LNG冷能利用综述.docx
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LNG冷能利用综述
LNG冷能利用综述
一、LNG冷能的概念
所谓LNG冷能,是指在常温环境中,自然存在的低温差低温热能,实际上指的是在自然条件下,可以利用一定温差所得到的能量。
根据工程热力学原理,利用这种温差就可以获得有用的能量,这种能量称之为冷能。
天然气的主要成分是甲烷,在常压下将甲烷降至-162℃（甲烷的沸点）时,甲烷就被液化,每立方米的甲烷液化后体积变为0.0024m3,约为甲烷0℃常压下体积的1/600。
甲烷液化后,其体积显著变小。
LNG接收站就是利用甲烷的这一显著特点,在天然气的产地附近将天然气液化,然后利用其液化后体积变小、便于运输的特点,将天然气以LNG（液化天然气）的形式输送至接收站进行储存、气化和外输至用户。
LNG接收站需要将LNG气化后输送给用户。
LNG气化后被还原为初始的气体状态,可以作为热力发电的燃料和城市居民用气。
在LNG气化过程中,约能产生920.502kJ/kg的低温能量。
目前,这种冷能大部分被释放到海水中和空气中。
如果将这些能量利用起来,就可以节省巨大的能源。
因此,从节约能源的角度,积极寻求和高效利用冷能量有着重要意义。
二、LNG冷能应用分类
LNG冷能利用可分为直接和间接利用两种方式。
其中，直接利用包括冷能、深冷空气分离、冷冻仓库、制造液态CO2（干冰）、汽车冷藏、汽车空调、海水淡化、空调制冷以及低温养殖和栽培等；间接利用包括低温粉碎、水和污染物处理等。
目前LNG冷能主要应用领
域和方式见表1、表2所示。
表1LNG冷能利用领域
应用领域与产品
用途
一
液化二氧化碳或干冰
冷藏冷冻、碳酸饮料、焊接、烟丝膨松剂、降解塑料等
二
深度冷冻
1
低温冷藏库
食品保鲜、水产品冷藏、蓄冷
三
空气分离
1
液氮
液化二氧化碳、深度冷库、集中供冷系统、低温粉碎、化工原料
2
液氩
钢厂、焊接、照明、电子等
3
液氧
臭氧、水处理、军工、医用、钢厂、金属加工、化工原料等
4
气体纯氮
化工
四
深冷粉碎
橡胶胶粉、超细粉体产品
工业加工
五
海水淡化
1
淡化水
工业及民用
六
冷能发电
作为动力及照明
表2冷能利用方式
利用项目
利用方式
冷能温度
备注
空气分离
直接
-1910C~-1510C
冷能回收率高，通常仅适用于大型气化站
低温粉碎
间接
-1300C~-800C
用液氮冷冻橡胶制品，处于产业链下游
干冰生产
直接
-780C
技术要求查对不高，但需与下游市场匹配
冷能发电
直接
-400C
技术虽成熟，但很复杂；仅适合大型气化站
冷冻仓库
直接
-420C~-150C
技术相对简单，但需与下游市场匹配
汽车空调
直接
目前正在发展，与L-CNG汽车配套
蓄冷装置
间接
平衡气化量昼夜波动，大幅提高冷能利用率近
LNG冷能在空气分离、深冷粉碎、冷能发电和深度冷冻等方面已经达到实用化程度，经济效益和社会效益非常明显；小型冷能发电在LNC接收站也有运行，可供应ING接收站部分用电需求；海水淡化等项目尚需要对技术进行进一步的开发和集成。
1、液化分离空气生成液体氧和液体氮
目前,绝大部分工业用氧和氮都是通过对冷却液化后的空气进行精馏和分离获得的,因此可以利用LNG的冷能对空气进行液化,然后通过相应的工艺生产液氧和液氮。
大多数分离空气需要的冷能是在氮气循环管道中利用氟利昂制冷机和组合的透平机产生的,而利用LNG的冷能分离空气需要的热能直接来源于LNG,不需要额外的制冷机械,可以降低由机械制冷造成的电能消耗。
这样,利用LNG的冷能就比传统的方法节省大量的能量。
空气分离的步骤首先是液化空气,待液化的气体通过预先设计的流程,即压缩—换热—反复压缩—换热冷却—隔热膨胀—再压缩—换热循环,直至液化。
气体液化后进行冷平衡,然后进行空气分离,空气分离需要加热液化后的混合液体。
加热混合液体时,因为氮气（低沸点成分）比氧气（高沸点成分）更容易蒸发,氧气在液体中的浓度会逐渐升高。
当蒸发气与比平衡点氮气含量更高的液体接触时,蒸发气与液体之间倾向于发生平衡作用。
氮气由液体状态蒸发,氧气从它的气态冷凝出来,与蒸发气达到平衡。
这样,氮与氧发生分离（浓缩）。
蒸发气通过小孔上升到精馏塔板,与从顶部流下来的液体接触,其中高压精馏塔进行空气预分离。
高压精馏塔精馏出供给低压精馏塔顶端的回流液体氮,同时它也为低压精馏塔的底端提供热量能源,低压精馏塔最终完成空气分离。
它在底端精馏出氧气,在顶端精馏出氮气。
精馏塔上面部分的原材料释放管道位于其顶端和低端的中间位置,精馏塔下面分别是氮气回收塔以及浓缩塔。
这个系统在所有的LNG冷能利用系统中被认为是最有效的,这是因为它的节能率高,也很少受到地点条件的限制,而且LNG巨大的冷能产出的液体氮量和液体氧量都很大。
2、液化二氧化碳并产生干冰
生产干冰的前提是有充足的气态二氧化碳作为原料供液化。
一般地,干冰生产厂选择在可以利用化工厂或者排放大量气态二氧化碳的工厂附近。
利用LNG冷能取代传统的制冷器来液化二氧化碳节能率比传统方式提高20%以上。
3、制冷以及冷库系统
许多食品加工过程中需要通过低温对食物进行保鲜和冷藏,在需要制冷的食品工业中,利用LNG冷能是一个最佳选择。
LNG冷能可以取代传统的制冷机,向各种冷藏存储库和冷冻库提供冷能。
在农作物、家禽、鱼类以及加工食品的制造、储备及分销过程中,冷库的温度越低,节能的效果就越好。
由于冷库多选择建在农作物或食物生产区附近,因此,这种利用方法的前提是LNG附近有农作物储藏需求或冷冻食品加工区或消费区。
4、低温粉碎废物
在废弃物粉碎领域,利用LNG冷能是一种很好的方法,可以节约大量用来制冷的能量,废弃物冷冻后用较小的动力即可粉碎,这样能收到很好的节能效果。
利用LNG冷能先冷却液体氮,再用液氮冷冻废弃物,最后粉碎废弃物。
目前,冷能的应用有粉碎轮胎、塑料以及其它成分组成的合成废物。
橡胶或塑料常温下虽然不易粉碎,但都具有低温脆性,当温度降低到一定程度时,其冲击强度会降低,变得容易破碎。
因此,用LNG（-162℃）和液体氮（-196℃）来冷冻橡胶或塑料废弃物,就很容易粉碎了。
金属也有着与橡胶或塑料相近的低温脆化特性,利用这一低温脆化特性,用冷能来粉碎由金属、电子器件、塑料器件和橡胶等构成的废弃汽车,然后再对废物进行回收利用。
粉碎废物后重新加以利用,既能减轻环境污染,又能回收资源,因而将粉碎废物与资源回收利用相结合是一项有意义的工作。
5、LNG冷能发电系统
LNG冷能发电系统是利用热发动机原理,需要配置高温源和低温源。
该系统利用热量,而不是用于动力发电。
在LNG冷能发电系统中,用LNG燃烧或海水作为高温源,用LNG冷能作为低温源形成热量循环。
一部分由高温源带入的热量产生电力,其它的热量释放给低温源,用作LNG蒸发的热量。
根据热量利用方式的不同,LNG冷能发电分为郎肯循环和Brayton循环两类。
在郎肯循环中,热媒作为中间循环介质从液态变为气态;在Brayton循环中,它的热媒不发生状态改变,而是保持气态。
郎肯循环有三种方式,第一种是直接膨胀系统,在这种系中,LNG作为低温源,经过泵加压,在高温源即海水的作用下蒸发,然后膨胀为低压气体。
通过这种方式可以回收LNG的能量,利用回收的能量来驱动热发电机发电;第二种是直接热媒系统,热媒被LNG的冷能液化,然后被泵和驱动透平加压,与海水换热后蒸发膨胀,这样回收的能量再用来驱动热发电机发电;第三种是综合以上两种系统来回收LNG中的冷能,驱动热发电机。
在Brayton循环系统中,可以用氮气作为热媒,热媒被LNG冷却后,被压缩机加压,再被驱动透平的燃烧热加热到过热状态。
三、适合集团应用的LNG冷能利用方向
上述LNG冷能的5类应用中，大部分都是以分布在沿海地区的大型LNG接收站为适合应用对象的，因为大型LNG接收站LNG气化输出量大，需求稳定，输出可供利用的冷能量相对平稳，有利于用能装置稳定生产。
反之，L-CNG加气站进行LNG加注销售时是不产生冷能的，只有进行LNG气化产生L-CNG时才会产生冷能，因此，生产工艺对供能连续性、稳定性较高要求应用项目不适用于L-CNG加气站。
通过查找文献，发现小规模冷库类的应用项目在集团存在可行性。
冷冻仓库应用实例
小型气化站的供气量大多在10*104m3/d以下,且冷能产量随供气量的变化较频繁，但其产生的冷能品位较高，适合于建设冷冻冷库。
例如，1976年即已投产的日本神奈川县根岸LNG终端的金枪鱼超低温冷库，30多年来一直运行良好，为LNG冷能应用于冷冻仓库建设提供了优秀范例。
港华燃气公司所建的广东佛山杏坛LNG气化站是为顺德地区的燃气输配系统提供气源。
站内建有100m3LNG储罐6个，其中4个工作压力为0.6MPa，2 个为0.8MPa。
站内设有空温气化器8台，每台气化能力为2000m3/h，气源来自深圳大鹏公司提供的LNG。
为经济有效利用LNG气化时产生的冷能，在毗邻杏坛气化站处于2010年投产了1座冷冻仓库。
此项目为国内首个小型气化站LNG冷能利用示范性项目，总投资约129万，年平均销售收入可达85万，税后内部收益率达31.7%，静态投资回收期4.1年（含建设期）。
杏坛冷库主营水产品的加工及储存，一期工程库容总量为3000t，包括-30C冷冻库和-15C冷藏库两个部分，是与目前气化站5*104m3/d的气化量相配套的；随着气化量提高至设计处理量（15*104m3/d），二期工程将扩容至约9000t。
图1 LNG冷能应用于冷库项目的工艺流程
如图1所示，杏坛冷库制冷系统主要包括3个部分：
LNG气化系统、低压氨制冷循环系统和电动压缩氨制冷系统。
其工艺特点是当LNG气化系统处理量下降而冷能供应不足时，可以启动电动压缩氨制冷系统来补充。
通过进入换热器氨气压力调节进入其中的LNG流量；并通过冷库温度调节进入其中的液氨量。
该冷库的具体工艺流程为：
来自储罐的LNG分为2股，一股LNG进入空温换热器
（1）气化为常温的天然气，经调节阀调压至约0.3MPa后进入城市燃气管网。
另一股LNG将来自冷库的气态氨冷凝后，经辅助空温换热器
（2）气化并升温至常温，再与原气化系统中的天然气混合，最终也进入城市燃气管网。
冷凝的液氨降压至0.3MPa~0.5MPa，依次通过计量设备和调节阀，降压至约0.15MPa后进入冷库制冷，完成氨制冷循环。
小型气化站可以提供较高品位的冷能，因而冷库建设应根据当地具体环境选择农副产品或水产品加工的冷冻要求（参阅表3）。
通常建设项目可以选择超低温冷库（-60C。
左右）、低温冷库（-35C。
左右）、中温冷库（-18C。
~0C。
）和高温冷库（0C。
~10C。
），从而可以通过选择不同的载冷剂，组成不同温度的低温制冷循环，使LNG的冷能利用效率大大提高。
表3 冷库设计温度与相对湿度（GB50072-2001）
集团应用LNG冷能的设想建议
1、集团正在筹划的LNG储备库项目，如果直接承担管道气的日常气化输出业务，在土地条件允许的条件下，可以根据日常汽化量释放的冷量大小，就地建设冷库，充分利用LNG气化释放的冷能，开展冷库仓储业务。
相比普通冷库，可以节约大量制冷运行电费。
2、集团在无管道气，也无CNG供应地区建设L-CNG加气站，如果L-CNG的销售量足够而且稳定，在土地允许的条件下，也可以考虑建设小型冷库，前提是有固定客户。
对于LNG冷能的其他利用领域，因资料和知识有限，目前尚难以给出应用建议，但经营企划部会长期跟踪这些应用领域的发展，及时上报集团。
2015年2月13日
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