關鍵詞：空氣分離；液化天然氣；冷能利用

Air Separation Technology Utilizing LNG Cold Energy

ZHANG Zhong-xiu，  ZHOU Wei-guo

(College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092 China)

Abstract：With the rapid development of LNG project construction in China，the actual significance of efficient utilization of LNG cold energy gets more and more important. The characteristics of air separation equipment utilizing LNG cold energy and its energy-saving effect are analyzed. The typical air separation flow utilizing LNG cold energy is introduced. The present status of development and application of air separation technology utilizing LNG cold energy is presented. Some problems existing in the practical popularization and application are pointed out， and the corresponding suggestions are put forward.

Key words：air separation；LNG；cold energy utilization

1 概述

    近幾年來，在世界液化天然氣(LNG)貿易飛速發展的背景下，我國LNG項目的建設也進入了一個快速增長期，包括已建成投產的廣東大鵬LNG終端接收站、正在建設中的福建莆田LNG終端接收站和正在擴建中的上海LNG事故調峰站，以及沿海的多個城市燃氣或燃氣電廠用LNG衛星站等，將有大量的LNG需進行氣化。

    LNG通常是常壓下溫度為111 K的低溫液體，氣化過程中放出大量冷能，約為833 kJ/kg，若年利用500×10⁴ t的LNG，約含冷能4.15×10¹² kJ，相當于11.5×10⁸ kW·h的電能^[1]。通常這部分冷能通過天然氣氣化器被空氣或海水吸收，其中包含的冷量火用未能得到利用，造成了能量的巨大浪費。因此，回收這部分高品質冷能具有重要的現實意義。

    利用LNG氣化時的冷能對空氣進行分離，生產液態空氣產品，系統工藝溫度低，對LNG冷能的整體利用率高，節能效果顯著。在國際上此類研究已有逾30年的歷史，并已有多個項目建成運營。在我國，由于LNG項目剛剛開始大規模發展，其冷能利用的工作也正在起步階段，目前此類成果和專利較少，還沒有投入商業運行的實際項目。

2 空氣分離裝置利用LNG冷能的特點

    在LNG氣化過程中，各種應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中所含的冷量火用的利用效率不同。由制冷原理可知，要求的工藝溫度越低，常規制冷方式所消耗的能量越多，在到達一定的低溫區時，蒸發溫度每降低1 K，能耗要增加10％，此時利用LNG冷能的節能效果也就越明顯，冷量火用的利用率也高。因此應在盡可能低的溫度下利用冷能。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火用白白損失。

    LNG冷能用于空氣分離裝置時，由于工藝溫度(90～100 K)比LNG溫度(111 K)還要低，與用于冷藏冷凍(253 K)、低溫發電(233 K)、制取干冰(193 K)、低溫粉碎(133 K)等場合相比，LNG的冷量火甩得到最大程度的利用，是目前技術上最為合理的方式^[2]。這種冷能利用方式不但大大降低了生產液態空氣產品的能耗，而且降低了LNG氣化的成本，具有一定的經濟性，因此可以考慮在LNG氣化中采用。

3 典型的利用LNG冷能的空氣分離流程

    空氣分離裝置利用LNG冷能有多種流程，可根據工程的實際情況選用。目前國外同類項目中的典型流程見圖1。

    原料空氣經過空氣過濾器除掉灰塵后，進入空氣壓縮機。壓縮后壓力為0.6 MPa的空氣進入空氣預冷器中被冷卻至283 K。隨后進入空氣凈化器，通過其中的分子篩吸附除去二氧化碳、水分等雜質，以防凍堵。在低溫換熱器中，氣態空氣被低溫循環氣態氮氣和低純度廢棄氮氣冷卻至約100 K后，依次進入高壓分餾塔、低壓分餾塔與其中的低溫液態氮氣進行換熱，氣態空氣各組分依次液化。所得的液氧產品進入液氧儲罐中儲存，液氮產品進入液氮儲罐中儲存。含氬液態氣體使用氫罐加氫催化脫氧后，依次通過氬凈化器和氬提純塔進行凈化和提純，所得液氬產品送入液氬儲罐中儲存。

    高壓分餾塔流出的100～110 K的循環氣態氮氣經過低溫換熱器與原料空氣換熱后溫度升至270 K左右，再進入主換熱器與LNG換熱，溫度降為120 K左右，然后在循環氮壓縮機中被壓縮，所得195 K、2.6 MPa左右的高壓氣態氮氣再次進入主換熱器冷凝，溫度降為120 K左右，通過氮節流閥節流降溫降壓至91 K、0.4 MPa左右后，進入高壓分餾塔的液氮入口，與空氣換熱，氣化后繼續循環。低壓分餾塔頂部流出的100 K左右的低純度氮氣，經過低溫換熱器進行冷能回收后，一部分在需要時通過電加熱器加熱后用于空氣凈化器中分子篩的再生，其余部分放空。

    110 K的LNG經主換熱器氣化后，升溫至250 K左右，熱量不足部分由天然氣加熱器進行補充調節，或由系統中的空氣預冷器等其他冷能回收裝置補充調節。

    系統中氮氣內循環系統的作用主要有兩方面：一方面在比LNG溫度更低的工況下提供了冷量，以滿足高壓下產品的沸點等工藝要求；另一方面將LNG與液氧系統分離開，避免了工質泄漏可能引起的危險，提高了系統的安全性。
    文獻[1]中設計的利用LNG冷能的空氣分離流程，空氣預冷器的冷源由系統末端的低溫天然氣提供，LNG與氮氣的熱交換器由兩部分分級構成，并使用了多級低溫氮壓縮機，設置了低溫過冷器，節能效果較好，計算耗電量(即以獲取單位體積氧氣產品所消耗的電量作為計算空氣分離系統的耗電量，下文同此)為0.413～0.560 kW·h/m³。文獻[3]中設計的利用LNG冷能的空氣分離流程，空氣預冷器的冷源由低純度廢棄氮氣提供，液氧直接在低溫換熱器中獲得，其計算耗電量為0.581 kW·h/m³。

4 利用LNG冷能空氣分離的應用現狀

    1971年，世界上首臺利用LNG冷能的空氣分離裝置在日本東京液氧公司投入運行。空氣分離作為LNG冷能利用中的最常用技術之一，應用越來越廣泛，日本、韓國、法國、澳大利亞等國家已有多處此類項目投入運營。表1列出了其中一些利用LNG冷能的空氣分離裝置^[4-6]。

表1 利用LNG冷能的空氣分離裝置

Tab.1 Air separation equipment utilizing LNG cold energy

    利用LNG冷能的空氣分離裝置耗電量約0.4～0.6 kW·h/m³，與常規的空氣分離裝置的耗電量1.2 kW·h/m³相比，電力消耗節約50％以上^[7]。

    我國第一個利用LNG冷能的空氣分離項目是福建莆田利用LNG冷能空氣分離項目，計劃LNG日使用量1200 t/d，日產液氧250 t/d、液氮340 t/d和液氬10 t/d，將于2007年底建成。廣東大鵬、寧波LNG項目利用冷能的空氣分離項目計劃將于2010年底建成。

5 存在的問題與建議

    ① LNG冷能供應的穩定性

    LNG最終主要用于城市燃氣和發電，其氣化量隨實際需求量的變化而不斷變化。如城市燃氣存在季節和日峰谷差，燃氣電廠根據電力調峰需求而調度運行。同時，由于LNG儲罐中存在BOG(Boil Off Gas，蒸發氣體)，對其進行再液化也需要消耗一部分LNG冷能，特別是夏天這種需求量更大。由于冷能供應不穩定對冷能利用設備負荷的限制，影響了設備的連續穩定運行和利用率，大大降低了系統的經濟性。國外建設較早的一些利用LNG冷能的空氣分離設備就曾出現過因夏季可利用LNG冷能低于設計值的50％而停運的情況，使立項時的預期收益大打折扣^[5]。因此對于具體工程，應做好相應的天然氣供應需求預測、LNG實際可利用冷能計算等工作。

    ② 液態空氣產品的市場需求

    液氮是應用范圍最廣的低溫工質之一，主要用于低溫粉碎、食品冷凍、低溫運輸、生物保存、醫療手術及工業速凍等。液氧主要用于航空燃料、液氧炸藥，制取臭氧用于污水處理和造紙漂白等。目前的液氧和液氬直接應用不多，液化的主要作用是便于儲運，終端使用時仍多為氣態。由于在終端市場需求方面，空氣產品以氣態為主，液態產品所占的市場份額較少，甚至在一些地區出現供大于求的情況，因此液態空氣產品的生產要考慮到市場的需求、容量和定價問題，這也是實際工程中保證項目經濟性的重要因素。

    ③ LNG冷能的綜合利用率

    由于利用LNG冷能的空氣分離工藝溫度低，因此系統末端排放的各種物質流中均具有一定的剩余冷能，應注意對其進行回收利用。如排出的低純廢氮、液氬提純廢氣等溫度都較低，主換熱器出口的天然氣溫度也在-20℃左右，可通過增加換熱器等對其中的冷能進一步回收利用，優化系統工藝流程，提高LNG冷能的綜合利用率。

參考文獻：

[1] 陳則韶，程文龍，胡芃.一種利用LNG冷能的空氣分離裝置新流程[J].工程熱物理學報，2004，25(6)：913-916.

[2] 陳國邦.新型低溫技術[M].上海：上海交通大學出版社，2003.

[3] 金滔，胡建軍.一種利用LNG冷能的空分流程[J].空氣分離，2005，9(5)：15-20.

[4] 林文勝，顧安忠，魯雪生，等.空分裝置利用LNG冷量的熱力學分析[J].深冷技術，2003，43(3)：26-30.

[5] Kim H，Hong S. Review on economical efficiency of LNG cold energy use in South Korea[A]. 23rd World Gas Conference[C]. Copenhagen：International Gas Union，2006.2402-2411.

[6] Tajima M. LNG cryogenic technology[J]. Journal of the Japan Institute of Energy，2001，80(8)：707-712.

[7] Nakaiwa M，Akiya T，Owa M，et a1.Evaluation of an energy supply system with air separation[J]. Energy Conversion and Management，1996，37(3)：295-301.

(本文作者：張中秀 周偉國 同濟大學機械工程學院 上海200092)