LNG冷能空分技术的应用与节能分析

许 澎

（中石化南京工程有限公司，江苏 南京 210049）

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG） 接收站在LNG 上岸后转输管道前需要进行气化，在气化过程中会释放大量冷能，据理论估算其释放的冷量约为830 kJ/kg，如不加以利用，将会造成巨大的冷能资源浪费和环境的冷污染，按600 万t/a 规模测算，相当于进口4 980～5 160 TJ/a 的冷能，接近1 台300 MW 发电机组的年发电量[1]。国家发展改革委印发的《天然气发展“十三五”规划》明确要求“实现天然气开发利用与安全健康、节能环保协调发展”，并明确要求“加大LNG 冷能利用力度”。可以说LNG 冷能回收利用具有显著的节能减排作用，是典型的循环经济模式[2]。

当前，LNG 冷能利用最成熟的技术是将空气液化分离，用以生产液氮、液氧和液氩产品。传统空分装置的冷量完全由电力驱动机械制冷产生，其电力成本在生产成本中的占比很大。利用LNG 冷能进行空分，可实现运行机组小型化，相比传统空分，耗电量降低56%左右，工艺耗水降低99%以上，系统能耗大大降低，使空分产品具有很强的市场竞争力[3]。

1 LNG 冷能空分技术的特点及应用

LNG 冷能空分是将LNG 的气化与空分相结合，利用LNG 气化时释放的巨大冷量来液化分离出液氮、液氧、液氩等空分产品的一种工艺，主要包括空气过滤及压缩系统、空气纯化系统、低温系统（冷箱）、乙二醇循环冷却系统、液体产品贮存汽化系统、液体产品装车系统、辅助系统（仪表空气系统，加温、解冻、置换系统，残液排放系统）、仪控系统等[4]。由于空分区域氧气富集，以甲烷为主要成分的天然气作为碳氢化合物是极为敏感的有害物质，因此，LNG 冷能的利用需要采用中间介质，从而避免LNG 与空分系统直接接触。LNG 冷能空分装置采用的中间介质为压力氮气，即空分装置下塔中抽取的压力氮气，与LNG 换热器中的压力液氮换热并被液化后返回下塔，从而将冷量由LNG 传递到空分系统，并由此获得液氧、液氩及部分液氮产品。LNG 的高温端冷量通过冷媒乙二醇水溶液传递给各冷却器。

LNG 冷能空分技术在国内的应用已经相对成熟，如中海油空气化工产品（福建） 有限公司的LNG 冷能空分装置采用了美国AP 公司的专有技术，联华工业气体公司在高雄永安工厂的冷能空分装置中采用原英国BOC 公司（现林德） 提供的技术。近年来，我国在LNG 冷能空分技术领域做了大量工作，多项自主研发的装置运行稳定、产品质量达标、性能稳定，相关技术具有国际先进水平，其中空气过滤、压缩、分子筛净化、精馏、无氢制氩等工艺技术及设备与常规空分装置相同，不同点是在空气预冷系统和制冷液化系统用LNG 冷能换热替代了水冷却和膨胀机械制冷，相应的用乙二醇冷却设备、氮气液化器热交换器、冷氮压缩机取代了空冷塔、循环压缩机和膨胀机[5]。

空分装置的主要成本取决于能耗水平，LNG 冷能空分工艺能耗水平相对较低，利用LNG 冷能来冷却和液化空气可以使空分过程的电耗降低56%左右。但由于LNG 冷能工艺涉及低温高压LNG/NG管道系统及设备，投资水平略高于传统空分工艺，以传统空分工艺为基准（基准值假设为1），将LNG 冷能空分工艺和传统空分工艺进行对比，可知LNG 冷能空分工艺的能耗水平只有传统空分工艺的30%，而单位投资增加20%～40%，见表1。

表1 LNG 冷能空分和传统空分对比表

2 LNG 冷能空分技术的先进性

LNG 冷能空分技术的先进性主要表现在以下几个方面。

1） 传统空分装置的低温环境完全由电力驱动的制冷机械设备产生，消耗大量的电能，而LNG含有大量的低温能量，在被用于燃料或化工原料之前需要进行热交换将其气化为常温气体，回收利用这部分LNG 冷能来冷却和液化空气可以使空分过程的电耗降低56%左右。此外，LNG 冷能空分采用乙二醇水溶液封闭循环利用LNG 代替传统空分的循环冷却水，所以几乎没有水耗。采用乙二醇水溶液作为冷却剂，乙二醇水溶液在LNG-乙二醇换热器中被LNG/NG 冷却并作为压缩机级间及末级冷却器、润滑油系统、低温氮气压缩机电机及润滑油系统的冷源，充分利用了LNG 的高温段冷量。乙二醇水溶液循环冷却系统取代传统的循环水系统，可使压缩机级间及末级冷却器的排气温度更低，能耗更低。同时，乙二醇水溶液还具有配兑容易、不易挥发、使用安全可靠、防腐和防垢等优点。

2） 采用氮作为与LNG 换热的介质，空分系统与LNG-氮液化系统采用压力氮循环传送冷量，循环氮不参与精馏，空分的安全性能好。

3） 采用常温低压氮气压缩机可显著增加上塔液氮回流量，氧、氩的提取率升高，原料空气压缩机气量减小，能耗降低。

4） 低温氮气压缩机采用中低压分开的配置，即单独设置一台低压氮气压缩机将来自空分系统的原料氮气压缩到适当压力，再汇合其余压力氮后进入中压氮气压缩机的入口，启动及正常操作更加容易，调节范围更大，运行更加稳定。在LNG 进料温度偏高需要降低液氮产量时，可停运低压氮气压缩机而只运行循环氮气压缩机，从而降低了能耗。

5） 液氮产品一部分直接来源于液氮过冷器的液氮并经空分过冷，另一部分来源于空分装置，调节灵活，适应范围广，一旦LNG 冷箱内的板式换热器内漏，可关闭LNG 来液氮管线，液氮产品全部取自空分，可通过增大液氮产品和适当减少液氧、液氩产品实现稳定经济运行。

6） LNG-氮换热器的出口段设置天然气泄漏纯度分析联锁报警点，可以起到很好的防护作用，避免对液氮贮槽造成污染。

7） 液氧产品直接由主冷凝蒸发器连续抽出，烃类物质在主冷中浓度远低于压力极限值，确保了主冷安全。

8） 传统空分要增加压缩机和透平膨胀机等大功耗设备来获得冷量，耗电量大，电力成本占生产成本的比重达70%左右。与之相比，LNG 冷能空分充分利用回收LNG 的冷能实现空气的冷却和液化，省去了制冷装置，可使空分运行机组小型化，耗电量和耗水量大大减少，从而降低了生产成本。

3 LNG 冷能空分的节能分析

3.1 节能措施

1） 低温氮气压缩机采用中低压分开的配置，即单独设置一台低压氮气压缩机将来自空分系统的原料氮气压缩到适当压力，再汇合其余压力氮后进入中压氮气压缩机的入口，启动及正常操作更加容易，调节范围更大，运行更加稳定。在LNG 进料温度偏高需要降低液氮产量时，可停运低压氮气压缩机而只运行循环氮气压缩机，从而降低了能耗。

2） LNG-氮换热系统冷箱板翅式换热器采用两级节流过冷，改善板翅式换热器温差，LNG 利用效率高，能耗比常规流程低。

3） 关键设备LNG-氮气高压板翅式换热器、高压LNG/NG 均采用进口阀门，能耗更低，运行更稳定可靠，系统更加安全。

4） 与常规液体空分流程相比，LNG 冷能空分取消了冷热端膨胀机、循环压缩机及预冷机组，能耗更低。

5） 常规液体空分压缩机功率大，采用凉水塔蒸发大量水提供循环冷却水；LNG 冷能空分利用乙二醇水溶液封闭循环，减少跑、滴、漏，几乎不消耗工艺水，检修通过收集、过滤回收，几乎无工艺排污。

6） 纯化器采用立式内绝热结构，可减少再生热负荷，降低再生功耗10%以上，能耗低。

3.2 节能效果

1） LNG 冷能空分具有先进水平的相关节能技术，再通过系统能量集成等综合节能措施，能耗指标达到国内外先进水平。

2） LNG 冷能空分属国家鼓励发展的产业，工艺先进、能耗低，并采取了各种节能措施。

3） LNG 冷能空分工艺同时在电气、给排水、建筑、通风及空气调节、设备选型等方面采取各种节能措施，与同等规模的常规空分相比，电耗节省56%左右，水耗节省99%以上。

4 结束语

对于空分产品而言，因为产品本身差异不大，所以竞争力主要集中在价格、安全性、供应的可靠性和气体应用技术方面。一般情况下，空分装置的低温环境完全由电力驱动的机械制冷产生，随着温度的降低，消耗的电能将急剧增加，因而电力成本占生产成本的70%左右。利用LNG 气化的冷能冷却液化空气来制取空分产品，可实现空分运行机组小型化，通常可以节约电耗56%左右，且无水耗，在节能上具有很大优越性，使空分产品具有很强的市场竞争力。

LNG 冷能空分具有生产流程长、运转设备多、操作要求高的特点，需要消耗较多的能量。为保证工程项目可以合理利用并节约能源，在项目设计中需积极采用新技术、新工艺、新设备以及新材料，使生产过程中的水、电、气等的消耗得到进一步的降低，从而进一步提高节能效果。