液化天然气冷量在空气分离装置的应用
时间：2021-02-09 12:02:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文介绍空气分离装置，对冷量的需求，详细叙述液化天然气（LNG）的发展前景，中国天然气的发展及冷量分析，利用LNG冷量的空分装置工艺流程设计简述。
关键词：液化天然气；空气分离；精馏
1 前言
空气分离装置是一种高耗电的行业，其生产的产品氧气、氮气、氩气等在化工、钢铁、医药业、冶金、食品等行业中的应用越来越广，针对日益紧张的电力能源，液化天然气在民用和工业用气的增加及空分市场的激烈竞争，降低生产产品的单耗就越来越重要。液化天然气冷量的回收对空气分离装置来说，是一个新机遇，一个新课题。
2 空分分离装置简介
空气分离装置是以空气为原料生产氧、氮、氩及其它稀有气体的装置。装置是用人工制冷的方法使空气液化，然后根据各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，以获得氧、氮、氩及其它稀有气体。
3 空分装置对冷量的需求
3.1 空分装置设备在启动阶段，冷量首先用来冷却装置，降低温度，产生液态空气，在塔内积累起精馏所需的液体，待内部温度、液面等工况达到正常后，所需的冷量比启动阶段大为减少。
3.2 装置生产部分液态产品输出装置时，低温产品需带出冷量。
3.3 设备处于低温状态，在保冷箱内，充填有导热性能差的保温材料并有氮封保护，但外部必然有热量不断地传入，需要消耗一定的冷量。
3．4 生产的气态产品在出主换热器的热端时，不能复热到正流空气进热交换器的温
度而引起热交换不完全损失。
3.5 装置存在的跑冷、泄漏。
4 获得冷量的一般途径
热量只能从高温物体传给低温物体，要从低温物体取走热量，造成一个更低温度的状态，使它具有吸收并带走热量的能力，这种吸热并带走热量是花费代价才能得到的。
4.1 节流效应制冷量。进入空分装置压力较高的空气或液体，在装置内经过节流阀节流膨胀后温度会降低，气体具有带走热量的能力。压缩空气在节流后所具有的制冷能力是由于压缩和冷却而产生的。
4.2 空气在膨胀机中绝热膨胀。压力较高的气体经过膨胀机膨胀时，由于气体推动叶轮旋转，对外输出功，因而气体本身的能量减少，温度显著降低。膨胀机的制冷能力包括两部分：一部分是在膨胀机中的焓降，即膨胀机的制冷量；另一部分是相当于膨胀空气经膨胀机节流后所具有的节流制冷能力，即节流制冷量。
4.3 冷冻机提供的制冷量。采用分子筛净化的空分设备，常常用冷冻机的低温工质来预冷空气，以提高吸附净化效果。这是由空分设备外部提供的制冷量，就是指冷冻水从空气带走的热量，它可使所需的节流效应和膨胀制冷量减少。
目前世界天然气探明储量已经接近石油储量。预计50年后天然气将超过石油和煤炭，成为世界主要能源。LNG工业近几年的迅速发展下，技术的成熟和贸易的发达已使LNG价格降至合理的水平。目前，日本、韩国、美国等均进口大量LNG。因此，无论从多气源保障能源安全还是从经济方面出发，同时考虑国产、进口气态天然气（主要从俄罗斯）和进口液化天然气应该是合理的。预计2010年LNG产量将达到2400*108立方米，为LNG冷能的回收利用奠定了良好的基础。
5 中国液化天然气的发展
我国有丰富的天然气资源，近几年来在地质综合研究、勘探开发和合理 利用方面均有进展。为了改变能源结构，改善环境状况，发展西部经济（"西气东输"被列为西部大开发的头号工程），中国政府十分重视天然气的开发和利用。近十年来，中国的液化天然气产业已起步，在某些环节上有较大的进展。天然气液化工厂有上海的LNG事故调峰站、河南中原天然气液化工厂和新疆广汇天然气液化工厂。中国为了引进国外液化天然气，正在广东、深圳和福建莆田建造液化天然气接收终端。LNG运输方面，储罐的制造商生产的天然气槽车已投入运行，还计划开发制造运输液化天然气的集装箱。中国第一艘液化天然气船在上海开工建造，标志着我国船舶制造工业实现了新的技术突破。在液化天然气应用方面，山东、江苏、河南、浙江和广东等省的一些城镇建立了气化站，向居民或工业提供燃气。为了适应液化天然气在中国的迅速发展，相应的液化天然气标准制定工作也已经开展。随着我国西部大开发，中国大工程之一的"西气东输"工程的实施，将有力地促进天然气的开发利用。国外（特别是日韩法等LNG输入大国 ），已对LNG冷量的应用展开了广泛研究，并在低温发电、冷冻食品及空气液化等方面达到实用化程度，经济效益和社会效益非常显著。随着国内对LNG的进口需求越来越大，LNG接收站正在大力建设或规划建设之中，如何对LNG所蕴含的大量优质冷能进行充分利用也成为最近几年来的热点研究问题。国内许多研究人员对如何合理利用LNG冷量展开了一些有益的讨论，范围包括用于发电、空气分离、低温粉碎等。
6 LNG冷量回收利用技术
LNG是天然气的一种独特的储存和运输形式，它有利于天然气的远距离运输，有利于边远天然气的回收，降低天然气的储存成本，有利于天然气应用中的调峰。同时，由于天然气在液化前进行了净化处理，所以它比管道运输的天然气更为洁净。生产LNG的动力及公用设施耗电量约为850KWH/H。而在LNG接收站，一般又需将LNG通过气化器气化后使用，气化时放出大量的冷量，其值大约为837KJ/KG（包括LNG的气化潜热和气态天然气从储存温度复热到环境温度的显热）。这部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空 气被舍弃，造成能源的极大浪费。通过特定工艺技术利用LNG冷量，可以达到节省能源，提高经济效益的目的。
7 LNG冷量回收在空气分离中的应用
通常的低温环境都是由电力驱动的机器制冷产生的，由制冷原理可知，随着温度的降低，其消耗的电能将急剧增加。在一定的低温蒸发范围内，蒸发温度降低1K，能耗要增加10%。利用回收的LNG冷能和两级压缩式制冷机冷却空气制取液氮、液氧、液氩，电能消耗也可减少50%（原来生产1立方米的液氧电耗为1.2KWH，采用LNG冷量回收的方法可使电耗减少0.5KWH），水耗减少30%，这样就会大大降低液氧、液氮、液氩的生产成本，具有可观的经济效益。
利用LNG冷能的空分流程有三个主要特点：一是在离LNG最接近的温度位对其冷能加以利用，有用能利用率高；二是可以在较低的能耗指标下得到大量的液态产品；三是可以缩短空分流程的起动时间，因为传统流程靠透平膨胀机产冷，冷量需要逐渐积累，而LNG则可以瞬间释放出大量高品位的冷能。
8 利用LNG冷量的空分装置工艺流程设计简述
空气经过滤器除去灰尘和杂质后进入压缩机压缩至5.8bar，经氮水预冷系统后，进入分子筛纯化器除去其中的水分、二氧化碳和其它碳氢化合物，干燥而洁净的空气进入换热器中与污氮和循环氮气换热并将至饱和温度后进入下塔底部。在下塔顶部抽出一股循环氮气，在主换热器中复热后，经过循环氮气压缩机加压和冷冻机组冷却，达到300K，23bar。然后在LNG换热器中与LNG换热，利用LNG的冷量使循环氮气温度降到118K，节流后返回下塔，液氧产品从冷凝蒸发器引出，液氮产品从下塔液氮槽抽出节流进入上塔顶部后进出。
9 结论。本文提出了空分装置中利用LNG冷量，以替代常规空分装置中膨胀空气的冷量来生产产品氮气和氧气的方案。与普通的空气分离装置相比，可节省电力50%以上，节约冷却水约70%。日本等许多LNG的进口大国，在LNG冷热能利用方面的研究投入很大，而且已经有了许多成熟的工艺流程投产。随着世界经济的发展，能源问题受到越来越多的重视，天然气已经悄然地攀升到世界三大主要能源之一，在不久的将来势必会取代煤炭和石油成为全球消耗第一的能源，LNG比天然气更便于储运。随着LNG利用的日益广泛，LNG中所蕴藏的冷热能也越来越引起人们的重视，在我国随着经济的发展，人们的生活水平和人们环保意识的不断提高，我们的能源消费结构正在逐渐改变，对天然气等清洁能源的需求将持续增长，对LNG冷热能的开发利用已被提到议事日程上来。大量LNG潜在冷量资源非常可观。有效地利用LNG冷量，可以收到很好的 经济效益和社会效益。
参考文献
[1]顾安忠，曹文胜.中国液化天然气的发展.气体分离.2005年第2期.
[2]曹文胜，林文胜，关集迎.液化天然气的冷量利用.制冷.2005年12月.
[3]林文胜，顾安忠，鲁雪生，汪荣顺.空分装置利用LNG冷量的热力学分析.深冷技术.2003年第3期.
[4]王强，厉彦忠，张朝昌.液化天然气冷能回收及其利用.低温工程.2002年第4期.
