LNG储存与冷能利用技术发展前景广阔

□ 文/高浩玮

发展液化天然气的初衷是为了方便运输和降低天然气运输成本，因此LNG的储存与冷能利用在整个LNG工业链中占据非常重要的地位。通常LNG需要重新气化为气态天然气才能获得利用，LNG气化时释放的冷能大约为840千焦/千克。一座300万吨/年的LNG接收站，如果LNG连续均匀气化，释放的冷能大约为80兆瓦。可见，LNG蕴涵的冷能是十分巨大的，回收这部分能量具有可观的经济、社会和环境效益。

一、LNG储存技术

相对于地上储气库来说，地下LNG储气库液化温度为零下162摄氏度，储库的围岩在这种情况下将受到低温影响，造成岩体破碎，导致LNG大量泄漏和蒸发损失，因此在稳定度较差的地下洞室储存会很困难。截至目前，国外仅有少部分用不锈钢保温层作为LNG的密封层地面储存槽来储存LNG的实例。阿尔及利亚阿尔泽的地下储气库，利用冻土层地下洞穴储存LNG，仍无法避免泄漏问题。由于无法直接在岩洞中储存LNG，韩国通过对岩体冷却理论的深入研究，对使用隔热气密衬砌系统地下岩洞储存LNG技术进行了探索研发。

日本是全球地下LNG储罐建造技术较为领先的国家，由于该国家天然气资源稀缺，故也是最大的LNG进口国，有近20座储罐在役。日本东京燃气有限公司在横滨新建的LNG基地中，采用气浮工艺、空气支撑技术，同时通过储罐侧壁与筒底的刚性结合方式建造储罐，取得了良好的成效。地下LNG储罐内壁及保温层与地上储罐基本相同，常用的储罐内壁材料主要为9%镍钢、不锈钢或铝合金，保温层材料为珍珠岩和硬质聚氨酯泡沫。外罐一般采用钢筋混凝土壁和预应力混凝土壁，上有碳钢拱顶，拱顶下有上覆玻璃纤维毯保冷层的铝质吊顶。地下LNG储罐具有占地少、安全性极高、储存液体不易溢出、抗震性能强、耐久性等特点。

根据地上LNG金属混凝土储罐内壁材料的不同，通常分为预应力混凝土型储罐和薄膜型储罐两种。一般大型储罐都采用预应力混凝土型，外壳材料主要为预应力混凝土，内筒为低温的金属材料。薄膜型储罐内筒材料有殷瓦钢和不锈钢两种。日本是全球建造大型LNG储罐最多的国家，其拥有的储罐数量占了全球LNG储罐的62%。据报道，日本大阪煤气公司日前在建可储存23万立方米的LNG储罐。此外，印尼、文莱和阿尔及利亚等LNG输出国，以及英、法等LNG进口国，均建有大量大型常压LNG低温储罐。韩国天然气公司建造了世界第一批最大的27万立方米的LNG储罐。我国东部沿海10余个LNG接收站的储罐容量全部为16万立方米。我国目前最大储罐为中国石油江苏液化天然气公司如东接收站的20万立方米全容储罐。

二、LNG冷能利用技术

利用LNG冷能发电是较为新颖的能源利用方式，技术相对比较成熟，能够大规模利用LNG冷能。利用LNG冷能发电的系统主要有直接膨胀法、二次冷媒法、联合法等。A. 直接膨胀法。将储罐内的LNG抽出并加压，然后以海水为热源使之受热气化，再送至膨胀机中做功，从而产生电能。直接膨胀法原理简单、投资少，但LNG冷能利用率很低，只有24%左右。因此，该方法主要与其他冷能利用方案综合使用。B. 二次冷媒法。二次冷媒法利用中间冷媒的朗肯循环回收LNG冷能进行发电。将低温LNG的冷量转移到冷媒上，冷媒在温差的作用下进行蒸汽动力循环，从而做功产生电能。C. 联合法。联合法将直接膨胀法与二次冷媒法相结合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%。日本投入实际使用的LNG冷能发电项目大多采用这种方式。冷能发电是一种新兴无污染的发电方式，这种方法对LNG冷能的回收效率非常低，仅相当于制备LNG耗用的5%，但具有流程短、占地面积少、投资小、易于实施、无污染等优点，所以在其他冷能利用方式难以实现的情况下，可优先考虑冷能发电。

通过LNG冷能气化使吸收热量使周围介质冷却的原理，来进行冷库和冷水的制冷是LNG冷能利用的重要部分，其利用方式多样、应用广泛，有较好的推广价值。其中，LNG冷能用于冷库和冷水的撬装化装置，此装置包括LNG气化系统、冷媒循环系统和冷水生产系统三个系统，通过LNG气化将冷能传给冷媒，再通过冷媒传递给冷库或冷水来达到制冷效果。此装置较为合理地利用了能量的守恒原则，通过理论计算和模拟得出能量利用比例，以操作简单等优势优化了冷库冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有较大发展空间。

中国作为世界上最大的橡胶消费国和最大废旧橡胶生产国，每年报废的废旧橡胶数量巨大，从而粉碎废旧橡胶工作量也非常庞大。采用LNG冷能对废旧橡胶进行粉碎，对比传统的常温直接切割粉碎和低温深冷粉碎有较大优势，不仅节能降耗，还能有效简化流程，具有较为广阔的市场前景。通过LNG气化站和卫星站分布广泛的特点，利用冷能建设废旧橡胶低温深冷粉碎装置，就地粉碎当地废旧轮胎，节约轮胎的运输成本，降低精细胶粉的生产成本，对建设节约型社会不无裨益。

三、我国LNG储存与冷能利用技术发展趋势

据英国能源咨询公司道格拉斯韦斯特伍德(DW)的报道，未来5年全球LNG产能总体呈上升趋势，投资总量要比过去5年增加90%，预计接近2590亿美元。在当前中国对环保问题愈加重视的情况下，LNG作为清洁能源格外受到关注，天然气产业将进入前所未有的高速成长期。

从趋势看，LNG储罐将向超大型化发展。储罐越大，LNG单位成本就会越低，越节省钢材，单位投资也会减小，同时布局紧凑，总体占地面积也会变小。但前提是，需要对新型绝热结构与绝热材料进一步深化研究。

在LNG船储罐用材方面，低温铝材相比镍合金而言更经济、更安全，具有优良的低温力学性能和抗腐蚀性。可以预见，铝材将成为镍钢的最具潜能的替代材料；新型海上集LNG的生产、储存于一身的LNG－FPSO（浮式生产储油卸油装置）技术，适用于油田伴生气的回收和边际气田浮式LNG接收终端，既简化了过程，又降低了成本，但目前无实际应用，仍有待进一步发展。LNG的气化过程与LNG冷能利用过程在空间和时间上的不同步问题，是LNG冷能迄今没有实现大规模集成利用的主要原因。为此，一些专家研究利用一些相变物质作为蓄冷剂存储LNG冷能，实现LNG冷能在时间和空间跨度上的供应。原理如下：当LNG冷能充裕时，蓄冷剂吸收冷量而凝固；当LNG冷能供应不足时，蓄冷剂溶解，从而释放出冷量。蓄冷剂的开发是蓄冷技术的关键。作为蓄冷剂的相变物质，要求具有较高的相变潜热、合适的相变温度、较大的热导率和密度、无相分离现象以及廉价易得等特性。

LNG冷能利用具有很高的经济、社会和环境效益，随着LNG贸易迅速增长，以及全球性的能源紧张，LNG冷能利用具有十分广阔的发展前景。LNG冷能利用不仅可以节能减排，还可带动相关的科学研究和冷链产业的发展。因此，LNG冷能利用是时代的要求、发展的需要，是利国利民的绿色工程。然而，LNG产业对我国来说仍是一个新兴的行业，相关技术，以及行业标准还有许多不足之处。在LNG储存方面，我国储罐多是中小型压力罐，大型LNG储罐的设计、材料制造与研发等方面仍存在进一步提升空间。虽然我国LNG项目的建设大都是在东南沿海，但仍存在调峰能力不足、小型液化工厂布局杂乱无序等问题，有待进一步调整解决。