LNG 冷能利用空气分离模拟研究

摘要：为了便于天然气的储运，通常将洁净的天然气经过压缩、冷却液化成 液化天然气LNG，在使用前将其再气化。LNG 冷能的利用因尽可能在低压低温条件下，并充分利用其气化潜热所带来的可观冷量。空气分离作为所需制冷温位很低的工艺，在 LNG 低温段具很好的适应性，高品位冷量可充分利用。

关键词：LNG；冷能；空气分离；模拟

天然气作为一种优质清洁的化石能源在化工、能源等领域具有广泛的应用和光明的发展前景。大量 LNG 在气化过程中能释放出可观的冷量，如果不利用这部分能量，会造成能量的浪费与冷污染，如何充分合理回收与利用这部分能量已成为重要的课题。本文采用 Aspen Hysys工艺过程模拟软件，针对工艺流程进行模拟计算，可以实现新工艺新流程的开发、生产的调节优化与故障的诊断、工艺流程实际生产的科学管理。

1空气分离方法及原理

空气中的主要成分是氧、氮与稀有气体。它们以气体分子状态存在并均匀地混合在一起，常温常压条件要将它们分离出来较为困难。氮气、氧气、稀有气体同样具有气液固三态，在一个大气压下，氮气需冷凝至-196℃，氧气需冷凝至-183℃，氩气需冷凝至-186℃发生液化。目前工业化的空分方式主要分为三种。

（1）深冷法（即低温法）：将混合物空气通过压缩增压、降温冷却和节流膨胀，直至空气液化，利用氧、氮气化温度的差异实现氧、氮的分离。要将空气液化利用沸点差异再分离，需将空气冷却到-173℃甚至更低的温度，这种制冷叫深度冷冻；利用沸点差异将液态空气分离为氧、氮、氩的工艺过程称之为精馏过程[1]。深冷与精馏的方式是目前工业上应用最广泛的空气分离方法，传统全液体空分包括压缩与净化、冷却换热、精馏分离、制冷四个基本过程[2]。

（2）变压吸附法（PSA）：利用分子筛（沸石分子筛、炭分子筛）这种多孔性物质，拥有极大的内表面积，很强的吸附能力，对不同的气体分子具有较高选择性的特点，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到较高纯度的产品。

（3）膜分离法：利用一些有机聚合膜这种选择透过性膜的选择性，在外力推动下，空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特性，实现混合物的分离、提纯与浓缩。

2 LNG冷能用于空气分离方式

在传统空分利用氮气膨胀循环制冷被广泛应用，LNG 冷能利用应用于空气分离，液化天然气冷却循环氮气亦为主流方式，将冷量传递给氮气，液化天然气气化后经加热器达到输氣温度进入输气管网。空气先经过滤器清除灰尘与机械杂质，洁净空气经空压机增压，净化器中由分子筛吸附脱除二氧化碳和水分，防止冻结阻塞通道。在换热器中，空气被循环氮气和污氮冷却至-173℃进入下塔上塔，与液氮进行换热。空气组分依次被液化，进入相应储罐储存。含氩液态气通过氢罐加氢催化脱氧，再经净化器和精氩塔净化提纯，最后送入储罐[3]。下塔分出-163～-173℃循环氮气与原料空气换热后升温至 0℃，进入 LNG 换热器与 LNG 换热，温度降至-153℃左右进入氮气压缩机增压。2.6MPa，-87℃左右高压氮气进去 LNG 换热器，降至-153℃，经氮气节流阀减压至 0.4MPa 进入下塔液氮进口，继续与空气换热气化。上塔顶污氮经换热器换热完成冷能回收，一部分经电加热后去向净化器分子筛再生，其余放空。LNG 经换热后气化至-13℃左右，加热后送入输气管线。

3空气分离模拟流程

完整的空分流程十分庞大，在此进行最简化，不讨论空分工艺的全部产品，在本文中产品为液态氮与液态氧，主要从热力学角度分析问题。空气中氮氧组分占总量 99%以上因此简化空气为氮氧二元组分，空分模拟流程如图3所示：

图3 双级精馏塔 LNG 冷能空分流程模拟

图中字母含义：A 空气（液空），W 水，N 氮气，LN 液氮，LO 液氧

流程简述：常温常压空气经压缩机增压，先经水预冷却至 30℃，进入多股流换热器深度冷却，压缩机增压要满足下塔工作压力与工艺管道中流动损失，下塔工作压力550kPa，深冷空气以饱和状态或接近饱状态进入下塔。空气在下塔中因上塔的低温进行冷凝，下塔底部产生氧含量 38%～40%的富氧液空，经节流至上塔工作压力 150kPa 后进入上塔；上部氮气经节流后产生低温进入换热器深冷却进口的空气，换热后氮气经压缩机压缩增压再与低温 LNG 进行换热冷却，冷却后经节流阀减压降温，产生部分液氮，经分离器分出气氮与液氮，气氮返回压缩机中进行增压，参与循环。一部分液氮作为产品从分离器下部抽取出，另一部分液氮符合上塔工作压力，进入上塔。液氮与富氧液空进入上塔中，多次汽化与冷凝分离。利用下塔比上塔温度高进行重沸腾，下塔底部产生浓度为 99.6%的液氧，顶部产生浓度为 99.9%的氮气，污氮经换热器预冷空气后温度约 10℃进入分子筛再生系统，加热至 170℃左右加热分子筛使其再生。

4结论

LNG 冷能的利用因尽可能在低压低温条件下，并充分利用其气化潜热所带来的可观冷量。空气分离作为所需制冷温位很低的工艺，在 LNG 低温段具很好的适应性，且产品收益可观。该模拟过程中发现㶲效率很低，原因是 LNG 换热器一侧温差很大，不可逆损失很大。

参考文献：（References）

[1] Engl G.，Kroner A.，Kronseder T.，et al.Numerical simulation and optimal control of air separation plants[J].Lecture Notesin Computational Science&Engineering，1999：221-231.

[2] Prasad R.，R.P.，Prasad R.，et al.Air separation system and method[P].CA：2229632C，1998.

[3] 顾安忠.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010.390-391.

作者简介：

李现振（1991-），男，汉族，山东临沂人，大学本科，研究方向：油气集输站库工艺技术员.