基于LNG氣化冷能的回收利用

李秉繁，潘 振，張桂強, 商麗艷

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津300451）

基于LNG氣化冷能的回收利用

李秉繁1，潘 振1，張桂強2, 商麗艷1

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津300451）

隨著我國經濟的快速發展，作為綠色能源的液化天然氣（LNG）得到了更多的重視和利用。大量的冷能產生于LNG氣化過程中，不僅造成能源的浪費，還將會造成冷污染。與此同時LNG所攜帶的冷能具有重大的經濟價值。文章描述了對液化天然氣氣化過程中所產生的冷能相關的回收及再利用。

液化天然氣（LNG）；冷能；冷能的回收；冷能再利用

隨著我國的經濟蓬勃發展，面臨的能源污染問題日益嚴峻，作為公認的清潔能源——天然氣的規劃和利用將起到改善我國能源結構的作用[1]。其中，主要以 LNG的形式存在的天然氣不僅方便了儲存也方便了運輸，但天然氣的必須以氣態的形式才能被利用，液態天然氣（LNG）在氣化為天然氣中伴隨著大量的冷能，對于LNG轉化過程中產生冷能的回收既合理的利用了廢棄能源又降低了對下游設備的破壞和環境的冷污染[2]。

1 LNG冷能用于發電技術

1.1 直接膨脹發電

如圖1所示，LNG注入低溫壓縮機（1）轉化為高壓 LNG，再經過蒸發器（2）轉化為高壓天然氣，在汽輪機（3）中膨脹對外做功的高壓天然氣，汽輪機帶動發動機發電。此過程的優點在于原理簡單、天然氣沒有直接用于發電，當效率低、發電功率小、LNG氣化產生的冷能未能完全利用[3]。

1.2 降低蒸汽動力循環的冷凝溫度

如圖2所示為朗肯循環的T-s圖，1-2過程中蒸汽在汽輪機中膨脹，2-3過程中工質在冷凝器中由氣態變為液態，3-4過程中工質由水泵注入鍋爐中，4-1過程中鍋爐將工質轉化為過熱蒸汽[4]。

圖1 天然氣直接膨脹發電裝置Fig.1 DX type of natural gas generation device

圖2 朗肯循環T-s圖Fig.2 Rankine's circulation T-s diagram

根據朗肯循環的效率：

其中：（h1-h2）-（h4-h3）為循環凈功，h1-h4為吸熱量。

當吸熱過程不變時，降低1-2過程的放熱溫度，h1-h2會顯著提高,盡管h4-h3也會略有提高，但對于h1-h2的提高 h4-h3的提高可以忽略不計，所以隨著冷凝溫度的降低，循環效率和凈功都會提高[5]。

1.3 降低氣體動力循環的吸氣溫度

由布雷頓循環知，在定壓加熱過程中溫度達到臨界值時，若降低燃氣輪機的吸氣溫度，則循環作功和其效率將得到顯著提高[6]。如圖 3所示為燃氣輪機入口空氣預冷裝置，LNG經過水冷卻和對流式換熱器轉化為常溫天然氣，以LNG作為冷源的裝置通常以乙二醇溶液為冷媒防止水蒸氣冷結在冷卻管的表面。冷能載體乙二醇溶液在換熱器中與空氣進行冷交換，以提高循環作功和效率[7]。

圖3 燃氣輪機入口空氣預冷裝置Fig.3 Air pre-cooling equipment at inlet of the gas turbine

2 LNG冷能用于液化分離空氣

分析LNG冷能火用分析可知，低溫火用在環境溫度越低是越大，盡可能充分利用低溫火用，減少低溫火用的耗散。空氣分離的溫度在-150～-200 ℃，而LNG蘊含的冷量為162 ℃，空氣分離裝置使得LNG的低溫火用得到了最佳利用。利用LNG冷量的空分裝置主要包括：提高空分裝置的液化率和利用LNG冷能降低空分裝置的壓力，以提高液化效率和減少壓縮機作功。液化天然氣產生的冷能用于空氣分離裝置產生了一舉三得的效果：(1)節約電能;(2)簡化流程;(3)能源再利用[8]。

3 LNG冷能用于輕烴分離

如圖 4 所示為：輕烴分離循環圖[9]，其設備包括： 液化天然氣低溫泵 ，液化天然氣分流器，換熱器 ，壓縮機，甲烷氣體混合器，氣液兩相閃蒸塔，脫甲烷塔。LNG 經低溫泵 P1后由分流器分為兩股：一股經換熱器預熱后進入閃蒸塔進行氣液分離，CH 氣體從閃蒸塔頂分出進入混合器，含有輕烴的液態天然氣由塔底注入脫甲烷塔中再次進行分離；而由液化天然氣分流器中分出的另一股液化天然氣直接注入脫甲烷塔中進行分離，經過脫甲烷塔分離后的甲烷氣體從脫甲烷塔頂部分出，液態含輕烴則由脫甲烷塔塔底流出[10]。

圖4 美國專利 US694l77lB2 的輕烴分離流程圖Fig.4 U.S. Patent US694l77lB2 light hydrocarbon separating circulant graphs

4 LNG冷能的其它應用

4.1 用于液化 CO2處理汽車尾氣

隨著天然氣行業的快速發展，LNG作為清潔能源作為汽車燃料得到了迅猛發展，以LNG為汽車燃料將降低汽車尾氣對大氣的污染，LNG蘊含著大量的冷能，并將這些冷量用于處理汽車尾氣，不僅實現了汽車尾氣的零排放，減少了汽車尾氣的環境污染問題，而且是的LNG氣化產生的冷能得到了合理利用[11-13]。

4.2 用于低溫粉碎橡膠

橡膠在玻璃化溫度（-100 ℃左右）時變得很脆弱，LNG冷能的應用很容易將常溫不易破碎的橡膠粉碎，在低溫粉碎裝置中通常以液氮為冷媒，保證了設備的安全運行[14]。與傳統的再生利用、整體利用和熱利用等回收方式相比低溫粉碎技術有降低噪音、節省動力費用和減小污染等優點[15]。

4.3 LNG冷能的梯級利用

空氣分離作為液化天然氣冷能梯級利用的第一階，目的是充分利用液化天然氣的低溫火用[16]；LNG經過空分裝置后的溫度約為-100 ℃，而粉碎橡膠的玻璃化溫度在-100 ℃左右，經過空分的低溫 LNG用于粉碎橡膠，因此對二階段LNG冷能梯級利用為液化天然氣低溫粉碎廢舊橡膠；之后，從低溫粉碎裝置中出來的天然氣仍具有較低溫度，可以用于維持溫度為-60～-10 ℃的冷庫系統中，將用于冷庫系統作為LNG冷能梯級利用的第三階。經過三階之后，LNG氣化為常溫天然氣，再經處理后利用[17]。

5 結束語

當今我國正處于資源再利用的變革中，液化天然氣氣化冷能的再利用不僅響應了國家的號召也減少了冷能對環境的污染和設備的冷破壞。

本論文主要從基于 LNG氣化冷能的回收利用進行綜述，LNG冷能在發電、空氣分離、輕烴分離、處理汽車尾氣、粉碎橡膠等方面的利用及合理利用LNG的低溫火用的LNG冷能梯級利用，實現了LNG氣化產生的冷能的回收再利用[18]。

［1］朱剛,顧安忠.液化天然氣冷能的利用[J].能源工程,1999 (3):70-71.

［2］顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術[M].機械工業出版社，2003-10.

［3］邢迎明. LNG氣化過程中的冷能回收及利用[J]. 能源研究與利用. 2010(03):33-36．

［4］Shiozawa H,Hiro-oka T,et al.Power generation using cold potential of LNG in multicomponent fluid Rankine cycle[J]. Advances in Cryogenic Engineering,1981:178-180.

［5］楊世銘，陶文栓．傳熱學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006-08.

［6］Celidonio Dispenza，Giorgio Dispenza，Vincenzo La Rocca，et al．Energy recovery during LNG regasification：electric energy production (I)[J]．Applied Thermal Engineering,2009，29：380-387．

［7］程文龍，伊藤猛宏，陳則韶．一種回收液化天然氣冷能的低溫動力循環系統[J]．中國科學技術大學學報，1999，29(6)：671-676.

［8］徐小波,梁金川,胡萍,楊妮. 利用LNG汽化冷量的空氣分離技術[J].內蒙古石油化工, 2011(09):112-114.

［9］Reddick K，Belhateche N. Liquid natural gas processing：United States，6941771B2［P］. 2005-09-13.

［10］華賁. 大型LNG接收站冷能的綜合利用[J]. 天然氣工業. 2008(0 3):133-134.

［11］Na Zhang，Noam Lior．Configuration analysis of a novel zero CO2emission cycle with LNG cryogenic energy utilization[J]．IMECE, 2003-4195:52-57.

［12］王勤輝，沈洵，駱仲泱．新型近零排放煤氣化燃燒利用系統[J]．動力工程，2003:130-134．

［13］王強.液化天然氣冷能火用的特性及在汽車制冷中的回收利用[J].西安交通大學學報,2003(3):394-396.

［14］Gibbins Jon，Chalmers Hannah．Carbon capture and storage[J]．E nergy Policy，2008，36：4317-4322.

［15］Wang Q,Li Y Z,Wang J.Analysis of power cycle based on colden ergy of liquefied natural gas and low-grade heat source[J]. Ap-pl ied Thermal Engineering ,2004.

［16］華賁,李偉,徐文東,趙玉民,熊永強,李亞軍,趙旭青,王漢平,尹清黨.唐山LNG項目冷能利用示范工程[J]. 天然氣工業, 2008(05):135.

［17］吳集迎,馬益民,陳仕清. LNG冷能用于冷庫的系統設計及分析[J].集美大學學報(自然科學版)網絡版(預印本),2010(01):44-47.

［18］Kleffmann. J.Cryogen-Trans: das leistungsf hige Kühlsystem für Lebensmitteltransporte[J]. Gas Aktuell , 2000:278-279.

Recycling of Cold Energy During LNG Gasification

LI Bing-fan1，PAN Zhen1，ZHANG Gui-qiang2，SHANG Li-yan1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China National Petroleum Offshore Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451，China）

With the fast development of modem society and economy, LNG as a green energy has attached more great importance. Lots of cold energy can be produced during LNG gasification, if the cold energy is not used, which not only will cause the waste of energy sources, but also will cause the cold contamination. Meanwhile cold energy carried by LNG has a significant economic value. In this paper, recovery and reuse technologies of the cold energy generated during LNG gasification procedure were introduced.

LNG; Cold energy; Recovery; Reutilization

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2377-03

2014-04-02

李秉繁（1901-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學油氣儲運專業，研究方向：油氣管道輸送技術。E-mail：670264522qq.com。