拋棄能量浪費，這14個工藝你能知道幾個！
小七
導讀
我們經常聽說熱量回收，減少熱損失，但是今天小七要和大家講一下能回收的不僅僅是熱量。-163℃的LNG蘊含著大量高品位冷能，在這個能源緊俏的時代，如果我們將冷量好好利用，也將帶來非常可觀的經濟效益。本期就和小七看一下，這14個冷能利用工藝的原理、特點及工藝流程，學起來，遠離能量浪費！
冷能的概念
冷能是指在常溫環境中，自然存在的低溫差低溫熱能，實際上指的是自然條件下，可以利用的一定溫差所得到的能量。
冷能利用主要依靠LNG與周圍環境之間存在的溫度和壓力差，將高壓低溫的LNG變為常壓常溫的天然氣時，回收儲存在LNG中的能量。
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。
直接利用舉例
間接利用舉例
低溫粉碎技術
目前LNG冷能主要應用領域如表1所示。
LNG冷能在空氣分離、深冷粉碎、冷能發電和深度冷凍等方面已經達到實用化程度，經濟效益和社會效益非常明顯；
小型冷能發電在日本LNG接收站也有運行，可供應ING接收站部分用電需求；海水淡化等項目尚需要對技術進行進一步的開發和集成。
基於種種條件的限制，LNG冷能不可能全部轉化利用，目前世界LNG冷能平均利用率約20%。世界主要國家或地區LNG冷能利用情況如表2所示。
14種LNG冷能利用技術
一、LNG冷能空分技術
空分技術經過100多年的不斷發展，現在已步入大型、全低壓流程的階段，工藝流程由空氣壓縮、空氣預冷、空氣凈化、空氣分離、產品輸送等操作單元組成。
空分設備能耗較高，能源消耗占空分產品成本的70%-80%。例如，一套72000m3／h空分設備的主空壓機電機容量達31000kW，相當於一個小城鎮的民用電量。因此，如何降低單位制氧耗電一直是空分行業關注的主要問題。
利用LNG高品質的低溫冷能是有效降低空分單位制氧耗電的途徑之一。在常規空分裝置中的主冷卻器、廢氮循環冷卻器、後冷卻器以及空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節，可以提高空分產品的產量和質量。
總之，LNG冷能用於生產液體空分產品不僅可以充分利用LNG高壓氣化過程的能譜特點，按能量品質合理地分配利用冷能，而且工藝技術成熟可行，節能節水效果顯著有利於空分系統液化率的提高，縮短裝置啟動時間，能夠生產更多的液態產品，適用於生產液體產品較多的場合。
二、整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）
整體煤氣化聯合循環發電(Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC)技術是以煤氣化為上游，結合高效的燃氣—蒸汽聯合循環發電系統與潔凈的煤氣化技術。在LNG冷能利用產業鏈上，IGCC屬於利用空分產品的下游裝置。
IGCC煤氣化部分的主要設備有氣化爐、空分裝置、煤氣凈化設備(包括硫的回收裝置)；燃氣—蒸汽聯合循環發電部分的主要設備有燃氣輪機發電系統、餘熱鍋爐、蒸汽輪機發電系統。
IGCC的工藝流程簡述如下：原料煤在氣化裝置中轉變為中低熱值煤氣，在凈化裝置中除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物，變為清潔的氣體燃料，然後送入燃氣輪機的燃燒室燃燒，加熱氣體工質驅動燃氣透平做功，燃氣輪機排氣進入餘熱鍋爐加熱給水，產生過熱蒸汽驅動蒸汽輪機做功。
主要工藝有：
1
煤氣化及熱回收
IGCC及大型煤化工採用的煤氣化技術主要有魯奇固定床碎煤加壓氣化技術、荷蘭Shell公司的粉煤氣化技術、美國Texaco公司的水煤漿加壓氣化技術、德國西門子公司的GSP煤氣化技術等。
魯奇氣化爐技術較為成熟，採用塊煤進料，流程較為複雜。
1
Shell粉煤氣化技術
主要用於大型化肥企業進行氮肥原料及動力結構調整改造，即採用大型氣流床粉煤氣化工藝，替代油氣化和小型固定床無煙塊煤氣化工藝，生產合成氨和甲醇，並用於國內首套煤制油項目的制氫裝置。氣化爐生產合成氨和甲醇都是在中國第一家實現，即中國是全世界首家把殼牌爐用於氮肥生產的國家。
Shell氣化技術代表新一代的氣化技術，採用純氧氣化，乾粉進料，氣化溫度達1400-1600℃，碳轉化率達99%，有效氣體(CO+H2)達90%以上，液態排渣。
Shell技術的主要優點為：
水冷壁氣化爐，使用壽命可達25年；
噴嘴設計壽命達8000h以上；
氣化採用廢鍋流程，副產高壓蒸汽；
採用於粉氣化，氧耗量較低。
Shell氣化系統需要氮氣密封，氣化壓力不能太高。關鍵設備氣化爐(帶廢鍋、導氣管)結構複雜龐大，關鍵技術較多(例如，粗煤氣除塵)，設備費及專利費都相對較高。
目前，Shell氣化技術只有一套大型裝置在運行，用於聯合循環發電，國內工業化的經驗不多，技術主要依賴進口，國內技術支撐率低，有一定風險，國產化有一定的難度。
2
Texaco水煤漿氣化工藝
德士古水煤漿加壓氣化技術是美國德士古公司於八十年代初開發的煤氣化技術，它是將一定粒度的煤粒及少量添加劑與水在磨機中磨成可以用泵輸送的非牛頓流體，與氧氣或富氧在加壓及高溫狀態下發生不完全燃燒反應製得高溫合成氣，高溫合成氣經輻射鍋爐與對流鍋爐間接換熱回收熱量（廢鍋流程），或直接在水中冷卻（激冷流程）。
a、直接淬冷（激冷流程）
適用於制NH3和H2(因為這種流程易於和變換反應器配套，激冷產生蒸氣可滿足變換的需要)
b、間接冷卻（廢鍋流程）
適用於生產工業燃料煤氣、聯合循環發電用燃氣或合成用原料氣。
廢鍋流程簡介：
氣化爐產生的高溫粗煤氣和液態熔渣進入到氣化爐下部的輻射式廢鍋，由水冷壁管冷卻至700℃（水冷管內副產高壓蒸汽），而熔渣粒固化分離落入到下面的淬冷水池，經灰鎖斗排出。粗煤氣由輻射廢鍋導入對流廢鍋進一步冷卻至300 ℃（廢鍋回收顯熱並副產蒸汽）。
Texaco水煤漿氣化工藝技術特點:
1、採用水煤漿進料，沒有干法磨煤、煤鎖進料等問題，比干法加料安全可靠，容易在高壓下操作，製備的水煤漿用隔膜泵來輸送，操作安全又便於計量控制。
2、在高溫、高壓下氣化，碳轉化率高達98～99％，可以使用各種煤；有效組分（CO+H2）含量約為80%以上，甲烷量
氣化爐為專門設計的熱壁爐，為維持1300～1350℃溫度下反應，燃燒室內由多層特種耐火磚砌築。
3、負荷適應性強，在50％負荷下，仍能正常操作；
4、在環境保護上，德士古煤氣化方法優於其它氣化方法，不但無廢水生成，還可添加其它有機廢水制煤漿，氣化爐起焚燒作用。排出灰渣呈玻璃光澤狀，不會產生公害。三廢量小，污染環境輕，廢渣可做水泥原料。投資較低，工程建設時間短，運行成本相對其他工藝的氣化裝置要低。
5、在節能上，德士古廢鍋流程水煤漿加壓氣化工藝充分利用水煤漿燃燒產生的顯熱，使產生10.0Mpa高壓蒸汽，用於發電。
6、由於氣化氣溫度高、帶有大量煤渣，對廢鍋有磨蝕沖刷，設備材質要求高，一次投資及維修費用較大。
7、由於氣化反應產生大量的灰塵造成管道和設備積灰和堵塞嚴重需要在停車時對部分管道和設備進行高壓清洗，造成檢修任務加大，由於有部分作業涉及有限空間和特殊登高作業增加了安全風險。
Texaco水煤漿氣化工藝技術在我國有多套裝置運行，具備國產化條件，投資省，技術成熟可靠度高。華東理工大學等科研單位也開發了四噴嘴對置水煤漿氣化爐，氣化條件得到改善，碳轉化率、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)。
3
西門子公司GSP粉煤氣化技術
GSP氣化技術的開發始於1979年，在德國Freiberg先後建成了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，產氣量(標準狀態)50000m3/h，煤處理量720t／d的工業化裝置。
GSP氣化爐為燃燒室和激冷室兩段設計。氣化爐下段為氣化激冷室，採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，以冷卻盤管製成水冷壁。燃燒室操作溫度比煤的灰熔點約高50-80℃。冷卻盤管外側裝有密集的銷釘，用以固定碳化硅塗層，其表面溫度低於液渣的流動溫度。冷卻水壓力高於氣化壓力，燃燒室採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≤100μm、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。氣化產生的粗煤氣和熔渣併流從燃燒室下部進入激冷室，在激冷室高溫氣體被循環的高壓灰水激冷後進入氣體洗滌冷卻系統。
GSP粉煤加壓氣化技術，是德國未來能源開發的工藝技術。氣化爐的操作壓力為2.5—4.0MPa。氣化溫度為1350—1600℃之間。
技術特點:
1、氣化爐內部採用膜式水冷壁，可承受高達2000℃的氣化溫度。對原料煤的灰熔點限制較少，可以氣化高灰熔點的煤。
2、由於是乾粉進料，粗合成氣中有效氣（CO+H2）濃度高，接近90%，CO2含量低。
3、氣化效率高，原料煤及氧氣消耗低。碳轉化率≥99%，原料利用率高。
4、採用激冷工藝流程，設備結構簡單，裝置投資少。
5、採用水冷壁副產低壓蒸汽，通過監控水冷壁的出水溫度，判斷爐壁的掛渣情況，有利用於氣化爐的穩定操作及延長設備的壽命。
6、組合式工藝燒嘴（點火及工藝燒嘴合一）及特殊的燒嘴結構，保證了氣化較長的周期和較大的操作彈性。
7、經過冷激和洗滌，粗合成氣含塵量低，同時有較高的水汽比，變換無需外補蒸汽。
GSP粉煤氣化技術核心主要為粉煤的流化態穩定輸送和氣化爐的連續運行。目前GSP氣化技術工業化裝置少，缺乏生產運行經驗。
2
脫酸性氣
IGCC裝置脫酸性氣主要是指脫硫化物和二氧化碳。對於大規模氣體脫硫，宜採用濕法工藝。常用的濕法脫硫工藝有低溫甲醇洗、MDEA法和NHD法。
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合開發的一種氣體凈化工藝。第一個低溫甲醇洗裝置由魯奇公司於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化裝置，工藝技術成熟，在工業上擁有很好的應用業績，被廣泛應用於合成氨、合成甲醇及其他羰基合成、城市煤氣、工業制氫和天然氣脫硫等氣體凈化裝置中。在國內以煤、渣油為原料建成的大型合成氨裝置中也大多採用這一技術。
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。由於甲醇的蒸汽壓較高，所以低溫甲醇洗工藝在低溫(-35-55℃)下操作。在低溫下，CO2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脫至小於20μL/L，H2S小於0.11μL/L，氣體脫硫和脫碳可在同一個塔內，分段、選擇性地進行。
技術特點：
(a)溶劑在低溫下對CO2、H2S、COS等酸性氣體吸收能力極強，溶液循環量小，功耗少。
(b)溶劑不氧化、不降解，有很好的化學和熱穩定性。
(c)凈化氣質量好，凈化度高，CO2
(d)溶劑不起泡。
(e)具有選擇性吸收H2S、COS和CO2的特性，可分開脫除和再生。
(f)溶劑廉價易得，但甲醇有毒，對操作和維修要求嚴格。
(g)該工藝技術成熟，全世界約有87套大中型工業化裝置。該工藝需從國外引進。由於操作溫度低，設備、管道需低溫材料，且有部分設備需國外引進，所以投資較高。
(h)低溫甲醇洗溶劑在低溫（－50℃）下吸收，含硫酸氣採用熱再生，回收CO2採用降壓解吸，脫硫採用氣提再生，熱耗很低。
2
MDEA
MDEA(N—甲基二乙醇胺)為叔胺，在水溶液中會與H+結合而生成R3NH+，從而呈弱鹼性，能夠從氣體中選擇性吸收H2S和CO2等酸性氣體。目前，美國Tampa電廠IGCC裝置採用MDEA工藝。
美國Tampa電廠鳥瞰圖
MDEA脫硫、脫碳技術特點如下：
(1)MDEA對H2S和CO2的反應速率相差若干個數量級，MDEA對H2S具有良好的選擇性，吸收能力很大，動力消耗較小；
(2)經過活化的MDEA水溶液對CO2也有較好的吸收效果，兼有物理與化學吸收的特點；
(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穩定性好、蒸汽壓較低，在使用過程中基本無降解產物生成，溶劑損失小，對碳鋼設備基本無腐蝕；
(5)MDEA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
硫回收
對酸氣脫除工段脫除的大量H2S餾份進行硫磺回收，最佳的方法是採用超級克勞斯硫回收系統，其工藝及設計可立足國內。生產的固體硫磺可送入硫磺切片機製成片狀硫磺產品外銷。
4
聯合循環
燃氣—蒸汽聯合循環系統包括燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機、餘熱鍋爐和輔機。目前生產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。
聯合循環機組有單軸和多軸兩種形式，前者主要用於帶基本負荷，後者主要用於分期安裝的項目。單軸系統佔地小，征地費用低，安裝工作量少，可靠性和可利用率高，投資省。
三、冷凍再生精細膠粉
膠粉的製造技術從總體上可以分為常溫粉碎和冷凍粉碎兩大類。
冷凍粉碎一般採用製冷劑製冷，可以作為製冷劑的物質有液氧、液氫、液氦、液體甲烷、液體二氧化碳、乾冰、液氮等。考慮到各種限制因素，一般採用液體二氧化碳、乾冰和液氮。
1927年，美國一家公司提出了乾冰為製冷劑粉碎橡膠、糊狀物和黏性物的方法，其做法是將被粉物料與乾冰混合在一起投進球磨機或削磨機進行粉碎。1964年，日本出現了用液體二氧化碳進行粉碎的方法，使用衝擊式粉碎機粉碎低壓聚乙烯。乾冰的升華點為-75℃，因此二氧化碳不論是液態還是乾冰，製冷效果都不理想。
由於設備、冷凍介質及技術、工藝組合等的不同，造成膠粉製造中膠粉的質量、產量、生產效率的不同。
四、冷凍結晶海水淡化
按分離過程分類， 海水淡化工藝技術方法主要有蒸餾法、膜法（反滲透、電滲析）、結晶法、溶劑萃取法和離子交換法等。
冷凍結晶海水淡化方法自1944年提出以來，由於方法本身的若干特點，引起了人們的重視，並且得到了發展。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冰，由於傳熱效率不高以及需要很大的傳熱面積，從而限制了它的應用。
直接冷凍法是冷凍劑或冷媒與海水直接接觸而使海水結冰。根據冷凍劑的不同，直接冷凍法又可分為冷媒直接接觸冷凍法和真空蒸髮式直接冷凍法。
五、 LNG冷能發電
利用LNG冷能發電是以電能的形式回收LNG冷能，屬於對LNG冷能的直接利用，主要工藝技術包括直接膨脹法、二次媒體法和聯合法。
1
直接膨脹法
直接膨脹法是將LNG首先壓縮為高壓液體，然後通過換熱器被海水加熱到常溫狀態，再通過透平膨脹對外做功。利用高壓天然氣直接膨脹發電的基本循環包括從LNG 貯槽來的LNG經泵加壓後，在蒸發器加熱氣化成高壓天然氣，經透平膨脹成低壓氣體，同時對外輸出動力發電。
2
二次媒體法
朗肯循環系統
二次媒體法是利用中間載熱體的朗肯循環冷能發電，將低溫的液化天然氣作為冷凝液， 通過冷凝器把冷量轉化到某一冷媒上，利用液化天然氣與環境之間的溫差，推動冷媒進行蒸汽動力循環，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，丙烷等單組分，或者採用它們的混合物。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曲線儘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於直接膨脹法。但是由於高於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。
3
聯合法
聯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，然後通過冷凝器帶動二次媒體的蒸汽動能循環對外做功，最後天然氣再通過氣體透平膨脹做功。聯合法可以較好地利用液體天然氣的冷能，發電量約為 45kWh/t。
六、 輕烴分離
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