LNG冷能利用技術的研究現狀與展望

天然氣的主要組分為甲烷，其l臨界溫度為190 58 K，在常溫下，無法僅靠加壓將其液化。液化天然氣(LNG)通常儲存在溫度為112 K、壓力為O．1

MPa左右的低溫儲罐內，其密度為標準狀態下甲烷的600余倍，體積能量密度為汽油的72％，十分有利于輸送和儲存”。，成為當今世界上用量增長最快

的一種燃料。單位質量天然氣液化的動力及公用設施耗電量約850 kW·h／t。LNG氣化時又要放出大量的冷能，單位質量約830 kJ／kg，約合231 kW·h／

t由于LNG生產與應用的時空差異，導致液化端需要不斷補充冷能，使用端義不斷釋放冷能。因此，充分利用使用時釋放的冷能，FI』以提高能源的利

用率，降低天然氣的使用成本。本文對LNG冷能利用技術的研究現狀與展望進行探討。

1 LNG冷能的影響因素

    LNG冷能的做功能力主要依靠LNG與周圍環境之問存在的溫度、壓力差，為了計算和評估LNG中可以回收利用的能量，應從理論上對冷能回收進行評價，分析其影響因素。

1．1 LNG冷能火月分析

     朋分析是評價能囂系統性能的一種重要分析方法，應用火用分析可揭示能量系統內不可逆損失的分布、成因以及程度，為合理利用能量提供理論指

導。天然氣液化是高能耗過程，LNG冷能又有較大應用價值，因此LNG嫻分析是設計高效天然氣液化裝置、冷能利用裝置的前提。

    LNG的冷能炯(比火用)e(r爭位為J／kg)，可分為壓力p(單位為Pa)下由熱不平衡引起的低溫火甩(比火口)(單位為_T／k)和環境溫度下由壓力不平

衡引起的壓力：JcHj(比火目)e。(單位為J／kg)”’，LNG

冷能刪e的計算式為：

e(T,p)=eIh+e。   (1) LNG在定壓下由低溫升高到％(單位為K)的過程中發生沸騰相變。設LNG為在溫度t(單位為

K)下處于平衡狀態的兩相物質，氣化潛熱為r(單位為J／kg)，比定壓熱容為c。(單位為J·kg  ·K。)，

則低溫火用e。壓力火目‰的計算式分別為”。：

eth=(To/Ts-1)+cp(To一Ta)—CpTolnTo/Ts(2)ep=Rtoln p/p0

    

式中R--氣體常數，J／(kg·K)

 Po--溫度％下的壓力，Pa

1．2 LNG冷能火月的影響因素

  ①環境溫度的影響

  當系統壓力(1．0韜MPa)不變時，冷能火目隨環境溫度的變化見圖1[1]。

隨著環境溫度升高，LNG的低溫刪、壓力火目及冷能火用增大。LNG冷能火用利用率與環境溫度關系較大，環境溫度升高，LNG冷

能刪利用率將隨之增大。

②系統壓力的影響

    環境溫度(283 K)不變時，某種典型LNG冷能火用隨系統壓力的變化見圖2”]。隨系統壓力增大，

LNG的壓力炯增大，低溫火用降低。

    對于LNG的不同用途，由于低溫火田和壓力火用存在差異，LNG冷能的回收途徑也不同。通常，用作管道燃氣時，天然氣的輸送壓力較高，壓力火用較

高，低溫火用較低，可充分利用其壓力火用。供給電廠發電用的LNG氣化壓力較低，因此壓力火用較低，低溫火用較高，H1以充分利用其低溫火用。

  ③LNG組成的影響

  設定LNG由甲烷、乙烷組成，在系統壓力(1．013 MPa)、環境溫度(283 K)不變時，由甲烷的摩爾分數不同引起的LNG冷能火用的變化見圖3.

LNG低溫火用、壓力火用及冷能火目均隨甲烷摩爾分；

的增加而增由。

 

圖2                                        圖3

2 LNG冷能的利用技術

2 1 LNG冷能利用技術分類

    LNG冷能的利用過程可分為直接利用、間接用。直接利用包括發電、空氣液化分離、輕烴分離

液態乙烯儲存、冷庫、制液化二氧化碳或于冰、海，淡化、空調、低溫養殖等，間接利用包括低溫破碎、凍食品、水和污染物處理等”

    LNG的冷能町以梯級利用，深冷用于低溫磨，中冷用于制冰、建滑雪場、溜冰場，淺冷用于庫，梯級利用將使LNG冷能得到較大程度的利斥

對于LNG冷能的高效利用，一般認為利用LNG環境的溫差發電是經典的利用途徑。但火用經濟分析表明，天然氣液化就是靠大量耗電的深冷過j

實現的，單位質量LNG耗電量約850 kW·h／t。據卡諾定理；利用180℃左右的溫差，發電的理炯效率不到19％，實際州效率更低，單位質量小

的冷能只能獲得發電量約50 kW·}％／t 。相反,果能夠按照網絡優化、逐級匹配的思路，多途徑直：換冷利用，不可逆程度將大幅減小，經濟效益也將增加。初步核算表明，從火甩經濟學分析，LNG的冷能

與c：+裂解和輕烴分離集成利用效益最高，其他直接換冷利用次之，溫差發電效益最差。當然，實際上

還受到LNG接收站附近有無各種利用冷能條件的限制。分離LNG中的c:2+和充分利用冷能可使氣化后的天然氣成本降低約0．3元／m3，提升了市場競爭力。

2．2 LNG冷能利用技術研究現狀

    目前，在11個國家和地區建有38座LNG接收

站，其巾日本有23座[7]。F1本對LNG冷能的利用在世界上處于領先地位，除了與發電廠配合使用外，

還有26臺獨立的冷能利用設備。其中包括7臺空氣分離裝置，單臺裝置的處理能力為(1～2)×104

 m3／h；3臺生產能力為100 t／d的制干冰裝置；15臺低溫朗肯循環獨立發電裝置”J。

    ①發電

    要提高LNG發電系統的整體效率，必須考慮LNG冷能盼合理利用，否則與利用普通天然氣的發電系統無異。回收LNG冷能，依靠動力循環進行發電是目前LNG冷能回收利用的霞要內容，日．技術較為成熟。用LNG冷能發電主要足利用LNG的低溫冷能使工質液化，然后工質經加熱氣化在氣輪機中膨脹做功帶動發電機發電。LNG冷能發電主要有3種利用方式：直接膨脹發電、降低蒸氣動力循環的冷凝溫度、降低氣體動力循環的吸氣溫度[2.4]。

    a．直接膨脹發電。從LNG儲罐來的LNG經低溫泉加壓后，在氣化器受熱氣化為高壓天然氣，然后直接驅動透平膨脹機，帶動發電機發電。LNG冷熱能回收量取決于氣輪機進出口氣體的壓力比，主要利用了介質的壓力火目。這種方法原理簡單，但效率不高，發電功率較小，冷能回收率僅為24％。但該方法適用于回收部分冷能，可考慮與其他LNG冷能利用方法聯合使用。

    b．降低蒸氣動力循環的冷凝溫度。在冷凝溫度顯著降低的條件下，蒸發溫度也可顯著降低，從而可能利用工業余熱或海水這一類價格低甚至無需成本的熱源，這種低溫朗肯循環是利用LNG冷能的朗肯循環的主要方式。單工質朗肯循環系統一般使用純甲烷或乙烯，實際裝置的冷能回收率約18％。

混合工質朗肯循環系統工質為碳氫化合物的混合物，整個系統的冷能回收率約36％。目前，采用最為廣泛的是將以E兩種方法聯合使用，這呵使冷熱能同收率大幅提高，但冷能的同收率也只能達到36％”。。綜合了二種系統的聯合法，單位質量LNG的發電量約45 kW·h／t。

    c．降低氣體動力循環的吸氣溫度。燃氣輪機循環是氣體動力循環一種形式，燃氣輪機入口的空氣溫度對燃氣透平的工作效率有明顯影響。研究表明，降低燃氣輪機的吸氣溫度，將會顯著提高其做功能力和循環效率。實際中，通常利用LNG冷能預冷空氣，以提高機組效率，提高發電量。由于LNG的氣化溫度較低，因此采用一種易揮發的物質作為中間載冷劑，將冷能傳遞給空氣。但冷卻溫度須嚴格控制在O℃以上，以防止水蒸氣在冷卻裝置表面凍結。利用低溫火目的中問介質朗肯循環方式，單位質量LNG的發電量約20 kW·h／t。

    LNG冷能發電是一種新興的無污染發電方式，雖然這不失為一種節能的好方法，但它只考慮到對LNG冷能的同收利用，并未考慮LNG冷能的品位,這種方法對冷能的同收率非常低。由于生產單位質量LNG耗電量為850 kW·h／t，即使LNG擁有的冷能完全轉化為電能，單位質鼉LNG冷能發電量也只為231 kW·h／t 。。因此，利用LNG冷能發電雖然是最可能大規模實現的方式，但卻不是利用LNG冷能最科學的方式。

  ②空氣分離

  采用空氣分離裝置分離空氣，首要的條件是在空氣分離裝置中制造低溫，使空氣液化以保證蒸餾況的正常進行，兇此可采用利用LNG冷能的空氣分離方法。空氣分離裝置利用LNG冷能的流程可以有多種方式，循環氮氣量約為同等規模的低壓帶中壓制冷循環系統空氣分離裝置的20％，循環氮氣壓力為1 960 kPa，制取液氧的能耗較通常制取液態產品裝置降低50％。與普通空氣分離裝置相比，該方法電力消耗節省50％以上，可簡化空氣分離流程，降低了系統造價，LNG氣化的費用也可降低。由于空氣分離裝置中需達到的溫度比LNG溫度還低，因此LNG的冷能可得到****利用。LNG經空氣分離裝置換冷后的溫度約一100℃，因此應進一步考慮繼續利用剩余冷能。如果說LNG冷能發電最可能大規模實現，那么在空氣分離裝置中利用LNG冷能應該是技術上最合理的方式。

通常的低溫環境都是由電力驅動的機械制冷機產生，由制冷原理可知，隨著溫度的降低，機械制冷消耗的電能將急劇增加。在一定的低溫蒸發范圍內，蒸發溫度每降低l K，能耗要增加10％。在采用LNG冷能回收的空氣分離方法中，機械制冷機很容易實現小型化，耗電量也可降低50％，耗水量減少0％，這樣會大幅降低液氮、液氧的生產成本，具有可觀的經濟效益[。此外，LNG作為空氣分離裝置的預冷劑，在生產液氬的空氣分離裝置中，利用其冷能冷卻和液化由下塔抽出經過復熱的循環氮，可以省去氟里昂制冷機以及氮透平膨脹機組，使單位體積產品的能耗平均降低0．5 kW·h／ms，裝置的造價也可降低10％左右，生產成本降低20％～30％

  ③制取液化二氧化碳及十冰

  傳統的二氧化碳液化工藝將二氧化碳壓縮至2．5—3．O MPa，再利用制冷設備冷卻和液化。利用LNG冷能則很容易獲得冷卻和液化二氧化碳所需要的低溫，從而將液化裝置的工作壓力降至0．9MPa左右。與傳統的液化工藝相比，制冷設備的負荷大為降低，耗電量也可降低30％一40％。以化工廠的副產品二氧化碳為原料，利用LNG冷能制造液化二氧化碳及干冰，不但可節約電能，而且產品的純度可高達99．99％[9]。

  ④作為冷庫的冷源

  利用LNG冷能作為冷源的冷庫，將載冷劑冷卻到一定溫度后經管道進入冷凍、冷藏庫，通過冷卻盤管釋放冷能，實現對物品的冷凍、冷藏。另外，還按LNG不同溫級，采用不同的載冷劑進行換冷后分別送人對溫度要求不同的冷間，這樣LNG冷能的利用率將大幅提高，運行成本較機械制冷下降37．5％。雖然冷庫使LNG的冷能幾乎無浪費地利用，且不用制冷機，降低了系統造價及運行費，但一般的冷庫只需維持在一50～一65。C即可，而將一162℃的LNG冷能全部用于冷庫制冷是不必要的。為有效利用天然氣冷能，可將低溫凍結庫或低溫凍結裝置、冷凍庫、冷藏庫及預冷裝置等按小同的溫度帶串聯。這種方式按LNG的不同溫度帶，采用不同的載冷劑進行換冷后依次送入低溫凍結庫或低溫凍結裝置(溫度為-60℃)、冷凍庫(溫度為一35℃)、冷藏庫(溫度為O屯以下)、預冷裝置(溫度為O～10℃)。

⑤其他利用方法

  a．隨著LNG汽車的不斷發展，LNG用作汽車清潔燃料的同時，可將其冷能回收用于汽車空調或汽車冷藏車。這樣就無需給汽車單獨配備機械式制冷機，既降低了造價，又消除了機械制冷的噪聲污染，具有節能和環保的雙重意義，足一種真正的綠色汽車，尤其適用f有噪聲限制的地區.在夏季，貨物在冷庫經充分預冷后裝入冷藏車．開始不需要消耗過多的冷能，此時LNG氣化產生的冷能儲存在蓄冷裝置中。隨著運輸時間的延長、開門次數的增多，負荷增大，LNG冷能就直接進入冷藏車廂，與蓄冷裝置共同制冷，以維持車廂內溫度。

按冷藏車消耗LNG量為12～15 kg／h計算，制冷能力為2．8 kW，叫‘滿足將預冷后的貨物進行中短途的冷藏運輸。世界上首臺LNG冷藏車南德國的梅賽爾公司制造完成，并于1997年底在德國REWE零售連鎖店投入使用。這種冷藏車經過1998年一個夏天的運輸檢驗，以其穩定的運行工況、良好的冷藏效果以及輕污染的環保優勢，得到了科隆地區政府的認可。

   b．蓄冷裝置。LNG主要用于發電和城市燃氣．因此LNG的氣化負荷易隨時間和季節發生波動。

LNG冷能的波動易對冷能利用設備的運行產生不良影響，必須予以重視。日本大阪煤氣公司研究的LNG蓄冷裝置，利用相變物質的潛熱儲存LNG冷能。在白天LNG冷能充裕時，相變物質吸收冷能凝固；在夜問LNG冷能供應不足時，相變物質融化，釋放冷能供給冷能利用沒備。

   c.輕烴分離。LNG冷能用于c：+分離和裂解制乙烯裝置中的裂解產物深冷分離，是LNG冷能利用的極佳途徑。LNG冷能用于輕烴分離的主要產品c2+(主要為乙烷、丙烷和少量丁烷)既可以進一步分離，作為丙烷和LPG(主要成分是丙烷和丁烷)分別出售，義可將其作為制取乙烯的工業原料，并可片作乙烯裂解裝置中c2+的分離及乙烷與乙烯的分離，降低其生產成本，市場前景都非常樂觀。

3 LNG冷能利用情況

  ①國內利用情況

  中國為予引進國外LNG，在廣東深圳和福建莆田建沒了LNG接收站，并準備在上海、廣東珠海、浙江寧波、山東青島陸續建設LNG接收站。因此，我國LNG冷能利用潛力巨大”。中國海洋(以下簡稱中海油)規劃，在莆田、寧波、深圳大鵬灣和上海4座LNG接收站相繼建設空氣分離項目和

民用制冷項目，2010年--2015年將完成中海油各LNG接收站冷能綜合利用的全『酊建設與開發。已經進行的莆田LNG冷能利用項日是中海油第一個LNG冷能利用項目，它分為空氣分離、發電、輕烴分離、橡膠輪胎粉碎、冷庫、海水淡化和干冰制造7個項目。空氣分離項目計劃2007年12月31日建成，其他項目計劃2015年前完成，總造價約15×108元。莆田空氣分離項目是中美合資項目，設計日耗冷能100×104 GJ／d，日產液氧250t／d、液氮340t／d、液氬lOt／d。圳大鵬灣LNG冷能利用項目將于2010年建成，計劃建設冰雪世界冷能旅游區、空氣分離、海水淡化、干冰制造4個項目。寧波LNG冷能利用項目分為空氣分離、發電、輕烴分離、橡膠輪胎粉碎、冷庫、海水淡化、干冰制造7個項目，空氣分離項目計劃2010年底建成，其他項目計劃2015年前完成。國內多家大專院校和研究機構積極開展了相關研究，先后開發和深化r LNG冷能利用的各項技術。上海交通大學進行了系統的LNG冷能利用研究，取得了一系列成果，清華大學聯合中海油進行了實際的冷能利用項目開發，同濟大學很早進行了冷能利用原理及方法的探索。，華南理工大學進行了冷能優化集成利用等方面的研究，西安交通大學進行了冷能評價分析及在汽車工藝上的技術研發，上海海事大學進行了LNG冷能的蓄冷及梯級利用方而的研究，中國科技大學進行『{令能利用和評估等方面的研究，中科院工程熱物理研究所進行了超臨界C02類朗肯循環和布雷頓循環發電等研究。中國市政工程華北設計研究院等大型燃氣設計研究單位則從設計、原理和技術、工藝角度進行了LNG接收站及相關冷能開發利用設備流程的研究，以形成節能利用的核心技術。

  ②國外利用情況

  國外已對LNG冷能的應用展開了廣泛、深入的研究，并在冷能發電、冷凍食品、空氣液化，制取干冰以及低溫粉碎方面獲得應用，經濟效益和社會效益非常明顯。LNG冷能利用已相當成熟，世界上多個國家都采用了LNG冷能利用技術，像日本就已經利用LNG冷能進行空氣分離、發電、干冰制造和冷庫冷藏，利用LNG發電至今已有超過30年的歷史。空氣分離在LNG冷能技術中應用最為廣泛，在韓國、澳大利亞都有應用。韓國蔚山大學運用LNG冷能實現輕烴分離。法國有將LNG冷能用于空氣分離的實踐，如法國FOS—SUR—MER的冷能回收系統。在這個系統中，LNG冷能主要用于液化空氣廠，也用于旋轉機械和汽輪機的冷卻水系統。美國、俄羅斯、歐盟國家和地區的LNG冷能利用發展到了立用階段。

4 LNG冷能的梯級利用與注意問題

  ①LNG冷能的梯級利用

  按質用能、分級調節是LNG冷能利用的指導原則。將LNG冷能應用于不同領域，從熱力學第一定律分析都是對這部分冷能的利用，不存在本質差別。但是，從熱力學第二定律特別是從火用的角度分析，則LNG冷能用于不同領域的效果明顯不同。若不加以統籌考慮，將造成不合理利用。由此，對LNG冷能進行梯級利用是較好的解決方案。

  梯級利用的第一級應當充分利用LNG冷能的低溫特性。在通常用途中，與此溫度相匹配的是空氣分離。窄氣分離的主要方法是將空氣液化，這種方法須在一150一一191℃條件下進行，這樣的低溫與LNG氣化時的溫度一162℃十分匹配。實際上，空氣分離時所需冷能并不全由LNG冷能供給，還需電制冷或其他方式補充冷能，但僅就LNG與空氣的換冷，二者的品位匹配程度很高。LNG在李氣分離裝置中通過換冷后的溫度約一100℃，作為冷能利用第二級，可用作乙烯裂解裝置中c2+的分離及乙烷與乙烯的分離。干冰溫度為一78．15℃，此溫度與LNG通過空氣分離裝置后的溫度較為匹配，將制取干冰作為LNG冷能利用的第三級具有可行性。利用LNG冷能制取干冰后，其溫度仍大大低于環境溫度，還可利用其冷能。冷庫適合作為LNG冷能梯級利用的第四級，此方案可行，且設計冷庫時可根據各冷間設計溫度的不同，對LNG冷能的利用做進一步優化。

  ②注意問題

   a．經濟性。目前任何單一利用技術都無法充分利用LNG冷能，過程炯損失較大。

   b．技術評價。我國關于LNG冷能利用技術的研究尚處于起步階段，不具備系統全面的LNG冷能利用技術的研發指導機制，缺乏此類技術的評價方法。

    c．宏觀調控。在未來十兒年內我國將在沿海地區相繼建成多座LNG接收站，冷能的利用及其產品的應用會受到市場和生產環境的制約，元序的利用丁程將導致產品的積壓，降低冷能利用效率，影響LNG產業的發展”。

    d．工藝性。尚未建立開發冷能梯級利用的技術平臺，設計符合能源節約和****限度利用的技術工藝，形成完整的工藝流程，用于指導LNG接收站建設及配套。

    e．經濟、社會效益****化。區別于直接利用環境介質，如地下水、空氣、海水，利用LNG冷能適應環保和經濟型社會的發展要求，具有直接的經濟和社會效益，使之****化是我們應考慮的問題。

5結語

    隨著LNG用量的迅速增長以及全球性能源供應緊張形勢的加劇，合理利用LNG冷能顯得尤為重要，研究如何對LNG冷能進行梯級利用將成為LNG產業的一個重要課題。滾技術能節約更多的能源、降低成本，有利于我國LNG產業的發展。在冷能利用中，無論用于空氣分離裝置、發電、制取液態二氧化碳還是冷庫，進行不同的溫度級別、各種方法組合優化，以達到充分利用LNG冷能的目的，是今后該領域研究的發展方向。

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            摘錄《煤氣與熱力》