【技术】LNG冷能利用技术进展研究

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文/张锐悦 何光琳 徐宏超 高利波 王 晗，中国石化胜利油田 中石化天然气运输分公司 中国石油大学 中国石油长庆油田分公司采油三厂

LNG（液化天然气）作为 21 世纪主要的能源之一，在其气化过程中会释放出大量的冷能，有效的回收利用这些能量对能源的充分利用和缓解能源紧张局面有突出重要的意义。

1 LNG 冷能利用原理

LNG 冷能的利用主要是依靠高压低温的 LNG在汽化过程中与周围环境之间存在的温度和压力差回收储存在 LNG 中的能量。而经过调查通常生产每吨 LNG 的动力及公用设施耗电量达到 850 kW·h，在 LNG 运送到目的地后又需将其通过汽化器气化后送入天然气管网，由热力学定律每吨 LNG 气化所释放的总能量约为 830 kW，若以此冷能来进行发电，假设效率达到 100%，每吨 LNG 可利用冷能折合电量约为 231 kW∙h，经预测中国 2015 年的 LNG进口量，其可利用能量折合成的电量如图 1 所示。

LNG 的冷能从利用形式来分主要为直接利用和间接利用，而直接利用主要包括空气分离、低温发电、冷冻仓库、二氧化碳的液化及干冰的制造等，间接利用形式主要为污水处理、冷冻干燥、粉碎回收橡胶等，下面具体针对几种主要的利用形式进行介绍。

1.1 空气分离流程

梁广川等通过软件模拟从定量的角度对比了运用 LNG 气化制冷原理于空气分离与传统空气分离流程的能量比较，其具体改进流程图如图 2 所示。

模拟的结果表明，此流程生产单位液态产量的能耗为 0.3 kW·h/kg，相比传统能耗降低了约 7 成，具有明显的节能优势。且由此流程可看出将 LNG 冷能用于空气分离流程利于提高空分流程的液化率，能缩短装置启动时间，简化了空分流程，省去了传统空分流程中的佛里昂制冷机和组合膨胀机，但通过此种方法的安全性尚未得到很好验证，气化后的天然气为易燃易爆物品，对流程的操作规程要求更加严格，气化后的天然气的去路应提前规划好，完善流程的完整性。

1.2 发电技术

利用 LNG 冷能用于发电系统，可充分利用电能应用方便、用途广泛的优势，具有产业链短，受外界因素影响小的优势，是一种较为高效的能源利用方式。陈晖等对 LNG 冷能发电技术研究进行了详尽的描述，介绍了 4 种常用的发电方案，即 LNG 冷能改善现有动力循环、LNG 直接膨胀法、低温朗肯循环、低温布雷顿循环，并分别介绍了各自的使用范围和优缺点，在此基础上提出了改进的发电循环的多级循环，以提高能量的整体转化效率（图 3）。王欢对冷能发电基于热力学定律采用差分算法仿真测算出在联合发电系统中的临近温度、压力等边界条件.在 LNG 冷能用于发电流程中，需要考虑的优化工艺参数较多，要想取得较高的能量转化效率，不仅要对循环参数、循环系统、循环工艺进行优选，还要考虑市场、地理位置、环境因素等影响，因此LNG 冷能发电还有很大的发展空间和潜力。

1.3 冷库制冷

通过 LNG 冷能气化使吸收热量使周围介质冷却的原理来进行冷库和冷水的制冷是 LNG 冷能利用的重要部分，其利用方式多样、应用广泛，有较好的推广价值。杨春等提出了一种 LNG 冷能用于冷库和冷水的撬装化装置，此装置包括 LNG 气化系统、冷媒循环系统和冷水生产系统三个系统，通过LNG 气化将冷能传给冷媒，再通过冷媒传递给冷库或冷水来达到制冷效果。此装置较为合理的利用了能量的守恒原则，通过理论计算和模拟得出能量利用比例，以操作简单等优势优化了冷库冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有较大发展空间。

1. 4 粉碎废旧橡胶

中国作为世界上最大的橡胶消费国和最大废旧橡胶生产国之一，每年报废的废旧橡胶数量巨大，从而粉碎废旧橡胶工作量也非常庞大。采用 LNG 冷能对废旧橡胶进行粉碎对比传统的常温直接切割粉碎和低温深冷粉碎有较大优势，不仅节能降耗，还能有效的简化流程，具有较为广阔的市场前景（图4）。通过 LNG 气化站和卫星站分布广泛的特点，利用冷能建设废旧橡胶低温深冷粉碎装置，就地粉碎当地废旧轮胎，节约轮胎的运输成本，降低精细胶粉的生产成本，对建设节约型社会也会做出突出贡献。

2 LNG 冷能利用前景

目前，全球大型 LNG 接收站不断兴起，LNG进入高速发展阶段，这为 LNG 冷能利用提供了契机。日本作为全球 LNG 接收最大国家，其冷能利用也是广泛而有效的，主要方式有低温发电、空气分离、液态二氧化碳及干冰的制造和低温冷库等，其中最主要的是低温发电，高达 70%作用。我国 LNG进口量也在迅猛增长，但国内的 LNG 冷能利用技术尚不成熟，在广东深圳大鹏湾 LNG 冷能用于空气分离、建设人造滑雪场和海水淡化/制冰等的项目还在筹划中，已经进行的莆田 LNG 冷能利用项目集成了空气分离、深冷粉碎、轻烃分离、制取干冰、低温冷库、淡化海水和低温发电等七个项目，上海和浙江的相关项目还在筹划，总体利用程度不高，在未来几十年中发展 LNG 冷能利用技术对我国能源高程度利用有较大意义。

3 结束语

上述内容对 LNG 冷能利用方式的阐述，介绍了LNG 冷能在空分、制冷、发电及粉碎等工业行业的应用技术，并针对目前国内数家大型 LNG 处理厂的各自特点对其冷能利用方式进行了简单概述，得出LNG 冷能利用在我国的广大发展空间。我国开展LNG 冷能利用技术起于上个世纪九十年代，目前各高校、研究所正在进行深入研究与工程实践结合阶段，加速冷能利用技术的研究将有力的推动我国LNG 冷能利用的广泛应用。