LNG冷能的應(yīng)用

深圳市城市規(guī)劃發(fā)展研究中心 張濤

深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 高彩魁

液化天然氣(LNG)是氣態(tài)天然氣在脫硫、脫水處理后，經(jīng)低溫工藝冷凍液化而成的低溫(-162 ℃)液體混合物。每生產(chǎn)1 t LNG的動力及公用設(shè)施耗電量約為850 kW·h，而在LNG接收站一般又需將LNG通過汽化器汽化后使用，汽化時放出很大的冷量，其值大約為830 kJ/kg(包括LNG的汽化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲存溫度復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱)，這一部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空氣被舍棄了，造成了能源的極度浪費。然而如果通過特定的工藝技術(shù)將這部分浪費的冷能進行回收和利用，則可以達到節(jié)能環(huán)保以及拓展 LNG產(chǎn)業(yè)鏈的目的。

近年來，我國已在LNG的生產(chǎn)、運輸和應(yīng)用等領(lǐng)域取得了卓越的成果，LNG在我國的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用已勢不可擋，怎樣充分的利用 LNG在汽化過程中釋放的冷能，使其在多領(lǐng)域達到實用化的程度，提升整個LNG產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟效益和社會效益，是擺在我們眼前的一大難題。本文想通過對 LNG冷能應(yīng)用于空氣分離、制取液化二氧化碳和干冰以及低溫破碎等領(lǐng)域的闡述分析，使同行們初步了解LNG冷能應(yīng)用的特點和規(guī)律，認識這一新興技術(shù)。

1 空氣分離

從目前的科技發(fā)展分析，空氣分離裝置中利用LNG冷量應(yīng)該是技術(shù)上最為合理的利用方式，因為利用LNG冷量大規(guī)模的冷卻空氣，不但可以較大程度的降低能耗，而且能夠簡化空氣分離的流程，減少投資建設(shè)費用，降低事故風(fēng)險。另外一方面，可以有效的減少LNG的汽化費用。

作為世界上最大的液化天然氣進口國家，日本在將LNG冷量應(yīng)用于空氣分離方面已有較為成功的實踐，與此同時，其它國家也有將LNG冷量用于空分的成功流程案列，特別是空分裝置聯(lián)合運行的LNG發(fā)電系統(tǒng)的投入使用，更是拓展了LNG冷量利用于空氣分離的領(lǐng)域，這種在LNG電站中將發(fā)電、空氣分離和LNG汽化利用相互結(jié)合的零排放系統(tǒng)中，LNG與空氣分離裝置輸出的冷氧氣和冷氮氣在一起被用來冷卻空氣分離系統(tǒng)中的多級壓縮機，將可以得到更低的單位能耗指標，達到節(jié)能的目的。

通過大量的學(xué)術(shù)研究和實際經(jīng)驗總結(jié)，將LNG冷量引入空氣分離裝置主要有兩點優(yōu)勢，其一是可以提高空氣分離裝置的液化率，使其生產(chǎn)流程中產(chǎn)生更多的液體產(chǎn)品滿足市場的需要，其二是降低空氣分離裝置的壓力，以求減少裝置的投資和運行費用。目前，在世界范圍內(nèi)空氣分離裝置利用 LNG冷量可以有多種的流程組織方式，各有優(yōu)勢和特點，針對不同項目應(yīng)選取何種流程方式，需要對具體情況進行實際的探討和研究。

2 制取液化二氧化碳和干冰

液態(tài)二氧化碳可用于食品冷藏、焊接和鑄造等領(lǐng)域，同時也是蘇打汽水的主要原料。固態(tài)二氧化碳(干冰)同樣可應(yīng)用于食品的冷藏運輸，以及諸多工業(yè)生產(chǎn)流程。

液態(tài)二氧化碳和固態(tài)二氧化碳(干冰)是二氧化碳氣體通過壓縮、提純等工藝獲得的。傳統(tǒng)的主要工藝流程是將二氧化碳首先壓縮至2.5～3.0 MPa，再利用制冷設(shè)備將其冷卻和液化。如果在制冷設(shè)備的制冷過程中利用LNG在轉(zhuǎn)化過程中所釋放的冷量的話，則將非常容易獲得冷卻和液化二氧化碳所需要的低溫環(huán)境，進而可以把液化裝置的工作壓力降至更低的壓力范圍。因此，新型的LNG冷能利用技術(shù)較傳統(tǒng)的液化工藝相比，制冷設(shè)備的負荷會大幅減少，初步估算，整個工藝流程中所消耗的電能將降低為原來的30%至40%左右，節(jié)能效果明顯。

液態(tài)二氧化碳和干冰的主要生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 液態(tài)二氧化碳和干冰的生產(chǎn)流程

3 冷庫中的應(yīng)用

食品的腐壞主要是由于其自身發(fā)生了生物的化學(xué)反應(yīng)，如將食品放置于低溫環(huán)境中，則可大大緩解生物化學(xué)反應(yīng)的速度，使新鮮的食品能夠保存相對較長的時間。低溫冷藏是當前世界范圍內(nèi)應(yīng)用食品保鮮的主要方法，同時也廣泛應(yīng)用于生物制藥保存、彈藥儲存等領(lǐng)域。

目前絕大多數(shù)的冷庫是采用多級壓縮機和螺桿式制冷裝置維持冷庫低溫環(huán)境，此類工藝流程耗電量較大，涉及裝置設(shè)備繁多。如果我們采用LNG的冷量作為冷庫的冷源，則可通過較為簡易的工藝很容易的將載冷劑氟利昂冷卻至-65 ℃及其以下溫度，然后再通過氟利昂制冷循環(huán)系統(tǒng)將冷能送至冷庫之中，將冷庫溫度維持在-50～-55 ℃的范圍內(nèi)，整個工藝流程所消耗的電能也將降低至少65%。LNG冷能應(yīng)用于冷庫流程見圖2。

圖2 LNG冷能應(yīng)用于冷庫流程

4 低溫破碎和粉碎

絕大多數(shù)的物質(zhì)在一定的低溫環(huán)境下都會失去延展性，瞬間變得比較脆弱，如外部實施相對較小的作用力，則很容易將其破碎甚至粉碎。根據(jù)以上原理，目前，低溫破碎和粉碎工藝就是利用了物質(zhì)的低溫脆性，采用液態(tài)氮氣作為外部施力物。通常應(yīng)用的低溫破碎和粉碎具有以下的特點：

(1)室溫下具有延展性和彈性的物質(zhì)，在低溫下都會變得易脆，可以很容易地被粉碎；

(2)低溫粉碎后的微粒有著極佳的尺寸分布和流動特性；

(3)食品和調(diào)料的味道和香味并不會因此而損失。

根據(jù)以上的特點，LNG冷量在輪胎等廢料的資源回收系統(tǒng)、塑料的低溫粉碎系統(tǒng)等方面已得到了深入的研究和初步應(yīng)用。

5 潛艇廢氣處理

在軍用潛艇的動力系統(tǒng)中，熱機的廢氣排放是需謹慎解決的難題。針對此類問題，歸類于兩大方面，第一，潛艇一般處于水下航行狀態(tài)，平時整個艇身承受著較大的水壓，對有時需潛至水下幾千米及其以下深度進行作業(yè)和航行的潛艇更為如此。在這么高壓的狀態(tài)下，較于常壓情況下熱機燃燒后排放廢棄這一司空見慣的操作，將變得極其困難和復(fù)雜，甚者，排放廢氣所可能耗費的能量可占到整個熱機輸出能量的 30%；第二點，對于承擔(dān)軍事任務(wù)且不能夠采用空氣推進技術(shù)的軍用潛艇而言，是絕對不可以排放會暴露自身行蹤的廢氣的。

要解決這一問題，目前主要有兩大方法。第一是“減排”，通過技術(shù)和設(shè)備的改進，盡可能的提高熱效率，使燃料充分燃燒，減少廢氣中某些成分的產(chǎn)生量；第二則是“儲存”，在潛艇的動力系統(tǒng)后面建立一套技術(shù)可行的儲存系統(tǒng)，將那些通過減排后實在不能消除的廢氣成分進行分類和儲存，然而對于要求輕裝設(shè)備工藝的潛艇而言，這將會使?jié)撏У呢撦d增加，能耗提高。

對于上述看似無法解決的矛盾，液化天然氣作為供給燃料的優(yōu)越性則將體現(xiàn)出來了。液化天然氣除了自身具有高熱值的燃燒性能之外，更是一種超低溫燃料，我們完全可以通過其在汽化時所散發(fā)的冷量使廢氣中的部分成分(如二氧化碳)液化，縮小二氧化碳的體積，便于在較低的壓力環(huán)境下儲存，這樣，二氧化碳液化儲存系統(tǒng)只需消耗相對較小的壓縮功，同時也達到了節(jié)能的目的。

6 蓄冷裝置

LNG作為一次性能源，主要應(yīng)用于城市燃氣和電廠發(fā)電需求，同時LNG在變相為氣態(tài)天然氣的汽化過程中所釋放的汽化負荷也將會伴隨時間和季節(jié)變化而發(fā)生波動。在一般情況下，對天然氣的需求不均勻性主要表現(xiàn)在白晝和冬季時用氣量較大，LNG在汽化過程中所提供的冷量也比較多；而在夜晚和夏季對天然氣的需求減少，則可以利用的LNG冷量亦隨之減少。LNG冷量的持續(xù)波動，會對冷量利用設(shè)備的運行產(chǎn)生極其不良的影響，如在冷量供應(yīng)和冷量利用設(shè)備之間裝備一種可以蓄積和儲存冷能的裝置，則可有效解決其對利用設(shè)備的影響。

目前，全世界范圍內(nèi)多數(shù)研究機構(gòu)主要致力于一種特殊的相變物質(zhì)的潛熱來儲存LNG冷量。大致的原理如下，白天LNG冷量充裕的時候，相變物質(zhì)吸收冷量而凝固，達到蓄冷的作用，夜間LNG冷量供應(yīng)不足時，相變物質(zhì)此時開始進行溶解，釋放冷量供給冷量利用設(shè)備，以此達到平穩(wěn)持續(xù)供冷的目的。相變物質(zhì)的選擇可以說是LNG蓄冷裝置的關(guān)鍵，在充分考慮相變物質(zhì)的熔點、沸點等物質(zhì)屬性的前提下，須兼顧使用過程中的安全性問題，當前此類技術(shù)尚處于實驗研究階段。

7 LNG冷能在我國的利用現(xiàn)狀

福建LNG冷能利用項目：冷能空分一期項目已開始建設(shè)，年生產(chǎn)20萬t液態(tài)空氣產(chǎn)品，目前正在考慮上馬二期冷能空分，包括橡膠低溫粉碎，制取精細膠粉，規(guī)模為1至3萬t/a；冷庫項目，低溫冷凍冷藏，規(guī)模為4～5萬t。

唐山LNG項目冷能綜合利用項目：LNG冷能空分項目、7億m3/a油田伴生氣的輕烴分離項目和首鋼的乙二醇水溶液供冷項目的可行性研究報告已經(jīng)完成，其余冷能利用項目正在逐步展開論證。

上海洋山港LNG接收站冷能利用項目：先考慮LNG空分，待條件成熟時，發(fā)展其它LNG冷能利用項目。

海南LNG接收站冷能利用項目：考慮冷能空分項目，其它利用方式待時機成熟時再發(fā)展。

廣東深圳市大鵬 LNG冷能空分項目：現(xiàn)已完成可行性研究報告。

大連LNG冷能利用項目：考慮液體空分項目和冷庫，目前可行性研究已經(jīng)完成。

江蘇LNG冷能項目：考慮液體空分。

福建德化LNG冷能項目：已完成《德化LNG衛(wèi)星站冷能利用規(guī)劃》，項目創(chuàng)新點在于開發(fā)了LNG低溫火用開質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)，同時把LNG冷能集成用于冷庫、室內(nèi)滑冰場和冷水空調(diào)。

8 總結(jié)

以上對 LNG冷能的應(yīng)用分析是比較初步和片面的，除上述利用方式以外，LNG冷能還可以應(yīng)用于發(fā)電、汽車空調(diào)和汽車冷藏等領(lǐng)域。在LNG冷能利用的各個領(lǐng)域中仍涉及很多更細、更復(fù)雜的設(shè)備流程和工藝原理，為求真正建立屬于我國的LNG冷能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，需要同行們和相關(guān)專業(yè)同仁們的共同努力。