110K LNG加热方案：通过回收装置降低液氧耗电量

对于利用LNG冷量的空分装置，国外的研究开展得较早。早在20世纪90年代就申请了多项专利。例如：美国专利^[29]采用内部储存的惰性气体的液体汽化补充冷量，以解决在使用LNG冷源的空气分离装置中，因LNG需求波动而造成的冷量供应不足；美国专利^[30]用高压氮流体把LNG冷量传输给低温空气分离装置，氮流体作为载冷剂，LNG作为制冷剂，LNG的冷量使高压氮流体冷凝，使其节流后产生含有液体氮的湿蒸气，经分离生产出液体氮；日本专利[31]不用常规高压分馏塔，而只用高压分馏塔冷凝段和低压分馏塔，把分馏塔生产的氮气压缩，利用LNG冷却，采用氟利昂作为载冷剂，原料空气只压缩到低压分馏塔操作压力，生产液氧、液氮和液氩。

空分装置利用LNG冷量的流程可以有多种方式。目前主要有LNG冷却循环氮气，LNG冷却循环空气，以及与空分装置联合运行的LNG发电系统三种方式。

1.LNG冷却循环氮气

由于氮气膨胀循环制冷空分流程的广泛应用，LNG冷却循环氮气的利用方式也是最为主流的方式。一种典型的利用LNG冷能的氮气膨胀循环制冷空分流程如图7-25所示^[27]。该流程中，原料空气经过空气过滤器除掉灰尘后，进入空气压缩机；压缩后压力为0.6MPa的空气进入空气预冷器中被冷却至283K；随后进入空气净化器，通过其中的分子筛吸附除去二氧化碳、水分等杂质，以防冻堵。在低温换热器中，气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却至约100K后，依次进入高压分馏塔、低压分馏塔与其中的低温液态氮气进行换热，气态空气各组分依次液化，所得的液氧产品进入液氧储罐中储存，液氮产品进入液氮储罐中储存。含氩液态气体使用氢罐加氢催化脱氧后，依次通过氩净化器和氩提纯塔进行净化和提纯，所得液氩产品送入液氩储罐中储存。高压分馏塔流出的100～110K的循环氮气，经过低温换热器与原料空气换热后，温度升至270K左右；再进入主换热器与LNG换热，温度降为120K左右；然后在循环氮压缩机中被压缩；所得195K、2.6MPa左右的高压气态氮气再次进入主换热器冷凝，温度降为120K左右；通过氮节流阀节流降温降压至91K、0.4MPa左右后，进入高压分馏塔的液氮入口，与空气换热，汽化后继续循环。低压分馏塔顶部流出的100K左右的低纯度氮气，经过低温换热器进行冷能回收后，一部分在需要时通过电加热器加热后，用于空气净化器中分子筛的再生，其余部分放空。110K的LNG经主换热器汽化后，升温至250K左右，热量不足部分由天然气加热器进行补充调节，或由系统中的空气预冷器等其他冷能回收装置补充调节。

图7-25 典型的利用LNG冷能的氮气膨胀循环制冷空分流程

1—空气过滤器 2—空气压缩机 3—空气预冷器 4—电加热器 5—空气净化器 6—低温换热器 7—高压分馏塔 8—低压分馏塔 9—氢罐 10—氩净化器 11—氩提纯塔 12—氮节流阀 13—循环氮压缩机 14—主换热器 15—天然气加热器 16—液氢储罐 17—液氮储罐 18—液氧储罐

该系统与普通的空分装置相比，电力消耗可节省50%以上，冷却水可节约70%左右。系统中采用了氮气内循环，其作用主要有两方面：一是在比LNG温度更低的工况下提供了冷量，以满足高压下产品的沸点等工艺要求；二是将LNG与液氧系统分离开，避免了工质泄漏可能引起的危险，提高了系统的安全性。

近年来我国在这方面开展了广泛的研究。中国科学技术大学的陈则韶等提出了利用LNG冷能的空气分离流程，如图7-26所示^[32]。其中空气预冷器的冷源，由系统末端的低温天然气通过氟利昂载冷剂间接提供，LNG与氮气的换热器由两部分分级构成，并使用了多级低温氮压缩机，设置了低温过冷器，节能效果较好。该流程生产每千克液氧的耗电量，可从传统的1.05～1.25kW·h/kg降至0.315～0.45kW·h/kg。此项申请了相应的发明专利^[33]。

图7-26 利用LNG冷能的空气分离装置

1—空气过滤器 2—空气压缩机 3—空气冷却器 4—分子筛吸附系统 5—废氮气加热器 6—主换热器 7—高压分流塔 8—低压分流塔 9—过冷器 10—粗氩塔 11—精氩提纯塔 12—氩气分馏系统 13—高-低压循环氮气换热器 14—LNG热交换器 15—高压氮气压缩机 16—中压氮气压缩机 17—低压氮气压缩机 18—LNG储罐 19—天然气回温换热器 20—循环泵 J—节流阀F—控制阀

浙江大学的金滔等，提出了另一种流程^[34]。其中空气预冷器的冷源由低纯度废弃氮气提供，取消了氟利昂载冷剂，符合环保要求。氧气的液化不再发生在冷凝蒸发器，而是发生在低温换热器中，因此不需要对传统的冷凝蒸发器结构作任何改动。该流程计算耗电量为0.581kW·h/m³。之后他们对流程进行了以下改进（见图7-27）^[35]：

1）取消了氮气内循环，直接输出产品氮气，从上塔顶部抽出的氮气经主换热器回收冷量后作为产品气输出。由此可以去掉两个氮气压缩机（中压/高压），节能效果明显；同时还可减少循环氮气量，进而降低压缩功。通过Aspen Plus软件模拟的结果表明，该流程单位能耗为0.4057kW·h/kg（O₂）；另外，系统的最高运行压力显著降低，从5MPa降低到2.6MPa。

2）节流后的循环氮气不再分成两股分别进入低温换热器和主换热器，而是作为一股流体先通过低温换热器，将低温的高品位冷量回收后，再全部进入主换热器，释放剩余冷量，符合冷量的梯级利用。

3）虽然仍采用水冷塔对空气进行预冷，但对污氮冷却循环水的流程作了分流股改进，增加了调节的灵活性和准确性。在不同的运行期，可以根据需要，合理分配污氮流量，从而达到节约循环水和降低加热污氮所耗电能的目的。

图7-27 氮外循环LNG冷能冷却的10000m³/h空分设备流程图(www.xing528.com)

1—空气过滤器 2—空气透平压缩机 3—空气冷却塔 4—水冷却塔 5—消声器 6—电加热器 7—分子筛吸附器 8—中压氮气压缩机 9—低温换热器 10—LNG换热器 11—主换热器 12—上塔 13—主冷凝蒸发器 14—下塔 15—液氧吸附器 16—液氮过冷器 17—液空过冷器 18—液空吸附器 WP—水泵 OP—流程液氧泵

西安交通大学的燕娜等^[36，37]也提出了相似的流程。参考文献[36]中提到的新的利用LNG冷能的氮气膨胀循环制冷空分流程，相比参考文献[35]中的流程提高了循环氮气进压缩机的温度，避免了低温压缩的困难，其单位质量液体产品功耗为0.327kW·h/kg。参考文献[36]中还提出了一种可针对现有装置进行改造的流程：在传统的全低压气体产品流程的基础上，改良得到了利用LNG预冷的中压氮气循环的液体空分流程（见图7-28）。只需改变原有流程的几条管路，并在原来的基础上添加1台循环氮气压缩机、2台换热器和1台冷水机组，不需要改变任何原有设备就可以生产液体产品，非常适合只生产气体产品的流程改装生产液态产品。参考文献[37]中设计的流程，进一步降低了循环氮气压缩终压（为2MPa），使得系统功耗也有所降低（为0.321kW·h/kg）。

参考文献[38]提出了类似的多种方案，可根据不同的需要选取。参考文献[39]提出的流程中，液氮直接作为产品排放出空分装置，不再进入分馏塔作为空气分离的冷源，从而可防止气体泄漏可能引起的爆炸危险。参考文献[40]（美国专利）提出的流程也是基于这个思想的。

图7-28 利用LNG预冷的中压氮循环液体空分流程

1—空气压缩机 2—空气净化系统 3—氮压缩机 4—冷却器 5—LNG换热器 6—低温换热器 7—主换热器 8—膨胀机 9—上塔 10—冷凝蒸发器 11—下塔 12—过冷器

2.LNG冷却循环空气

针对空气循环膨胀制冷这种空分流程，LNG的冷能可直接用于主换热器中冷却原料空气。参考文献^[41]中提出的采用LNG冷量的空气膨胀制冷空分流程，利用LNG冷量冷却原料空气，用外界冷量取代了空气循环膨胀制冷，取消了空气膨胀机以及制冷机组，流程组织更加简单，能耗大大降低。单位液态产品的能耗由原来普通的空气膨胀制冷流程的0.775kW·h/kg，降低到了0.395kW·h/kg。其流程简图见图7-29。

图7-29 利用LNG冷能的空气膨胀制冷空分流程

1—空气低压压缩机 2—空气净化系统 3—空气高压压缩机 4—冷却器 5—主换热器 6—LNG换热器 7—下塔 8—冷凝蒸发器 9—上塔 10—过冷器

3.与空分装置联合运行的LNG发电系统

在LNG电站中，将发电、空分与LNG汽化利用相结合的系统中，LNG与空分装置输出的冷氮气一起，被用来冷却空分系统中的多级空压机，可以进一步降低空分系统功耗^[23，42]。一种与空分装置结合的利用LNG冷能的零排放能量系统如图7-30所示^[43]。

在空气分离系统中，利用LNG冷能作为补充冷量进行空气分离，可以使生产液氧的耗能降低60%～73.5%，同时使LNG汽化为天然气（NG）。在动力系统中，NG为燃料，氧气代替空气作为氧化剂。在整个能量系统中，燃烧产物仅仅为二氧化碳和水，其中二氧化碳气体可以通过液氧的冷能进行液化加以回收，从而实现能量系统有害气体的零排放。分析表明，该系统的效率约为37%，比同类的不采用LNG冷能的零排放系统的效率高一倍。

图7-30 利用LNG冷能的零排放能量系统