探討LNG儲配輸送中冷能利用技術(shù)應(yīng)用

穆云飛 牛海亞 幸濤

摘要：為解決LNG儲配輸送冷能直接浪費(fèi)的問題，本文對LNG儲配輸送產(chǎn)生的冷能在空分及輕烴分離中的利用進(jìn)行深入分析，提出具體的冷能利用實(shí)現(xiàn)途徑及方法，以期為相關(guān)人員提供參考，使LNG儲配輸送冷能得到最大限度回收利用，在減少浪費(fèi)及污染的同時，節(jié)省電能及化石能源消耗。

關(guān)鍵詞：LNG;冷能利用;空分;輕烴分離

LNG氣化與輸送時會產(chǎn)生大量冷能，我國沿海地區(qū)有很多LNG接收站，若利用海水進(jìn)行加熱氣化，則會使冷能被直接浪費(fèi)，還會造成不同程度的冷污染。若能對這部分冷能加以回收，在不同領(lǐng)域回用，如發(fā)電、空分與冷庫等，則能節(jié)省很多電能，并減輕給環(huán)境造成的冷污染?；诖?，在LNG儲配輸送過程中引入冷能利用技術(shù)有重要現(xiàn)實(shí)意義，必須引起相關(guān)人員的高度重視。在不同應(yīng)用領(lǐng)域中，以在空分與輕烴分離中的應(yīng)用較為復(fù)雜，因此以下即對這兩方面應(yīng)用進(jìn)行分析介紹。

1 LNG儲配輸送冷能在空分中的利用

空氣液化原理為空氣與冷源接觸或采用空氣液化循環(huán)進(jìn)行冷卻，因空氣精餾有一定特殊性，所以空氣液化循環(huán)必須滿足精餾要求，具體包括以下幾點(diǎn)：壓縮空氣在冷卻之后可以全部輸送至精餾設(shè)備中，從而使分離產(chǎn)品量達(dá)到最大化;采用節(jié)流閥節(jié)流的空氣及采用膨脹機(jī)膨脹后的空氣，其壓力都應(yīng)滿足精餾壓力要求;液化循環(huán)系統(tǒng)液化系數(shù)與制冷量需結(jié)合具體精餾要求確定;實(shí)際使用的液化循環(huán)應(yīng)能滿足分離設(shè)備正常啟動及運(yùn)轉(zhuǎn)的基本要求[1]。

空氣由多種組分構(gòu)成，但氧與氮的占比較高，其摩爾分?jǐn)?shù)可達(dá)99%以上，基于此，為了簡化精餾分離，可將空氣看成一種二元混合物，而空氣精餾即屬于二元精餾。在空氣當(dāng)中，氧與氮的摩爾分?jǐn)?shù)分別為20.9%、79.1%，多元精餾需將二元精餾作為基礎(chǔ)。對于二元精餾，可通過假設(shè)來簡化復(fù)雜的問題。因空氣主要有兩個組分，所以在分離之后，于精餾設(shè)備頂端獲得沸點(diǎn)較低的氮，在底部獲得沸點(diǎn)相對較高的氧[2]。

經(jīng)模擬可知，每液化1kg標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)天然氣所需功率為236.6W，相當(dāng)于每小時做850kJ的功，即可獲得相等的冷能。由此可見冷能數(shù)量十分可觀，可用于冷卻壓縮空氣。將LNG冷能用在空氣分離時，制冷過程中不論何種工作壓力，所有溫度比LNG最低溫度低的冷能均需通過機(jī)械制冷來提供?？梢娖淅淞渴铸嫶?，可占總量50%以上。機(jī)械制冷過程中，當(dāng)壓縮物流溫位較低時，獲得相同數(shù)量及溫位冷量所需電能較少?；诖?，為減少電能消耗，應(yīng)先對空氣進(jìn)行壓縮，然后將其冷卻至-100℃，再進(jìn)一步壓縮，繼續(xù)冷卻到-160℃，之后輸送到膨脹機(jī)中，形成適當(dāng)液化率，滿足精餾條件[3]。

2 LNG儲配輸送冷能在輕烴分離中的利用

進(jìn)口LNG以甲烷為主要成分，此外還有C2-C3烴，以及數(shù)量極少的C4烴。伴隨我國LNG實(shí)際進(jìn)口數(shù)量的不斷增加，通過輕烴分離可實(shí)現(xiàn)熱值調(diào)整，對不同氣源熱值實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一有利，從而確定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對于C2+輕烴，作為高附加值產(chǎn)品，有很多使用用途。從LNG組分可知，可從C2+輕烴中提取出很多LPG-丙烷與丁烷，提供給當(dāng)?shù)厥袌鍪褂?此外，C2+還含有很多C2烷烴與C3烷烴，以及由C3與C4兩種組分構(gòu)成的凝析油，這些都是乙烯生產(chǎn)原料。根據(jù)相關(guān)研究成果，LNG儲配輸送冷能可在C2+分離與裂解過程中回用對裂解產(chǎn)物進(jìn)行深冷分離，實(shí)踐表明這是一種LNG冷能最佳用途之一[4]。

因我國現(xiàn)階段還沒有對管網(wǎng)熱值與輸送壓力給出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以可按照高壓與低壓兩種方案實(shí)施設(shè)計。在高壓輸送條件下，需借助大排量壓縮機(jī)對天然氣進(jìn)行壓縮，確保管輸壓力符合要求，可見這樣要消耗很多電能。對此，根據(jù)冷能回收利用基本原理，優(yōu)化整個輕烴分離過程。現(xiàn)以某接收站為例對其高壓輕烴分離方案進(jìn)行模擬分析，其LNG組分為：C1摩爾分?jǐn)?shù)為96.299%，C2摩爾分?jǐn)?shù)為2.585%，C3摩爾分?jǐn)?shù)為0.489%，iC4摩爾分?jǐn)?shù)為0.1%，nC4摩爾分?jǐn)?shù)為0.118%，iC5摩爾分?jǐn)?shù)為0.003%，nC5摩爾分?jǐn)?shù)為0.003%，N2摩爾分?jǐn)?shù)為0.4%[5]。具體的模擬結(jié)果如表1所示。

根據(jù)以上模擬結(jié)果，對于常壓LNG，主要采用升壓泵進(jìn)行壓力提升，分流成兩個支物流，其中相對較大的支流采用換熱器進(jìn)行預(yù)熱，然后輸送至脫甲烷塔進(jìn)行分離，而相對較小的支流直接輸送至塔頂，將其作為脫甲烷塔的回流。塔釜液相出料以C2+輕烴為主，所有氣相甲烷均通過塔頂分出，和準(zhǔn)備輸送至塔的支流全部發(fā)生液化，最后進(jìn)行汽化外輸[6]。

對于低壓輸送方式，則相對簡單和容易。在設(shè)計過程中需確保塔頂出口壓力和輸送壓力達(dá)到匹配，以此在低壓泵提升壓力后直接輸送至塔內(nèi)對C2+輕烴進(jìn)行分離，塔頂產(chǎn)生的甲烷可直接進(jìn)行外輸，無需進(jìn)行液化、加壓與汽化。

3結(jié)語

綜上所述，在LNG儲配輸送過程中會產(chǎn)生很多冷能，這些冷能有很多用途，除以上兩種外，還可使用在液態(tài)及固態(tài)二氧化碳的制取、冷庫制冷、低溫破碎及粉碎與儲冷裝置等，對此我國應(yīng)逐步加大力度，充分利用LNG儲配輸送冷能，從而減少對電能及化石能源的消耗，良好適應(yīng)我國節(jié)能減排需求。

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