LNG冷能用于气体直接接触法制取冰浆研究

王凌士 张学军 王晓蕾 王 炜

(浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

1 引 言

液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸脱水处理，通过低温工艺冷冻液化而成的低温(－162℃)液体混合物。由于LNG具有便于远距离运输、储运成本低、热值高、清洁、环保等特点［1］，近些年来LNG工业迅速发展。中国从2006年开始大量进口LNG，目前已在中国广州前湾、福建莆田、浙江宁波等地建有LNG接收站，未来沿海地区将规划建设十几个LNG接收站，每年将进口上千万吨LNG［2］。由于LNG使用时需在汽化器内进行汽化，汽化时放出大量的冷量，该冷量包括液态天然气的汽化潜热和气态天然气从储存温度升温到环境温度的显热，约为830 kJ/kg。目前的工艺中该部分冷能通常随海水或空气被舍弃，造成能源的极大浪费。通过特定工艺技术合理利用LNG冷能，可以达到节省能源、提高经济效益的目的［3］。目前LNG冷能利用包括:深冷空气分离、冷能发电、低温粉碎、冷冻仓库、制造干冰、汽车冷藏、汽车空调、海水淡化、空调制冷等方面［4］。

LNG基地大都设在港口附近，而为了方便远洋捕获的鱼类的冷冻加工，大型的冷库基本也都设在港口附近。在鱼类的冷冻加工中，相对于传统的冰块，冰浆接触换热面更大，并且可减少对冷冻物的压损，因此冰浆越来越广泛的应用于渔业和食品冷冻领域。如今，全世界有超过700个冰浆系统用于渔业领域，是冰浆技术最大市场之一［5］。利用LNG冷能来制取冰浆，则是LNG冷能的一个新的应用。

冰浆是指冰晶粒子与水的混合物，冰浆中冰晶粒子的直径通常为几十微米到几百微米［6］。冰浆具有良好的流动性，可用泵输送，释冷速率快。冰的潜热为335 kJ/kg，远大于水的比热容4.2 kJ/kg，因此冰浆蓄冷和载冷能力很强［7］，输送相同的冷载荷时，含冰率30%的冰浆可减少80%的冷冻水体积［8］。

冰浆制取方法有壁面刮削法、过冷水法、流化床法、真空法和直接接触法等。目前已实用的装置主要采用壁面刮削法和过冷水法［9］。直接接触法由于换热效率高，并且避免了静态冰蓄冷的冰层厚度增长和热阻增加的问题，逐渐受到人们的重视。直接接触式制冰采用不溶于水的低温冷媒喷射进入水溶液中，冷媒与水直接接触换热，水温下降生成冰晶。传统的低温冷媒为制冷剂，制冷剂消耗量较大，且不容易与水分离，容易腐蚀制冰管壁。气体直接接触法是一种用载冷气体代替两相制冷剂来制取冰浆的方法。这种方法载冷气体与制冰溶液直接接触换热，湍流状态下的换热效率高，并且气体易与溶液分离，无腐蚀性。Thongwik S等［10］采用CO2作载冷气体进行了制取冰浆实验，研究了气体质量流量、气体进口温度和溶液高度等对体积传热系数的影响，并得到了冰浆制取溶液合适的混合比例。用氮气代替二氧化碳，张学军等［11］分析了气体流量、喷嘴直径、初始温度等因素对系统换热性能和冰堵的影响。目前冰浆制取方法基本采用传统的蒸气压缩式制冷系统作为冷源，电耗很大。本文通过搭建的气体双直接接触式冰浆制取系统实验结果作为参考，将LNG代替传统制冷系统作为冷源，进行了改进设计，并从角度进行了计算分析。

2 冷能的梯级利用原理

LNG从储罐内饱和液态汽化升温时释放的冷量为:

式中:m为LNG的消耗量，kg;r为汽化潜热，kJ/kg;cp为比定压热容，kJ/(kg·K);Tk为LNG汽化后的温度，K;Ts为储罐内LNG的饱和温度，K。

故:

其中:T0，p0分别为环境的温度和压力，K，Pa;ps为储罐内LNG的饱和压力，Pa;R为摩尔气体常数，J/(mol·K);Q0为单位质量LNG汽化的显热吸热量，kJ/kg。在LNG储罐压力不高的情况下，压力比较小，通常可忽略不计。

采用微元分析法，设TL为LNG(冷源)的温度，TH为热源的温度(TH＜T0)，δQ为LNG的微元吸热量。则LNG与热源换热过程引起的损失为:

图1 LNG冷能梯级利用流程图Fig.1 Process chart of cascade utilization of LNG cold energy

由于空气分离须在－150℃至－191℃条件下进行，与LNG的汽化温度很接近，所以LNG从储罐引出后第一级冷能可用于空分装置。换热后LNG温度升高到－100℃左右，此时冷能可用于干冰的制取(干冰凝固温度为－78℃)。之后LNG温度变为－55℃左右，由于冷库的冻结和冷藏温度处于－30℃—16℃的范围，所以第三级冷能可用于冷冻冷藏库。通过LNG的三级冷能利用，LNG温度已基本接近用户供气温度，再进行供气前的一些处理工艺，就可以对天然气用户进行供气。

3 实验装置介绍

图2是利用LNG冷能作为冷源的冰浆制取实验台示意图。将LNG代替制冷系统作为冷源，LNG在汽化器中与低温液体冷媒发生间壁式换热。实验采用空气作为载冷气体。首先由风机将空气送入第一直接接触换热器(汽化器)内的低温液体冷媒中吸收冷量。空气经冷却后由第二直接接触换热器(冰浆生成器)底部喷头喷射进入制冰溶液中，制冰溶液吸收冷量温度下降直至冰点，开始形成冰浆。空气则由冰浆生成器上部排出，重新进入风机入口，开始下一循环。风机风量可由变频器调节。喷头处铺设电加热线以解决结冰后冰堵问题。由于气体的鼓泡作用，使得汽化器、冰浆生成器换热效率大幅提高。汽化后的LNG温度仍然低于环境温度，可通过回热器将这部分冷量用于改善风机出口处的散热状况，使天然气升温至供气温度范围，同时也能进一步提高系统的能效系数η(冰浆生成器溶液与气泡单位时间换热量同系统总输入功率之比)。

图2 LNG冷能用于冰浆制取系统示意图Fig.2 Schematic diagram of ice slurry production experiment apparatus using of LNG cold energy

4 结果与分析

4.1 制取冰浆

实验采用体积分数为10%的乙二醇水溶液制取到冰浆。图3是取出的冰浆样品照片。经测试，制取到的冰浆细腻疏松，具有很好的流动性。图4表示10%乙二醇水溶液达到冰点后的制冰速率。开始产冰时，气体流量为200 m3/h，制冰速率为84 g/min。未使用喷头加热装置时，制冰速率不断下降。这是因为气体喷头处出现了冰堵，从而导致气体流量下降，制冰速率降低。运行喷头加热装置(加热功率50 W)后，制冰速率基本保持平稳。所以加热装置可有效解决喷头冰堵问题。

4.2 LNG冷能利用分析

为了综合考察系统的运行特性、能耗状况，实验选取一年中两种典型的运行工况:冬季工况(环境温度5℃)，夏季工况(环境温度30℃)，分别进行实验研究并进行了对比。图5表示采用传统制冷系统做冷源时冬夏两季系统能效系数对比情况。以10%乙二醇溶液为例，随着制冰溶液的温度下降，夏季系统能效系数下降幅度比较大，平稳后低于冬季。系统能效系数整体偏低，且夏季时低于冬季。由于冰浆主要在夏季时用于各工业和生活领域，所以夏季工况更具有参考意义。系统能效系数较低的主要原因是制冷系统的蒸发温度较低(－10℃至－15℃)，使得制冷系统COP比较低，从而导致整个冰浆制取系统的能效偏低。系统运行时，制冷系统与风机总的输入功率为6 kW左右，其中风机的额定输入功率为2.2 kW。故可以看出制冷系统耗能占大部分。若将LNG代替制冷系统作为冷源，使输入功率减小，则系统的能效系数将会得到大幅提高。

图5 系统能效系数冬夏对比Fig.5 Energy efficiency coefficients of system in summer and winter

对LNG冷能作为冷源的冰浆制取系统的性能进行计算分析。为使计算结果具有可比性，令系统单位时间获得的LNG冷量等于原来制冷系统提供的冷量。结合以往实验经验，将汽化器出口处的天然气温度设置为－10℃。图6是梯级利用LNG时，LNG不同初始温度下的冷量损失和所需质量流量变化曲线图。可以看出，损失随初始温度的升高而近似线性下降。而所需的LNG质量流量则随初始温度的升高呈现“J”字型增长趋势。所以提高LNG的初始利用温度(即减少温差)，在损的减少的同时也伴随着LNG所需流量的大幅增加。

取LNG两种初始参数:(1)初始温度为－162℃的常压液体;(2)参照LNG冷能梯级利用流程图，将制取干冰后－55℃的常压天然气温度作为初始温度。计算两种情况下的所需LNG流量，冷量损失，系统能效系数提高比例。计算结果见表1。

图6 损和所需LNG质量流量变化曲线Fig.6 Curves of exergy loss rate and LNG flow rate

表1 两种LNG冷能利用方式效果对比Table 1 Comparison of two methods for using LNG cold energy

5 结 论

随着中国LNG工业的迅速发展，合理利用LNG汽化冷能显得越来越重要。使用传统制冷系统的冰浆制取方式，系统的能效系数偏低。可用LNG代替原来的制冷系统作为冷源，进行实验装置的改进设计。LNG冷能不同利用方式计算表明，LNG直接利用时冷量损失大于LNG梯级利用。减少LNG换热温差，在损的减少的同时也伴随着LNG所需流量的大幅增加。对于小型LNG装置，可将LNG冷能直接用于气体直接接触法制取冰浆。通过利用LNG冷量可将系统的能效系数提高到原来3倍左右。

1 燕 娜，厉彦忠.采用液化天然气冷量的空分系统新流程［J］.化学工程，2007，35(9):58-61.

2 张 亮，江 欣，王若思，等.冷能利用技术在LNG储配输送中的应用［J］.石油与化工设备，2011，14(5):13-16.

3 金 滔，胡建军，陈国邦，等.利用液化天然气冷能的新型空分流程及其性能［J］.浙江大学学报(工学版)，2007，41(5):836-839.

4 余黎明，江克忠，张 磊.我国液化天热气冷能利用技术综述［J］.化学工业，2008，26(3):9-18.

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7 刘剑宁，章学来，葛轶群，等.直接接触喷射式冰浆制备装置［J］.能源技术，2007，28(3):157-159.

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10 Thongwik S，Vorayos N，Kiatsiriroat T，et al.Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbon dioxide and water mixture［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2008，35:756-761.

11 张学军，田新建，郑克晴，等.气体直接接触式制取冰浆实验研究［J］.工程热物理学报，2010，31(12):1997-2000.

12 Kim C W，Chang S D，Ro S T.Analysis of the power utilizing the cold energy of LNG［J］.International Journal of Energy Research，1995(11):741-749.

13 王 坤，鲁雪生，顾安忠.液化天然气冷能利用发电技术浅析［J］.低温工程，2005(1):53-58.

14 葛轶群，章学来，赵 兰，等.LNG冷能的梯级利用［J］.制冷技术，2006(3):14-16.