LNG冷能的应用

深圳市城市规划发展研究中心 张涛

深圳市城市规划设计研究院有限公司 高彩魁

液化天然气(LNG)是气态天然气在脱硫、脱水处理后，经低温工艺冷冻液化而成的低温(-162 ℃)液体混合物。每生产1 t LNG的动力及公用设施耗电量约为850 kW·h，而在LNG接收站一般又需将LNG通过汽化器汽化后使用，汽化时放出很大的冷量，其值大约为830 kJ/kg(包括LNG的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热)，这一部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃了，造成了能源的极度浪费。然而如果通过特定的工艺技术将这部分浪费的冷能进行回收和利用，则可以达到节能环保以及拓展 LNG产业链的目的。

近年来，我国已在LNG的生产、运输和应用等领域取得了卓越的成果，LNG在我国的大规模发展应用已势不可挡，怎样充分的利用 LNG在汽化过程中释放的冷能，使其在多领域达到实用化的程度，提升整个LNG产业链的经济效益和社会效益，是摆在我们眼前的一大难题。本文想通过对 LNG冷能应用于空气分离、制取液化二氧化碳和干冰以及低温破碎等领域的阐述分析，使同行们初步了解LNG冷能应用的特点和规律，认识这一新兴技术。

1 空气分离

从目前的科技发展分析，空气分离装置中利用LNG冷量应该是技术上最为合理的利用方式，因为利用LNG冷量大规模的冷却空气，不但可以较大程度的降低能耗，而且能够简化空气分离的流程，减少投资建设费用，降低事故风险。另外一方面，可以有效的减少LNG的汽化费用。

作为世界上最大的液化天然气进口国家，日本在将LNG冷量应用于空气分离方面已有较为成功的实践，与此同时，其它国家也有将LNG冷量用于空分的成功流程案列，特别是空分装置联合运行的LNG发电系统的投入使用，更是拓展了LNG冷量利用于空气分离的领域，这种在LNG电站中将发电、空气分离和LNG汽化利用相互结合的零排放系统中，LNG与空气分离装置输出的冷氧气和冷氮气在一起被用来冷却空气分离系统中的多级压缩机，将可以得到更低的单位能耗指标，达到节能的目的。

通过大量的学术研究和实际经验总结，将LNG冷量引入空气分离装置主要有两点优势，其一是可以提高空气分离装置的液化率，使其生产流程中产生更多的液体产品满足市场的需要，其二是降低空气分离装置的压力，以求减少装置的投资和运行费用。目前，在世界范围内空气分离装置利用 LNG冷量可以有多种的流程组织方式，各有优势和特点，针对不同项目应选取何种流程方式，需要对具体情况进行实际的探讨和研究。

2 制取液化二氧化碳和干冰

液态二氧化碳可用于食品冷藏、焊接和铸造等领域，同时也是苏打汽水的主要原料。固态二氧化碳(干冰)同样可应用于食品的冷藏运输，以及诸多工业生产流程。

液态二氧化碳和固态二氧化碳(干冰)是二氧化碳气体通过压缩、提纯等工艺获得的。传统的主要工艺流程是将二氧化碳首先压缩至2.5～3.0 MPa，再利用制冷设备将其冷却和液化。如果在制冷设备的制冷过程中利用LNG在转化过程中所释放的冷量的话，则将非常容易获得冷却和液化二氧化碳所需要的低温环境，进而可以把液化装置的工作压力降至更低的压力范围。因此，新型的LNG冷能利用技术较传统的液化工艺相比，制冷设备的负荷会大幅减少，初步估算，整个工艺流程中所消耗的电能将降低为原来的30%至40%左右，节能效果明显。

液态二氧化碳和干冰的主要生产流程见图1。

图1 液态二氧化碳和干冰的生产流程

3 冷库中的应用

食品的腐坏主要是由于其自身发生了生物的化学反应，如将食品放置于低温环境中，则可大大缓解生物化学反应的速度，使新鲜的食品能够保存相对较长的时间。低温冷藏是当前世界范围内应用食品保鲜的主要方法，同时也广泛应用于生物制药保存、弹药储存等领域。

目前绝大多数的冷库是采用多级压缩机和螺杆式制冷装置维持冷库低温环境，此类工艺流程耗电量较大，涉及装置设备繁多。如果我们采用LNG的冷量作为冷库的冷源，则可通过较为简易的工艺很容易的将载冷剂氟利昂冷却至-65 ℃及其以下温度，然后再通过氟利昂制冷循环系统将冷能送至冷库之中，将冷库温度维持在-50～-55 ℃的范围内，整个工艺流程所消耗的电能也将降低至少65%。LNG冷能应用于冷库流程见图2。

图2 LNG冷能应用于冷库流程

4 低温破碎和粉碎

绝大多数的物质在一定的低温环境下都会失去延展性，瞬间变得比较脆弱，如外部实施相对较小的作用力，则很容易将其破碎甚至粉碎。根据以上原理，目前，低温破碎和粉碎工艺就是利用了物质的低温脆性，采用液态氮气作为外部施力物。通常应用的低温破碎和粉碎具有以下的特点：

(1)室温下具有延展性和弹性的物质，在低温下都会变得易脆，可以很容易地被粉碎；

(2)低温粉碎后的微粒有着极佳的尺寸分布和流动特性；

(3)食品和调料的味道和香味并不会因此而损失。

根据以上的特点，LNG冷量在轮胎等废料的资源回收系统、塑料的低温粉碎系统等方面已得到了深入的研究和初步应用。

5 潜艇废气处理

在军用潜艇的动力系统中，热机的废气排放是需谨慎解决的难题。针对此类问题，归类于两大方面，第一，潜艇一般处于水下航行状态，平时整个艇身承受着较大的水压，对有时需潜至水下几千米及其以下深度进行作业和航行的潜艇更为如此。在这么高压的状态下，较于常压情况下热机燃烧后排放废弃这一司空见惯的操作，将变得极其困难和复杂，甚者，排放废气所可能耗费的能量可占到整个热机输出能量的 30%；第二点，对于承担军事任务且不能够采用空气推进技术的军用潜艇而言，是绝对不可以排放会暴露自身行踪的废气的。

要解决这一问题，目前主要有两大方法。第一是“减排”，通过技术和设备的改进，尽可能的提高热效率，使燃料充分燃烧，减少废气中某些成分的产生量；第二则是“储存”，在潜艇的动力系统后面建立一套技术可行的储存系统，将那些通过减排后实在不能消除的废气成分进行分类和储存，然而对于要求轻装设备工艺的潜艇而言，这将会使潜艇的负载增加，能耗提高。

对于上述看似无法解决的矛盾，液化天然气作为供给燃料的优越性则将体现出来了。液化天然气除了自身具有高热值的燃烧性能之外，更是一种超低温燃料，我们完全可以通过其在汽化时所散发的冷量使废气中的部分成分(如二氧化碳)液化，缩小二氧化碳的体积，便于在较低的压力环境下储存，这样，二氧化碳液化储存系统只需消耗相对较小的压缩功，同时也达到了节能的目的。

6 蓄冷装置

LNG作为一次性能源，主要应用于城市燃气和电厂发电需求，同时LNG在变相为气态天然气的汽化过程中所释放的汽化负荷也将会伴随时间和季节变化而发生波动。在一般情况下，对天然气的需求不均匀性主要表现在白昼和冬季时用气量较大，LNG在汽化过程中所提供的冷量也比较多；而在夜晚和夏季对天然气的需求减少，则可以利用的LNG冷量亦随之减少。LNG冷量的持续波动，会对冷量利用设备的运行产生极其不良的影响，如在冷量供应和冷量利用设备之间装备一种可以蓄积和储存冷能的装置，则可有效解决其对利用设备的影响。

目前，全世界范围内多数研究机构主要致力于一种特殊的相变物质的潜热来储存LNG冷量。大致的原理如下，白天LNG冷量充裕的时候，相变物质吸收冷量而凝固，达到蓄冷的作用，夜间LNG冷量供应不足时，相变物质此时开始进行溶解，释放冷量供给冷量利用设备，以此达到平稳持续供冷的目的。相变物质的选择可以说是LNG蓄冷装置的关键，在充分考虑相变物质的熔点、沸点等物质属性的前提下，须兼顾使用过程中的安全性问题，当前此类技术尚处于实验研究阶段。

7 LNG冷能在我国的利用现状

福建LNG冷能利用项目：冷能空分一期项目已开始建设，年生产20万t液态空气产品，目前正在考虑上马二期冷能空分，包括橡胶低温粉碎，制取精细胶粉，规模为1至3万t/a；冷库项目，低温冷冻冷藏，规模为4～5万t。

唐山LNG项目冷能综合利用项目：LNG冷能空分项目、7亿m3/a油田伴生气的轻烃分离项目和首钢的乙二醇水溶液供冷项目的可行性研究报告已经完成，其余冷能利用项目正在逐步展开论证。

上海洋山港LNG接收站冷能利用项目：先考虑LNG空分，待条件成熟时，发展其它LNG冷能利用项目。

海南LNG接收站冷能利用项目：考虑冷能空分项目，其它利用方式待时机成熟时再发展。

广东深圳市大鹏 LNG冷能空分项目：现已完成可行性研究报告。

大连LNG冷能利用项目：考虑液体空分项目和冷库，目前可行性研究已经完成。

江苏LNG冷能项目：考虑液体空分。

福建德化LNG冷能项目：已完成《德化LNG卫星站冷能利用规划》，项目创新点在于开发了LNG低温火用开质循环发电技术，同时把LNG冷能集成用于冷库、室内滑冰场和冷水空调。

8 总结

以上对 LNG冷能的应用分析是比较初步和片面的，除上述利用方式以外，LNG冷能还可以应用于发电、汽车空调和汽车冷藏等领域。在LNG冷能利用的各个领域中仍涉及很多更细、更复杂的设备流程和工艺原理，为求真正建立属于我国的LNG冷能应用产业链，需要同行们和相关专业同仁们的共同努力。