液化天然氣（ LNG）是通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫（ - 162 ℃ ）液體混合物，在汽化使用時放出大量的冷量，該冷量由汽化潛熱和復溫顯熱組成，約為 830 kJ / kg. 目前的工藝中該部分冷能通常隨海水或空氣被舍棄，造成能源的極大浪費. 通過特定工藝技術合理利用 LNG 冷能，可以達到節省能源、提高經濟效益的目的. 國內外許多研究人員對如何合理利用 LNG 冷能展開了研究，范圍包括用于發電、空氣分離和低溫粉碎等^［1.7］.

利用 LNG 冷能的空分流程有 3 個主要優點：一是在離 LNG 最接近的溫度位對其冷能加以利用，可用能利用程度高；二是可以在較低的能耗指標下得到大量的液態產品；三是可以縮短空分流程的起動時間，因為傳統流程靠透平膨脹機產冷，冷量需要逐漸積累，而 LNG 則可以在瞬間釋放出大量高品位的冷能.陳則韶等人^［5］利用 LNG  冷能的空分流程設置了由 LNG  冷能冷卻的氮外循環和氮內循環制冷系統，以及利用 INC 冷能的空氣冷卻系統（ 以氟利昂作為載冷劑）. 氮循環系統均采用氮氣低溫壓縮，節能效果明顯. 另外，由節流閥取代循環氮氣膨脹機使設備簡化，而單向閥能自積累高純內循環和外循環氮氣. 但流程中也存在著一些問題，如將 INC 通入兩個換熱器，部分位置因溫差過小而換熱效果不理想；系統運行壓力比較高（5  MPa），不利于系統的節能和安全運行；流程復雜而且需要對傳統的冷凝蒸發器進行結構上的改造；系統中將節流后循環氮氣的一部分直接通入主換熱器，不符合冷能梯級利用原則；從上塔塔頂抽出的氮氣不走主換熱器，冷量得不到回收，使得循環氮氣承擔的冷負荷過大，從而導致循環氮氣量大，壓縮功消耗很大；采用氟利昂作為載冷劑不符合環保制冷的發展趨勢.

本文提出利用 INC 冷能的新型空分流程，在借

鑒上述流程優點的同時，對流程進行了系統改進，包括 INC 的流動方案、循環氮氣的冷量利用、取消氟利昂為介質的空冷循環和減少低溫下運行的氮氣壓縮機臺數等. 在分析該流程的特點之后，還對一氧氣產量為 10 000 m³ / h 的流程實例進行模擬計算，從能耗的角度與傳統空分流程進行比較.

1 流程的提出

考慮到制氬系統是一個相對獨立的系統，在本研究中重點對除制氬系統以外的流程進行了重新組

織，下文的模擬計算中也省略了制氬部分.

圖 1 給出了流程原理圖. 空氣經空氣過濾器，過濾掉灰塵等機械雜質，然后進入空壓機加壓至 0. 56 MPa，再進入空氣冷卻水塔冷卻至 283  K（ 此溫度為吸附劑的最佳吸附溫度），隨后進入分子篩吸附器去除其中的水分和二氧化碳；接著，經過預處理的空氣進入主冷卻器進行冷卻，在主冷卻器中，冷卻進料空氣的冷量由 3 股流體提供，分別是循環氮氣、產品氮氣以及污氮. 在主冷器出口處進料空氣被冷卻至接近飽和，約為 100  K，然后分為兩股分別進入下塔底部和上塔中下部.

下塔內空氣與從塔頂流下的液氮在多層塔板上

反復冷凝和蒸發，含有較多液氧成分的富氧液空集于下塔底部，氮氣集于下塔頂部，并與上塔底部液氧交換熱量后被冷凝成液體；下塔頂部液氮收集器收集的液氮被引出，經過冷器進一步降溫，再經液氮節流閥降壓至0. 14 MPa 左右，進入上塔頂部作為上塔頂部的回流液，另一部分經調節閥后流到液氮儲罐儲存. 下塔塔釜的富氧液空，經過液空吸附器除掉乙炔，然后進入過冷器過冷，再經過液空節流閥降壓后在適當位置引入上塔.

上塔頂部的產品氮氣經過過冷器回收部分冷量

后，進入低溫換熱器再釋放一部分冷量，然后進入主冷卻器，對進料空氣進行冷卻，以出口溫度接近進料空氣進口溫度的氮產品氣輸出；上塔底部的產品氧氣不再進入主換熱器回收冷量，而是直接進入低

AP-空氣過濾器；ATC-空氣透平壓縮機；B-中壓氮氣壓縮機；Ms-分子篩吸附器；C1-下塔；C2-上塔；C2I-INC 換熱器；

C3II-低溫換熱器；E1-主換熱器；EA-液氧吸附器；EB-液空吸附器；wP-水泵；EH-電加熱器；K1-主冷凝蒸發器； K2-液氮過冷器；E3-液空過冷器；DP-流程液氧泵

圖 1 氮外循環 1NG 冷能冷卻的 10 000 m³ / h 空分設備流程圖

溫換熱器冷卻至該壓力下的飽和溫度并有少許過冷，得到全部液氧產品輸出.

裝置開動初期，從下塔中上部引出循環氮氣進 行自積累，當循環氮氣達到一定濃度，通過閥門的切 換，使循環氮氣與精餾塔隔離.  從主換熱器出來的循環氮氣溫度接近進料空氣溫度，約為 260  K 左右，先進入 LNG 換熱器 C3I 降溫至 120 K 左右，再進入低溫換熱器 C3II 降溫至 100  K 左右，然后由中壓氮氣壓縮機 B 壓縮至 2. 6 MPa 左右，壓縮后高溫高壓氮氣再進入 LNG 換熱器降溫至 120 K 左右，在進入換熱器 C3II 之前進行節流至 0. 4 MPa 左右，得到低溫低壓、處于兩相區的循環氮氣，然后進入低溫換熱器C3II. 循環氮氣是 C3II 的惟一冷量來源. 節流后的循環氮氣處于兩相區，在 C3II 中維持恒溫約 93 K， 接著進入主換熱器將剩余冷量傳遞給進料空氣，在 出口處接近進料空氣進口溫度，完成循環.

采用循環氮氣傳遞 LNG 冷量，不僅可以使 LNG 與氧氣和高溫的空氣相隔離，從而增加流程的安全 性，而且還可以通過節流高壓氮氣附帶得到低于120 K 的低溫，溫度位的調節可以根據實際需要通過控制節流后的壓力來實現. 當然也可通過透平膨脹機達到更低的溫度和得到更高的效率. 原因在于， 采用透平膨脹機后，所需的循環氮氣量將明顯減少， 由此壓縮氮氣的功就可以相應降低，但不利的因素 是相應的投資及維護工作將有所增加，而且流程也 不如節流閥簡單、可靠.

污氮從上塔中上部引出，經過液空過冷器回收部分冷量后，在進入主換熱器之前分為兩部分：一部分直接進入水冷塔對循環冷卻水進行冷卻；另一部分進入主換熱器，與進料空氣換熱至 280 K 左右. 后一部分污氮在分子篩吸附器再生期用電加熱器加熱后，進入分子篩吸附系統脫附已飽和的分子篩中的水分和二氧化碳，使之再生；在非再生期，該部分污氮與另一股污氮混合后進入冷卻水塔冷卻循環水.

2 流程特點

上述提出的總流程在滿足系統冷量要求的基礎上，重點對換熱系統內的流股及相關周邊流程進行了重新組織，具有以下主要特點：

1） 氧氣的液化不再發生在冷凝蒸發器，而發生在低溫換熱器中. 因此，不需要對傳統的冷凝蒸發器結構做任何改動. 系統中讓氧產品氣不經壓縮直接

通過 C3II 進行冷凝液化. 而且 LNG 不再通過此低溫換熱器萬，符方合數安據全性要求.

2） 取消氮氣內循環，直接輸出產品氮氣. 文獻

［5］中氮內循環的作用是通過節流高壓氮氣產生冷量，并將冷量補充給冷凝蒸發器，使其中的氧氣液化. 由特點 1）可以取消氮內循環，從上塔頂部抽出的氮氣經主換熱器回收冷量后作為產品氣輸出. 由此可以去掉兩個氮氣壓縮機（ 中壓/ 高壓），節能效果明顯. 另外，系統的最高運行壓力顯著降低，從 5 MPa 降低到 2. 6 MPa.

3） 由于上塔塔頂的氮氣經過過冷器回收部分冷量后，直接進入主換熱器釋放剩余冷量，大大減少了循環氮氣的冷負荷，從而減少了循環氮氣量，進而降低壓縮功.

4） 節流后的循環氮氣不再分成兩股分別進入低溫換熱器和主換熱器，而是作為一股流體先通過低溫換熱器，將低溫的高品位冷量回收后，再全部進入主換熱器，釋放剩余冷量.

5） 雖然仍采用水冷塔對空氣進行預冷，但對污氮冷卻循環水的流程做了分流股改進，增加了調節的靈活性和準確性. 在不同的運行期，可以根據需要，合理分配污氮流量，從而達到節約循環水和降低加熱污氮所耗電能的目的.

3 算例及計算結果

流程的模擬、計算及優化由國際上比較通用的流程模擬軟件 Aspen Plus 來完成^［8］. 本流程得到的主產品為液氧，而不是氣態的氧產品，附帶得到大量的氮氣產品. 按傳統的劃分方法，應屬于目標產量為10 000 m³ / h 的空分流程. 在計算中，設定氮氣壓縮機的等熵效率為0. 85，機械效率為 0. 9，LNG 的進口參數取為 10 MPa，120 K. 進料空氣的容積組成為N₂ ：0. 781 18，0₂ ：0. 205 9，Ar：0. 009 32，其他組分由于質量分數極少，模擬中暫被忽略.

空分系統雖然是一個整體，但從模擬的角度來講，可以分為換熱系統、精餾系統、進料空氣的水預冷系統以及分子篩凈化系統 4 個部分. 可以作如下考慮：把一個復雜系統進行分塊簡化，分塊后的各個獨立系統通過有限的流股與其他系統相連接，當一個系統與另一個系統相連接的流股在參數上達成一致的時候，就可以認為這兩個系統達成耦合平衡，即從本質上可以算作一個系統；當所有獨立系統之間都達成這種平衡時，這些獨立模塊的模擬就等價于整個流程的模擬. 模擬計算的結果如表 1 所列.

表l 模擬計算結果主要參數匯總

Tab. l summary of main results from simulation

4 結語

利用 LNG 冷能的新型空分流程具有節能、系統運行壓力相對較低、高液氧產率和調節靈活等優點. Aspen Plus 軟件行的模擬結果表明，該流程生產單位質量液氧的能耗為 0. 405  7  kw·h / kg，相比于傳統流程約 l. 0 kw· h / kg 的單位耗電量降低了約60% ，具有明顯的節能優勢. 系統中氮氣壓縮機出口壓力為 2. 6  MPa，遠低于文獻［5］中的 5  MPa. 由于本系統以輸出液氧作為主要產品，液氮產量比傳統流程低. 在一些應用場合中，LNG 的壓力高達 8 ~ l0 MPa，如果將這部分壓力合理利用，還將有可能進一步降低壓縮機的能耗，這一點還有待于深入研究和優化設計.