王凌士 張學(xué)軍 王曉蕾 王 煒

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引 言

液化天然氣(LNG)是天然氣經(jīng)過(guò)脫酸脫水處理，通過(guò)低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?－162℃)液體混合物。由于LNG具有便于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、儲(chǔ)運(yùn)成本低、熱值高、清潔、環(huán)保等特點(diǎn)［1］，近些年來(lái)LNG工業(yè)迅速發(fā)展。中國(guó)從2006年開(kāi)始大量進(jìn)口LNG，目前已在中國(guó)廣州前灣、福建莆田、浙江寧波等地建有LNG接收站，未來(lái)沿海地區(qū)將規(guī)劃建設(shè)十幾個(gè)LNG接收站，每年將進(jìn)口上千萬(wàn)噸LNG［2］。由于LNG使用時(shí)需在汽化器內(nèi)進(jìn)行汽化，汽化時(shí)放出大量的冷量，該冷量包括液態(tài)天然氣的汽化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲(chǔ)存溫度升溫到環(huán)境溫度的顯熱，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(fèi)。通過(guò)特定工藝技術(shù)合理利用LNG冷能，可以達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的［3］。目前LNG冷能利用包括:深冷空氣分離、冷能發(fā)電、低溫粉碎、冷凍倉(cāng)庫(kù)、制造干冰、汽車?yán)洳?、汽車空調(diào)、海水淡化、空調(diào)制冷等方面［4］。

LNG基地大都設(shè)在港口附近，而為了方便遠(yuǎn)洋捕獲的魚(yú)類的冷凍加工，大型的冷庫(kù)基本也都設(shè)在港口附近。在魚(yú)類的冷凍加工中，相對(duì)于傳統(tǒng)的冰塊，冰漿接觸換熱面更大，并且可減少對(duì)冷凍物的壓損，因此冰漿越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于漁業(yè)和食品冷凍領(lǐng)域。如今，全世界有超過(guò)700個(gè)冰漿系統(tǒng)用于漁業(yè)領(lǐng)域，是冰漿技術(shù)最大市場(chǎng)之一［5］。利用LNG冷能來(lái)制取冰漿，則是LNG冷能的一個(gè)新的應(yīng)用。

冰漿是指冰晶粒子與水的混合物，冰漿中冰晶粒子的直徑通常為幾十微米到幾百微米［6］。冰漿具有良好的流動(dòng)性，可用泵輸送，釋冷速率快。冰的潛熱為335 kJ/kg，遠(yuǎn)大于水的比熱容4.2 kJ/kg，因此冰漿蓄冷和載冷能力很強(qiáng)［7］，輸送相同的冷載荷時(shí)，含冰率30%的冰漿可減少80%的冷凍水體積［8］。

冰漿制取方法有壁面刮削法、過(guò)冷水法、流化床法、真空法和直接接觸法等。目前已實(shí)用的裝置主要采用壁面刮削法和過(guò)冷水法［9］。直接接觸法由于換熱效率高，并且避免了靜態(tài)冰蓄冷的冰層厚度增長(zhǎng)和熱阻增加的問(wèn)題，逐漸受到人們的重視。直接接觸式制冰采用不溶于水的低溫冷媒噴射進(jìn)入水溶液中，冷媒與水直接接觸換熱，水溫下降生成冰晶。傳統(tǒng)的低溫冷媒為制冷劑，制冷劑消耗量較大，且不容易與水分離，容易腐蝕制冰管壁。氣體直接接觸法是一種用載冷氣體代替兩相制冷劑來(lái)制取冰漿的方法。這種方法載冷氣體與制冰溶液直接接觸換熱，湍流狀態(tài)下的換熱效率高，并且氣體易與溶液分離，無(wú)腐蝕性。Thongwik S等［10］采用CO2作載冷氣體進(jìn)行了制取冰漿實(shí)驗(yàn)，研究了氣體質(zhì)量流量、氣體進(jìn)口溫度和溶液高度等對(duì)體積傳熱系數(shù)的影響，并得到了冰漿制取溶液合適的混合比例。用氮?dú)獯娑趸?，張學(xué)軍等［11］分析了氣體流量、噴嘴直徑、初始溫度等因素對(duì)系統(tǒng)換熱性能和冰堵的影響。目前冰漿制取方法基本采用傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)作為冷源，電耗很大。本文通過(guò)搭建的氣體雙直接接觸式冰漿制取系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為參考，將LNG代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷系統(tǒng)作為冷源，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并從角度進(jìn)行了計(jì)算分析。

2 冷能的梯級(jí)利用原理

LNG從儲(chǔ)罐內(nèi)飽和液態(tài)汽化升溫時(shí)釋放的冷量為:

式中:m為L(zhǎng)NG的消耗量，kg;r為汽化潛熱，kJ/kg;cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K);Tk為L(zhǎng)NG汽化后的溫度，K;Ts為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的飽和溫度，K。

故:

其中:T0，p0分別為環(huán)境的溫度和壓力，K，Pa;ps為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的飽和壓力，Pa;R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K);Q0為單位質(zhì)量LNG汽化的顯熱吸熱量，kJ/kg。在LNG儲(chǔ)罐壓力不高的情況下，壓力比較小，通?？珊雎圆挥?jì)。

采用微元分析法，設(shè)TL為L(zhǎng)NG(冷源)的溫度，TH為熱源的溫度(TH＜T0)，δQ為L(zhǎng)NG的微元吸熱量。則LNG與熱源換熱過(guò)程引起的損失為:

圖1 LNG冷能梯級(jí)利用流程圖Fig.1 Process chart of cascade utilization of LNG cold energy

由于空氣分離須在－150℃至－191℃條件下進(jìn)行，與LNG的汽化溫度很接近，所以LNG從儲(chǔ)罐引出后第一級(jí)冷能可用于空分裝置。換熱后LNG溫度升高到－100℃左右，此時(shí)冷能可用于干冰的制取(干冰凝固溫度為－78℃)。之后LNG溫度變?yōu)椋?5℃左右，由于冷庫(kù)的凍結(jié)和冷藏溫度處于－30℃—16℃的范圍，所以第三級(jí)冷能可用于冷凍冷藏庫(kù)。通過(guò)LNG的三級(jí)冷能利用，LNG溫度已基本接近用戶供氣溫度，再進(jìn)行供氣前的一些處理工藝，就可以對(duì)天然氣用戶進(jìn)行供氣。

3 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

圖2是利用LNG冷能作為冷源的冰漿制取實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖。將LNG代替制冷系統(tǒng)作為冷源，LNG在汽化器中與低溫液體冷媒發(fā)生間壁式換熱。實(shí)驗(yàn)采用空氣作為載冷氣體。首先由風(fēng)機(jī)將空氣送入第一直接接觸換熱器(汽化器)內(nèi)的低溫液體冷媒中吸收冷量。空氣經(jīng)冷卻后由第二直接接觸換熱器(冰漿生成器)底部噴頭噴射進(jìn)入制冰溶液中，制冰溶液吸收冷量溫度下降直至冰點(diǎn)，開(kāi)始形成冰漿。空氣則由冰漿生成器上部排出，重新進(jìn)入風(fēng)機(jī)入口，開(kāi)始下一循環(huán)。風(fēng)機(jī)風(fēng)量可由變頻器調(diào)節(jié)。噴頭處鋪設(shè)電加熱線以解決結(jié)冰后冰堵問(wèn)題。由于氣體的鼓泡作用，使得汽化器、冰漿生成器換熱效率大幅提高。汽化后的LNG溫度仍然低于環(huán)境溫度，可通過(guò)回?zé)崞鲗⑦@部分冷量用于改善風(fēng)機(jī)出口處的散熱狀況，使天然氣升溫至供氣溫度范圍，同時(shí)也能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能效系數(shù)η(冰漿生成器溶液與氣泡單位時(shí)間換熱量同系統(tǒng)總輸入功率之比)。

圖2 LNG冷能用于冰漿制取系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ice slurry production experiment apparatus using of LNG cold energy

4 結(jié)果與分析

4.1 制取冰漿

實(shí)驗(yàn)采用體積分?jǐn)?shù)為10%的乙二醇水溶液制取到冰漿。圖3是取出的冰漿樣品照片。經(jīng)測(cè)試，制取到的冰漿細(xì)膩疏松，具有很好的流動(dòng)性。圖4表示10%乙二醇水溶液達(dá)到冰點(diǎn)后的制冰速率。開(kāi)始產(chǎn)冰時(shí)，氣體流量為200 m3/h，制冰速率為84 g/min。未使用噴頭加熱裝置時(shí)，制冰速率不斷下降。這是因?yàn)闅怏w噴頭處出現(xiàn)了冰堵，從而導(dǎo)致氣體流量下降，制冰速率降低。運(yùn)行噴頭加熱裝置(加熱功率50 W)后，制冰速率基本保持平穩(wěn)。所以加熱裝置可有效解決噴頭冰堵問(wèn)題。

4.2 LNG冷能利用分析

為了綜合考察系統(tǒng)的運(yùn)行特性、能耗狀況，實(shí)驗(yàn)選取一年中兩種典型的運(yùn)行工況:冬季工況(環(huán)境溫度5℃)，夏季工況(環(huán)境溫度30℃)，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究并進(jìn)行了對(duì)比。圖5表示采用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)做冷源時(shí)冬夏兩季系統(tǒng)能效系數(shù)對(duì)比情況。以10%乙二醇溶液為例，隨著制冰溶液的溫度下降，夏季系統(tǒng)能效系數(shù)下降幅度比較大，平穩(wěn)后低于冬季。系統(tǒng)能效系數(shù)整體偏低，且夏季時(shí)低于冬季。由于冰漿主要在夏季時(shí)用于各工業(yè)和生活領(lǐng)域，所以夏季工況更具有參考意義。系統(tǒng)能效系數(shù)較低的主要原因是制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較低(－10℃至－15℃)，使得制冷系統(tǒng)COP比較低，從而導(dǎo)致整個(gè)冰漿制取系統(tǒng)的能效偏低。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，制冷系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)總的輸入功率為6 kW左右，其中風(fēng)機(jī)的額定輸入功率為2.2 kW。故可以看出制冷系統(tǒng)耗能占大部分。若將LNG代替制冷系統(tǒng)作為冷源，使輸入功率減小，則系統(tǒng)的能效系數(shù)將會(huì)得到大幅提高。

圖5 系統(tǒng)能效系數(shù)冬夏對(duì)比Fig.5 Energy efficiency coefficients of system in summer and winter

對(duì)LNG冷能作為冷源的冰漿制取系統(tǒng)的性能進(jìn)行計(jì)算分析。為使計(jì)算結(jié)果具有可比性，令系統(tǒng)單位時(shí)間獲得的LNG冷量等于原來(lái)制冷系統(tǒng)提供的冷量。結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將汽化器出口處的天然氣溫度設(shè)置為－10℃。圖6是梯級(jí)利用LNG時(shí)，LNG不同初始溫度下的冷量損失和所需質(zhì)量流量變化曲線圖。可以看出，損失隨初始溫度的升高而近似線性下降。而所需的LNG質(zhì)量流量則隨初始溫度的升高呈現(xiàn)“J”字型增長(zhǎng)趨勢(shì)。所以提高LNG的初始利用溫度(即減少溫差)，在損的減少的同時(shí)也伴隨著LNG所需流量的大幅增加。

取LNG兩種初始參數(shù):(1)初始溫度為－162℃的常壓液體;(2)參照LNG冷能梯級(jí)利用流程圖，將制取干冰后－55℃的常壓天然氣溫度作為初始溫度。計(jì)算兩種情況下的所需LNG流量，冷量損失，系統(tǒng)能效系數(shù)提高比例。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 損和所需LNG質(zhì)量流量變化曲線Fig.6 Curves of exergy loss rate and LNG flow rate

表1 兩種LNG冷能利用方式效果對(duì)比Table 1 Comparison of two methods for using LNG cold energy

5 結(jié) 論

隨著中國(guó)LNG工業(yè)的迅速發(fā)展，合理利用LNG汽化冷能顯得越來(lái)越重要。使用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的冰漿制取方式，系統(tǒng)的能效系數(shù)偏低。可用LNG代替原來(lái)的制冷系統(tǒng)作為冷源，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)。LNG冷能不同利用方式計(jì)算表明，LNG直接利用時(shí)冷量損失大于LNG梯級(jí)利用。減少LNG換熱溫差，在損的減少的同時(shí)也伴隨著LNG所需流量的大幅增加。對(duì)于小型LNG裝置，可將LNG冷能直接用于氣體直接接觸法制取冰漿。通過(guò)利用LNG冷量可將系統(tǒng)的能效系數(shù)提高到原來(lái)3倍左右。

1 燕 娜，厲彥忠.采用液化天然氣冷量的空分系統(tǒng)新流程［J］.化學(xué)工程，2007，35(9):58-61.

2 張 亮，江 欣，王若思，等.冷能利用技術(shù)在LNG儲(chǔ)配輸送中的應(yīng)用［J］.石油與化工設(shè)備，2011，14(5):13-16.

3 金 滔，胡建軍，陳國(guó)邦，等.利用液化天然氣冷能的新型空分流程及其性能［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007，41(5):836-839.

4 余黎明，江克忠，張 磊.我國(guó)液化天熱氣冷能利用技術(shù)綜述［J］.化學(xué)工業(yè)，2008，26(3):9-18.

5 Kauffeld M，Wang M J，Goldstein V，et al.Ice slurry applications［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33(8):1491-1505.

6 何國(guó)庚，王忠衡.冰漿流體流動(dòng)與換熱研究綜述［J］.制冷學(xué)報(bào)，2005，26(4):1-5.

7 劉劍寧，章學(xué)來(lái)，葛軼群，等.直接接觸噴射式冰漿制備裝置［J］.能源技術(shù)，2007，28(3):157-159.

8 Wang M J，Kusumoto N.Ice slurry based thermal storage in multifunctional buildings［J］.Heat and Mass Transfer，2001，37:597-604.

9 何國(guó)庚，吳 銳，柳 飛.冰漿生成技術(shù)研究進(jìn)展及實(shí)驗(yàn)初探［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2006，25(4):22-27.

10 Thongwik S，Vorayos N，Kiatsiriroat T，et al.Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbon dioxide and water mixture［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2008，35:756-761.

11 張學(xué)軍，田新建，鄭克晴，等.氣體直接接觸式制取冰漿實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2010，31(12):1997-2000.

12 Kim C W，Chang S D，Ro S T.Analysis of the power utilizing the cold energy of LNG［J］.International Journal of Energy Research，1995(11):741-749.

13 王 坤，魯雪生，顧安忠.液化天然氣冷能利用發(fā)電技術(shù)淺析［J］.低溫工程，2005(1):53-58.

14 葛軼群，章學(xué)來(lái)，趙 蘭，等.LNG冷能的梯級(jí)利用［J］.制冷技術(shù)，2006(3):14-16.