LNG冷能利用方式簡介

1、LNG冷能利用方式LNG冷能利用可分為直接和間接利用兩種方式。其中，直接利用包括冷能、深冷空氣分離、冷凍倉庫、制造液態(tài)CO2(干冰)、汽車冷藏、汽車空調(diào)、海水淡化、空調(diào)制冷以及低溫養(yǎng)殖和栽培等；間接利用包括低溫粉碎、水和污染物處理等。目前LNG冷能主要應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。 LNC冷能在空氣分離、深冷粉碎、冷能發(fā)電和深度冷凍等方面已經(jīng)達到實用化程度，經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯；小型冷能發(fā)電在LNC接收站也有運行，可供應(yīng)ING接收站部分用電需求；海水淡化等項目尚需要對技術(shù)進行進一步的開發(fā)和集成。 基于種種條件的限制，LNC冷能不可能全部轉(zhuǎn)化利用，目前世界LNG冷能平均利用率約20%。世界主要國家或

2、地區(qū)LNC冷能利用情況如表2所示。 由于我國進口LNG處于起步階段，國內(nèi)冷能項目的建設(shè)要本著實事求是的原則進行合理規(guī)劃。根據(jù)世界LNC冷能利用的經(jīng)驗，我國LNC冷能利用可以通過以下兩個主要途徑進行。 第一，建設(shè)大型空分裝置，生產(chǎn)商品液氧、液氮和液氬。部分液氮作為生產(chǎn)冷凍粉碎膠粉和液體二氧化碳等項目的冷媒，氣化后的氮氣作為合成氨原料；氧氣作為大型裝置的原料，生產(chǎn)的合成氣經(jīng)精制后進一步延伸加工，作為合成氨的原料和的，合成氣精制過程中副產(chǎn)的高純度二氧化碳作為液體二氧化碳的原料。第二，LNG與制冷劑換熱，綠色制冷劑進一步作為冷藏庫和合成氣精制過程的冷媒。 總之，在LNG冷能利用過程中要貫徹循環(huán)經(jīng)濟的理

3、念，積極探索我國LNG冷能利用技術(shù)，實現(xiàn)LNG冷能的安全利用，形成生態(tài)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。2LNG冷能利用技術(shù)進展2.1LNG冷能空分技術(shù) 空分技術(shù)經(jīng)過100多年的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已步入大型、全低壓流程的階段，工藝流程由空氣壓縮、空氣預(yù)冷、空氣凈化、空氣分離、產(chǎn)品輸送等操作單元組成。空分設(shè)備較高，能源消耗占空分產(chǎn)品成本的70%-80%。例如，一套72000m3h空分設(shè)備的主空壓機電機容量達31000kW，相當于一個小城鎮(zhèn)的民。因此，如何降低單位制氧耗電一直是空分行業(yè)關(guān)注的主要問題。 利用LNG高品質(zhì)的低溫冷能是有效降低空分單位制氧耗電的途徑之一。 在常規(guī)空分裝置中的主冷卻器、廢氮循環(huán)冷卻器、后冷卻器以及空

4、壓機中間冷卻器等換熱裝置中引入LNG冷能，降低單位能耗，同時減少了空氣壓縮中間冷卻的用水環(huán)節(jié)，可以提高空分產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 總之，LNG冷能用于生產(chǎn)液體空分產(chǎn)品不僅可以充分利用LNG高壓氣化過程的能譜特點，按能量品質(zhì)合理地分配利用冷能，而且工藝技術(shù)成熟可行，節(jié)能節(jié)水效果顯著有利于空分系統(tǒng)液化率的提高，縮短裝置啟動時間，能夠生產(chǎn)更多的液態(tài)產(chǎn)品，適用于生產(chǎn)液體產(chǎn)品較多的場合。2.2IGCC 整體化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC)技術(shù)是以煤氣化為上游，結(jié)合高效的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與潔凈的煤氣化技術(shù)。在LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)

5、鏈上，IGCC屬于利用空分產(chǎn)品的下游裝置。 IGCC煤氣化部分的主要設(shè)備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設(shè)備(包括硫的回收裝置)；燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電部分的主要設(shè)備有發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。 IGCC的工藝流程簡述如下：原料煤在氣化裝置中轉(zhuǎn)變?yōu)橹械蜔嶂得簹猓趦艋b置中除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變?yōu)榍鍧嵉臍怏w燃料，然后送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質(zhì)驅(qū)動燃氣透平做功，燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機做功。2.2.1煤氣化及熱回收 IGCC及大型化工采用的煤氣化技術(shù)主要有魯奇固定床碎煤加壓氣化技術(shù)、荷蘭Shell公司的粉煤氣化技術(shù)、Tex

6、aco公司的水煤漿加壓氣化技術(shù)、德國西門子公司的GSP煤氣化技術(shù)等。 魯奇氣化爐技術(shù)較為成熟，采用塊煤進料，流程較為復(fù)雜。2.2.1.1Shell粉煤氣化技術(shù) Shell氣化技術(shù)代表新一代的氣化技術(shù)，采用純氧氣化，干粉進料，氣化溫度達1400-1600，碳轉(zhuǎn)化率達99%，有效氣體(CO+H2)達90%以上，液態(tài)排渣。Shell技術(shù)的主要優(yōu)點為：(1)水冷壁氣化爐，使用壽命可達25年；(2)噴嘴設(shè)計壽命達8000h以上；(3)氣化采用廢鍋流程，副產(chǎn)高壓蒸汽；(4)采用于粉氣化，氧耗量較低。Shell氣化系統(tǒng)需要氮氣密封，氣化壓力不能太高。關(guān)鍵設(shè)備氣化爐(帶廢鍋、導(dǎo)氣管)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，關(guān)鍵技術(shù)較多

7、(例如，粗煤氣除塵)，設(shè)備費及專利費都相對較高。目前，Shell氣化技術(shù)只有一套大型裝置在運行，用于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，國內(nèi)工業(yè)化的經(jīng)驗不多，技術(shù)主要依賴進口，國內(nèi)技術(shù)支撐率低，有一定風險，國產(chǎn)化有一定的難度。 2.2.1.2Texaco水煤漿氣化工藝水煤漿加壓氣化是美國德士古公司(Texaco)在20世紀70年代開發(fā)的工藝。工藝流程簡述如下：煤粒(粒度325目，0.044mm)以及少量添加劑和水在磨煤機中磨成可以用泵輸送的非牛頓流體，再與氧氣在加壓高溫狀態(tài)下發(fā)生部分氧化反應(yīng)制得高溫合成氣，高溫合成氣可以經(jīng)輻射鍋爐與對流鍋爐間接換熱回收熱量(廢鍋流程)，或直接用激冷水冷卻(激冷流程)，氣化合成氣再經(jīng)

8、過除塵后制得潔凈水煤氣送往下游裝置。Texaco水煤漿氣化工藝技術(shù)在我國有多套裝置運行，具備國產(chǎn)化條件，投資省，技術(shù)成熟可靠度高。華東理工大學(xué)等科研單位也開發(fā)了四噴嘴對置水煤漿氣化爐，氣化條件得到改善，碳轉(zhuǎn)化率、氧化等消耗指標有所下降，單爐氣化能力得到很大提升(目前四噴嘴對置氣化爐單爐煤處理能力達到1800-2000t/d)。 2.2.1.3西門子公司GSP粉煤氣化技術(shù) GSP氣化技術(shù)的開發(fā)始于1979年，在德國Freiberg先后建成了3MW和5MW的小試裝置。1984年在Schwarze Pumpe建成了一套130MW，氣化壓力為2.8MPa，產(chǎn)氣量(標準狀態(tài))50000m3/h，煤處理量

9、720td的工業(yè)化裝置。 GSP氣化爐為燃燒室和激冷室兩段設(shè)計。氣化爐下段為氣化激冷室，采用高壓激冷水冷卻高溫氣化氣體。氣化爐上段為氣化燃燒室，以冷卻盤管制成水冷壁。燃燒室操作溫度比煤的灰熔點約高50-80。冷卻盤管外側(cè)裝有密集的銷釘，用以固定碳化涂層，其表面溫度低于液渣的流動溫度。冷卻水壓力高于氣化壓力，燃燒室采用了以渣抗渣的方式，液渣在氣化爐的燃燒室起到了耐火材料的作用。 粉煤(粒度100m、水分2%)和高壓氧氣以及少量水蒸汽一起進入氣化爐，在燃燒室進行氣化反應(yīng)。氣化產(chǎn)生的粗煤氣和熔渣并流從燃燒室下部進入激冷室，在激冷室高溫氣體被循環(huán)的高壓灰水激冷后進入氣體洗滌冷卻系統(tǒng)。 GSP粉煤氣化技

10、術(shù)核心主要為粉煤的流化態(tài)穩(wěn)定輸送和氣化爐的連續(xù)運行。目前GSP氣化技術(shù)工業(yè)化裝置少，缺乏生產(chǎn)運行經(jīng)驗。 2.2.2脫酸性氣 IGCC裝置脫酸性氣主要是指化物和二氧化碳。對于大規(guī)模氣體脫硫，宜采用濕法工藝。常用的濕法脫硫工藝有低溫洗、MDEA法和NHD法。 2.2.2.1低溫甲醇洗 低溫甲醇洗是20世紀50年代初德國林德公司和魯奇公司聯(lián)合開發(fā)的一種氣體凈化工藝。第一個低溫甲醇洗裝置由魯奇公司于1954年建在南非Sasol的合成燃料工廠，目前世界上有一百多套工業(yè)化裝置，工藝技術(shù)成熟，在工業(yè)上擁有很好的應(yīng)用業(yè)績，被廣泛應(yīng)用于合成氨、合成甲醇及其他羰基合成、城市煤氣、工業(yè)制氫和天然氣脫硫等氣體凈化裝置

11、中。在國內(nèi)以煤、渣油為原料建成的大型合成氨裝置中也大多采用這一技術(shù)。 低溫甲醇洗工藝是典型的物理吸收法，利用甲醇在低溫下對酸性氣體溶解度極大的特性，以冷甲醇為吸收溶劑，脫除酸性氣體。由于甲醇的蒸汽壓較高，所以低溫甲醇洗工藝在低溫(-35-55)下操作。在低溫下，C02與H2S的溶解度隨溫度下降而顯著地上升。在-30下，H2S在甲醇中的溶解度為CO2的6.1倍，因此能選擇性脫除H2S，因而所需的溶劑量較少，裝置的設(shè)備也較小。 低溫甲醇洗工藝氣體凈化度高，可將變換氣中CO2脫至小于20L/L，H2S小于0.11L/L，氣體脫硫和脫碳可在同一個塔內(nèi)，分段、選擇性地進行。2.2.2.2MDEAMDEA

12、(N甲基二胺)為叔胺，在水溶液中會與H+結(jié)合而生成R3NH+，從而呈弱堿性，能夠從氣體中選擇性吸收H2S和C02等酸性氣體。目前，美國TampaIGCC裝置采用MDEA工藝。MDEA脫硫、脫碳技術(shù)特點如下：(1)MDEA對H2S和CO2的反應(yīng)速率相差若干個數(shù)量級，MDEA對H2S具有良好的選擇性，吸收能力很大，動力消耗較??；(2)經(jīng)過活化的MDEA水溶液對C02也有較好的吸收效果，兼有物理與化學(xué)吸收的特點；(3)MDEA與酸性氣體溶解熱最小，吸收和再生過程的溫差較小，再生溫度較低；(4)MDEA穩(wěn)定性好、蒸汽壓較低，在使用過程中基本無降解產(chǎn)物生成，溶劑損失小，對碳鋼設(shè)備基本無腐蝕；(5)MDE

13、A溶液對有機硫的吸收能力較差，需增加有機硫水解及脫除裝置。2.2.3硫回收對酸氣脫除工段脫除的大量H2S餾份進行硫磺回收，最佳的方法是采用超級克勞斯硫回收系統(tǒng)，其工藝及設(shè)計可立足國內(nèi)。生產(chǎn)的固體硫磺可送入硫磺切片機制成片狀硫磺產(chǎn)品外銷。2.2.4聯(lián)合循環(huán)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)包括燃氣輪機、蒸汽輪機、余熱鍋爐和輔機。目前生產(chǎn)大型燃氣輪機的廠商有美國GE公司、德國西門子公司和日本三菱重工。聯(lián)合循環(huán)有單軸和多軸兩種形式，前者主要用于帶基本負荷，后者主要用于分期安裝的項目。單軸系統(tǒng)占地小，征地費用低，安裝工作量少，可靠性和可利用率高，投資省。2.3冷凍再生精細膠粉膠粉的制造技術(shù)從總體上可以分為常溫粉碎和

14、冷凍粉碎兩大類。其中，冷凍粉碎是伴隨著低溫工藝的問世而逐漸被人們認識、發(fā)現(xiàn)并發(fā)展的。冷凍粉碎一般采用制冷劑制冷，可以作為制冷劑的物質(zhì)有液氧、液氫、液氦、液體甲烷、液體二氧化碳、干冰、液氮等?？紤]到各種限制因素，一般采用液體二氧化碳、干冰和液氮。1927年，美國一家公司提出了干冰為制冷劑粉碎橡膠、糊狀物和黏性物的方法，其做法是將被粉物料與干冰混合在一起投入球磨機或削磨機進行粉碎。1964年，日本出現(xiàn)了用液體二氧化碳進行粉碎的方法，使用沖擊式粉碎機粉碎低壓聚乙烯。干冰的升華點為-75，因此二氧化碳不論是液態(tài)還是干冰，制冷效果都不理想。由于設(shè)備、冷凍介質(zhì)及技術(shù)、工藝組合等的不同，造成膠粉制造中膠粉的

15、質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)效率的不同。2.3.1液氮粉碎法液氮粉碎是以液氮為冷卻劑，促使橡膠經(jīng)超低溫冷卻而變脆后，再進行粉碎，所得粉粒為50-200目(0.074-0.295mm)，但由于液氮價格昂貴，生產(chǎn)成本較高。其中，一種方法是廢胎經(jīng)分割切塊后進行冷凍粉碎；另一種是直接將整胎冷凍粉碎。液氮利用形式也分為預(yù)冷處理粉碎和無預(yù)冷處理粉碎。2.3.1.1美國UCC粉碎法美國UCC公司是世界上最早開發(fā)冷凍粉碎工藝的生產(chǎn)商之一，1971年完成了廢橡膠的冷凍粉碎方法。UCC冷凍粉碎法可生產(chǎn)0.03mm(325目)以下的膠粉，工藝過程基本上分為有預(yù)冷處理和無預(yù)冷處理兩條線。有預(yù)冷處理的整個工藝過程都在冷凍狀態(tài)下進行

16、。首先在液氮冷凍裝置中將廢橡膠冷凍到-40以下，接著進行沖擊破碎，然后用分離裝置篩除金屬和纖維，在粉碎裝置中粉碎廢膠塊，再進入流體粉碎機，從粗碎機出來的膠粉粒通過低溫篩分裝置，篩出的粗粒返回粗碎機繼續(xù)粉碎。無預(yù)冷處理粉碎工藝過程中的一部分在常溫下進行。首先將去除胎圈的廢輪胎送入破碎機中粗碎，經(jīng)磁選器除去金屬后，送入冷卻裝置或直接送入細碎機實行冷凍粉碎，再經(jīng)過磁選器和篩分裝置，分離出金屬和纖維，最后送入旋風分離器。2.3.1.2日本關(guān)西環(huán)境開發(fā)株式會社粉碎法1977年，日本關(guān)西環(huán)境開發(fā)株式會社在大坂的實驗工廠成功投產(chǎn)年產(chǎn)7000t膠粉的工業(yè)化粉碎裝置。其工藝特點是常溫粉碎和冷凍粉碎并用，產(chǎn)品膠粉

17、細度均在50目以上(約0.29mm)(100目以上，即0.147mm以下占13)。其中，常溫粉碎采用日本CTC工藝，采用輥式粉碎機，生產(chǎn)能力為1500kg/h冷凍粉碎采用高速沖擊式錘磨機，生產(chǎn)能力為980kgh。日本關(guān)西環(huán)境開發(fā)株式會社粉碎法采用了一系列最新技術(shù)，和機械化程度很高，對噪音、震動、粉塵和氣味采取了充分的防治措施。2.3.1.3烏克蘭LN2冷凍粉碎技術(shù)烏克蘭國家科學(xué)院低溫物理工程研究所開發(fā)的液氮冷凍粉碎廢舊輪胎制備膠粉技術(shù)的工藝路線分為粉碎和研磨兩部分。冷凍粉碎工藝過程均在液氮冷凍下進行，將整條廢舊輪胎冷凍后粉碎，并使橡膠與鋼絲簾線和纖維簾線分開，粉碎和鋼絲、纖維分離是其專利技術(shù)；

18、磨碎工藝是將粉碎工序來的膠粒磨碎，所得膠粉細度在40目以上的占60%以上，其中微磨機可在低溫下將膠粉磨細成0.05mm(240目)的超細膠粉，屬于其專利技術(shù)。2.3.1.4豪格旋風粉碎機冷凍粉碎法Hoger公司(屬于德國WHG集團)的豪格旋風粉碎機在世界上享有盛譽。HW系列旋風粉碎機的電機通過三角皮帶使粉碎機主軸以12000r/min高速旋轉(zhuǎn)，主軸上裝有正置圓錐形轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子上裝有兩種形狀不同的合金鋼制成的刀具，轉(zhuǎn)子外面包著內(nèi)襯耐磨護板套的定子，耐磨護板內(nèi)表面制成齒形并沿軸從上至下分成三段，每段齒形導(dǎo)前3-4mm(防止粗膠粒沿齒槽流下而得不到有效研磨)，定子上方設(shè)有加料漏斗(膠料是經(jīng)液氮處理過

19、的)，膠料流入定子后，先被前期研磨刀具打向轉(zhuǎn)子和定子的間隙處，當膠粒通過定子和高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子及刀具間隙時，被研磨成超細膠粉，最細可達0.063mm(240目)粒徑。Hoger公司液氮冷凍粉碎的基本工藝過程是將3-5mm的膠粒輸送到加料斗中，先用回收的液氮氣體將其冷卻到-100，再送到混合600kPa液氮的螺旋器中使膠粒冷凍到-100，然后再投到HW型旋風細碎機中，經(jīng)研磨的膠粉用氣流輸送到收集器中，在收集器回收的低溫氣體返送到預(yù)冷裝置。2.4冷凍結(jié)晶海水淡化按分離過程分類，海水淡化工藝技術(shù)方法主要有蒸餾法、膜法(反滲透、電滲析)、結(jié)晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。冷凍結(jié)晶海水淡化方法自1944年

20、提出以來，由于方法本身的若干特點，引起了人們的重視，并且得到了發(fā)展。目前世界上已有不少國家建立了冷凍法海水淡化中、小型試驗工廠。冷凍法工藝主要包括冰晶的形成、洗滌、分離、融化等，工藝流程主要由下列工序組成：用天然或人工的冷凍方法使海水凝結(jié)成冰，鹽分被排除在冰晶以外，把濃度較高的海水分離出去，將冰晶洗滌、分離、融化得到淡水。按冰晶形成的途徑，冷凍結(jié)晶海水淡化方法可分為天然冷凍法和人工冷凍法。人工冷凍法又可分為間接冷凍法和直接冷凍法。間接冷凍法是利用低溫冷凍劑與海水進行間接熱交換使海水冷凍結(jié)冰，由于傳熱效率不高以及需要很大的傳熱面積，從而限制了它的應(yīng)用。直接冷凍法是冷凍劑或冷媒與海水直接接觸而使海

21、水結(jié)冰。根據(jù)冷凍劑的不同，直接冷凍法又可分為冷媒直接接觸冷凍法和真空蒸發(fā)式直接冷凍法。2.4.1冷媒直接接觸冷凍法以不溶于水、沸點接近于海水冰點的正丁烷為冷凍劑，與預(yù)冷后的海水混合進入冷凍結(jié)晶器中。在壓力稍低于大氣壓的情況下，正丁烷氣化吸熱，使冷凍室內(nèi)溫度維持在-3左右，海水冷凍結(jié)冰。之后，正丁烷蒸汽依次通過接觸器和LNG蒸發(fā)器冷凝器進行液化，LNG從-160進入蒸發(fā)冷凝器變?yōu)?100，正丁烷則在過程中循環(huán)使用。丁烷冷凍法方便、可靠，在目前的大、中型海水淡化工廠中應(yīng)用較普遍。但由于丁烷循環(huán)使用，要求系統(tǒng)必須嚴格密封，否則會因泄漏而使冷凍劑局部積累，帶來，使投資費用增加。另外，雖然丁烷與水不互溶

22、，若脫除不完全，淡水就不可避免地含有少量丁烷而受到污染。由冷凍法原理可知，海水結(jié)冰形成海冰時大量的鹽分被排除在冰晶之外，海冰的鹽度與其形成時海水的鹽度和溫度等有關(guān)(一般規(guī)律是海冰的含鹽量是海水含鹽量的1/5左右)，海冰的鹽分是海冰形成過程中包裹的海水(即所謂的鹽泡)。因此，雖然海冰的含鹽量遠遠低于海水的含鹽量，但仍不能滿足生產(chǎn)生活的需要，需要進一步進行淡化。冷媒直接法海冰淡化的幾種方法簡述如下：(1)離心法將冰塊破碎至一定粒徑后，采用離心機離心脫除鹽分；(2)融凍法利用海冰塊自身的重力作用和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的融凍作用把冰內(nèi)的鹵水排擠出來，從而脫去鹽分；(3)洗滌法利用較低鹽度的海水噴淋，洗滌破

23、碎到一定粒徑的海冰，從而降低海冰含鹽量；(4)擠壓法通過對海冰施加一定壓力將海冰中的鹽泡破壞，達到淡化的目的；(5)反滲透法利用反滲透技術(shù)降低海冰融水的鹽度；(6)蒸餾法利用日光溫室的和地氣溫度差，使海冰融水蒸發(fā)成水蒸氣，再將水蒸氣冷凝得到淡水。2.4.2真空蒸發(fā)式直接冷凍法真空蒸發(fā)式直接冷凍法利用了水的三相點原理，在水的三相點附近氣、液、固三相共存，若將海水控制在三相點附近則海水的蒸發(fā)與結(jié)冰同時進行，再將冰與蒸汽分別融化和冷凝得到淡水。真空蒸發(fā)式直接冷凍法的關(guān)鍵技術(shù)在于如何移走產(chǎn)生的蒸汽。按照蒸汽移去的方式，可分為真空冷凍蒸汽壓縮法和真空冷凍蒸汽吸收法。2.4.2.1真空冷凍蒸氣壓縮法海水預(yù)

24、冷至0左右后，噴入真空冷凍室中，部分水氣化吸熱，使剩余海水冷凍而析出冰晶(水本身是冷凍劑)，形成的冰晶鹽水淤漿經(jīng)分離洗滌后，除去冰晶表面附著及內(nèi)部包藏的鹽分，然后融化而得淡水。產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)壓縮后進入融化器冷凝。冰融化和蒸汽冷凝所得的淡水，一部分用作洗滌水，其余作為產(chǎn)品。由于水氣化成水蒸汽后，體積增大很多倍，因此對壓縮機的功率和材質(zhì)要求很高。2.4.2.2真空冷凍蒸汽吸收法以吸收劑(例如，溴化鋰)吸收冷凍室產(chǎn)生的水蒸汽，從而使海水不斷氣化與冷凍結(jié)冰。稀釋后的吸收劑經(jīng)濃縮再生后循環(huán)使用，故需要有吸收劑回收裝置。該工藝除了以吸收系統(tǒng)代替壓縮機外，其他與真空冷凍蒸汽壓縮法相同。Colt公司研究開發(fā)了真

25、空冷凍噴射吸收工藝，利用NaOH溶液來吸收部分水蒸汽(約38%)，其余部分則被噴射器中噴射出來的蒸汽壓縮至667Pa以上，壓縮蒸汽再與冰接觸冷凝在融化的冰晶表面上。由于在實際的操作中需要將大量的蒸汽及時壓縮，壓縮機的力學(xué)性能和效率都很難達到，采用該工藝就解決了上述難題，VFEA可以適用于任何規(guī)模的裝置，但同時NaOH溶液的再生又增加了設(shè)備和投資費用，而且還有可能引起設(shè)備的腐蝕。2.4.2.3真空冷凍氣相冷凝法華東理工大學(xué)在研究真空蒸發(fā)式直接冷凍法有關(guān)過程中產(chǎn)生的蒸汽的移去問題基礎(chǔ)上，開發(fā)了真空冷凍氣相冷凝海水淡化技術(shù)。采用低溫金屬表面，使三相點蒸汽直接冷凝成冰的方法，成功地解決了蒸汽的去除問題

26、，并在實驗室完成了小型實驗裝置，淡化水產(chǎn)品可達到國家飲用水標準。該工藝包括脫氣、預(yù)冷、蒸發(fā)結(jié)晶、冰晶洗滌、蒸汽冷凝等步驟。海水在進入蒸發(fā)結(jié)晶器之前必須經(jīng)過脫氣塔，使海水中溶有的不凝氣體在低壓下幾乎全部釋放。海水脫氣后與蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)排出的濃鹽水和淡化水進行熱交換，預(yù)冷至海水的冰點附近，再進入壓力和溫度低于海水三相點溫度和壓力的蒸發(fā)結(jié)晶器，使蒸發(fā)與結(jié)晶同時進行。根據(jù)水的三相圖，降低蒸發(fā)結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的低壓水蒸汽的溫度使之低于其平衡溫度以下，能使蒸汽冷凝成冰。2.4.2.4真空冷凍高壓融化冰晶法冰晶在高壓下(約60MPa)融化，融化時吸收大量的熱量使結(jié)晶器中的蒸汽冷凝為霜，霜再由海水原地融化。為了使冰

27、融化、蒸汽凝華與融化能連續(xù)進行，該工藝采用了一種旋轉(zhuǎn)式冷凍融化器。由于免除了壓縮機、吸收劑和冷凍劑的循環(huán)，這種工藝較前幾種工藝簡化，但是由于該工藝是在高壓下進行，對設(shè)備的材料要求高，增加了設(shè)備的投資費用。2.4.2.5真空冷凍多相轉(zhuǎn)變法將海水預(yù)冷至其冰點附近，進入真空冷凍室(冷凍室壓力低于海水的蒸氣壓，溫度為其冰點)，部分海水氣化吸熱，使蒸發(fā)與結(jié)冰同時進行。在該條件下產(chǎn)生的蒸汽為亞三相點蒸汽，并形成冰晶濃海水冰漿。同理，在壓力高于海水三相點壓力下產(chǎn)生的蒸汽為超三相點蒸汽。將產(chǎn)生的亞三相蒸汽凝華并與超三相點蒸汽直接接觸融化，同時超三相點蒸汽冷凝成淡水，然后進行冰晶的洗滌與融化，得到淡水。由于這個

28、工藝是在高真空條件下進行，操作難度增大。2.4.3交換結(jié)晶冷凍脫鹽法交換結(jié)晶冷凍脫鹽法采用的結(jié)晶器分為三個區(qū)域，可將冰、鹽水和烴進行分離。海水經(jīng)換熱器預(yù)冷后和直鏈烴(固液態(tài)共存)同時進入結(jié)晶器，隨著烴中的固體融化吸熱，海水部分被冷卻結(jié)冰。隨后冰鹽水形成的冰漿從底部進入洗滌塔，冰融化的一部分水作為洗滌水。如果僅僅將冰簡單融化，則不能體現(xiàn)該方法的經(jīng)濟性。于是將其余的冰和從結(jié)晶器出來的液態(tài)烴一起進入一個混合噴嘴中，并從噴嘴進入整個裝置的高壓區(qū)。根據(jù)熔點隨著外界壓力的變化而變化的原理，冰的熔點隨著外界壓力升高而降低，而烴的熔點隨著外界壓力的升高而升高。壓力提高，則冰與烴的熔點變化線會有一個交點，進一步

29、升高壓力，則冰比烴的融化溫度低，因此冰開始融化時烴將冷凍成固體。由于從高壓區(qū)排出的冰水烴物流具有很高的壓力，故交換結(jié)晶冷凍脫鹽法設(shè)計能量回收裝置將其轉(zhuǎn)換為進料冰水烴物流提高的壓力，大幅度地降低系統(tǒng)能量消耗。2.4.4利用LNG冷能進行海水淡化利用冷凍法進行海水淡化具有其他海水淡化工藝不具備的優(yōu)點。(1)用蒸餾法得到的幾乎是蒸餾水，即所謂的純水。用冷凍法除了重離子被沉淀外，一些人體需要的有益微量元素仍然保留在水中。(2)因為水的汽化熱在100時為2257.2kJkg，水的融化熱僅為334.4kJkg，冷凍法與其他淡化方法相比較低。(3)由于冷凍法是在低溫條件下操作，對設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢問題相對緩和

30、。(4)不需對海水進行預(yù)處理，降低了成本。(5)特別適用于低附加值的產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)灌溉等。目前將冷凍法與其他方法相結(jié)合，不僅減少濃鹽水排放帶來的環(huán)境污染問題，而且可以綜合利用海水，開發(fā)副產(chǎn)品，如蒸餾冷凍、反滲透冷凍、冷凍等。利用LNG冷能，把液態(tài)海水固化，先驅(qū)除了海水中的大量鹽分，然后在經(jīng)過反滲透法得到淡水，這種方法可以比上面的方法節(jié)約能源40%左右。綜合考慮各種因素，冷凍法在經(jīng)濟上和技術(shù)上都具有一定的優(yōu)勢。此外，以上方法的組合也日益受到重視。在實際選用中，究竟哪種方法最好，也不是絕對的，要根據(jù)規(guī)模大小、能源費用、海水水質(zhì)、氣候條件以及技術(shù)與安全性等實際條件而定。實際上，一個大型的海水淡化項目往

31、往是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。就主要工藝過程來說，包括海水預(yù)處理、淡化(脫鹽)、淡化水后處理等。其中，預(yù)處理是指在海水進入起淡化功能的裝置之前對其所作的必要處理，如殺除海生物，降低濁度、除掉懸浮物(對反滲透法)，或脫氣(對蒸餾法)，添加必要的藥劑等；脫鹽則是通過上列的某一種方法除掉海水中的鹽分，是整個淡化系統(tǒng)的核心部分。這一過程除要求高效脫鹽外，往往需要解決設(shè)備的防腐與防垢問題，有些工藝中還要求有相應(yīng)的能量回收措施；后處理則是對不同淡化方法的產(chǎn)品水，針對不同的用戶要求所進行的水質(zhì)調(diào)控和貯運等。海水淡化過程無論采用哪種淡化方法，都存在著能量的優(yōu)化利用與回收，設(shè)備防垢和防腐，以及濃鹽水的正確排放等問

32、題。2.5LNG冷能利用LNG冷能發(fā)電是以電能的形式回收LNG冷能，屬于對LNG冷能的直接利用，主要工藝技術(shù)包括直接膨脹法、二次媒體法和聯(lián)合法。2.5.1直接膨脹法直接膨脹法是將LNG首先壓縮為高壓液體，然后通過換熱器被海水加熱到常溫狀態(tài)，再通過透平膨脹對外做功。利用高壓天然氣直接膨脹發(fā)電的基本循環(huán)包括從LNG貯槽來的LNG經(jīng)泵加壓后，在蒸發(fā)器加熱氣化成高壓天然氣，經(jīng)透平膨脹成低壓氣體，同時對外輸出動力發(fā)電。蒸發(fā)器熱源可用海水，也可使用其它熱源，由于流體工作壓力較高，所以膨脹透平可做成超小型，高轉(zhuǎn)速。透平使用時由于轉(zhuǎn)速慣性小，因此應(yīng)由較穩(wěn)妥措施防止透平過速。透平可設(shè)計成噴嘴可調(diào)，以改善部分負荷

33、特性。采用天然氣直接膨脹方式可回收，動力大小取決于膨脹前后氣體壓力比，如氣體供給壓力要求低于3MPa，則循環(huán)回收動力的經(jīng)濟性較好，實際應(yīng)用中為增加系統(tǒng)回收效率，還可采用多級膨脹透平回收動力。直接膨脹法工藝技術(shù)的優(yōu)點是循環(huán)過程簡單，所需設(shè)備少。由于LNG的低溫冷量沒有充分利用，對外做功較少，每噸LNG冷能產(chǎn)電能約20kwh。2.5.2二次媒體法二次媒體法是利用中間載熱體的朗肯循環(huán)冷能發(fā)電，將低溫的液化天然氣作為冷凝液，通過冷凝器把冷量轉(zhuǎn)化到某一冷媒上，利用液化天然氣與環(huán)境之間的溫差，推動冷媒進行蒸汽動力循環(huán)，從而對外做功。要有效利用液化天然氣的冷能，工作媒體的選擇非常重要。工作媒體有甲烷，乙烷，

34、丙烷等單組分，或者采用它們的混合物。液化天然氣是多組分混合物，沸程很寬，要提高效率，使液化天然氣的氣化曲線與工作媒體的凝結(jié)曲線盡可能保持一致是十分必要的。因此，使用混合媒體更有利。這種方法對液化天然氣冷能的利用效率要優(yōu)于直接膨脹法。但是由于高于冷凝溫度的這部分天然氣冷能沒有加以利用，冷能回收效率也必然受到限制。郎肯循環(huán)包括如下4個過程。(1)冷凝過程。透平膨脹后的低壓載熱體蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成液體。(2)升壓。低壓液體經(jīng)泵提高壓力。(3)蒸發(fā)。升壓后的載熱體液體加熱變成高壓蒸汽。(4)膨脹。高壓蒸汽經(jīng)透平膨脹成低壓蒸汽，對外輸出功，可帶動發(fā)動機發(fā)電。在循環(huán)冷凝過程中，利用LNG冷能將低壓蒸汽冷

35、凝成液體，蒸發(fā)過程中，可采用海水等作為熱源使載熱劑蒸發(fā)。這種發(fā)電方案類似于純凝汽式蒸汽輪機，它可利用海水或其它余熱作為高溫熱源。如利用海水，因溫度水平較低且隨季節(jié)變化，提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于提高熱交換器效率及選擇合適的載流體。如能利用廢蒸汽、熱排水及其它工業(yè)余熱，提高進入透平蒸汽壓力，則可提高系統(tǒng)功回收能力。2.5.3聯(lián)合法聯(lián)合法綜合了直接膨脹法與二次媒體法。低溫的液化天然氣首先被壓縮提高壓力，然后通過冷凝器帶動二次媒體的蒸汽動能循環(huán)對外做功，最后天然氣再通過氣體透平膨脹做功。聯(lián)合法可以較好地利用液體天然氣的冷能，約為45kWh/t。是利用LNG冷能發(fā)電最多的國家之一，其LNG冷能發(fā)電項目多采

36、用聯(lián)合法，冷能發(fā)電裝置一般在400-9400kW之間。聯(lián)合法實現(xiàn)了二次冷媒動能循環(huán)和直接膨脹的動能系統(tǒng)的聯(lián)合。在這一方案中，二次冷媒的選取較為重要，其物性要達到一定的要求：必須在LNG范圍內(nèi)不凝固，且具有良好的流動和傳熱性能，臨界溫度要高于環(huán)境溫度，比熱容大，使用安全。通常選丙烷、乙烯等烴類化合物或者R502等氟里昂類工質(zhì)以及輕烴與氟里昂的混合物。為了提高LNG冷能的回收效率，二次冷媒動能循環(huán)系統(tǒng)中通常采用回熱或再熱循環(huán)，這種回收方式的冷能回收率通常保持在50%左右。2.6輕烴分離2.6.1國外概況國外早在1960年就有LNG輕烴分離的專利了。在，從LNG中分離出C+2輕烴已成為調(diào)節(jié)天然氣熱值

37、，使之符合美國國家燃氣標準的重要手段。近年來，美日等國注冊了很多LNG輕烴分離專利，這為我國從沿海引進的LNG濕氣中分離輕烴起到了良好的指導(dǎo)作用，但現(xiàn)有的專利技術(shù)還有很多不足。美國專利US2952984、US3837172和US5114451等，用這些專利流程分離輕烴后的甲烷均為氣相，由于天然氣的長輸都采用高壓輸送，因此需要采用大排量的壓縮機來壓縮天然氣，使之達到管輸?shù)膲毫σ?，因而能耗很高。美國專利US6604380B1、US2003/0158458A1和US2003/0188996A1等，通過壓縮分離出來的甲烷氣體來提高壓力，然后同LNG進料換熱，使甲烷氣體在較高的壓力下重新液化，然后利用

38、液體泵將其壓力提高至管網(wǎng)標準，然后再汽化進入燃氣管網(wǎng)，較好地解決了天然氣外輸?shù)膯栴}。然而，此類流程在應(yīng)用中尚有如下不足。(1)不利于天然氣的氣源調(diào)峰。作為天然氣下游主要用戶之一的城市燃氣用戶，其用氣量隨時段、季節(jié)、氣候和風俗習慣的影響，波動非常大，燃氣行業(yè)每天都面臨巨大的調(diào)峰壓力。為了滿足下游用戶的用氣需求，天然氣上游的供氣方需要具有一定的調(diào)峰能力，即在用氣高峰時多氣化供氣，在用氣低谷時少氣化。然而現(xiàn)有的輕烴分離流程均要求連續(xù)、平穩(wěn)運行，由于輕烴分離和氣化同時進行，因此當LNG汽化量隨時間波動時，必然會影響分離過程的操作，所以現(xiàn)有的輕烴分離流程均不具有調(diào)峰能力。(2)分離獲得的C+2輕烴壓力高，不利于儲運和銷售。2.6.2國內(nèi)概況2.6.2.1油吸收原理的輕烴分離技術(shù)大慶使用天然氣輕烴分離新技術(shù)，研制成功淺冷嫁接油吸收工藝精分餾裝置。該工藝采用油吸收原理，在氨制冷后嫁接油吸收工藝精分餾裝置，利用精分餾工藝切割吸收輕烴，提高輕烴收率，生產(chǎn)高附加值的和車用液化氣產(chǎn)品，其輕烴吸收率可達70%以上