基于绿色低碳的低温工程技术

江 蓉，倪宏伟，黄 科

[四川空分设备(集团)有限责任公司，四川 简阳 641400]

1 前 言

世界主要经济体相继承诺在本世纪中叶达成碳中和的目标，我国提出力争在2030年前使二氧化碳排放量达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。建立健全绿色低碳循环发展经济体系，促进经济社会发展全面绿色转型，是解决我国资源环境生态问题的基础之策，发展绿色低碳经济是新常态下对各行各业的要求。

低温工程技术主要包括空气、天然气、化工多组分气体的分离及液化，氢、氦液化等技术，广泛应用于能源、冶金、石油、化工、航空航天、低温超导等领域。各行业的转型升级与能源技术的创新发展都需要绿色低碳低温工程技术的创新发展和应用。LNG冷能综合利用、氢能、低温液体储能、用于碳捕集利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)的富氧燃烧低纯氧空分、CO2压缩纯化、稀有气体等低温工程技术将在发展清洁能源、节能减排、提高能源综合利用效率、开发高品质资源等方面发挥着重要作用。

2 大型LNG接收站冷能综合利用技术

2.1 LNG冷能利用概况

目前中国已成为全球天然气第一大进口国，LNG进口量呈爆发式增长，已超过进口管道气成为重要供给主体。2019年，我国总计进口LNG达6048万t；预计到2035年，我国LNG进口需求量约为1.15～1.45亿t。至2019年底，我国已建成大型LNG接收站22座，接收能力9035万t/a[2]。根据有关部门规划意见，到2035年沿海及沿江接收站总数可达46座，总接收能力在2.6亿t左右。

在大型LNG接收站，LNG在汽化过程中要释放大量冷能，理论上其释放的冷量约为830 kJ/kg，对于一座接收能力为300万t/a的接收站，年可利用冷量达7.5×108kW·h。而传统的LNG接收站采用海水开架式汽化器(ORV)或浸没燃烧式汽化器(SCV)来汽化LNG，不仅浪费了宝贵的冷能，还对附近海域和环境造成冷污染。随着我国LNG进口量的持续增长，大型接收站可利用的LNG冷量十分可观，因此合理高效地利用大型接收站的LNG冷能具有十分重要的意义。

四川空分对大型LNG接收站冷能综合利用方面进行了全面研究及工业应用实践，在LNG冷能利用领域拥有多项专利技术。除LNG冷能空分技术外，还开发了大型LNG接收站冷能发电技术、大型LNG冷能换冷站技术(可用于冰雪世界、大数据中心、冷库等)、大型LNG接收站冷能综合梯级利用技术等。

2.2 大型LNG接收站冷能空分技术

空气分离的温区在-190～-150℃，大型LNG接收站高压LNG温度约-155～-130℃，与空气分离的温区相匹配，将LNG高品质的低温冷能用于空分装置，可大幅降低空分装置能耗，节能减排效益显著。因此LNG冷能空分是冷能利用最合理的方式，也是大型LNG接收站冷能利用的首选。

四川空分与中海油联合开发的LNG冷能空分系统比常规空分耗电降低约56%，工艺耗水降低约99%，节能减排效益显著，一套600 t/d的LNG冷能空分，CO2减排量可达约6.5万t/a[3-4]。四川空分已有多套采用自主专利技术的LNG冷能空分设备成功应用，且各项指标均优于设计值，氧、氩提取率高，综合性能好。

2.3 大型LNG接收站冷能发电技术

LNG冷能发电技术将LNG冷能直接转换为电能，其技术成熟，产业链短，不受市场、资源环境、运输等因素的干扰，是最值得推广应用的冷能利用方式。LNG冷能发电方法包括直接膨胀发电、朗肯循环发电、联合法发电、布雷顿循环发电和与燃气轮机的联合应用发电等。我国沿海大型LNG接收站外输压力较高，无可用压力能，一般采用低温朗肯循环发电，根据循环工质的不同，可采用单工质(丙烷)循环流程或混合冷剂循环流程。

四川空分基于在天然气液化及LNG冷能利用领域的技术实力，已成功开发出适用于大型LNG接收站的LNG冷能发电装置的专利技术及工艺包，装置关键设备如发电膨胀机、高压板翅式换热器、开架式汽化器等均已有成熟可靠的国产化设备，大型LNG冷能发电装置已具备工业化推广应用条件。

结合大型四川空分LNG接收站的冷能发电装置专利技术，对丙烷工质朗肯循环和混合工质循环进行了对比分析，主要参数如表1所示。采用混合工质循环发电，其发电效率高，工艺系统及关键设备成熟可靠，系统经济性好，应作为大型LNG接收站冷能发电项目的首选。采用单工质(丙烷)循环发电，系统简单，但发电效率较低，适用于原LNG接收站的基本负荷型汽化器采用中间介质汽化器的冷能发电装置。

表1 大型LNG冷能发电装置主要参数

2.4 大型LNG冷能换冷站技术

大型LNG冷能换冷站可将LNG冷能传递给不同的冷媒介质，满足下游不同用冷温区的需求，LNG冷能换冷站的基本原理如图1所示。可在大型LNG接收站附近集中建设大型LNG冷能换冷站，用于冰雪世界、冷库、制冰、大数据中心等各类用冷项目。四川空分已开发出大型LNG冷能换冷站技术，获得相关专利，并应用于国内大型冰雪小镇项目，完成了成套工艺包设计。

图1 大型LNG冷能换冷站示意图

2.5 LNG冷能综合梯级利用技术

为提高LNG冷能的利用率，应按照温区对口的原则，对LNG冷能进行梯级利用。根据LNG冷能用户的温度要求，深冷利用部分主要用于空气分离

(-190～-150℃)；中冷利用部分主要用于冷能发电(-130～-80℃)、干冰制造(-78℃)等；次中冷利用部分主要用于包括冷库(-60～10℃)、空调冷系统(-5～10℃)；浅冷部分主要用于海水淡化、大数据中心等。根据不同温区用冷用户的需求建立LNG冷能综合梯级利用的集成模型，实现LNG冷能利用效率的最优化，如图2所示。

图2 一种LNG冷能综合梯级利用示意图

3 低纯氧空分及CO2压缩纯化技术

为了实现碳中和的目标，应对温室效应引发的全新气候变化形势，发展碳捕集、利用与封存技术(CCUS)刻不容缓。富氧燃烧是一种典型的燃烧中CCUS技术，相较于其他CCUS技术，具有成本低、易于现有机组改造等优势，被认为是最有可能大规模推广和商业应用的CCUS技术之一[5-6]。

在富氧燃烧系统中，空分系统可采用深冷法制取低纯度氧气(80%～98%)。新型低纯氧空分流程被相继提出，与传统深冷空分工艺相比，可大幅降低系统能耗。CO2压缩纯化系统采用低温冷凝分离的物理过程，将富氧燃烧产生的高浓度CO2(～80%体积分数)烟气进行压缩净化、纯化及低温分离后，得到体积分数96%或以上纯度的CO2产品，从而实现燃煤电厂的高效CO2捕集。

四川空分在低纯氧空分及CO2压缩纯化技术上进行了深入的研究工作，取得了一系列研究成果，完成了从小试、中试、再到产业化的技术开发之路，如图3所示。

图3 四川空分富氧空分及CO2压缩纯化技术的发展

2011年，四川空分与华中科技大学合作建成了3 MWe富氧燃烧全流程试验平台，为该项目提供了空分装置和CO2提纯设备，并获得相关专利。同年，参与国家科技支撑计划“35 MWth富氧燃烧碳捕获关键技术、装备研发及工程示范”，成功研制出全球首套用于富氧燃烧的新型低纯氧空分装置，该技术与常规空分相比单位制氧能耗可降低8%～15%[7]，为富氧燃烧技术的发展起到了很好的示范作用。四川空分正开展基于富氧燃烧的百万吨级CO2压缩纯化系统关键技术的研究，研究成果将填补国内相关研究空白。

4 大型LNG装置BOG提取高纯氦气技术

氦气是国家安全和高新技术产业发展的重要战略性物资，广泛应用于国防、航空航天、核工业、科研、医疗、工业等领域。氦气主要存在于天然气中，而我国属贫氦天然气气田，氦含量极低，并且直接从天然气中提取氦气成本极高，工业用氦基本全靠进口，对外依存度极高[8-9]。从大型LNG装置闪蒸气(BOG)中提取高纯氦气，是结合我国贫氦天然气资源提氦的最合理的技术路线之一。目前国内已建成约两百余套LNG装置，已具备从大型LNG装置中提取高纯氦技术开发和工业应用的条件。

四川空分于2015年起开始研发“大型液化天然气装置闪蒸气提取高纯氦技术”，获得多项国家专利，并于2020年建设完成国内首套BOG提氦工业示范装置，顺利通过了中国通用机械工业协会组织的科技成果鉴定。鉴定委员会认为：四川空分开发出适用于我国贫氦天然气资源的高效提取氦气的专利技术，建成了国内首套年产百万方级的液化天然气闪蒸气提取高纯氦气工业示范装置，并一次开车成功，产品综合能耗低，装置可靠性高、安全性好、适应性强，其主要性能指标达国际先进水平。

该套装置采用混合冷剂与氮双循环制冷的BOG提氦联产LNG粗制技术，在提氦的同时可生产LNG、液氮、氮气产品，液氮和氮气用于氦气精制系统，产品综合能耗低、设备可靠性高；不仅增加了原LNG装置的产量，同时为精制系统提供液氮和氮气，实现上游LNG装置和下游氦气精制装置的产品综合能耗最优化。

该技术的成功开发及工业应用，解决了我国氦气战略资源的“卡脖子”技术，为我国贫氦天然气提氦开辟了新的技术路线，进一步扩大了我国有效氦气资源，提升了液化天然气工厂的综合竞争力，促进国内液化天然气产业的发展，经济和社会效益显著，应用推广前景广阔。

5 结语与展望

四川空分坚持创新发展，坚持自主研发绿色低碳高效的低温工程技术，在LNG冷能利用技术、低纯氧空分及CO2压缩纯化技术、BOG提氦技术等方面取得了一系列成果，同时也正在开展大型氢液化、氦液化、能量转换工程、低温液体储能等低温技术的研究及工业应用实践。

低温工程技术，在众多绿色低碳的前沿技术领域都扮演着不可或缺的角色，必将为我国发展清洁能源、提高能源综合利用效率提供有力的技术支撑，未来前景可期。