LNG冷能在空分中的应用及影响因素分析

随着全球经济的飞速发展，作为经济发展的原动力——能源，被越来越多的国家、地区所重视。而依靠单一能源的高风险性和传统能源对环境的污染性，促使能源多元化成为全球的发展趋势。天然气作为化学能源之一，因为它巨大的储藏量和低污染性，被渐渐提升为及煤、石油之后的主要能源支柱，具有广阔的应用前景。

一、天然气介绍

天然气的主要成分是甲烷，另含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷等，处理过的天然气杂质主要是少量的二氧化碳、硫化氢等。与其它化石燃料相比，天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物，因此，天然气是一种清洁的能源。

在大气压下，冷却至约-162℃时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（Liquefied Natural Gas，缩写为LNG）。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右，热值为52MMBtu/t（1MMBtu=2.52×10⁸cal）。

二、液化天然气的冷能及应用

天然气液化的目的主要有三个：分离、调峰、储运。分离主要是对富气（一般指甲烷含量小于90%的天然气）通过液化、分离，从天然气中生产单组分产品，如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及汽油等；调峰是通过对天然气液化和贮存、汽化，解决用户在使用天然气过程中，出现的用量峰谷的不平衡问题，以确保用户的正常用气；储运主要是通过天然气的液化、储运，作为天然气长距离运输的一种形式，解决天然气产地和用户分离的矛盾。天然气的分离和储运根据实际情况，可以整合在一起进行。

不管出于哪种目的，为了使其液化，都要通过一定的外部措施，产生低温冷能。据统计，每生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850kw·h，LNG气化时又要放出大量的冷量，其值大约为830kJ/kg（约合每吨230.55kw·h）。LNG冷能制造与释放在时间、地点上的差异，导致液化的一端需要不断的补充冷能，使用的一端又不断的有富足冷能需要释放。因此可以说LNG的在储运天然气的同时，携带了大量的冷能。充分利用这部分冷能，可以提高能源的利用率，尽可能的降低天然气的使用成本；反之，LNG在气化时需要大量的热量，不但增加费用，而且还会带来对环境的污染。所以如何回收和利用LNG冷能，是天然气利用领域非常关注的问题。

目前，液化天然气冷能的应用主要在如下一些方面：

	应用领域	产品	用途
LNG冷量	低温发电	电
	液化二氧化碳	LCO₂、干冰
	深度冷冻	低温冷库	食品保鲜、冷藏
	空气分离	液氮	液化二氧化碳、深度冷库、集中供冷系统、低温粉碎
		液氩	钢厂、焊接、照明、电子等
		液氧	臭氧、水处理、军工、医用、钢厂、金属加工等

从上述列表可以看出，虽然LNG冷量可以用于多个方面，但用于空气分离时，产出的液氧、液氮、液氩等产品，在实际中的应用很广，大大衍生了冷量的应用领域，提高了冷能利用的效益，具有很大的扩展空间。

三、液化天然气的冷能在空分中的利用

LNG的温度大约为-162℃，而低温法空气分离装置中，氧气的液化温度为-182.97℃、液氮的液化温度为-195.8℃，都远远低于LNG的温度，所以，从温度等级分析，空气分离装置可以充分的利用LNG的低温冷能。而对于空分系统，LNG冷能的加入，可以大大降低电耗、增加液体的生产量，提高产品在市场销售中的竞争力。据日本现有的相应的空分系统提供的数据，利用LNG冷能的空分系统比常规的系统要节电50%、节水70%以上。

空分系统利用LNG冷能的流程组织可以有多种方式，基本的原则是在保证空分系统正常安全运行的前提下，尽可能多的利用LNG的冷能，降低空分装置运行的耗电和耗水，起到节能环保和高效运营的作用，达到变废为宝、提高能源综合利用率的目的。对于空分系统，由于是个氧气富集区，天然气作为碳氢化合物，是极为敏感的有害物质，因此，对LNG冷能的利用也通常采用中间介质置换冷能，避免LNG与空分系统的直接接触。下面通过对一个一万等级的液体空分流程，以氮为媒介，利用LNG冷能生产液体产品的流程的计算，分析冷能利用的影响因素，为流程组织中参数的选取提供参考。

（一）流程简介

利用循环氮气回收LNG冷能，进行空分液体产品生产的流程图如图二所示。流程的总体思路与现在流行的空分装置内压缩流程组织大体相似。空分主体部分由空气加压系统、预冷系统、纯化系统、换热系统、精馏系统等组成；冷能回收系统采用循环压力氮作为媒介将LNG高压低温冷能转换为低压低温冷能送入空分系统，系统中设置增压膨胀机组以提高LNG冷能的利用率。

图二：液化天然气冷能回收空分装置简图

1）空分主体部分：

原料气（空气）经空气过滤器（1）被空压机（2）吸入，压缩到0.6MPa左右, 送入空冷塔(3)预冷后, 进入分子筛纯化系统(7)进行净化, 清除CO2和水分。再送入空分冷箱。进入空分冷箱的空气首先进入主热交换器（10）与低温气体(污氮、纯氮和循环氮气)换热，被冷却至饱和状态送入精馏塔下塔（13），空气在此进行初步精馏。在下塔的顶部获得纯度为99.999%以上的液氮和气氮。在下塔的底部获取富氧液空。

液氮经过冷器(14)后, 其中一部分作为产品送入液氮贮槽；一小部份送去精氩塔(18)作为生产精氩产品的冷源；其它全部送入精馏塔上塔, 作为生产下游产品(氧、氩)的馏份。一小股气氮作为精氩塔的热源, 自身被液化后, 也作为馏份送入上塔。

富氧液空经过冷器(14)后分成二股：一股直接送入精馏塔上塔（11）；另一股去粗氩塔冷凝器（17），作为生产粗氩的冷源，与粗氩塔（15）中的粗氩换热，所形成的汽相和液相一并送入上塔。

产品液氧在上塔底部形成，经过冷器（14）过冷后送入液氧贮槽。汽相氩馏份（制氩原料）从精馏塔上塔抽出。经粗氩塔（15）精馏，粗氩在粗氩

塔顶部抽出并送至精氩塔（18）。液相贫氩馏份从粗氩塔底部流出。送回精馏塔上塔。

纯度为99.999%以上的精氩产品在精氩塔底部形成送入液氩贮槽。

2）LNG冷能回收系统：

氮气经冷却器（19）被LNG 冷却至一定低温后，进入循环压缩机（20）和膨胀—增压机组（22）增压到一定压力。加压后的氮气分成两股：一股进入LNG换热器（23）与LNG进行换热到一定温度候抽出，抽出气去膨胀—增压机组膨胀（22），降温并部分液化进入汽液分离器（25）；另一股经LNG换热器（23）和换热器（24）换热降温后，节流进入汽液分离器（25）。出分离器的液氮去空分冷箱的精馏塔下塔(13)，气氮经换热器（24）、LNG换热器（23），复热回收冷量后和从空分来的另一股氮气合并，返回循环增压机（20）。

（二）影响LNG冷能回收因素分析

通过图二可以看出，整个空分主体系统与LNG换热系统通过一个循环氮系统联接，两个系统的相互影响关系完全通过循环氮系统来传递。因此，完全可以通过对LNG换热系统与循环氮系统的相互影响的分析，得出LNG换热系统对整个空分系统的影响。影响LNG与循环氮气系统的参数主要有LNG压力、流量，循环氮气的压力、流量等，整个影响反映在空分系统中，就是装置单位电耗的大小。下面通过对一万等级空分的计算，分析LNG冷能在空分系统应用中的诸多影响因素。

利用HYSYS进行流程计算，得出一万等级液体空分在不配置膨胀机组时，需要LNG冷能转换系统提供9.741×10⁶KJ/h的冷量，相当于压力为5.8bar的饱和液氮量23180 Nm³/h气化至-22℃时放出的冷量。以下在保持液氮量不变的基础上，分析其他因素之间的相互影响关系。（为避免膨胀机的产冷对分析的影响，分析中取消膨胀机，采用如图三所示的流程组织

1、 LNG压力对冷能利用的影响。

天然气的用户往往分散在不同的地方，为了将接收站集中接收的天然气送往用户端，一般要经过液体泵将LNG加压到一定压力后再气化。LNG冷能主要是在气化过程中释放的，所以LNG的压力对冷能回收利用具有直接的影响。随着压力的升高，LNG的饱和温度随之升高，LNG的潜热段不断的向温度高的方向移动并减少。应该说，LNG压力越低，其低温冷能的品质就越高，相同的LNG量气化至常温，压力低的提供的冷量也多，但同时低压力下，低温潜热段很难充分利用，换热器的换热温差明显增加，换热组织难度加大；而随着LNG压力的提高，虽然潜热段减少并上移，但由于采用泵压送，因压力升高而造成的LNG温升很有限（常压压到90bar，大约温升5度），所以对于冷能利用来说，只要有足够多的LNG量，以此来补充压力升高而造成的冷能减少量，仍就可以充分利用其冷能，为空分提供足够的能量。并且，作为用氮做媒介的换热系统，LNG压力的升高，可以找到一个相匹配的氮气压力，使换热温差减小，提高冷能利用率。另外，在具体的流程组织中，可以通过增加返流氮气，来补充换热系统冷端的能量的不足，通过增加膨胀机组，来补充整个系统冷量的不足。图四所示是利用HYSYS计算所得的换热器温差曲线图，左图所示LNG压力为10bar，右图所示LNG压力为90bar。