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        LNG冷能空分技術(shù)的應(yīng)用與節(jié)能分析

        2021-07-31 06:43:06
        關(guān)鍵詞:工藝系統(tǒng)

        許 澎

        (中石化南京工程有限公司,江蘇 南京 210049)

        液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG) 接收站在LNG 上岸后轉(zhuǎn)輸管道前需要進(jìn)行氣化,在氣化過(guò)程中會(huì)釋放大量冷能,據(jù)理論估算其釋放的冷量約為830 kJ/kg,如不加以利用,將會(huì)造成巨大的冷能資源浪費(fèi)和環(huán)境的冷污染,按600 萬(wàn)t/a 規(guī)模測(cè)算,相當(dāng)于進(jìn)口4 980~5 160 TJ/a 的冷能,接近1 臺(tái)300 MW 發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量[1]。國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確要求“實(shí)現(xiàn)天然氣開(kāi)發(fā)利用與安全健康、節(jié)能環(huán)保協(xié)調(diào)發(fā)展”,并明確要求“加大LNG 冷能利用力度”??梢哉f(shuō)LNG 冷能回收利用具有顯著的節(jié)能減排作用,是典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式[2]。

        當(dāng)前,LNG 冷能利用最成熟的技術(shù)是將空氣液化分離,用以生產(chǎn)液氮、液氧和液氬產(chǎn)品。傳統(tǒng)空分裝置的冷量完全由電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械制冷產(chǎn)生,其電力成本在生產(chǎn)成本中的占比很大。利用LNG 冷能進(jìn)行空分,可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)組小型化,相比傳統(tǒng)空分,耗電量降低56%左右,工藝耗水降低99%以上,系統(tǒng)能耗大大降低,使空分產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

        1 LNG 冷能空分技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用

        LNG 冷能空分是將LNG 的氣化與空分相結(jié)合,利用LNG 氣化時(shí)釋放的巨大冷量來(lái)液化分離出液氮、液氧、液氬等空分產(chǎn)品的一種工藝,主要包括空氣過(guò)濾及壓縮系統(tǒng)、空氣純化系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)(冷箱)、乙二醇循環(huán)冷卻系統(tǒng)、液體產(chǎn)品貯存汽化系統(tǒng)、液體產(chǎn)品裝車系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)(儀表空氣系統(tǒng),加溫、解凍、置換系統(tǒng),殘液排放系統(tǒng))、儀控系統(tǒng)等[4]。由于空分區(qū)域氧氣富集,以甲烷為主要成分的天然氣作為碳?xì)浠衔锸菢O為敏感的有害物質(zhì),因此,LNG 冷能的利用需要采用中間介質(zhì),從而避免LNG 與空分系統(tǒng)直接接觸。LNG 冷能空分裝置采用的中間介質(zhì)為壓力氮?dú)?,即空分裝置下塔中抽取的壓力氮?dú)猓cLNG 換熱器中的壓力液氮換熱并被液化后返回下塔,從而將冷量由LNG 傳遞到空分系統(tǒng),并由此獲得液氧、液氬及部分液氮產(chǎn)品。LNG 的高溫端冷量通過(guò)冷媒乙二醇水溶液傳遞給各冷卻器。

        LNG 冷能空分技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟,如中海油空氣化工產(chǎn)品(福建) 有限公司的LNG 冷能空分裝置采用了美國(guó)AP 公司的專有技術(shù),聯(lián)華工業(yè)氣體公司在高雄永安工廠的冷能空分裝置中采用原英國(guó)BOC 公司(現(xiàn)林德) 提供的技術(shù)。近年來(lái),我國(guó)在LNG 冷能空分技術(shù)領(lǐng)域做了大量工作,多項(xiàng)自主研發(fā)的裝置運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)、性能穩(wěn)定,相關(guān)技術(shù)具有國(guó)際先進(jìn)水平,其中空氣過(guò)濾、壓縮、分子篩凈化、精餾、無(wú)氫制氬等工藝技術(shù)及設(shè)備與常規(guī)空分裝置相同,不同點(diǎn)是在空氣預(yù)冷系統(tǒng)和制冷液化系統(tǒng)用LNG 冷能換熱替代了水冷卻和膨脹機(jī)械制冷,相應(yīng)的用乙二醇冷卻設(shè)備、氮?dú)庖夯鳠峤粨Q器、冷氮壓縮機(jī)取代了空冷塔、循環(huán)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)[5]。

        空分裝置的主要成本取決于能耗水平,LNG 冷能空分工藝能耗水平相對(duì)較低,利用LNG 冷能來(lái)冷卻和液化空氣可以使空分過(guò)程的電耗降低56%左右。但由于LNG 冷能工藝涉及低溫高壓LNG/NG管道系統(tǒng)及設(shè)備,投資水平略高于傳統(tǒng)空分工藝,以傳統(tǒng)空分工藝為基準(zhǔn)(基準(zhǔn)值假設(shè)為1),將LNG 冷能空分工藝和傳統(tǒng)空分工藝進(jìn)行對(duì)比,可知LNG 冷能空分工藝的能耗水平只有傳統(tǒng)空分工藝的30%,而單位投資增加20%~40%,見(jiàn)表1。

        表1 LNG 冷能空分和傳統(tǒng)空分對(duì)比表

        2 LNG 冷能空分技術(shù)的先進(jìn)性

        LNG 冷能空分技術(shù)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

        1) 傳統(tǒng)空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生,消耗大量的電能,而LNG含有大量的低溫能量,在被用于燃料或化工原料之前需要進(jìn)行熱交換將其氣化為常溫氣體,回收利用這部分LNG 冷能來(lái)冷卻和液化空氣可以使空分過(guò)程的電耗降低56%左右。此外,LNG 冷能空分采用乙二醇水溶液封閉循環(huán)利用LNG 代替?zhèn)鹘y(tǒng)空分的循環(huán)冷卻水,所以幾乎沒(méi)有水耗。采用乙二醇水溶液作為冷卻劑,乙二醇水溶液在LNG-乙二醇換熱器中被LNG/NG 冷卻并作為壓縮機(jī)級(jí)間及末級(jí)冷卻器、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)電機(jī)及潤(rùn)滑油系統(tǒng)的冷源,充分利用了LNG 的高溫段冷量。乙二醇水溶液循環(huán)冷卻系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的循環(huán)水系統(tǒng),可使壓縮機(jī)級(jí)間及末級(jí)冷卻器的排氣溫度更低,能耗更低。同時(shí),乙二醇水溶液還具有配兌容易、不易揮發(fā)、使用安全可靠、防腐和防垢等優(yōu)點(diǎn)。

        2) 采用氮作為與LNG 換熱的介質(zhì),空分系統(tǒng)與LNG-氮液化系統(tǒng)采用壓力氮循環(huán)傳送冷量,循環(huán)氮不參與精餾,空分的安全性能好。

        3) 采用常溫低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)可顯著增加上塔液氮回流量,氧、氬的提取率升高,原料空氣壓縮機(jī)氣量減小,能耗降低。

        4) 低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用中低壓分開(kāi)的配置,即單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)將來(lái)自空分系統(tǒng)的原料氮?dú)鈮嚎s到適當(dāng)壓力,再匯合其余壓力氮后進(jìn)入中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)的入口,啟動(dòng)及正常操作更加容易,調(diào)節(jié)范圍更大,運(yùn)行更加穩(wěn)定。在LNG 進(jìn)料溫度偏高需要降低液氮產(chǎn)量時(shí),可停運(yùn)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)而只運(yùn)行循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī),從而降低了能耗。

        5) 液氮產(chǎn)品一部分直接來(lái)源于液氮過(guò)冷器的液氮并經(jīng)空分過(guò)冷,另一部分來(lái)源于空分裝置,調(diào)節(jié)靈活,適應(yīng)范圍廣,一旦LNG 冷箱內(nèi)的板式換熱器內(nèi)漏,可關(guān)閉LNG 來(lái)液氮管線,液氮產(chǎn)品全部取自空分,可通過(guò)增大液氮產(chǎn)品和適當(dāng)減少液氧、液氬產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

        6) LNG-氮換熱器的出口段設(shè)置天然氣泄漏純度分析聯(lián)鎖報(bào)警點(diǎn),可以起到很好的防護(hù)作用,避免對(duì)液氮貯槽造成污染。

        7) 液氧產(chǎn)品直接由主冷凝蒸發(fā)器連續(xù)抽出,烴類物質(zhì)在主冷中濃度遠(yuǎn)低于壓力極限值,確保了主冷安全。

        8) 傳統(tǒng)空分要增加壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)等大功耗設(shè)備來(lái)獲得冷量,耗電量大,電力成本占生產(chǎn)成本的比重達(dá)70%左右。與之相比,LNG 冷能空分充分利用回收LNG 的冷能實(shí)現(xiàn)空氣的冷卻和液化,省去了制冷裝置,可使空分運(yùn)行機(jī)組小型化,耗電量和耗水量大大減少,從而降低了生產(chǎn)成本。

        3 LNG 冷能空分的節(jié)能分析

        3.1 節(jié)能措施

        1) 低溫氮?dú)鈮嚎s機(jī)采用中低壓分開(kāi)的配置,即單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)將來(lái)自空分系統(tǒng)的原料氮?dú)鈮嚎s到適當(dāng)壓力,再匯合其余壓力氮后進(jìn)入中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)的入口,啟動(dòng)及正常操作更加容易,調(diào)節(jié)范圍更大,運(yùn)行更加穩(wěn)定。在LNG 進(jìn)料溫度偏高需要降低液氮產(chǎn)量時(shí),可停運(yùn)低壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)而只運(yùn)行循環(huán)氮?dú)鈮嚎s機(jī),從而降低了能耗。

        2) LNG-氮換熱系統(tǒng)冷箱板翅式換熱器采用兩級(jí)節(jié)流過(guò)冷,改善板翅式換熱器溫差,LNG 利用效率高,能耗比常規(guī)流程低。

        3) 關(guān)鍵設(shè)備LNG-氮?dú)飧邏喊宄崾綋Q熱器、高壓LNG/NG 均采用進(jìn)口閥門,能耗更低,運(yùn)行更穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)更加安全。

        4) 與常規(guī)液體空分流程相比,LNG 冷能空分取消了冷熱端膨脹機(jī)、循環(huán)壓縮機(jī)及預(yù)冷機(jī)組,能耗更低。

        5) 常規(guī)液體空分壓縮機(jī)功率大,采用涼水塔蒸發(fā)大量水提供循環(huán)冷卻水;LNG 冷能空分利用乙二醇水溶液封閉循環(huán),減少跑、滴、漏,幾乎不消耗工藝水,檢修通過(guò)收集、過(guò)濾回收,幾乎無(wú)工藝排污。

        6) 純化器采用立式內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu),可減少再生熱負(fù)荷,降低再生功耗10%以上,能耗低。

        3.2 節(jié)能效果

        1) LNG 冷能空分具有先進(jìn)水平的相關(guān)節(jié)能技術(shù),再通過(guò)系統(tǒng)能量集成等綜合節(jié)能措施,能耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

        2) LNG 冷能空分屬國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè),工藝先進(jìn)、能耗低,并采取了各種節(jié)能措施。

        3) LNG 冷能空分工藝同時(shí)在電氣、給排水、建筑、通風(fēng)及空氣調(diào)節(jié)、設(shè)備選型等方面采取各種節(jié)能措施,與同等規(guī)模的常規(guī)空分相比,電耗節(jié)省56%左右,水耗節(jié)省99%以上。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        對(duì)于空分產(chǎn)品而言,因?yàn)楫a(chǎn)品本身差異不大,所以競(jìng)爭(zhēng)力主要集中在價(jià)格、安全性、供應(yīng)的可靠性和氣體應(yīng)用技術(shù)方面。一般情況下,空分裝置的低溫環(huán)境完全由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制冷產(chǎn)生,隨著溫度的降低,消耗的電能將急劇增加,因而電力成本占生產(chǎn)成本的70%左右。利用LNG 氣化的冷能冷卻液化空氣來(lái)制取空分產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)空分運(yùn)行機(jī)組小型化,通??梢怨?jié)約電耗56%左右,且無(wú)水耗,在節(jié)能上具有很大優(yōu)越性,使空分產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        LNG 冷能空分具有生產(chǎn)流程長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備多、操作要求高的特點(diǎn),需要消耗較多的能量。為保證工程項(xiàng)目可以合理利用并節(jié)約能源,在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需積極采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備以及新材料,使生產(chǎn)過(guò)程中的水、電、氣等的消耗得到進(jìn)一步的降低,從而進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

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