液化天然气冷能利用方法的研究与展望

曹增辉(粤海(番禺)石油化工储运开发有限公司，广东 广州 511455)

0 引言

我国目前面临大量的使用煤做燃料的问题，煤燃烧后排入大气中二氧化碳的粉尘量大幅度提高，因此我国采取的一个重要措施就是优化能源产业结构，尽可能增加清洁能源在我国一次能源消费中的比重[1]。

随着我国从海外进口LNG 量不断增加，LNG 冷能利用也显得越来越重要。一般情况下，进口LNG 在运输到接收站后，需转化为气态天然气才能使用。在进行气化的过程中，1kg LNG会释放出830～860kJ 的冷能[2]。国家发展与改革委员会早在2005 年就提出了要研究LNG 接收站冷能综合利用的问题。从节能环保和经济效益角度出发，探索LNG 冷能利用意义重大、前景广阔。

1 冷能利用方法

LNG 冷能的利用过程可分为直接利用、间接利用两种。直接利用是指LNG 冷能直接用于生产工业产品或进行工业生产，包括空气液化分离、冷能发电、轻烃分离、制液化CO2和干冰、海水淡化、空调、低温养殖等[3]；间接利用是指对利用LNG冷能生产出来的工业产品进行二次利用，包括用空气液化分离后的液氮来低温破碎、冷冻干燥、冷冻食品、水和污染物处理等[4]。

1.1 直接利用方法

空气液化分离。LNG 冷能空气液化分离是将LNG 高品质的低温冷能用于空气分离装置，取消高温、低温膨胀机，不仅能耗大大降低了，而且也降低LNG 气化费用。空气液化分离温度(-180℃～-170℃左右)低于LNG 温度(-160℃左右)，最有效的利用了LNG 冷量㶲，是现阶段技术上最理想的利用方式[5]。与普通空气分离装置相比，LNG 冷能空气液化分离的电力消耗可节省50%以上，冷却水节约100%。

冷能发电。LNG 冷能发电的原理是LNG 与周边环境介质进行热交换后，LNG 温度升高气化，进而引发周围环境介质的压力和体积改变，对外做功进行发电[6]。目前，常见的LNG冷能利用发电方式主要包括直接膨胀法、低温朗肯循环、低温Brayton 循环、联合法、燃气轮机进气冷却等。与传统火力发电相比，LNG 冷能发电最主要的优点是无污染物排放、噪音小等。

轻烃分离。LNG 冷能轻烃分离的原理是LNG 中各轻烃组分性质不同，其相变温度也不同，分离技术就是建立在LNG 各组分相变温度不同的基础上，实现轻烃分离[7]。分离LNG 中的轻烃组分可得到CH4、C2H6和LPG。通常将分离得到的CH4加压后在输送至天然气管道，分离得到的C2H6可进行生产乙烯，还具有成本低、能耗低、投资小的优势，这会产生很客观的经济效益。

制液化CO2和干冰。利用回收的LNG 冷能提供给CO2，LNG 冷能产生的低温就可以用于液化CO2冷却，而且只需要把液化装置的工作压力降至0.9MPa左右就可以进行液化，这种方法工艺流程简单，同时也大大降低制冷设备的负荷[8]。通过LNG冷能回收制作液化CO2和干冰，电能消耗量大约为0.2W/m2，可以节省10%建设费用以及50%的电力消耗量。

海水淡化。利用LNG 冷能进行海水淡化主要是采用冷冻法，冷冻法海水淡化是海水在冷冻过程中会发生“盐水分离”的现象，低温产生的冰体中含盐量较低，可以进一步将冰与盐水分离，进而得到淡水的过程[9]。从能耗角度来说，一个大气压下冰的融化热仅是水的气化热的15%。而且冷冻法在低温下操作，具有材料设备腐蚀较轻、无需除钙等优势。

1.2 间接利用方法

低温破碎。利用LNG 冷能空气液化分离产生的液氮对物体进行冷冻后，再进行破碎。由于低温破碎要比常温破碎性更强，LNG 冷能低温破碎更具优势。例如，将LNG 冷能用于废旧橡胶的低温破碎，不但可以降低LNG 能耗及对周围环境的冷污染，而且可以降低废旧橡胶的生产成本，提高产品的质量[10]。

水和污染物处理。LNG 冷能空气液化分离会产生一部分液态氧，产生的液态氧可用于制作高纯度臭氧，这些高纯度臭氧可以有效吸收污水中的臭氧，实现污水处理。和传统臭氧处理方法相比，这种处理方法可以节省30%的电力，并且污水处理效果更好[11]。

2 存在问题

2.1 LNG冷能利用率低

目前已经建成投产的LNG 接收站的冷能利用率也仅有20%左右，其原因主要是：

(1)LNG 接收站处于海边，建设面积有限，无法同时容纳多个大型冷能利用设施，这大大限制了LNG 冷能利用产业的规模。

(2)LNG 产业链下游天然气用户在不同时段和季节的用气量波动较大，导致LNG 的气化量随着波动[12]，用气高峰期和低谷期的气量波动限制了LNG 冷能的利用。

(3)LNG 接收站周边用户对于冷能利用的需求不同，对这些用户要提供不同温度的冷能，这在实际运行存在比较大的困难。以上原因不同程度的影响LNG 冷能利用率，导致LNG 冷能利用进展缓慢，实际使用比较困难，存在LNG 冷能利用落后于LNG 接收站运营的局面。

2.2 LNG冷能利用效率低

现阶段LNG 冷能利用方式单一，对于技术研究投入不足，目前国内已经有学者研究了冷能梯级利用技术，但其适用性却有待进一步研究。由于已经建成投产的LNG 接收站的冷能利用项目大部是单个装置独立利用LNG 冷能，但是单个装置大部分无法充分利用LNG 的冷能。如果直接将-160℃左右的冷能用于制干冰和低温冷库，会使得高品位的冷能被降质利用，从而导致冷能利用过程的㶲效率较低。LNG 接收站工艺流程中LNG 在高压下气化，大量的LNG 冷㶲变成天然气的压力㶲，导致LNG 冷㶲中的利用率不到50%，使得LNG 冷能利用效率较低。

3 展望

随着我国能源产业的不断发展，LNG 需求量不断增加，其携带的冷能也是一笔很大的资源，提高LNG 冷能利用率和利用效率是LNG 产业节能减排的关键环节，关系着LNG 产业在我国的发展前景。针对LNG 冷能利用的前景提出一下几点展望。

(1)提高LNG 冷能利用率，在LNG 接收站可行性研究阶段，即充分考虑LNG 冷能利用，解决存在的困难，最大程度的提高LNG 冷能的利用率。

(2)提高LNG冷能利用效率，可采用冷能梯级利用的方法，将高品位的冷能逐级利用，并进一步研究其适用性。还可以开发新工艺，一方面对已有的冷能利用方案进行细节改进，一方面开发新的冷能利用方案。

4 结语

本文总结了LNG 冷能直接利用和间接利用的主要方法，由于技术等多方面因素的影响，也分析了现阶段冷能利用存在的问题。因此，接下来应当针对性的进行探索和研究，提高LNG冷能的利用率和利用效率，充分的发挥LNG 冷能的价值。