液化天然氣（LNG）冷能利用研究進展

王方，付一珂，范曉偉，朱彩霞

（中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007）

經(jīng)換熱汽化在理論上可利用的冷量約為230kWh。但正常情況下，這部分冷量通常在LNG汽化器中被舍棄了，不僅造成了大量的能源浪費，甚至還會造成環(huán)境污染。回收這部分冷能不僅有效利用了能源，還減少了機械制冷的大量電能消耗，具有可觀的經(jīng)濟與社會效益。為此，LNG冷能利用引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

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液化天然氣（LNG）冷能利用研究進展

王方，付一珂，范曉偉，朱彩霞

（中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007）

摘要：液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的優(yōu)質(zhì)能源，其汽化釋放的大量冷量具有極大的經(jīng)濟價值及環(huán)保價值，但卻存在LNG冷能利用率不高的普遍問題。本文闡述了LNG冷能利用的各種方式，比較了各種方式的優(yōu)缺點及冷能需求，分析了其利用前景及環(huán)保價值。介紹了國內(nèi)外液化天然氣冷能利用技術(shù)的開發(fā)與研究進展，指出了其冷能利用率普遍不高的原因。在此基礎(chǔ)上強調(diào)了LNG冷能“溫度對口，梯級利用”原則的重要性，開發(fā)蓄積和儲存冷能的裝置以及研發(fā)新型載冷劑的迫切性，并提出因地制宜選擇冷能利用項目，拓展新的冷能利用形式。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；冷能利用；?；相變；回收

天然氣作為一種清潔、高效的能源，其利用對我國大氣污染防治具有重要意義。近年來，我國天然氣消費量快速增長，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）作為天然氣的液態(tài)形式，是天然氣經(jīng)過凈化處理、降溫至?162℃時形成的液體，體積變?yōu)樵瓉淼?/600，其存在增加了天然氣儲運和利用的靈活性，擴大了天然氣的應(yīng)用范圍。生產(chǎn)1噸液化天然氣的設(shè)施及動力耗電量約850kWh，而LNG汽化時放出大量的冷量，其值約為830～860kJ/kg，LNG汽化過程伴隨大量可用冷能的釋放，1噸LNG

經(jīng)換熱汽化在理論上可利用的冷量約為230kWh。但正常情況下，這部分冷量通常在LNG汽化器中被舍棄了，不僅造成了大量的能源浪費，甚至還會造成環(huán)境污染。回收這部分冷能不僅有效利用了能源，還減少了機械制冷的大量電能消耗，具有可觀的經(jīng)濟與社會效益。為此，LNG冷能利用引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1 LNG冷能利用技術(shù)應(yīng)用

1.1 LNG冷能主要利用方式

LNG冷能利用一般分為直接利用和間接利用兩種方式。其中，直接利用主要集中于低溫發(fā)電、空氣分離、干冰制造、輕烴分離、超低溫冷凍、海水淡化、汽車空調(diào)和低溫養(yǎng)殖、栽培等方面，間接利用主要是通過LNG冷能生產(chǎn)液氮或液氧，再利用液氮、液氧分別進行低溫粉碎、低溫生物工程、污水處理等工藝。其利用方式及利用溫度如表1所示。

表1 LNG冷能利用方式及溫度

1.2 LNG冷能利用前景

目前，LNG冷能回收技術(shù)得到了各國政府和企業(yè)的廣泛關(guān)注，全球大型LNG接收站逐步增多，LNG進入高速發(fā)展階段，這為LNG冷能利用技術(shù)的快速發(fā)展提供了可能。日本的LNG冷能利用技術(shù)走在世界前列，其低溫發(fā)電、空氣分離、液態(tài)二氧化碳及干冰制造和低溫冷庫技術(shù)均達到國際先進水平，LNG冷能利用率約為20%～30%。我國LNG冷能利用技術(shù)起步較晚，發(fā)展尚不成熟，總體利用程度不高。中國海洋石油集團公司作為我國LNG冷能利用的領(lǐng)軍企業(yè)，目前已在冷能空分、冷凍膠粉、丁基橡膠等多項技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進展，冷能空分裝置已投入商業(yè)運行，冷凍膠粉和丁基橡膠等項目也已進入工業(yè)應(yīng)用的實質(zhì)性推進階段，具有豐富的冷能項目建設(shè)運行經(jīng)驗，在國際同類企業(yè)中具備一定的競爭力。中國石油天然氣集團公司和中國石化集團公司目前也在加緊研發(fā)LNG冷能利用技術(shù)，具有一定的后發(fā)優(yōu)勢。未來幾十年內(nèi)，發(fā)展LNG冷能利用技術(shù)對我國能源的綜合利用具有重要意義。我國LNG冷能利用相關(guān)項目[2]見表2。

1.3 冷能利用方式比選

表3總結(jié)了幾種LNG冷能的主要利用方式，并分析了各自優(yōu)缺點及冷能需求，對因地制宜選擇冷能利用方式提供了幫助[3]。

表2 我國LNG冷能利用相關(guān)項目

表3 LNG主要利用方案比選

2 國內(nèi)外LNG冷能利用研究進展

不管是直接還是間接利用LNG冷能的方式，都是通過單一途徑對LNG冷能進行回收利用，從熱力學(xué)?的角度分析，單一的途徑不能對LNG冷能充分利用，?損耗較大。目前很多業(yè)內(nèi)專家建議應(yīng)將多種回收方式進行綜合利用，以提高LNG冷能的利用率。

2.1 LNG冷能用于冰蓄冷

陳秋雄等[4]開發(fā)了一種將LNG冷能與冰蓄冷系統(tǒng)供冷相結(jié)合的技術(shù)。通過冰蓄冷的形式將LNG氣化所釋放的冷量儲存起來，再經(jīng)過換熱將冷量提供給空調(diào)循環(huán)水，起到“削峰填谷”、平衡電力負荷的作用，明顯節(jié)約用戶電費。圖1為冰蓄冷空調(diào)工藝流程[4]。林苑[5]確定了一套將LNG冷能用于冰蓄冷空調(diào)的兩級冷媒冷量傳遞工藝設(shè)計方案。分別采用R404a和30%乙二醇溶液為一、二級冷媒，得到兩臺換熱器的?效率分別為30.88%和43.86%。經(jīng)分析，可知引起?損的主要原因是換熱過程中存在高溫差，作者又從減小換熱溫差的角度對工藝方案進行了進一步優(yōu)化。

2.2 LNG冷能用于空氣分離

盡管我國“保基本、強基層、建機制”的醫(yī)療體制改革已使基層醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)硬件設(shè)施明顯改善，但是，國家衛(wèi)計委發(fā)布的公報顯示，2015年，全國醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)總診療人次達77.0億人次。其中，三級醫(yī)院的診療人次和入院人數(shù)增長分別為7.14%和8.55%，而基層醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)出現(xiàn)了負增長，增長率分別為-0.46%和-1.39%[11]。

圖1 冰蓄冷空調(diào)工藝流程

夏鴻雁等[6]提出將LNG冷能用于空分設(shè)備，主要是利用液化天然氣的冷量來取代膨脹機制冷循環(huán)。將LNG低溫級冷量用于液化高壓氮氣，LNG常溫級冷量則提供給乙二醇冷卻水系統(tǒng)。該LNG冷能空分設(shè)備比常規(guī)空分設(shè)備節(jié)能50%，且配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)有明顯節(jié)電、節(jié)水效果。圖2為LNG冷能回收系統(tǒng)示意圖[6]。魏林瑞等[7]提出了利用液氮冷媒補冷，維持空分裝置連續(xù)運行的方案，解決了由于不同時段和不同季節(jié)用戶用氣波動而導(dǎo)致LNG空分裝置因冷量中斷而被迫頻繁停車的問題，并從經(jīng)濟角度對比分析了利用液氮補冷維持空分裝置連續(xù)運行與直接停車再冷開車的方案。

圖2 LNG冷能回收系統(tǒng)示意圖

2.3 LNG冷能用于冷庫

楊春等[8]提出一種液化天然氣（LNG）冷能用于冷庫和冷水的橇裝化裝置，該裝置包括3個系統(tǒng)：LNG 氣化系統(tǒng)、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和冷水生產(chǎn)系統(tǒng)。LNG 通過氣化系統(tǒng)將冷能傳給冷媒，冷媒又將冷能用于冷庫和通過冷水生產(chǎn)系統(tǒng)傳給冷水，冷媒解決了 LNG 氣化和應(yīng)用在時間和空間上不同步的問題。肖芳等[9]改進了LNG冷能用于冷庫制冷技術(shù)的工藝流程，解決了當(dāng)天然氣用戶需求較少時，LNG冷能供給不足、冷媒冷量不夠的問題。并對比了LNG冷能制冷工藝和傳統(tǒng)冷庫電壓縮制冷工藝，得出前者更節(jié)省用電費用，流程?效率更高，投資回收期更短，運行成本更低的結(jié)論。圖3為LNG冷能用于冷庫的工藝流程圖[9]。LA ROCCA[10]研究了一種將LNG冷能用于超市中深冷凍農(nóng)業(yè)產(chǎn)品并能進行空氣調(diào)節(jié)的工業(yè)設(shè)施，并從概念設(shè)計、熱力學(xué)分析及經(jīng)濟角度分析了它的可行性、適用性及盈利能力，為高效利用LNG冷能提供了新思路。

圖3 LNG冷能用于冷庫的工藝流程

2.4 LNG冷能用于燃料船舶

杜令光[11]將LNG冷能用于遠洋貨物冷藏，將蓄冷技術(shù)與冷凍冷藏技術(shù)完善地結(jié)合在一起，降低了船舶制冷系統(tǒng)的初投資，回收LNG冷能，降低遠洋貨物冷藏成本。田堃等[12]根據(jù)LNG冷能利用“溫度對口，梯級利用”的原則，進行了船運LNG冷能綜合利用方案的設(shè)計開發(fā)，將LNG冷能用于冷庫及冷水空調(diào)，BOG處理則根據(jù)發(fā)電機和內(nèi)燃機的開啟情況選取冷凝法或直接輸出法的方式。既能充分利用LNG氣化產(chǎn)生的冷能，又減少船上制冷所需燃料，同時明顯減少壓縮式制冷裝置工作時所需要的運行電耗。

2.5 LNG冷能用于發(fā)電

陳利瓊等[13]總結(jié)了已應(yīng)用的6種冷能發(fā)電技術(shù)，包括直接膨脹法、二次媒體法、聯(lián)合法、混合媒體發(fā)電法、布雷頓循環(huán)法及燃氣輪機利用法。指出布雷頓循環(huán)法發(fā)電效率最高，可達到55%，但有冷卻器溫度的要求。賀雷等[14]提出將LNG冷能朗肯循環(huán)發(fā)電與空調(diào)制冷相結(jié)合的工藝，通過采用分段回收的方式將高品位冷能用于冷能發(fā)電，低品位冷能用于空調(diào)制冷，實現(xiàn)LNG冷能梯級利用，有效提高冷能利用效率。圖4為發(fā)電與制冷相結(jié)合的LNG冷能梯級利用原理圖[14]。

2.6 LNG冷能用于海水淡化

黃美斌等[15]將LNG冷能與冷凍法海水淡化結(jié)合起來，并針對系統(tǒng)中冷媒是否相變提出無相變流程和有相變流程，結(jié)果說明無相變流程設(shè)備簡單、控制方便，但冷媒質(zhì)量流量大; 有相變流程冷媒質(zhì)量流量小，但流程、設(shè)備與控制均較復(fù)雜，氣相部分體積流量較大，使得氣態(tài)管路直徑較大，相應(yīng)的換熱器尺寸也會更大。圖5為間接冷凍法海水淡化示意圖[15]。江克忠等[16]綜合分析了3種目前海水淡化的主要技術(shù)，分別為膜法、蒸餾法和冷凍法。指出采用混合脫鹽工藝即LNG冷能冷凍與低溫蒸餾膜相結(jié)合或LNG冷能冷凍法與其他膜法聯(lián)用是當(dāng)今利用LNG冷能淡化海水的新技術(shù)發(fā)展方向。CAO[17]研究了將LNG冷能用于間接接觸冷凍海水淡化的過程，選取了合適的中間冷卻劑轉(zhuǎn)移冷量并提供了最合適的海水結(jié)晶溫度，結(jié)果表明：1kg的LNG冷能可獲得2kg的冰層融化水，并且在這個過程中，LNG與海水的混合過程幾乎不耗費能量。

2.7 LNG冷能用于丁基橡膠

圖5 間接冷凍法海水淡化示意圖

韓軍仕[18]分析了LNG冷能用于丁基橡膠產(chǎn)業(yè)的可行性，提出了LNG和丙烯聯(lián)合使用的二級制冷以及采用LNG直接制冷的兩種方案，并與常規(guī)使用乙烯和丙烯聯(lián)合制冷的方案對比分析后得到：采用LNG與丙烯聯(lián)合制冷每噸橡膠可節(jié)約電能1100kWh，投資成本可降低10%～20%；采用LNG直接制冷更為節(jié)能，每噸橡膠節(jié)能高達2000kWh。圖6為LNG與丙烯聯(lián)合制冷流程[18]。陳茂春等[19]則對比分析了LNG、乙烯、丙烯三者聯(lián)合制冷和LNG與丙烯聯(lián)合制冷的兩種方案，對于5 萬噸/年的常規(guī)丁基橡膠裝置，后者具有LNG汽化壓力低、制冷設(shè)備設(shè)計壓力低，裝置占地面積小等優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)的制冷流程，大大簡化了制冷流程，具有工藝設(shè)備大大減少且投資較少，公用工程消耗降低等優(yōu)點。

圖6 LNG與丙烯聯(lián)合制冷流程

2.8 LNG冷能用于重卡空調(diào)

王方等[20]設(shè)計了一種將LNG冷能用于重卡車載冷能利用空調(diào)制冷聯(lián)合裝置。包括LNG鋼瓶、汽化器、空調(diào)、冰箱、發(fā)動機和控制器。LNG在汽化器中與載冷劑進行逆流熱交換，釋放冷量后成為常溫燃料汽化進入發(fā)動機供重卡使用，載冷劑得到LNG釋放的冷能后，溫度降低，冷能蓄積，從汽化器中出來的低溫載冷劑經(jīng)泵加壓進入空調(diào)蒸發(fā)器，之后通過風(fēng)機將冷量傳遞到駕駛室，達到調(diào)節(jié)室溫的目的。在這個過程中，載冷劑始終只是溫度變化而沒有發(fā)生相變。該實用新型裝置節(jié)省了驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)的燃料，回收了LNG汽化過程的冷能，起到了節(jié)能降耗、降低成本的作用，且工藝簡潔，便于推廣使用。

3 展 望

提高LNG冷能利用率是綜合利用能源，緩解緊張的用能壓力，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，增加經(jīng)濟效益和社會效益的關(guān)鍵，但目前存在LNG冷能利用效率普遍較低，且利用方式單一、項目進展緩慢、實施嚴(yán)重落后等問題。鑒于此，提出以下幾點建議。

（1）根據(jù)LNG接收站的大小、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟條件及市場需求合理選擇冷能利用項目。

（2）研發(fā)特定工藝技術(shù)梯級利用LNG冷能，從單項高效利用和綜合梯級利用兩方面提高LNG冷能利用率。

（3）開發(fā)蓄積和儲存冷能的裝置，使冷媒系統(tǒng)可以充分實踐“溫度對口、梯級利用”的原則，利用冷媒將冷能回收和冷能利用分為兩個過程，通過冷媒輸送管線向各冷能用戶供應(yīng)冷能。

（4）加大蓄冷介質(zhì)的研發(fā)，目前市場上冷媒很少與LNG換熱時不發(fā)生相變，因此，加緊研發(fā)無相變冷媒是重中之重。

除此之外，積極拓展新的冷能利用方式也是目前仍需努力的方向。總之，在LNG冷能利用過程中要貫徹循環(huán)經(jīng)濟的理念，積極探索LNG冷能利用技術(shù)，實現(xiàn)LNG冷能的充分利用，形成健康的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系。

參 考 文 獻

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綜述與專論

A review on liquefied natural gas (LNG) cold energy utilization

WANG Fang，F(xiàn)U Yike，F(xiàn)AN Xiaowei，ZHU Caixia
（School of Energy and Environment，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，Henan，China）

Abstract：As an energy source，liquefied natural gas (LNG) has the advantages of clean and efficient. The vaporization of LNG releases a large number of cold energy，which has great economic value and environmental value. But it is a common problem that LNG cold energy utilization rate is low. This paper presents various ways of the LNG cold energy utilization，compares the advantages and disadvantages and cooling energy requirements among them，and dicusses the prospects for their utilization and environmental values. LNG cold energy utilization technology development and the research progress are also introduced. To solve the problem of low utilization rate，suggestions of taking advantage of the principle of temperature counterpart and cascade utilization，developing accumulation and cold energy storage device as well as developing new refrigerating medium，are proposed. The choice of cold energy projects should be based on the availability of local conditions and new forms of cold energy utilization need to be developed.

Key words：liquefied natural gas (LNG); cold energy utilization; exergy; phase change; recovery

基金項目：河南省重點科技攻關(guān)項目（152102210363）。

收稿日期：2015-08-01；修改稿日期：2015-08-31。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.015

中圖分類號：TE 642

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0748–06

第一作者及聯(lián)系人：王方（1976—），男，博士，副教授，主要從事建筑能源新技術(shù)、熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)及LNG冷能利用技術(shù)研究。E-mail wfzzti@126.com。