LNG冷能空分技術的應用與節能分析

許 澎

（中石化南京工程有限公司，江蘇 南京 210049）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG） 接收站在LNG 上岸后轉輸管道前需要進行氣化，在氣化過程中會釋放大量冷能，據理論估算其釋放的冷量約為830 kJ/kg，如不加以利用，將會造成巨大的冷能資源浪費和環境的冷污染，按600 萬t/a 規模測算，相當于進口4 980～5 160 TJ/a 的冷能，接近1 臺300 MW 發電機組的年發電量[1]。國家發展改革委印發的《天然氣發展“十三五”規劃》明確要求“實現天然氣開發利用與安全健康、節能環保協調發展”，并明確要求“加大LNG 冷能利用力度”。可以說LNG 冷能回收利用具有顯著的節能減排作用，是典型的循環經濟模式[2]。

當前，LNG 冷能利用最成熟的技術是將空氣液化分離，用以生產液氮、液氧和液氬產品。傳統空分裝置的冷量完全由電力驅動機械制冷產生，其電力成本在生產成本中的占比很大。利用LNG 冷能進行空分，可實現運行機組小型化，相比傳統空分，耗電量降低56%左右，工藝耗水降低99%以上，系統能耗大大降低，使空分產品具有很強的市場競爭力[3]。

1 LNG 冷能空分技術的特點及應用

LNG 冷能空分是將LNG 的氣化與空分相結合，利用LNG 氣化時釋放的巨大冷量來液化分離出液氮、液氧、液氬等空分產品的一種工藝，主要包括空氣過濾及壓縮系統、空氣純化系統、低溫系統（冷箱）、乙二醇循環冷卻系統、液體產品貯存汽化系統、液體產品裝車系統、輔助系統（儀表空氣系統，加溫、解凍、置換系統，殘液排放系統）、儀控系統等[4]。由于空分區域氧氣富集，以甲烷為主要成分的天然氣作為碳氫化合物是極為敏感的有害物質，因此，LNG 冷能的利用需要采用中間介質，從而避免LNG 與空分系統直接接觸。LNG 冷能空分裝置采用的中間介質為壓力氮氣，即空分裝置下塔中抽取的壓力氮氣，與LNG 換熱器中的壓力液氮換熱并被液化后返回下塔，從而將冷量由LNG 傳遞到空分系統，并由此獲得液氧、液氬及部分液氮產品。LNG 的高溫端冷量通過冷媒乙二醇水溶液傳遞給各冷卻器。

LNG 冷能空分技術在國內的應用已經相對成熟，如中海油空氣化工產品（福建） 有限公司的LNG 冷能空分裝置采用了美國AP 公司的專有技術，聯華工業氣體公司在高雄永安工廠的冷能空分裝置中采用原英國BOC 公司（現林德） 提供的技術。近年來，我國在LNG 冷能空分技術領域做了大量工作，多項自主研發的裝置運行穩定、產品質量達標、性能穩定，相關技術具有國際先進水平，其中空氣過濾、壓縮、分子篩凈化、精餾、無氫制氬等工藝技術及設備與常規空分裝置相同，不同點是在空氣預冷系統和制冷液化系統用LNG 冷能換熱替代了水冷卻和膨脹機械制冷，相應的用乙二醇冷卻設備、氮氣液化器熱交換器、冷氮壓縮機取代了空冷塔、循環壓縮機和膨脹機[5]。

空分裝置的主要成本取決于能耗水平，LNG 冷能空分工藝能耗水平相對較低，利用LNG 冷能來冷卻和液化空氣可以使空分過程的電耗降低56%左右。但由于LNG 冷能工藝涉及低溫高壓LNG/NG管道系統及設備，投資水平略高于傳統空分工藝，以傳統空分工藝為基準（基準值假設為1），將LNG 冷能空分工藝和傳統空分工藝進行對比，可知LNG 冷能空分工藝的能耗水平只有傳統空分工藝的30%，而單位投資增加20%～40%，見表1。

表1 LNG 冷能空分和傳統空分對比表

2 LNG 冷能空分技術的先進性

LNG 冷能空分技術的先進性主要表現在以下幾個方面。

1） 傳統空分裝置的低溫環境完全由電力驅動的制冷機械設備產生，消耗大量的電能，而LNG含有大量的低溫能量，在被用于燃料或化工原料之前需要進行熱交換將其氣化為常溫氣體，回收利用這部分LNG 冷能來冷卻和液化空氣可以使空分過程的電耗降低56%左右。此外，LNG 冷能空分采用乙二醇水溶液封閉循環利用LNG 代替傳統空分的循環冷卻水，所以幾乎沒有水耗。采用乙二醇水溶液作為冷卻劑，乙二醇水溶液在LNG-乙二醇換熱器中被LNG/NG 冷卻并作為壓縮機級間及末級冷卻器、潤滑油系統、低溫氮氣壓縮機電機及潤滑油系統的冷源，充分利用了LNG 的高溫段冷量。乙二醇水溶液循環冷卻系統取代傳統的循環水系統，可使壓縮機級間及末級冷卻器的排氣溫度更低，能耗更低。同時，乙二醇水溶液還具有配兌容易、不易揮發、使用安全可靠、防腐和防垢等優點。

2） 采用氮作為與LNG 換熱的介質，空分系統與LNG-氮液化系統采用壓力氮循環傳送冷量，循環氮不參與精餾，空分的安全性能好。

3） 采用常溫低壓氮氣壓縮機可顯著增加上塔液氮回流量，氧、氬的提取率升高，原料空氣壓縮機氣量減小，能耗降低。

4） 低溫氮氣壓縮機采用中低壓分開的配置，即單獨設置一臺低壓氮氣壓縮機將來自空分系統的原料氮氣壓縮到適當壓力，再匯合其余壓力氮后進入中壓氮氣壓縮機的入口，啟動及正常操作更加容易，調節范圍更大，運行更加穩定。在LNG 進料溫度偏高需要降低液氮產量時，可停運低壓氮氣壓縮機而只運行循環氮氣壓縮機，從而降低了能耗。

5） 液氮產品一部分直接來源于液氮過冷器的液氮并經空分過冷，另一部分來源于空分裝置，調節靈活，適應范圍廣，一旦LNG 冷箱內的板式換熱器內漏，可關閉LNG 來液氮管線，液氮產品全部取自空分，可通過增大液氮產品和適當減少液氧、液氬產品實現穩定經濟運行。

6） LNG-氮換熱器的出口段設置天然氣泄漏純度分析聯鎖報警點，可以起到很好的防護作用，避免對液氮貯槽造成污染。

7） 液氧產品直接由主冷凝蒸發器連續抽出，烴類物質在主冷中濃度遠低于壓力極限值，確保了主冷安全。

8） 傳統空分要增加壓縮機和透平膨脹機等大功耗設備來獲得冷量，耗電量大，電力成本占生產成本的比重達70%左右。與之相比，LNG 冷能空分充分利用回收LNG 的冷能實現空氣的冷卻和液化，省去了制冷裝置，可使空分運行機組小型化，耗電量和耗水量大大減少，從而降低了生產成本。

3 LNG 冷能空分的節能分析

3.1 節能措施

1） 低溫氮氣壓縮機采用中低壓分開的配置，即單獨設置一臺低壓氮氣壓縮機將來自空分系統的原料氮氣壓縮到適當壓力，再匯合其余壓力氮后進入中壓氮氣壓縮機的入口，啟動及正常操作更加容易，調節范圍更大，運行更加穩定。在LNG 進料溫度偏高需要降低液氮產量時，可停運低壓氮氣壓縮機而只運行循環氮氣壓縮機，從而降低了能耗。

2） LNG-氮換熱系統冷箱板翅式換熱器采用兩級節流過冷，改善板翅式換熱器溫差，LNG 利用效率高，能耗比常規流程低。

3） 關鍵設備LNG-氮氣高壓板翅式換熱器、高壓LNG/NG 均采用進口閥門，能耗更低，運行更穩定可靠，系統更加安全。

4） 與常規液體空分流程相比，LNG 冷能空分取消了冷熱端膨脹機、循環壓縮機及預冷機組，能耗更低。

5） 常規液體空分壓縮機功率大，采用涼水塔蒸發大量水提供循環冷卻水；LNG 冷能空分利用乙二醇水溶液封閉循環，減少跑、滴、漏，幾乎不消耗工藝水，檢修通過收集、過濾回收，幾乎無工藝排污。

6） 純化器采用立式內絕熱結構，可減少再生熱負荷，降低再生功耗10%以上，能耗低。

3.2 節能效果

1） LNG 冷能空分具有先進水平的相關節能技術，再通過系統能量集成等綜合節能措施，能耗指標達到國內外先進水平。

2） LNG 冷能空分屬國家鼓勵發展的產業，工藝先進、能耗低，并采取了各種節能措施。

3） LNG 冷能空分工藝同時在電氣、給排水、建筑、通風及空氣調節、設備選型等方面采取各種節能措施，與同等規模的常規空分相比，電耗節省56%左右，水耗節省99%以上。

4 結束語

對于空分產品而言，因為產品本身差異不大，所以競爭力主要集中在價格、安全性、供應的可靠性和氣體應用技術方面。一般情況下，空分裝置的低溫環境完全由電力驅動的機械制冷產生，隨著溫度的降低，消耗的電能將急劇增加，因而電力成本占生產成本的70%左右。利用LNG 氣化的冷能冷卻液化空氣來制取空分產品，可實現空分運行機組小型化，通常可以節約電耗56%左右，且無水耗，在節能上具有很大優越性，使空分產品具有很強的市場競爭力。

LNG 冷能空分具有生產流程長、運轉設備多、操作要求高的特點，需要消耗較多的能量。為保證工程項目可以合理利用并節約能源，在項目設計中需積極采用新技術、新工藝、新設備以及新材料，使生產過程中的水、電、氣等的消耗得到進一步的降低，從而進一步提高節能效果。