LNG 冷能回收制冰技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

孫 雷

（陜西首創(chuàng)天成工程技術(shù)有限公司，西安 710016）

LNG 是超低溫液態(tài)天然氣（-162 ℃），蘊(yùn)含著大量高品位冷能。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022 年全國LNG 進(jìn)口量超過6 000 萬t，攜帶的冷能約150 億kW·h，相當(dāng)于千萬級(jí)人口城市1 a 的居民用電量。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出及國家對(duì)天然氣能源利用的大力推廣和發(fā)展，國內(nèi)LNG 氣化站的建成與投產(chǎn)日益增多。當(dāng)前LNG 氣化站的生產(chǎn)模式普遍為利用空溫式氣化器與空氣進(jìn)行換熱，將LNG 加熱氣化為常溫的天然氣，在氣化過程中約能產(chǎn)生870 kJ/kg 的低溫能量，目前，這些冷能大部分被釋放到空氣中，造成LNG 冷能的浪費(fèi)。

《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》要求，引導(dǎo)天然氣高效利用，將LNG 接收站冷能利用納入LNG 項(xiàng)目核準(zhǔn)評(píng)估內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提高能效。若將LNG 中的冷能進(jìn)行有效利用，不僅可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且在節(jié)約能源及保護(hù)環(huán)境方面具有重大意義，也是能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的有效途徑。

1 冷能利用方式

LNG 冷能利用是利用LNG 氣化時(shí)大量釋放的冷能，通過新增冷能回收設(shè)備將其冷能進(jìn)行利用，LNG 冷能利用方式主要有冷能發(fā)電、冷能空分、制取液態(tài)CO2或干冰、冷藏倉庫或制冰、輕烴分離、空調(diào)、海水淡化和低溫粉碎等[1]，LNG 冷能利用方式如圖1 所示。

圖1 LNG 冷能利用方式

國外已對(duì)LNG 冷能的應(yīng)用展開了廣泛、深入的研究，美國、澳大利亞、俄羅斯、日本，以及歐盟國家和地區(qū)的LNG 冷能利用發(fā)展都進(jìn)入應(yīng)用階段。其中，日本是世界上LNG 冷能利用較多、技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家，主要方式有低溫發(fā)電、空氣分離、干冰的制造和低溫冷庫；韓國主要將LNG 冷能用于空氣液化分離及食品冷凍庫2 個(gè)方面，利用率不足20%；印度冷能利用的主要方式是冷能發(fā)電。

我國LNG 產(chǎn)業(yè)起步較晚，但LNG 冷能利用潛力巨大。中國海洋石油有限公司是我國LNG 冷能利用的領(lǐng)軍龍頭企業(yè)，已在冷能空分、冷凍膠粉、丁基橡膠等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域取得了工業(yè)化進(jìn)展。LNG 冷能利用主要集中于大型企業(yè)的大型沿海接收站項(xiàng)目，國內(nèi)大范圍存在和發(fā)展的冷能利用率極低，積極創(chuàng)新開發(fā)應(yīng)用研究勢(shì)在必行。

各種利用方式的主要原理不相同：LNG 冷能用于空分，是通過循環(huán)氮?dú)獾睦鋮s來實(shí)現(xiàn)的，省去了氮?dú)馔钙脚蛎洐C(jī)和氟利昂制冷機(jī)組，裝置實(shí)現(xiàn)小型化，電耗、水耗大大降低，降低了液氮、液氧的生產(chǎn)成本。冷庫也是利用LNG 較高品位的冷能回收，適用于各種低溫環(huán)境，可用于農(nóng)作物儲(chǔ)藏或食品冷凍。低溫破碎是利用空分后的液氮在低溫下破碎一些在常溫下難以破碎的物質(zhì)，如粉碎由金屬、電子器件、塑料器件和橡膠等構(gòu)成的廢舊汽車。海水淡化的核心原理是利用冷凍法。冷凍法海水淡化主要是海水實(shí)際冷凍過程中，會(huì)出現(xiàn)“鹽水分離”的現(xiàn)象，溫度較低冰體中實(shí)際含鹽量較低，可有效實(shí)現(xiàn)鹽水與冰分離，最終形成產(chǎn)物為淡水。輕烴分離是LNG 冷能用于C2+分離和裂解制乙烯裝置中的裂解產(chǎn)物深冷分離。冷能發(fā)電是利用海水加熱LNG 進(jìn)行汽化的過程中體積膨脹，可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

本文主要分析LNG 冷能制冰技術(shù)的應(yīng)用，方式是將LNG 管路通入制冰機(jī)內(nèi)，制冰機(jī)內(nèi)利用冷能轉(zhuǎn)換器將LNG 內(nèi)的冷能置換出來，并利用低溫冷媒溶液進(jìn)行儲(chǔ)存。當(dāng)需要制冰時(shí)，低溫冷媒溶液進(jìn)入鋁板冰模內(nèi)與水換熱進(jìn)行制冰。制冰完成后，一鍵切換至太陽能化冰管路，從而完成冰塊脫模，進(jìn)而完成冷能與太陽能的綜合應(yīng)用。

2 LNG 冷能制冰投資及收益分析

本文以某LNG 儲(chǔ)配站冷能利用制冰項(xiàng)目為例，分析項(xiàng)目的投資及收益。該項(xiàng)目對(duì)已建中壓氣化LNG 冷能增設(shè)回收功能，把原來LNG 氣化過程中浪費(fèi)的冷能，通過新增冷能回收設(shè)備和制冰機(jī)的形式回收制冰，氣化設(shè)計(jì)規(guī)模為8 000 m3/h（標(biāo)）。冷能制冰包含：1 臺(tái)換冷設(shè)備，1 臺(tái)蓄冷橇，2 臺(tái)制冰機(jī)，2 臺(tái)太陽能熱水器，制冰機(jī)罩棚1 座，配套給排水、電氣等公用工程。裝置布置的原則是按照工藝流程的順序布置設(shè)備，盡量縮短管線，方便操作維修，便于運(yùn)冰車輛進(jìn)出通行。LNG 冷能回收制冰流程如圖2 所示。LNG 從儲(chǔ)罐出來后，進(jìn)入換冷設(shè)備和乙二醇水溶液（制冷劑）換熱，利用換冷設(shè)備將LNG內(nèi)的冷能置換出來，并利用乙二醇水溶液（制冷劑）將冷能儲(chǔ)存在蓄冷橇內(nèi)。蓄冷橇內(nèi)設(shè)置循環(huán)泵，將換冷設(shè)備的冷量導(dǎo)入，供給制冰機(jī)。一個(gè)制冰過程需要15～16 h，需要連續(xù)供冷。

圖2 LNG 冷能回收制冰流程

制冰機(jī)制冰狀態(tài)：蓄冷橇中的制冷劑通過低溫泵輸送至冰模蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行換熱制冰，換熱后的制冷劑返回至冷能換熱器進(jìn)行低溫?fù)Q熱，從而完成制冰閉式循環(huán)。

制冰機(jī)化冰狀態(tài)：利用太陽能板將常溫罐中的液體進(jìn)行加熱。通過泵輸送熱流體至冰模蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行換熱化冰，換熱后的低溫液體返回至換熱器進(jìn)行升溫?fù)Q熱，從而完成化冰閉式循環(huán)。

2.1 LNG 冷能回收制冰項(xiàng)目投資

項(xiàng)目總投資245 萬元，其中建設(shè)投資237 萬元，企業(yè)自有流動(dòng)資金8 萬元。建設(shè)項(xiàng)目總投資構(gòu)成見表1。

表1 建設(shè)項(xiàng)目總投資構(gòu)成表

2.2 項(xiàng)目收益分析

產(chǎn)量及單價(jià)：制冰機(jī)日產(chǎn)冰約40 t（8 h），年運(yùn)營350 d，年產(chǎn)量14 000 t，冰含稅售價(jià)80 元/t。

成本：①人工成本。新增定員3人，人均年成本8萬元。②年水電消耗。用水14 000 t，損耗2%，含稅水價(jià)4.21元/t；用電23 800 kW·h，含稅電價(jià)0.75 元/kW·h。③固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用。直線法折舊，固定資產(chǎn)折舊年限20 a，殘值率為4%。④修理費(fèi)。按固定資產(chǎn)折舊費(fèi)的50%計(jì)取。⑤安全生產(chǎn)費(fèi)用。依據(jù)《關(guān)于印發(fā)〈企業(yè)安全生產(chǎn)費(fèi)用提取和使用管理辦法〉的通知》（財(cái)資〔2022〕136 號(hào)）文件規(guī)定，按年?duì)I業(yè)收入4%計(jì)取。⑥其他制造費(fèi)用。按修理費(fèi)的10%計(jì)取。⑦其他管理費(fèi)用。按職工工資的30%計(jì)取。⑧其他營業(yè)費(fèi)用。按營業(yè)收入的0.5%計(jì)算。⑨盈余公積金。按稅后利潤的10%計(jì)提。⑩增值稅。電、設(shè)備及工器具13%，水、建筑、安裝服務(wù)9%，其他服務(wù)6%。?附加稅及企業(yè)所得稅。城市維護(hù)建設(shè)稅5%，教育費(fèi)附加3%，地方教育費(fèi)附加2%，企業(yè)所得稅25%。

依據(jù)以上測(cè)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算項(xiàng)目營業(yè)收入99.12萬元，凈利潤29.43 萬元，主要損益指標(biāo)匯總表見表2。

表2 主要損益指標(biāo)匯總表

2.3 項(xiàng)目盈利能力分析

主要測(cè)算得出項(xiàng)目所得稅前財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為21.73%，所得稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為17.07%，均高于行業(yè)基準(zhǔn)收益率，項(xiàng)目投資回收期5.52a。主要盈利能力指標(biāo)見表3。

表3 主要盈利能力指標(biāo)匯總表

2.4 項(xiàng)目盈虧平衡分析

根據(jù)圖3 盈虧平衡點(diǎn)可知，產(chǎn)銷量只需達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模的56.79%，企業(yè)即可保本，項(xiàng)目具備較強(qiáng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。盈虧平衡點(diǎn)BEP（生產(chǎn)能力利用率）＝年固定成本/（年?duì)I業(yè)收入－年銷售稅金－年可變成本）×100%。

圖3 盈虧平衡點(diǎn)

2.5 與傳統(tǒng)制冰方式比較

傳統(tǒng)制冰方式一般采用壓縮機(jī)制冷直接制冰，或者是通過壓縮機(jī)制冷與鹽水換冷后再用鹽水制冰。兩種傳統(tǒng)制冰方式制冰時(shí)需消耗大量的電力能源，消耗的電能為每噸冰70 kW·h 左右，制冰成本較高（約90 元/t），市場售價(jià)一般在200 元/t 左右。

3 LNG 冷能制冰社會(huì)效益分析

3.1 節(jié)能減排

LNG 冷能和太陽能作為新能源被使用，大大降低了對(duì)電能的消耗；作為清潔能源，對(duì)減少化石燃料的使用具有很大的意義。LNG 理論完全氣化可釋放的冷量所表現(xiàn)的節(jié)能減排情況見表4。本項(xiàng)目利用LNG的冷能制冰，與傳統(tǒng)電制冰相比，每年可以節(jié)約電能67.2 萬kW·h，相當(dāng)于約268.8 t 標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的電量。傳統(tǒng)的氣化方式為LNG 直接和空氣換熱，冷能未利用，造成了冷能的浪費(fèi)，利用LNG 的冷能制冰，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

表4 節(jié)能減排匯總表

3.2 環(huán)境保護(hù)

1）氣化區(qū)冷霧減少，相比較過去更有利于工作人員巡查和操作作業(yè)。

2）減輕場站區(qū)域冷霧對(duì)環(huán)境的破壞。

3）LNG 冷能利用制冰機(jī)相比較過去直冷式制冰機(jī)，不再使用氟利昂作為冷媒，現(xiàn)用乙二醇溶液對(duì)環(huán)境沒有不良影響。

傳統(tǒng)制冰機(jī)使用氟利昂（R22）作為冷媒，10 t 的制冰機(jī)初裝量約100 kg，氟利昂破壞臭氧。而LNG 冷能利用的制冰機(jī)使用乙二醇水溶液作為冷媒，不會(huì)影響環(huán)境。

一個(gè)氯原子可以破壞數(shù)萬個(gè)臭氧分子。推導(dǎo)的化學(xué)結(jié)論：1 kg 氟利昂可以捕捉消滅約7 萬kg 臭氧。同時(shí)，氟利昂也是重要的溫室氣體之一，一個(gè)氟利昂分子增加溫室效應(yīng)的效果相當(dāng)于10 000 個(gè)二氧化碳分子。

一臺(tái)10 t 傳統(tǒng)制冰機(jī)的氟利昂（R22）對(duì)臭氧的破壞約為700 萬kg 臭氧。

3.3 變廢為寶

LNG 冷能長期為閑置能源，隨著對(duì)其進(jìn)行研究的深入，其有利用途被不斷被開發(fā)使用。作為清潔能源利用類項(xiàng)目，投資小、效益高、潛在市場巨大，市場前景比較樂觀。

LNG 冷能制冰項(xiàng)目將原本浪費(fèi)的能源充分利用，實(shí)現(xiàn)價(jià)值，是對(duì)能源的節(jié)約利用，也是對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)政策做出的實(shí)際行動(dòng)，對(duì)節(jié)約電能，減少碳排放有很大的貢獻(xiàn)。LNG 冷能制冰設(shè)備在制冰的同時(shí)，減少了冷能排入空氣，很大程度緩解了空溫式氣化器在進(jìn)行LNG 氣化作業(yè)時(shí)導(dǎo)致的大量霧氣問題，無需人工去除冰凍，減少人工受傷的風(fēng)險(xiǎn)，減少了冷能對(duì)大氣環(huán)境和交通出行等人居環(huán)境的破壞。

4 應(yīng)用前景展望

通過以上實(shí)際工程實(shí)例分析，LNG 冷能回收制冰技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐社會(huì)經(jīng)濟(jì)性佳，應(yīng)全面促進(jìn)LNG 附加值的開發(fā)。LNG 冷能回收制冰技術(shù)可應(yīng)用場景包括：①用于冷藏保鮮，如今漁業(yè)捕撈、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和零售的各環(huán)節(jié)都需要冰塊進(jìn)行保鮮，對(duì)冰的需求量非常大。農(nóng)貿(mào)市場和商超均需要大量冰塊來保存果蔬、魚肉等農(nóng)副產(chǎn)品，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。冷鏈物流產(chǎn)業(yè)需要大量冰塊對(duì)生鮮產(chǎn)品、醫(yī)療藥品等進(jìn)行冷鏈運(yùn)輸。②用于產(chǎn)品加工過程的降溫，食品加工的過程中，加入冰塊以調(diào)節(jié)肉禽等食品的溫度、濕度來保證產(chǎn)品質(zhì)量和口感。③用于一些工業(yè)制成品和化工原料在生產(chǎn)過程中的降溫，比如混凝土攪拌會(huì)產(chǎn)生熱量，攪拌場和施工地距離太遠(yuǎn)，加入冰塊可以延長混凝土凝固時(shí)間，控制混凝土品質(zhì)，在水利水電、核電、建筑工程等混凝土需求量大的行業(yè)中都有廣泛應(yīng)用。④用于環(huán)境降溫。在不適合安裝空調(diào)或者空調(diào)降溫費(fèi)用過高的環(huán)境，在高溫時(shí)節(jié)，需要通過冰塊來降溫以達(dá)到適宜的溫度。比如養(yǎng)殖場等。⑤冰雪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)[2]。近年來興起的室內(nèi)冰雪娛樂城、冰雕展覽和之前結(jié)束的2022 北京冬奧會(huì)等冰雪項(xiàng)目，既豐富了市民的文化生活，又增加了項(xiàng)目收入。

LNG 儲(chǔ)罐出口溫度達(dá)-162 ℃，如果僅用于制冰的話，并沒有得到全面利用。下一步發(fā)展展望是冷能的梯級(jí)利用（圖4），可以將不同冷能溫度對(duì)口應(yīng)用到各階段，在項(xiàng)目前期，應(yīng)同步規(guī)劃相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈。

圖4 LNG 冷能回收梯級(jí)利用

5 結(jié)論

一是加大政策支持力度。LNG 冷能被利用，既增加了能源利用的類型，也相當(dāng)于節(jié)省了大量電能，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)起到很大的積極作用，更重要的是其表現(xiàn)出來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相當(dāng)可觀。通過更多詳細(xì)扶持政策的出臺(tái)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的完善，能夠加快推進(jìn)我國LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐。二是搭建好下游渠道。如何選擇LNG 冷能的利用方式比較容易，難點(diǎn)在于對(duì)形成的產(chǎn)品如果外銷獲取收入效益。這就要求開發(fā)利用LNG 冷能的同時(shí)還需要同時(shí)搭建好下游渠道。三是重視LNG 冷能利用規(guī)劃。整合周邊產(chǎn)業(yè)及資源，從產(chǎn)業(yè)鏈角度分析探索LNG 冷能的利用，規(guī)劃構(gòu)建冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈[3]。四是加強(qiáng)人才培養(yǎng)和國產(chǎn)化攻關(guān)。加大關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化支持力度，推動(dòng)冷能利用技術(shù)集成優(yōu)化和工程化進(jìn)程，做好冷能利用專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)和儲(chǔ)備工作，確保我國LNG 冷能利用可持續(xù)發(fā)展。