LNG冷能空分技术研究

1、LNGa能空分技术研究文江蓉等四川空分设备（集团）有限责任公司引言LNG（液化天然气）是天然气经过净化、液化而成的低温液体（约-162C）,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1468万吨，预计到2020年以后，我国年进口LNG将达到6000万1亿吨。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汽化为常温气体后再送入天然气管网。在汽化过程中LNG要释放大量冷能，据估算，理论上其释放的冷量约为830kJ/kg。传统的LNG接收站采用海水开架式汽

2、化器（ORV）或浸没燃烧式汽化器（SCV）来汽化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、轻姓分离、空调制冷、蓄冷、建造人工滑雪场等。间接利用主要是利用用LNG冷能产生的液氮和液氧。包括：低温破碎、污水处理、冷冻食品、低温医疗等。空气分离的温区在-190-150C之间，LNG的汽化温度是-162C,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

3、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、珠海、唐山项目上成功应用。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

4、吨/天的液体空分装置，相当于间接减排CO2约8.5万吨。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。自一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下图所示。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）氧氮氮精储系统；（4）LNG-氮换热系统；（5）乙二醇循环冷却系统；（6）低温液体贮存汽化系统。在LNG冷能空分的工艺单元中，空

5、气过滤及压缩、纯化、氧氮氮精储、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储，经过精储系统的精储获得液氧、液氮、液氮产品。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

6、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”、工种新型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工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2.1 LNG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，性能参数如下表所示表LNG冷能空分项目项目名称中海油宁波项目生产规模614

7、5吨天液氧产量300吨/天液氮产量300吨/天液氨产量14.5吨/天高纯液氧产量/中海油珠海项目唐山项目6145吨天723吨/天300吨/天540吨/天300吨/天150吨/天14.5吨/天26吨/天/7吨/天(1)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、液氮产品的产量、纯度及能耗均达到设计要求。(2)唐山LNG冷能空分项目，采用四川空分的自主专利技术。该项目已完成建设，将于2015年4月正式投产。(3)中海油珠海LNG冷能空分项目，采用与中海油宁波项目相同

8、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。2.2 LNG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，不参与精储，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。2.2.2 LNG-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(-120C),压

9、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11.6MPaG/13.2MPaG。目前国产板翅式换热器最高设计压力约为10.0MPaG,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。本系统的关键设备一一LNG-乙二醇换

10、热器，由四川空分集团设计。在设计过程中，解决了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问题分析等问题。LNG-乙二醇换热器经过宁波项目现场开车验证，设备的性能满足装置要求。3LNG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-145C-150C左右。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，LNG温度升高1C,冷能空分的液体产量减少10吨/天；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