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第２７卷第６期

２００７年６月

煤气与热力

ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ

Ｖ０１．２７Ｎｏ．６

Ｊｕｎ．２００７

利用液化天然气冷能的空气分离技术

张中秀，周伟国

（同济大学机械工程学院，上海２０００９２）

摘要：随着我国ＬＮＧ项目建设的快速发展，高效利用ＬＮＧ的冷能具有越来越重要的现实

意义。分析了空气分离装置利用ＬＮＧ冷能的特点及其节能效果，介绍了利用ＬＮＧ冷能的典型空

气分离流程。介绍了利用ＬＮＧ冷能的空气分离技术的发展和应用现状，指出了实际推广应用中存

在的问题，提出了相应的建议。

关键词：空气分离；液化天然气；

冷能利用

中图分类号：Ｔｕ９９６文献标识码：Ｂ文章编号：１０００一４４１６（２００７）０６—００１８—０３

Ａｉｒ

Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｔｉｌｉｚｉｎｇ

ＬＮＧＣｏｌｄ

Ｅｎｅｒｇｙ

ＺＨＡＮＧ

Ｚｈｏｎｇ—ｘｉｕ，

ＺＨＯＵＷｅｉ—ｇｕｏ

（Ｃ０如弘酽讹ｃ＾８蕊口Ｚ阮ｉ靴矗昭，％蟛；踟施难匆，跣盘，泓反２０００９２，醌ｉ珏口）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅ

ｍｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

ｏｆＬＮＧｐｒ、０ｊｅｃｔｃｏｎｓｔｌｌｌｃｔｉｏｎｉｎ

Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ

ａｃｔｕａｌ

ｓｉｇｎｉｆｉ・

ｃａｎｃｅｏｆｅｍｃｉｅｎｔｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＬＮＧ

ｃｏｌｄ

ｅｎｅｒｇｙｇｅｔｓ

ｍｏｒｅａｎｄ

ｍｏｒｅ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ

ｃｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｉｒ

ｓｅｐａｍｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｕｔｉｌｉｚｉｎｇ

ＬＮＧｃ０１ｄ

ｅｎｅｒｇｙ

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ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ

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ｓｅｐａｍｔｉｏｎｎｏｗ

ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ

ＬＮＧｃｏｌｄ

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ａｎｄ

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ｔｉｏｎｏｆａｉｒ

ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇ

ＬＮＧｃｏｌｄ

ｅｎｅｒｇｙ

ｉｓ

ｐｒｅｓ觑觎和觊觎有什么区别 ｅｎｔｅｄ．

Ｓｏｍｅ

ｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇ

ｉｎｔｈｅ

ｐｒａｃｔｉｃａＩｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ

ａｎｄ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ，

ａｎｄｔｈｅ

ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｐｕｔ

ｆ．ｏＩ乙

ｗａｒｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ａｉｒ

ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ＬＮＧ；

ｃｏｌｄ

ｅｎｅｒｇｙ

ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

１概述

近几年来，在世界液化天然气（ＬＮＧ）贸易飞速

发展的背景下，我国ＬＮＧ项目的建设也进人了一个

快速增长期，包括已建成投产的广东大鹏ＬＮＧ终端

接收站、正在建设中的福建莆田ＬＮＧ终端接收站和

正在扩建中的上海ＩⅣＧ事故调峰站，以及沿海的多

个城市燃气或燃气电厂用ＬＮＧ卫星站等，将有大量

的ＬＮＧ需进行气化。

ＬＮＧ通常是常压下温度为１１１Ｋ的低温液体，

气化过程中放出大量冷能，约为８３３ｋＪ／ｋｇ，若年利

用５００１０４ｔ的ＬＮＧ，约含冷能４。１５１０１２ｋＪ，相当

于１１．５１０８

ｋＷ．ｈ的电能…。通常这部分冷能通

过天然气气化器被空气或海水吸收，其中包含的冷

量火用未能得到利用，造成了能量的巨大浪费。因

此，回收这部分高品质冷能具有重要的现实意义。

利用ＬＮＧ气化时的冷能对空气进行分离，生产

液态空气产品，系统工艺温度低，对ＬＮＧ冷能的整

体利用率高，节能效果显著。在国际上此类研究已

有逾３０年的历史，并已有多个项目建成运营。在我

国，由于ＬＮＧ项目刚刚开始大规模发展，其冷能利

用的工作也正在起步阶段，目前此类成果和专利较

少，还没有投入商业运行的实际项目。

２空气分离装置利用ＬＮＧ冷能的特点

在ＬＮＧ气化过程中，各种应用场所下所能回收

到的总冷量一定，但不同的回收温度下所得到的有

用功却不同，即对ＬＮＧ中所含的冷量火用的利用效率

不同。由制冷原理可知，要求的工艺温度越低，常规

制冷方式所消耗的能量越多，在到达一定的低温区

・１８・

万方数据

张中秀，等：利用液化天然气冷能的空气分离技术

第２７卷第６期

时，蒸发温度每降低１Ｋ，能耗要增加１０％，此时利

用ＬＮＧ冷能的节能效果也就越明显，冷量火甩的利用

率也高。因此应在尽可能低的温度下利用冷能。冷

能利用场所的温度较高时，传热过程中未能加以利

用的大量冷量火用白白损失。

ＬＮＧ冷能用于空气分离装置时，由于工艺温度

（９０～１００Ｋ）比ＬＮＧ温度（１１１Ｋ）还要低，与用于

冷藏冷冻（２５３Ｋ）、低温发电（２３３

Ｋ）、制取干冰

（１９３Ｋ）、低温粉碎（１３３Ｋ）等场合相比，ＬＮＧ的冷

量火用得到最大程度的利用，是目前技术上最为合理

的方式［２］。这种冷能利用方式不但大大降低了生

产液态空气产品的能耗，而且降低了ＬＮＧ气化的成

本，具有一定的经济性，因此可以考虑在ＬＮＧ气化

中采用。

３典型的利用ＬＮＧ冷能的空气分离流程

空气分离装置利用ＬＮＧ冷能有多种流程，可根

据工程的实际情况选用。目前国外同类项目中的典

型流程见图１。

废气

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．液氩储罐１７．液氮储罐

１８．液氧储罐

图１典型利用ＬＮＧ冷能的空气分离流程

Ｆｉｇ．１７ｒｙｐｉｃａｌａｉｒｓｅｐａｌ埘∞ｐ瑚ｅＢ８ｕｔｄｊ商ｎｇ

ＬＮＧｃｏｌｄ

ｅｎｅｒｇｙ

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２８３

Ｋ。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遵的拼音 脱氧

后，依次通过氩净化器和氩提纯塔进行净化和提纯，

所得液氩产品送人液氩储罐中储存。

高压分馏塔流出的１００～１１０Ｋ的循环气态氮

气经过低温换热器与原料空气换热后温度升至２７０

Ｋ左右，再进入主换热器与ＬＮＧ换热，温度降为１２０

Ｋ左右，然后在循环氮压缩机中被压缩，所得１９５

Ｋ、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，气化后继续循环。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。

１ｌｏＫ的ＬＮＧ经主换热器气化后，升温至２５０

Ｋ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。

系统中氮气内循环系统的作用主要有两方面：

一方面在比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；另一方面将

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。

文献［１］中设计的利用ＬＮＧ冷能的空气分离流

程，空气预冷器的冷源由系统末端的低温天然气提

供，ＬＮＧ与氮气的热交换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，计算耗电量（即以获取单位体积氧气产

品所消耗的电量作为计算空气分离系统的耗电量，

下文同此）为０．４１３—０．５６０ｋｗ・ｈ／ｍ３。文献［３］

中设计的利用ＬＮＧ冷能的空气分离流程，空气预冷

器的冷源由低纯度废弃燕昭王陈子昂原文及翻译 氮气提供，液氧直接在低温

换热器中获得，其计算耗电量为０．５８１ｋｗ・ｈ／ｍ３。

４利用ＬＮＧ冷能空气分离的应用现状

１９７１年，世界上首台利用ＬＮＧ冷能的空气分

离装置在日本东京液氧公司投入运行。空气分离作

为ＬＮＧ冷能利用中的最常用技术之一，应用越来越

广泛，日本、韩国、法国、澳大利亚等国家已有多处此

类项目投入运营。表１列出了其中一些利用ＬＮＧ

・１９・

万方数据

第２７卷第６期

煤气与热力

冷能的空气分离装置‘４“３。

表１利用ＬＮＧ冷能的空气分离装置

７Ｉ＇曲．１Ａｉｒ８ｅｐ锄丘帆ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｕ矗ｌｉｚｉｎｇ

ＬＮＧｃｏｌｄ

ｅｎｅｒ盱

ＬＮＧ日本日本日本日本韩国

终端接收站

泉北１泉北２袖浦知多平泽

生产能力

液氮７５００

２５０００１５０００１５０００１５０００

液氧７５００６０００５０００５０００６５００

／（矗・ｈ。１）

液氩２００３８０１００１００４４０

ＬＮＧ用量／

２３

３４２６５０

（ｔ・ｈ一）

耗电量／

０．６００．５４

Ｏ．５７

（ｋＷ・ｈ・ｍ。）

利用ＬＮＧ冷能的空气分离装置耗电量约０．４～

ｏ．６ｋｗ・ｈ／ｍ３，与常规的空气分离装置的耗电量

１．２ｋＷ・｝ｌ／ｍ３相比，电力消耗节约５０％以上一１。

我国第一个利用ＬＮＧ冷能的空气分离项目是

福建莆田利用ＬＮＧ冷能空气分离项目，计划ＬＮＧ

日使用量１２００∥ｄ，日产液氧２５０关于写风的诗100首 ∥ｄ、液氮３４０∥ｄ

和液氩１０∥ｄ，将于２００７年底建成。广东大鹏、宁

波ＬＮＧ项目利用冷能的空气分离项目计划将于

２０１０年底建成。

５存在的问题与建议

①ＬＮＧ冷能供应的稳定性

ＬＮＧ最终主要用于城市燃气和发电，其气化量

随实际需求量的变化而不断变化。如城市燃气存在

季节和日峰谷差，燃气电厂根据电力调峰需求而调

度运行。同时，由于ＬＮＧ储罐中存在ＢＯＧ（ＢｏｉｌＯｆｆ

Ｇａｓ，蒸发气体），对其进行再液化也需要消耗一部

分ＬＮＧ冷能，特别是夏天这种需求量更大。由于冷

能供应不稳定对冷能利用设备负荷的限制，影响了

设备的连续稳定运行和利用率，大大降低了系统的

经济性。国外建设较早的一些利用ＬＮＧ冷能的空

气分离设备就曾出现过因夏季可利用ＬＮＧ冷能低

于设计值的５０％而停运的情况，使立项时的预期收

益大打折扣∞Ｊ。因此对于具体工程，应做好相应的

天然气供应需求预测、ＬＮＧ实际可利用冷能计算等

工作。

②液态空气产品的市场需求

液氮是应用范围最广的低温工质之一，主要用

于低温粉碎、食品冷冻、低温运输、生物保存、医疗手

术及工业速冻等。液氧主要用于航空燃料、液氧炸

药，制取臭氧用于污水处理和造纸漂白等。目前的

液氧和液氩直接应用不多，液化的主要作用是便于

储运，终端使用时仍多为气态。由于在终端市场需

求方面，空气产品以气态为主，液态产品所占的市场

份额较少，甚至在一些地区出现供大于求的情况，因

此液态空气产品的生产要考虑到市场的需求、容量

和定价问题，这也是实际工程中保证项目经济性的

重要因素。

③ＬＮＧ冷能的综合利用率

由于利用ＬＮＧ冷能的空气分离工艺温度低，因

此系统末端排放的各种物质流中均具有一定的剩余

冷能，应注意对其进行回收利用。如排出的低纯废

氮、液氩提纯废气等温度都较低，主换热器出口的天

然气温度也在一２０℃左右，可通过增加换热器等对

其中的冷能进一步回收利用，优化系统工艺流程，提

高ＬＮＧ冷能的综合利用率。

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・２０・

作者简介：张中秀（１９８４一菩萨蛮李清照 ），男，河北武邑人，

博士生，主要从事城市燃气输配方面的研

究工作。

电话：（０２１）６９５８９１９３

Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｉｔｙｓｈｏｗ０２＠１６３．ｃｏｍ

收稿日期：２００６一０３一０７；修回日期：２００７—０３—２３

万方数据