基于LNG冷量的液体空分新流程

    液化天然气（Liquefied Natural Gas 以下简称LNG）具有便于远距离运输、储运成本低、热值高、清洁、环保等特点。在LNG接收站，一般将LNG气化后再使用，气化过程放出的冷量约为830kJ/kg，这部分冷能通常随海水或空气被舍弃，造成能源的极大浪费，如何回收LNG的冷量近年来已经成为国内外研究的热点问题，本文着重对LNG冷能在空分装置中的应用进行探讨。
1、LNG冷能应用在空分装置中的优势
    其一，LNG冷量利用的过程就是将LNG的冷量传递给需要冷却的工质，达到冷量回收的目的。冷能回收过程中的不可逆损失相对较少，是比较理想而**的利用方法。
    其二，将LNG的冷量回收，不仅提高了循环的液化率，可得到大量的液态产品，同时节省了能耗。
    其三，传统空分流程的冷量由透平膨胀机产生，启动阶段冷量需要逐渐积累，若利用LNG可以在很短的时间内得到大量的冷量，空分设备的启动时间就可以大大缩短。
2、采用LNG冷量的液体空分装置
    空分装置中引进LNG冷量的方案大致可以分为两种情况，一种是设计新型的流程方案，并投资建设一套新的系统；另一种是在原有的设备基础上进行改进设计，引进LNG的冷量。

    方案1针对新系统的投资建设提出，如图1所示。
    该方案为采用LNG预冷的中压氮气循环的液体空分流程，其中精馏系统与传统的中压氮气循环液体流程基本相同，主要区别在于制冷系统。在传统流程中，循环氮气分为内外两股循环，内循环为精馏塔提供冷量，而外循环为内循环氮气提供冷量。新流程取消了氮气外循环制冷系统，这部分冷量由LNG气化过程释放的冷量代替。新流程是这样运行的：来自下塔顶部的循环氮气首先通过主换热器3吸收热量，将原料空气冷却，再进入循环压缩机9压缩至约2.6MPa，经冷水机组10降温后，直接进入LNG换热器8吸收LNG气化释放的冷量，被冷却到120K左右，然后通过节流阀降压至约0.55MPa，回到下塔提供冷量，接着进入下一次循环。
   新流程的特点在于：1、取消了氮气外循环系统，在设备上省去了氮透平膨胀机和增压压缩机，使流程组织更加简单；2、用LNG换热器代替了传统流程中的氟利昂制冷机组，有效回收了LNG的冷量的同时，节约了能耗；3、由于LNG冷量的引进，降低了循环氮气的预冷温度，从而降低了系统的较高运行压力，使安全得到保证；4、提高了循环氮气进压缩机的温度，避免了低温压缩的困难。

    方案2针对现有设备改造提出，如图2所示。该方案为利用LNG预冷的中压氮气循环塔外液化空分流程，其运行方式如下：上塔引出的纯氮气经主换热器复热后，抽取一部分（抽取量取决于需要生产的液态产品的量）首先经LNG换热器11冷却，再在液化器13中液化，作为液态产品输出。上塔底得到的气态纯氧复热后先在预冷器12中预冷，吸收循环氮气的冷量，再进入液化器13中液化得到液氧，作为产品引出。装置开动初期，从氮气产品中引出一部分作为循环氮气进行积累，当流量达到要求以后，通过阀门切换，使循环氮气与精馏系统隔离。循环氮气在压缩机9中被压缩到约2.3MPa，然后通过冷水机组10冷却并在LNG换热器11中液化，高压低温循环氮气节流后为换热器13、12提供冷量，回到压缩机进口，进行下一个循环。
    该方案是在传统的全低压气体产品流程的基础上改良得到的，其较大的优势是不需要改变任何原有设备就可以生产液体产品，只需在原有流程的基础上添加一台循环氮气压缩机、三台换热器和一台冷水机组，非常适合只生产气体产品流程改装生产液态产品。另外产品液化系统独立于精馏系统，在不同的需求情况下，对气液产品的产量可以进行灵活的调节。该流程的较高运行压力进一步降低，比方案1还要小约0.3MPa。    两种新流程与传统的液体流程相比较有明显的改善。新流程所需循环氮气量大大减少，系统的较高运行压力分别是2.6、2.3MPa，而传统液体流程在4.2-5.0MPa左右。从能耗上来看，与传统的流程约1.05-1.25 kW?h/kg相比，两种方案均有大幅度的降低，分别为0.317、0.384kW?h/kg，而能耗节约的根本原因在于循环气量的减少和较高运行压力的降低。两种新方案在产品产量相同的条件下相比，方案2液态产品的能耗高于方案1，但方案1的循环氮气量和较高压力大于方案2，对比之后综合说来两种新方案适用场合不同，各具优势，应根据不同的需要合理选用。
3、结论
   (1)空分流程中引进LNG冷量不仅有利于冷量的合理利用，而且有利于空分系统液化率的提高，以及装置启动时间的缩短，适用于生产液体产品较多的场合。LNG采用液泵加压节省能耗，而换热压力的提高对空分性能影响较小，综合考虑建议将LNG的气化安排在加压之后进行。
   (2)液体空分流程引进LNG冷量后取消了高压氮气压缩机、氮透平膨胀机以及氟利昂制冷机组，简化了流程组织。气体空分流程引进LNG冷量后在不改变现有设备的基础上添加压缩机、换热器等部件便可生产便于运输的液体产品，投资费用较少，能耗也相对较低。
   (3)引进LNG冷量的液体空分流程与传统流程相比，所需循环氮气量明显减少，系统较高运行压力从4.2~5.0MPa降低到了2.3~2.6MPa，液态产品的单位能耗从传统流程的1.05-1.25 kW?h/kg降低到0.317-0.384kW?h/kg，节能效果明显。