空分系统在LNG接收站的可利用率

空分系统在 LNG接收站的可利用率

吴新兵

海南中油深南能源有限公司 海南省海口市 571100

随着LNG产业的发展，LNG冷能利用技术得到不断进步，其主要用于冷能发电、冷能空分、冷冻食品及仓库制冷、低温干燥与粉碎、制取液体二氧化碳等。其中，冷能发电和冷能空分是利用温位最低、利用量最大、利用效率最高的两种方式。日本是目前世界上冷能利用较好的国家，目前有26台独立的冷能利用设备，其中冷能发电15台；中国台湾中油公司永安LNG接收站1990建成一座LNG冷能发电站；福建莆田LNG接收站于2009年建成中国第一套冷能空分装置，其后，江苏如东LNG接收站2013年也建成一套冷能空分装置。如何高效利用LNG蕴藏着的大量优质冷能、实现能量利用以及利益的最大化已逐渐成为国内LNG接收站关注的热点。

目前，对LNG冷能利用的方法较成熟的有空气液化分离、制取液体二氧化碳和干冰、低温冷库和深冷发电。空气分离时可比普通空气分离方式电能消耗减少50%以上，设备费用减少10%左右，总成本减少20%~30%；制取液体二氧化碳和干冰可使产品纯度大幅度提高，电力消耗减少30%~40%；用于低温冷库可用于不同温度要求的冷库装置，这样可以大大提高冷能的利用效率；冷能发电中，将直接膨胀发电和郎肯循环发电结合起来可使冷能利用率提高到36%。

然而，从LNG冷能本身的利用情况来看，虽然各个孤立的冷能利用工艺已经大大提高了经济效益，但是LNG冷能的利用效率仍然没有得到提高，LNG冷能的高能量品味特性没有得到有效利用。

利用LNG冷能的空分方案

低温分离法即深度冷冻空气分离法，是采用低温技术从空气中分离氧气和氮气的技术。空气主要组成成分是氧气和氮气，两者的沸点不同。首先把空气压缩、预冷、净化，进一步冷却至摄氏零下一百多度，使之成为液态空气，然后利用氧和氮的沸点差，经过在精馏塔把液态空气多次部分蒸发和部分冷凝，将氧气和氮气分离开来，得到提纯的氧气和氮气。

由于空分装置所需达到的温度比LNG的温度还要低，故此LNG的冷量冷却空气可大幅度降低能耗，简化空分流程，减少建设投资及操作费用。同时，冷能空分与冷能发电类似，其生产替代了部分LNG气化器功能，使得LNG接收站的气化费用也可降低。

冷能发电工艺

利用LNG冷能发电工艺是当前情况下应用LNG冷能最普遍与成功的工艺。

1. 直接膨胀方式发电

该方法是首先将LNG用泵加压到8MPa，然后在蒸发器内与海水进行换热，换然后变成高压气体通过透平膨胀机把压力能转化为机械能，再由发电机由机械能转化为电能，进行发电。该发电方式LNG的发电量约为20KWh，工艺过程简单，但效率不高，发电功率小，冷能回收率仅为24%。

2. 郎肯循环法发电

该办法是通过冷媒介介质承载LNG的冷能进行整个发电流程的发电方式。由于LNG本

身是由不同沸点的物质所组成，所以冷媒应采用混合物质，尽量使LNG的汽化曲线与冷媒的冷酶曲线保持一致，这样才能使LNG汽化所放出的冷量尽多的被冷媒介质所吸收，而不是释放到环境中浪费掉，冷能回收率可以达到36%。但是由于冷媒的冷凝曲线与LNG的汽化曲线不可能完全重合，所以造成LNG沸点高于混合工质的冷凝点，这部分LNG所释放的热量就会被散失空气中，造成浪费。

3. 联合发发电

该方法的特点是综合了LNG承载冷能和冷媒承载冷能两种发电方式，相当于两个不同的发电系统同时发电，发电终端有两个发电机同时发电，这样可以避免郎肯循环发电中因高于冷凝温度的冷能得不到利用。该发电方式LNG发电量约为45kWh，冷能回收率通常为36%，综合造价低，利于环保。

4. 多级直接膨胀方式发电

利用LNG在直接膨胀方法的基础上采用多级直接膨胀发电方式。采用该方式进行冷能发电的泵功耗为17kWh/t，每吨LNG的发电量为126kWh，发电效率为41.8%，效率为82.3%。

5. 混合工质循环方式发电

该方法是在郎肯循环发电的基本上进行改进的，在郎肯循环发电过程中，由于LNG的

是多组分的复杂混合物，没有固定的沸点，因此8MPa下LNG的汽化曲线无等温汽化段。为了高效利用LNG的冷能发电，应当采用分段混合工质，这样可以使LNG的汽化曲线与对应的各段混合工质的冷凝曲线尽量在相应的温差下走势相同。但由于混合媒体其本身的多组分原因，各个组分的物性不尽相同，造成了混合工质本身的不稳定性，因此这种方法在实际应用中可操作性较低。

1.冷能用于轻烃回收

LNG一般主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及少量的戊烷组成。由于轻烃分离利用的温位为-150~-110℃，因此它不仅成本低砽损失小，利用LNG冷能可以使LNG中80%以上的乙烷被提取出。乙烷等重组分可用于制造乙烯等化工产品，为化工行业提供紧缺原料的同时大大降低了化工行业的成本。因此，LNG冷能利用中的轻烃分离工艺是LNG冷能利用中的极为有利的方式。

2. 制取液化二氧化碳及干冰

与传统的液化二氧化碳及干冰工艺相比，利用LNG冷能的制冷设备的负荷大大降低，电力消耗降低30%~40%。以化工厂所产生的副产品二氧化碳为原料，利用LNG冷能制取液化二氧化碳及干冰纯度高达99.99%。由于-78.15℃为干冰温度，此温位与LNG通过空分装置后的温位相距较近，因此可以作为冷能梯级利用的第二级，这样可以降低LNG冷能利用过程中的砽损失。

2. 冷冻仓库

利用LNG冷能来降低冷库的温度，让中间媒介物质吸收LNG的冷能，降低到一定温度后进入到冷冻、冷藏库的冷却盘管，再通过冷却盘管释放冷能，实现冷冻物品的作用。

由于常用冷库的温度只需维持在-50~-65℃即可，而将-162℃的LNG冷能全部用于冷库冷冻物品明显砽损失过大。但是考虑到低温冻结装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等对温度不同要求。

2. 蓄冷装置

发电和城市燃气是利用LNG最多的两个领域，由于随着昼夜四季的变化，发电和城市燃气所需的LNG量波动较大，所以，LNG的气化量亦根据昼夜四季发生较大变化。为了能够保证LNG冷能利用设备有持续稳定的能量供应，需在LNG汽化装置和冷能利用设备之间增加冷能蓄冷装置。在LNG汽化量较大的情况下，吸收多余的LNG冷能不被散失到空气中，在LNG汽化量小，即在冷能供应不足的情况（晚上、夏季）下，释放储存的冷能，满足冷能利用设备的需要。

蓄冷设备即为储存冷能的中间介质，而该介质的最大作用就是尽量多的储存LNG的冷能。因此，此类介质具备以下两个特点：一是该介质具有较大的比热，这样能够用较少的物质储存最多冷能，提高储存冷能的效果；二是吸收和释放冷能的过程中能够发生相变，即有一部分冷能以潜热的形式储存起来，考虑到汽化装置的占地面积等因素，介质要求在固态和气态两态之间变化，因此介质有较合适的熔点符合实际的操作要求。

蓄冷装置可以作为LNG冷能利用的中间装置，储存LNG冷能。这样可以解决LNG冷能利用时间和空间上不同步的问题，对于LNG冷能利用的推广有着重要的作用。

随着世界LNG产销量的迅速增长以及全球性能源紧张以及LNG所携带的巨大冷能，LNG冷能利用的前景将十分广阔。