接收站冷能空分的技術(shù)探討

李鉆

（中海油粵東液化天然氣有限責(zé)任有限公司，廣東 揭陽 522000）

1 LNG在常壓下為-162℃左右，蘊(yùn)藏著大量的低溫能量，在被用于燃料或化工原料之前，需要進(jìn)行熱交換把它氣化為常溫氣體。LNG氣化過程中，其釋放的冷能可采用直接或間接的方法加以利用。通過冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建，合理充分利用LNG冷能，可以節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 冷能空分的冷能利用技術(shù)探討

2.1 在空分裝置中利用LNG冷量技術(shù)可行性探討

在LNG氣化過程中，各種應(yīng)用場所下所能回收到的總冷量一定，但不同的回收溫度下所得到的有用功卻不同，即對LNG中所含冷量的利用效率不同。由制冷原理可知，要求的工藝溫度越低，常規(guī)制冷方式所消耗的能量越多，在到達(dá)一定的低溫區(qū)時，蒸發(fā)溫度每降低1K，能耗要增加10%，此時利用LNG冷能的節(jié)能效果也就越明顯，冷量的利用率也高。冷能利用場所的溫度較高時，傳熱過程中未能加以利用的大量冷量白白損失。

因此應(yīng)在盡可能低的溫度下利用冷能。由于空分裝置中所需達(dá)到的溫度比LNG溫度還低，因此LNG的冷量能得到最佳的利用。如果說在發(fā)電裝置中利用LNG冷量是最可能大規(guī)模實(shí)現(xiàn)的方式的話，在空分裝置中利用LNG冷量應(yīng)該是技術(shù)上最合理的方式。利用LNG的冷量冷卻空氣，不但大幅度降低了能耗，而且LNG氣化的費(fèi)用也可得到降低。日本在將LNG冷量應(yīng)用于空分方面也有較為成功的實(shí)踐。與普通的空分裝置相比，冷能空分電力消耗可節(jié)省50%以上，冷卻水節(jié)約100%。

2.2 工藝技術(shù)方案的探討

利用LNG冷能進(jìn)行空氣液化分離，生產(chǎn)液氧，液氮，液氬。

項(xiàng)目采用空分技術(shù)包括：TSA變溫吸附凈化空氣、全精餾無氫制氬工藝和LNG冷能利用。該技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）采用引進(jìn)的空氣壓縮機(jī)、冷氮壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，以保證生產(chǎn)過程長期高效低耗，并具有運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

（2）空氣冷卻系統(tǒng)采用管殼式換熱器替代空冷塔，乙二醇閉式循環(huán)冷卻，徹底消除原料空氣大量夾帶水進(jìn)入吸附器的可能。

（3）利用冷壓縮機(jī)和LNG冷能液化氮?dú)獾南冗M(jìn)技術(shù)，為生產(chǎn)大量液體產(chǎn)品提供冷量，同時有效的利用LNG冷能，節(jié)省能耗。

（4）采用先進(jìn)的DCS計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中控、機(jī)旁、就地一體化的控制體系，有效的監(jiān)控整套空分設(shè)備的生產(chǎn)過程。

2.3 冷能空分的冷能技術(shù)方案的工藝流程

冷能空分工藝系統(tǒng)主要由空壓和預(yù)冷系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、冷卻換熱和精餾系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、貯存運(yùn)輸系統(tǒng)組成，其各系統(tǒng)的流程闡述如下：

（1）空壓和預(yù)冷系統(tǒng)

空氣被多級并帶有中間冷卻器的主空壓機(jī)壓縮，大約0.5MPa的熱壓縮空氣被后冷器冷卻，中間冷卻器與后冷卻器冷媒為乙二醇，從后冷卻器出來的空氣接近大氣溫度，然后進(jìn)入乙二醇冷卻器進(jìn)一步冷卻到3℃左右，乙二醇循環(huán)通過LNG氣體來冷卻。

（2）空氣干燥系統(tǒng)

冷卻后的空氣（3℃）進(jìn)入吸附器，通過變溫吸附，吸附器可以除去水份、二氧化碳、乙炔、丙稀、丙烷、重?zé)N、N2O等雜質(zhì)。吸附器以交替方式進(jìn)行操

作：當(dāng)一個吸附罐在進(jìn)行吸附雜質(zhì)的時候，另一個正在用從空分裝置來的低壓廢氣進(jìn)行再生。

（3）冷卻換熱和精餾系統(tǒng)

經(jīng)過吸附器的干凈空氣在主換熱器中通過與來自深冷精餾塔的出料換熱被冷卻到深冷溫度，進(jìn)入高低壓塔，已冷卻的空氣在塔內(nèi)初步分離。利用上升氣體和下流液體的濃度差和組分差進(jìn)行熱質(zhì)交換，高沸點(diǎn)的氮被蒸發(fā)，低沸點(diǎn)的氧被冷凝，經(jīng)過多級塔板的冷凝和蒸發(fā)在塔釜形成富氧液。

在下塔頂形成高純度氮?dú)?，大部分氮蒸氣?jīng)過冷凝蒸發(fā)器與上塔底部液氧進(jìn)行熱交換，液氧被蒸發(fā)，而氮蒸氣被冷凝，部分冷凝的液氮再回到下塔作回流液。一部分液氮，在過冷器中過冷后送入上塔作為上塔的回流液；一部分液氮做精氬塔冷凝器的冷源。從下塔頂部抽出壓力氮，經(jīng)主換熱器復(fù)熱出空分裝置冷箱，去LNG換熱器冷箱，壓縮換熱后，再回到精餾塔，在整個工藝過程當(dāng)中氮?dú)獬洚?dāng)?shù)氖菗Q熱媒介的角色，并處于一個相對閉式的工作循環(huán)，整個系統(tǒng)由LNG提供冷量。低壓塔還抽出一股廢氣，在主換熱器里廢氣被回收冷量，然后用于吸附系統(tǒng)的再生。

從下塔底部抽出富氧液空，其中一部分去上塔作為回流液，另一部分富氧液空去給粗氬塔作為冷源，之后返回上塔。從上塔底部（主冷）抽出液氧，進(jìn)入主換熱器換熱，作為產(chǎn)品出冷箱，經(jīng)液氧泵送往液氧儲罐。

氬餾分從上塔中部送入粗氬塔一段，在粗氬塔一段中氧氣和氬氣分離，富含氧的物流從塔底返回到低壓塔，氬餾分再送入粗氬塔II段，上升氣體在粗氬塔II段上部分為兩路，大部分氣體在粗氬塔冷凝器中和液氧進(jìn)行換熱而冷凝并作為粗氬塔的回流液，回流液經(jīng)液氬泵送入粗氬塔的上部作為粗氬塔的回流液，返回粗氬塔一段；另一部分作為工藝氬送入精氬塔。氣體沿塔上升到精氬塔并在冷凝器中冷凝，不凝氣被送出，冷凝液體流向塔底，高純度液氬產(chǎn)品從精氬塔抽出被送往液氬儲罐。

冷能空分流程示意圖

（4）液化系統(tǒng)

液化的基本過程是冷卻和壓縮進(jìn)料氮?dú)?，進(jìn)一步冷卻加壓后的氮?dú)獠⒁夯獨(dú)?。LNG和氮是在液化器的換熱器中進(jìn)行熱交換的，在整個工藝過程當(dāng)中氮?dú)獬洚?dāng)?shù)氖菗Q熱媒介的角色，并處于一個相對閉式的工作循環(huán)。所產(chǎn)生的液氮一部分去儲罐，一部分去空分設(shè)備的主換熱器和空氣進(jìn)行換熱。從空分主換熱器出來的氣氮又返回到液化器系統(tǒng)。從空分送往液化器氮?dú)庵苯釉谝夯鲹Q熱器中冷卻后，然后進(jìn)行多級壓縮冷卻。被冷卻的氮?dú)鈴睦淠鞯闹邢虏砍槌?，該冷氮抽出后進(jìn)入冷氮壓縮機(jī)中壓段，該壓縮機(jī)中壓段有兩級，不設(shè)中間冷卻器和后冷卻器，將氮?dú)鈮嚎s到1.8MPa。壓縮之后返回到LNG液化冷凝器進(jìn)行冷卻，冷卻后也從中下部抽出，抽出溫度約為-118℃，之后進(jìn)入冷氮壓縮機(jī)高壓段，該壓縮機(jī)高壓段也有兩級，不設(shè)中間冷卻器和后冷卻器，將冷氮壓縮至6.7MPa。后返回到液化冷凝器進(jìn)行冷凝液化。氣氮在冷凝器中液化，相應(yīng)的LNG被加熱。液氮離開冷凝器的溫度約-150℃，壓力約6.7MPa。液氮離開冷凝器后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，流入到汽液分離器。該汽液分離器壓力約為0.5MPa，液體經(jīng)過分離器后去過冷卻器。閃蒸后的氮?dú)饣氐嚼淠鹘?jīng)加熱后被循環(huán)加壓來提高整個系統(tǒng)的效率。一部分液氮被送往空分裝置來提供冷量。另一部分液氮被過冷卻器過冷到-178℃后進(jìn)入低壓罐儲存。液體被過冷后進(jìn)入儲罐可以減少在低壓罐內(nèi)儲存的液氮的閃蒸損失。

天然氣進(jìn)液化裝置時的溫度低于-150℃，壓力為9.5MPaG。天然氣在整個液化系統(tǒng)及界區(qū)內(nèi)管網(wǎng)的壓降總損耗為0.4MPa，離開液化裝置時的溫度高于1℃。 液化器的精確配置和冷量的供應(yīng)方式取決于幾個重要的操作參數(shù)。那些對裝置和工藝配置有主要影響的參數(shù)包括：液氮/液氧比、LNG/液體比、LNG進(jìn)料溫度壓力。

定期向系統(tǒng)中補(bǔ)充少量的水或乙二醇，保證乙二醇凝固點(diǎn)的穩(wěn)定。正常生產(chǎn)過程中沒有任何含有乙二醇的廢液排放，在需要對設(shè)備或管道進(jìn)行檢修時會排放乙二醇。排放出來的乙二醇會通過罐車送到專業(yè)的廢液處理廠進(jìn)行處理或再利用。

2.4 LNG項(xiàng)目冷能空分的工藝擬定采用實(shí)施技術(shù)

2.4.1 采用引進(jìn)的空氣壓縮機(jī)、冷氮?dú)鈮嚎s機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備，以保證生產(chǎn)過程長期高效低耗，并具有運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.4.2 空氣冷卻系統(tǒng)采用管殼式換熱器替代空冷塔，乙二醇閉式循環(huán)冷卻，徹底消除了原料空氣大量夾帶水浸入吸附器的可能。

2.4.3 利用冷壓縮機(jī)和LNG冷能液化氮?dú)獾南冗M(jìn)技術(shù)，為生產(chǎn)大量液體產(chǎn)品提供的冷量，同時有效的利用了LNG冷能，節(jié)省能耗。2.4.4采用先進(jìn)的DCS計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中控、機(jī)旁、就地一體化的控制體系，有效的監(jiān)控整套空分設(shè)備的生產(chǎn)過程。

3 冷能空分的冷能資源利用效益性分析

在冷能利用項(xiàng)目中充分利用 LNG在氣化時放出大量的冷量，對這部分冷量充分利用后，天然氣可以直接接入城市管網(wǎng)，節(jié)約能源?？諝饫鋮s系統(tǒng)采用管殼式換熱器替代空冷塔，乙二醇閉式循環(huán)冷卻空氣，乙二醇通過LNG冷卻，中間通過乙二醇泵提供循環(huán)動力形成閉式循環(huán)，既提高了冷能利用效率又節(jié)水。

空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動的機(jī)械制冷產(chǎn)生的，隨著溫度的降低，消耗的電能將急劇增加，其電力成本占到生產(chǎn)成本的55%左右。利用回收LNG的冷能進(jìn)行冷卻、液化空氣來制取液態(tài)空氣分離產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)空分運(yùn)行機(jī)組小型化，并且能使運(yùn)行耗電降低50%以上，且生產(chǎn)耗水量降低為0，使空分產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場競爭力。

LNG冷能的利用可以替代常規(guī)能源，如煤、電、石油等，從而有效地降低溫室氣體的排放，預(yù)計(jì)每噸LNG冷能的充分利用可以節(jié)約500-700千瓦時的用電量，每節(jié)約1度電就可以減排大約1千克的二氧化碳排放量。項(xiàng)目年利用約40萬噸LNG的冷量計(jì)算，相對于常規(guī)的空分項(xiàng)目年減少排放二氧化碳約24萬噸，這將進(jìn)一步提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)方面的收益。項(xiàng)目盈虧平衡點(diǎn)（生產(chǎn)能力利用率）72.9%，項(xiàng)目抵御投資增加、產(chǎn)品價(jià)格降低、操作成本增長等風(fēng)險(xiǎn)因素的能力較強(qiáng)。

結(jié)束語

空氣液化分離技術(shù)方案，可以生產(chǎn)液氮、液氧和液氬，充分利用LNG冷能，實(shí)現(xiàn)了能源節(jié)約，技術(shù)上可行、合理。利用LNG冷能進(jìn)行空氣液化分離技術(shù)流程成熟，具有代表性。冷能空分的工藝實(shí)施技術(shù)具有穩(wěn)定性、可靠性、先進(jìn)性等優(yōu)點(diǎn)。利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離的項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后能符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好、節(jié)能的原則，滿足社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境三重效益。

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