液化天然氣冷能利用方法的研究與展望

曹增輝(粵海(番禺)石油化工儲運開發(fā)有限公司，廣東 廣州 511455)

0 引言

我國目前面臨大量的使用煤做燃料的問題，煤燃燒后排入大氣中二氧化碳的粉塵量大幅度提高，因此我國采取的一個重要措施就是優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，盡可能增加清潔能源在我國一次能源消費中的比重[1]。

隨著我國從海外進口LNG 量不斷增加，LNG 冷能利用也顯得越來越重要。一般情況下，進口LNG 在運輸?shù)浇邮照竞螅柁D(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣才能使用。在進行氣化的過程中，1kg LNG會釋放出830～860kJ 的冷能[2]。國家發(fā)展與改革委員會早在2005 年就提出了要研究LNG 接收站冷能綜合利用的問題。從節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟效益角度出發(fā)，探索LNG 冷能利用意義重大、前景廣闊。

1 冷能利用方法

LNG 冷能的利用過程可分為直接利用、間接利用兩種。直接利用是指LNG 冷能直接用于生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品或進行工業(yè)生產(chǎn)，包括空氣液化分離、冷能發(fā)電、輕烴分離、制液化CO2和干冰、海水淡化、空調(diào)、低溫養(yǎng)殖等[3]；間接利用是指對利用LNG冷能生產(chǎn)出來的工業(yè)產(chǎn)品進行二次利用，包括用空氣液化分離后的液氮來低溫破碎、冷凍干燥、冷凍食品、水和污染物處理等[4]。

1.1 直接利用方法

空氣液化分離。LNG 冷能空氣液化分離是將LNG 高品質(zhì)的低溫冷能用于空氣分離裝置，取消高溫、低溫膨脹機，不僅能耗大大降低了，而且也降低LNG 氣化費用。空氣液化分離溫度(-180℃～-170℃左右)低于LNG 溫度(-160℃左右)，最有效的利用了LNG 冷量?，是現(xiàn)階段技術(shù)上最理想的利用方式[5]。與普通空氣分離裝置相比，LNG 冷能空氣液化分離的電力消耗可節(jié)省50%以上，冷卻水節(jié)約100%。

冷能發(fā)電。LNG 冷能發(fā)電的原理是LNG 與周邊環(huán)境介質(zhì)進行熱交換后，LNG 溫度升高氣化，進而引發(fā)周圍環(huán)境介質(zhì)的壓力和體積改變，對外做功進行發(fā)電[6]。目前，常見的LNG冷能利用發(fā)電方式主要包括直接膨脹法、低溫朗肯循環(huán)、低溫Brayton 循環(huán)、聯(lián)合法、燃?xì)廨啓C進氣冷卻等。與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，LNG 冷能發(fā)電最主要的優(yōu)點是無污染物排放、噪音小等。

輕烴分離。LNG 冷能輕烴分離的原理是LNG 中各輕烴組分性質(zhì)不同，其相變溫度也不同，分離技術(shù)就是建立在LNG 各組分相變溫度不同的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)輕烴分離[7]。分離LNG 中的輕烴組分可得到CH4、C2H6和LPG。通常將分離得到的CH4加壓后在輸送至天然氣管道，分離得到的C2H6可進行生產(chǎn)乙烯，還具有成本低、能耗低、投資小的優(yōu)勢，這會產(chǎn)生很客觀的經(jīng)濟效益。

制液化CO2和干冰。利用回收的LNG 冷能提供給CO2，LNG 冷能產(chǎn)生的低溫就可以用于液化CO2冷卻，而且只需要把液化裝置的工作壓力降至0.9MPa左右就可以進行液化，這種方法工藝流程簡單，同時也大大降低制冷設(shè)備的負(fù)荷[8]。通過LNG冷能回收制作液化CO2和干冰，電能消耗量大約為0.2W/m2，可以節(jié)省10%建設(shè)費用以及50%的電力消耗量。

海水淡化。利用LNG 冷能進行海水淡化主要是采用冷凍法，冷凍法海水淡化是海水在冷凍過程中會發(fā)生“鹽水分離”的現(xiàn)象，低溫產(chǎn)生的冰體中含鹽量較低，可以進一步將冰與鹽水分離，進而得到淡水的過程[9]。從能耗角度來說，一個大氣壓下冰的融化熱僅是水的氣化熱的15%。而且冷凍法在低溫下操作，具有材料設(shè)備腐蝕較輕、無需除鈣等優(yōu)勢。

1.2 間接利用方法

低溫破碎。利用LNG 冷能空氣液化分離產(chǎn)生的液氮對物體進行冷凍后，再進行破碎。由于低溫破碎要比常溫破碎性更強，LNG 冷能低溫破碎更具優(yōu)勢。例如，將LNG 冷能用于廢舊橡膠的低溫破碎，不但可以降低LNG 能耗及對周圍環(huán)境的冷污染，而且可以降低廢舊橡膠的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量[10]。

水和污染物處理。LNG 冷能空氣液化分離會產(chǎn)生一部分液態(tài)氧，產(chǎn)生的液態(tài)氧可用于制作高純度臭氧，這些高純度臭氧可以有效吸收污水中的臭氧，實現(xiàn)污水處理。和傳統(tǒng)臭氧處理方法相比，這種處理方法可以節(jié)省30%的電力，并且污水處理效果更好[11]。

2 存在問題

2.1 LNG冷能利用率低

目前已經(jīng)建成投產(chǎn)的LNG 接收站的冷能利用率也僅有20%左右，其原因主要是：

(1)LNG 接收站處于海邊，建設(shè)面積有限，無法同時容納多個大型冷能利用設(shè)施，這大大限制了LNG 冷能利用產(chǎn)業(yè)的規(guī)模。

(2)LNG 產(chǎn)業(yè)鏈下游天然氣用戶在不同時段和季節(jié)的用氣量波動較大，導(dǎo)致LNG 的氣化量隨著波動[12]，用氣高峰期和低谷期的氣量波動限制了LNG 冷能的利用。

(3)LNG 接收站周邊用戶對于冷能利用的需求不同，對這些用戶要提供不同溫度的冷能，這在實際運行存在比較大的困難。以上原因不同程度的影響LNG 冷能利用率，導(dǎo)致LNG 冷能利用進展緩慢，實際使用比較困難，存在LNG 冷能利用落后于LNG 接收站運營的局面。

2.2 LNG冷能利用效率低

現(xiàn)階段LNG 冷能利用方式單一，對于技術(shù)研究投入不足，目前國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者研究了冷能梯級利用技術(shù)，但其適用性卻有待進一步研究。由于已經(jīng)建成投產(chǎn)的LNG 接收站的冷能利用項目大部是單個裝置獨立利用LNG 冷能，但是單個裝置大部分無法充分利用LNG 的冷能。如果直接將-160℃左右的冷能用于制干冰和低溫冷庫，會使得高品位的冷能被降質(zhì)利用，從而導(dǎo)致冷能利用過程的?效率較低。LNG 接收站工藝流程中LNG 在高壓下氣化，大量的LNG 冷?變成天然氣的壓力?，導(dǎo)致LNG 冷?中的利用率不到50%，使得LNG 冷能利用效率較低。

3 展望

隨著我國能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，LNG 需求量不斷增加，其攜帶的冷能也是一筆很大的資源，提高LNG 冷能利用率和利用效率是LNG 產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系著LNG 產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展前景。針對LNG 冷能利用的前景提出一下幾點展望。

(1)提高LNG 冷能利用率，在LNG 接收站可行性研究階段，即充分考慮LNG 冷能利用，解決存在的困難，最大程度的提高LNG 冷能的利用率。

(2)提高LNG冷能利用效率，可采用冷能梯級利用的方法，將高品位的冷能逐級利用，并進一步研究其適用性。還可以開發(fā)新工藝，一方面對已有的冷能利用方案進行細(xì)節(jié)改進，一方面開發(fā)新的冷能利用方案。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了LNG 冷能直接利用和間接利用的主要方法，由于技術(shù)等多方面因素的影響，也分析了現(xiàn)階段冷能利用存在的問題。因此，接下來應(yīng)當(dāng)針對性的進行探索和研究，提高LNG冷能的利用率和利用效率，充分的發(fā)揮LNG 冷能的價值。