陳利瓊孫磊李衛(wèi)杰許培林

（1.西南石油大學(xué)油氣儲運研究所；2.西南石油大學(xué)研究生院）

2006年世界LNG(液化天然氣)貿(mào)易量增長到1.59×108t，比2005年增長12%[1]。2010年我國進口的LNG總量為600×104t，按現(xiàn)有進口增長速度，到2015年我國將進口2000×104t，2020年進口量還會倍增。

在進口LNG的同時，也進口了大量的冷能，對于如何利用這部分冷能，由于我國對這部分關(guān)注較晚，目前還處于起步階段。

1 研究現(xiàn)狀

目前，對LNG冷能利用的方法較成熟的有空氣液化分離、制取液體二氧化碳和干冰、低溫冷庫和深冷發(fā)電?？諝夥蛛x時可比普通空氣分離方式電能消耗減少50%以上，設(shè)備費用減少10%左右，總成本減少20%～30%；制取液體二氧化碳和干冰可使產(chǎn)品純度大幅度提高，電力消耗減少30%～40%；用于低溫冷庫可用于不同溫度要求的冷庫裝置，這樣可以大大提高冷能的利用效率；冷能發(fā)電中，將直接膨脹發(fā)電和朗肯循環(huán)發(fā)電結(jié)合起來可使冷能利用效率提高到36%。

然而，從LNG冷能本身的利用情況來看，雖然各個孤立的冷能利用工藝已經(jīng)大大提高了經(jīng)濟效益，但是LNG冷能的利用效率仍然沒有得到提高，LNG冷能的高能量品位特性沒有得到有效利用。

2 單元利用工藝效率分析

2.1 冷能發(fā)電工藝

利用LNG冷能發(fā)電工藝是當(dāng)前情況下應(yīng)用LNG冷能最普遍與成功的工藝。

2.1.1 直接膨脹方式發(fā)電

該方法是首先將LNG用泵加壓到8MPa，然后在蒸發(fā)器內(nèi)與海水進行換熱，換然后變成高壓氣體通過透平膨脹機把壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機由機械能轉(zhuǎn)化為電能，進行發(fā)電。該發(fā)電方式1tLNG的發(fā)電量約為20 kWh[2]，工藝過程簡單，但效率不高，發(fā)電功率較小，冷能回收率僅為24%。

2.1.2 郎肯循環(huán)法發(fā)電

該方法是通過冷媒介質(zhì)承載LNG的冷能進行整個發(fā)電流程的發(fā)電方式。由于LNG本身是由不同沸點的物質(zhì)所組成，所以冷媒應(yīng)采用混合物質(zhì)，盡量使LNG的汽化曲線與冷媒的冷凝曲線保持一致，這樣才能使LNG汽化所放出的冷量盡多的被冷媒介質(zhì)所吸收，而不是釋放到環(huán)境中浪費掉，冷能回收率可以達到36%。但是由于冷媒的冷凝曲線與LNG的汽化曲線不可能完全重合，所以造成LNG沸點高于混合工質(zhì)的冷凝點，這部分LNG所釋放出的熱量就會被散失空氣中，造成浪費。

2.1.3 聯(lián)合法發(fā)電

該方法的特點是綜合了LNG承載冷能和冷媒承載冷能兩種發(fā)電方式，相當(dāng)于兩個不同的發(fā)電系統(tǒng)同時發(fā)電，發(fā)電終端有兩個發(fā)電機同時發(fā)電，這樣可以避免郎肯循環(huán)發(fā)電中因高于冷凝溫度的冷能得不到利用。該發(fā)電方式1tLNG的發(fā)電量約為45 kWh，冷能回收率通常為36%[3]，綜合造價低，利于環(huán)保，其發(fā)電工藝見圖1。

圖1 聯(lián)合法發(fā)電工藝

2.1.4 多級直接膨脹方式發(fā)電

利用LNG在直接膨脹方法的基礎(chǔ)上采用多級直接膨脹發(fā)電方式。采用該方式進行冷能發(fā)電的泵功耗為17 kWh/t，每噸LNG的發(fā)電量為126 kWh，發(fā)電效率為41.8%，效率為 82.3%。

2.1.5 混合工質(zhì)循環(huán)方式發(fā)電

該方法是在郎肯循環(huán)發(fā)電的基礎(chǔ)上進行改進的，在朗肯循環(huán)發(fā)電流程中，由于LNG是多組分的復(fù)雜混合物，沒有固定的沸點，因此8MPa下LNG的氣化曲線無等溫汽化段。為了高效利用LNG的冷能發(fā)電，應(yīng)當(dāng)采用分段混合工質(zhì)，這樣可以使LNG的汽化曲線與對應(yīng)的各段混合工質(zhì)的冷凝曲線盡量在相應(yīng)的溫差條件下走勢相同。但由于混合媒體其本身的多組分原因，各個組分的物性不盡相同，造成了混合工質(zhì)本身的不穩(wěn)定性，因此這種方法在實際應(yīng)用中可操作性較低。

2.2 冷能用于輕烴回收

LNG一般主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及少量的戊烷組成。由于輕烴分離利用的溫位為-150～-110℃[4]，因此它不僅成本低而且損失小 ，利用LNG冷能可以使LNG中80%以上的乙烷被提取出。乙烷等重組分可用于制造乙烯等化工產(chǎn)品，為化工行業(yè)提供緊缺原料的同時大大降低了化工行業(yè)的成本。因此，LNG冷能利用中的輕烴分離工藝是LNG冷能利用中的極為有利的方式。

2.3 液化分離空氣

利用LNG冷能進行空氣液化分離可使生產(chǎn)液化氧氣的電力消耗從1.2 kWh/m3降低到0.5 kWh/m3[5]，電力消耗減少58%，同時可以減少所需場所的建設(shè)費用。利用回收的LNG冷能和兩級壓縮式制冷機降低空氣溫度達到冷卻空氣的目的，從而制取液氮、液氧，這種可以使制冷機實現(xiàn)小型化，電力能耗減少50%，水消耗也減少30%，生產(chǎn)成本得到大大的降低。由于LNG冷能用于液化空氣制液氧、液氮、液氬可以節(jié)省大量的能量，也很少受到地點條件的限制，而且LNG巨大的冷能可以產(chǎn)出非常大的液體氮量和液體氧量，因此它在LNG冷能利用系統(tǒng)中被認(rèn)為是最為有效的利用方式。另外，低成本制造的液氮可以使LNG應(yīng)用的溫度領(lǐng)域擴展到更低的溫度帶(-196℃)[6]，考慮到LNG的溫度為-162℃，則該方法LNG冷能利用的損最小 ，其流程見圖2。

圖2 利用LNG冷能的空氣分離的典型流程

2.4 制取液化CO2及干冰

與傳統(tǒng)的液化CO2及干冰工藝相比，利用LNG冷能的制冷設(shè)備的負(fù)荷大大降低，電力消耗降低30%～40%。以化工廠所產(chǎn)生的副產(chǎn)品CO2為原料，利用LNG冷能制取液化CO2及干冰，可以降低原料的成本和耗電量，同時所生產(chǎn)的液化CO2及干冰純度高達99.99%。由于-78.15℃為干冰溫度，此溫位與LNG通過空分裝置后的溫位相距較近，因此可以作為冷能梯級利用的第二級，這樣可以降低LNG冷能利用過程中的損失[7]。其系統(tǒng)圖見圖3。

2.5 冷凍倉庫

利用LNG冷能來降低冷庫的溫度，讓中間媒介物質(zhì)吸收LNG的冷能，降低到一定溫度后進入到冷凍、冷藏庫的冷卻盤管，再通過冷卻盤管釋放冷能，實現(xiàn)冷凍物品的作用。

圖3 利用LNG冷能制取液態(tài)二氧化碳和干冰系統(tǒng)圖

由于常用冷庫的溫度只需維持在-50～-65℃即可，而將-162℃的LNG冷能全部用于冷庫冷凍物品明顯損過大 。但是考慮到低溫凍結(jié)裝置、冷凍庫、冷藏庫及預(yù)冷裝置等對溫度的不同要求，將它們按不同的溫度帶串聯(lián)起來實現(xiàn)對LNG冷能利用，由于各制冷裝置的溫度帶不同，所以進入制冷裝置的中間媒介亦不同，在媒介物質(zhì)與LNG進行冷量交換后依次進入到低溫凍結(jié)裝置（-60℃）、冷凍庫（-35℃）、冷藏庫（0℃以下）、預(yù)冷裝置（0～10℃）進行冷凍物品，這樣LNG冷能的 損失將大幅度降低，整個流程的運行成本較機械制冷方式下降了37.5%，流程見圖4。

圖4 LNG冷能用于冷凍倉庫的梯級利用流程

2.6 在LNG汽車及冷藏車中的應(yīng)用

伴隨著LNG汽車技術(shù)的不斷完善與成熟，LNG汽車的使用不斷增多。LNG對于汽車的作用主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面就是LNG作為能源物質(zhì)，可以作為汽車動力的燃料。另一方面就是LNG在汽化的過程中釋放的冷能可以作為汽車內(nèi)空氣制冷冷量的來源，這樣就沒有必要為汽車另外配備機械制冷裝置，又避免了機械制冷給汽車造成的噪聲污染。因此，LNG汽車是一種真正意義的綠色汽車。

2.7 蓄冷裝置

發(fā)電和城市燃?xì)馐抢肔NG最多的兩個領(lǐng)域，由于隨著晝夜四季的變化，發(fā)電和城市燃?xì)馑璧腖NG量波動較大，所以，LNG的氣化量亦根據(jù)晝夜四季發(fā)生較大變化。為了能夠保證LNG冷能利用設(shè)備有持續(xù)穩(wěn)定的能量供應(yīng)，需在LNG汽化裝置和冷能利用設(shè)備之間增加冷能蓄冷裝置。在LNG汽化量較大的情況下，吸收多余的LNG冷能不被散失到空氣中，在LNG汽化量小，即在冷能供應(yīng)不足的情況（晚上、夏季）下，釋放儲存的冷能，滿足冷能利用設(shè)備的需要。

蓄冷裝置即為儲存冷能的中間介質(zhì)，而該介質(zhì)的最大作用就是盡量多的儲存LNG的冷能。因此，此類介質(zhì)具備以下兩個特點：一是該介質(zhì)具有較大的比熱，這樣能夠用較少的物質(zhì)儲存最多冷能，提高儲存冷能的效果；二是在吸收和釋放冷能的過程中能夠發(fā)生相變，即有一部分冷能是以潛熱的形式儲存起來，這就要求該類介質(zhì)有較合適的沸點或熔點，考慮到汽化裝置的占地面積等因素，介質(zhì)要求在固態(tài)和氣態(tài)兩態(tài)之間變化，因此介質(zhì)有較合適的熔點符合實際的操作要求。

蓄冷裝置可以作為LNG冷能利用的中間裝置，儲存LNG冷能，這樣可以解決LNG冷能利用時間和空間上不同步的問題，對于LNG冷能利用的推廣有著重要的作用。

2.8 低溫粉碎和破碎廢棄物

輪胎、塑料以及其它成分組成的合成物由于其本身具有的化學(xué)特性，在常溫下很難被粉碎，但可以利用其具有低溫脆性的特點進行粉碎，當(dāng)溫度降低到一定程度時，由于沖擊強度降低，只要很小的擊打力就可以對其進行粉碎。因此，粉碎廢棄物時，利用LNG冷能先把其冷卻到低溫是一種很好的粉碎方法。主要有兩種利用方法：一種為利用LNG冷能先冷卻液體氮，即把氮作為吸收冷能的介質(zhì)，再用液氮冷凍廢棄物，最后粉碎廢棄物；另一種是先用LNG冷能分離空氣，再利用得到的液體氮冷凍廢棄物，然后進行粉碎。

同理，利用金屬的低溫脆化特性，利用冷能來粉碎廢棄的汽車，然后再對廢棄物進行回收利用。圖5為利用LNG冷量粉碎廢棄橡膠的工藝流程圖。

3 冷能梯級利用方案

3.1 冷能利用工藝溫位研究

圖5 LNG冷量用于廢舊橡膠低溫粉碎的工藝流程

初步設(shè)計LNG冷能利用主要根據(jù)各個冷能利用工藝的溫位，對LNG的冷能利用工藝進行初步的梯級利用排序，下面以-100℃以下、-100～-50℃、-50℃至常溫各個冷能利用工藝的利用溫度區(qū)間見表1。

表1 冷能利用工藝的利用溫度區(qū)間

表1看出冷能發(fā)電的適用溫度區(qū)間較廣，但該方式由于只能回收部分冷能，冷能回收效率不高。

蓄冷裝置作為冷能回收的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的吸收冷能的冷媒介質(zhì)而具有不同的溫位。

3.2 冷能利用方案初步設(shè)計

根據(jù)以上利用方式的溫度范圍提出梯級利用方案如下：

方案一：液化分離空氣→制取液化CO2及干冰→冷凍倉庫。

低成本的制造液氮可以使LNG冷能的利用溫度延伸至-192℃，因此空氣分離可以利用LNG-150～-190℃的溫位，而LNG的發(fā)生氣化溫度為-162℃，二者是相匹配的。所以把空氣分離作為LNG冷能利用的第一級可以充分發(fā)揮LNG冷能的高性能，減少深冷溫度帶的損失。

用于空氣分離后，LNG的溫度為-100℃左右，此溫度帶的冷能仍然是高性能的冷能，可以利用的冷能仍很可觀。制取液態(tài)CO2溫位是-70℃，制取干冰溫度為-78.5℃，因此可以將此溫位的LNG冷能用于制取液化CO2及干冰，即把制取液化CO2及干冰作為冷能梯級利用的第二級。

制取液態(tài)CO2和干冰之后，LNG的溫度仍低于環(huán)境溫度較多，可以將剩余冷能用于冷凍物品。冷庫的溫度大致在-60～10℃的溫度范圍內(nèi)，此溫位范圍可以與冷能梯級利用的第三級相匹配。

經(jīng)過冷凍倉庫的冷量利用之后，天然氣溫度為給天然氣用戶供氣的合適溫度，經(jīng)處理后就可對天然氣用戶進行供氣了。

方案二：輕烴分離→制取液化CO2及干冰蓄冷裝置→LNG冷能在LNG汽車及冷藏車中的應(yīng)用

輕烴分離利用了LNG溫位為-150～-110℃的冷量，經(jīng)輕烴分離后的LNG可用于利用了-80～-70℃溫位的制取干冰和液化CO2。由于在汽車和冷藏車要求的冷量溫位不高，因此仍低于環(huán)境溫度的LNG可用于汽車和冷藏車，但是為了使用的方便，中間環(huán)節(jié)應(yīng)增加蓄冷裝置。

方案三：（蓄冷裝置）→液化分離空氣→冷能發(fā)電

本流程中蓄冷裝置主要是利用天然氣用氣低潮期，LNG汽化的冷能量少，此時可用蓄冷裝置在用氣高峰期儲存的冷能用于空氣分離，用于空氣分離后的LNG溫位為-100℃左右，可用于冷能發(fā)電，此流程的損比 LNG直接用于發(fā)電小很多。

4 結(jié)語

隨著世界LNG產(chǎn)銷量的迅速增長以及全球性能源緊張以及LNG所攜帶的巨大冷能，LNG冷能利用的前景將十分廣闊，而如何充分合理的利用這部分冷能顯得更為重要。因此，研究如何對LNG冷能進行更優(yōu)化、高效的梯級利用將成為未來LNG產(chǎn)業(yè)的一個重要課題。

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