放出可觀的冷量，如果不利用這部分能量，會造成能量的浪費與冷污染，如何充分合理回收與利用這部分能量已成為重要的課題。本文采用 Aspen Hysys工藝過程模擬軟件，針對工藝流程進行模擬計算，可以實現新工藝新流程的開發、生產的調節優化與故障的診斷、工藝流程實際生產的科學管理。

1空氣分離方法及原理

空氣中的主要成分是氧、氮與稀有氣體。它們以氣體分子狀態存在并均勻地混合在一起，常溫常壓條件要將它們分離出來較為困難。氮氣、氧氣、稀有氣體同樣具有氣液固三態，在一個大氣壓下，氮氣需冷凝至-196℃，氧氣需冷凝至-183℃，氬氣需冷凝至-186℃發生液化。目前工業化的空分方式主要分為三種。

（1）深冷法（即低溫法）：將混合物空氣通過壓縮增壓、降溫冷卻和節流膨脹，直至空氣液化，利用氧、氮氣化溫度的差異實現氧、氮的分離。要將空氣液化利用沸點差異再分離，需將空氣冷卻到-173℃甚至更低的溫度，這種制冷叫深度冷凍；利用沸點差異將液態空氣分離為氧、氮、氬的工藝過程稱之為精餾過程[1]。深冷與精餾的方式是目前工業上應用最廣泛的空氣分離方法，傳統全液體空分包括壓縮與凈化、冷卻換熱、精餾分離、制冷四個基本過程[2]。

（2）變壓吸附法（PSA）：利用分子篩（沸石分子篩、炭分子篩）這種多孔性物質，擁有極大的內表面積，很強的吸附能力，對不同的氣體分子具有較高選擇性的特點，對氣體分子不同組分有選擇性的進行吸附，達到較高純度的產品。

（3）膜分離法：利用一些有機聚合膜這種選擇透過性膜的選擇性，在外力推動下，空氣通過薄膜或中空纖維膜時，氧氣穿過膜的速度比氮快的多的特性，實現混合物的分離、提純與濃縮。

2 LNG冷能用于空氣分離方式

在傳統空分利用氮氣膨脹循環制冷被廣泛應用，LNG 冷能利用應用于空氣分離，液化天然氣冷卻循環氮氣亦為主流方式，將冷量傳遞給氮氣，液化天然氣氣化后經加熱器達到輸氣溫度進入輸氣管網。空氣先經過濾器清除灰塵與機械雜質，潔凈空氣經空壓機增壓，凈化器中由分子篩吸附脫除二氧化碳和水分，防止凍結阻塞通道。在換熱器中，空氣被循環氮氣和污氮冷卻至-173℃進入下塔上塔，與液氮進行換熱。空氣組分依次被液化，進入相應儲罐儲存。含氬液態氣通過氫罐加氫催化脫氧，再經凈化器和精氬塔凈化提純，最后送入儲罐[3]。下塔分出-163～-173℃循環氮氣與原料空氣換熱后升溫至 0℃，進入 LNG 換熱器與 LNG 換熱，溫度降至-153℃左右進入氮氣壓縮機增壓。2.6MPa，-87℃左右高壓氮氣進去 LNG 換熱器，降至-153℃，經氮氣節流閥減壓至 0.4MPa 進入下塔液氮進口，繼續與空氣換熱氣化。上塔頂污氮經換熱器換熱完成冷能回收，一部分經電加熱后去向凈化器分子篩再生，其余放空。LNG 經換熱后氣化至-13℃左右，加熱后送入輸氣管線。

3空氣分離模擬流程

完整的空分流程十分龐大，在此進行最簡化，不討論空分工藝的全部產品，在本文中產品為液態氮與液態氧，主要從熱力學角度分析問題。空氣中氮氧組分占總量 99%以上因此簡化空氣為氮氧二元組分，空分模擬流程如圖3所示：

圖3 雙級精餾塔 LNG 冷能空分流程模擬

圖中字母含義：A 空氣（液空），W 水，N 氮氣，LN 液氮，LO 液氧

流程簡述：常溫常壓空氣經壓縮機增壓，先經水預冷卻至 30℃，進入多股流換熱器深度冷卻，壓縮機增壓要滿足下塔工作壓力與工藝管道中流動損失，下塔工作壓力550kPa，深冷空氣以飽和狀態或接近飽狀態進入下塔。空氣在下塔中因上塔的低溫進行冷凝，下塔底部產生氧含量 38%～40%的富氧液空，經節流至上塔工作壓力 150kPa 后進入上塔；上部氮氣經節流后產生低溫進入換熱器深冷卻進口的空氣，換熱后氮氣經壓縮機壓縮增壓再與低溫 LNG 進行換熱冷卻，冷卻后經節流閥減壓降溫，產生部分液氮，經分離器分出氣氮與液氮，氣氮返回壓縮機中進行增壓，參與循環。一部分液氮作為產品從分離器下部抽取出，另一部分液氮符合上塔工作壓力，進入上塔。液氮與富氧液空進入上塔中，多次汽化與冷凝分離。利用下塔比上塔溫度高進行重沸騰，下塔底部產生濃度為 99.6%的液氧，頂部產生濃度為 99.9%的氮氣，污氮經換熱器預冷空氣后溫度約 10℃進入分子篩再生系統，加熱至 170℃左右加熱分子篩使其再生。

4結論

LNG 冷能的利用因盡可能在低壓低溫條件下，并充分利用其氣化潛熱所帶來的可觀冷量。空氣分離作為所需制冷溫位很低的工藝，在 LNG 低溫段具很好的適應性，且產品收益可觀。該模擬過程中發現?效率很低，原因是 LNG 換熱器一側溫差很大，不可逆損失很大。

參考文獻：（References）

[1] Engl G.，Kroner A.，Kronseder T.，et al.Numerical simulation and optimal control of air separation plants[J].Lecture Notesin Computational Science&Engineering，1999：221-231.

[2] Prasad R.，R.P.，Prasad R.，et al.Air separation system and method[P].CA：2229632C，1998.

[3] 顧安忠.液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.390-391.

作者簡介：

李現振（1991-），男，漢族，山東臨沂人，大學本科，研究方向：油氣集輸站庫工藝技術員.