LNG冷能利用技术的研究现状与展望

天然气的主要组分为甲烷，其l临界温度为190 58 K，在常温下，无法仅靠加压将其液化。液化天然气(LNG)通常储存在温度为112 K、压力为O．1

MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600余倍，体积能量密度为汽油的72％，十分有利于输送和储存”。，成为当今世界上用量增长最快

的一种燃料。单位质量天然气液化的动力及公用设施耗电量约850 kW·h／t。LNG气化时又要放出大量的冷能，单位质量约830 kJ／kg，约合231 kW·h／

t由于LNG生产与应用的时空差异，导致液化端需要不断补充冷能，使用端义不断释放冷能。因此，充分利用使用时释放的冷能，FI』以提高能源的利

用率，降低天然气的使用成本。本文对LNG冷能利用技术的研究现状与展望进行探讨。

1 LNG冷能的影响因素

    LNG冷能的做功能力主要依靠LNG与周围环境之问存在的温度、压力差，为了计算和评估LNG中可以回收利用的能量，应从理论上对冷能回收进行评价，分析其影响因素。

1．1 LNG冷能火月分析

     朋分析是评价能嚣系统性能的一种重要分析方法，应用火用分析可揭示能量系统内不可逆损失的分布、成因以及程度，为合理利用能量提供理论指

导。天然气液化是高能耗过程，LNG冷能又有较大应用价值，因此LNG娴分析是设计高效天然气液化装置、冷能利用装置的前提。

    LNG的冷能炯(比火用)e(r争位为J／kg)，可分为压力p(单位为Pa)下由热不平衡引起的低温火甩(比火口)(单位为_T／k)和环境温度下由压力不平

衡引起的压力：JcHj(比火目)e。(单位为J／kg)”’，LNG

冷能删e的计算式为：

e(T,p)=eIh+e。   (1) LNG在定压下由低温升高到％(单位为K)的过程中发生沸腾相变。设LNG为在温度t(单位为

K)下处于平衡状态的两相物质，气化潜热为r(单位为J／kg)，比定压热容为c。(单位为J·kg  ·K。)，

则低温火用e。压力火目‰的计算式分别为”。：

eth=(To/Ts-1)+cp(To一Ta)—CpTolnTo/Ts(2)ep=Rtoln p/p0

    

式中R--气体常数，J／(kg·K)

 Po--温度％下的压力，Pa

1．2 LNG冷能火月的影响因素

  ①环境温度的影响

  当系统压力(1．0韬MPa)不变时，冷能火目随环境温度的变化见图1[1]。

随着环境温度升高，LNG的低温删、压力火目及冷能火用增大。LNG冷能火用利用率与环境温度关系较大，环境温度升高，LNG冷

能删利用率将随之增大。

②系统压力的影响

    环境温度(283 K)不变时，某种典型LNG冷能火用随系统压力的变化见图2”]。随系统压力增大，

LNG的压力炯增大，低温火用降低。

    对于LNG的不同用途，由于低温火田和压力火用存在差异，LNG冷能的回收途径也不同。通常，用作管道燃气时，天然气的输送压力较高，压力火用较

高，低温火用较低，可充分利用其压力火用。供给电厂发电用的LNG气化压力较低，因此压力火用较低，低温火用较高，H1以充分利用其低温火用。

  ③LNG组成的影响

  设定LNG由甲烷、乙烷组成，在系统压力(1．013 MPa)、环境温度(283 K)不变时，由甲烷的摩尔分数不同引起的LNG冷能火用的变化见图3.

LNG低温火用、压力火用及冷能火目均随甲烷摩尔分；

的增加而增由。

 

图2                                        图3

2 LNG冷能的利用技术

2 1 LNG冷能利用技术分类

    LNG冷能的利用过程可分为直接利用、间接用。直接利用包括发电、空气液化分离、轻烃分离

液态乙烯储存、冷库、制液化二氧化碳或于冰、海，淡化、空调、低温养殖等，间接利用包括低温破碎、冻食品、水和污染物处理等”

    LNG的冷能町以梯级利用，深冷用于低温磨，中冷用于制冰、建滑雪场、溜冰场，浅冷用于库，梯级利用将使LNG冷能得到较大程度的利斥

对于LNG冷能的高效利用，一般认为利用LNG环境的温差发电是经典的利用途径。但火用经济分析表明，天然气液化就是靠大量耗电的深冷过j

实现的，单位质量LNG耗电量约850 kW·h／t。据卡诺定理；利用180℃左右的温差，发电的理炯效率不到19％，实际州效率更低，单位质量小

的冷能只能获得发电量约50 kW·}％／t 。相反,果能够按照网络优化、逐级匹配的思路，多途径直：换冷利用，不可逆程度将大幅减小，经济效益也将增加。初步核算表明，从火甩经济学分析，LNG的冷能

与c：+裂解和轻烃分离集成利用效益最高，其他直接换冷利用次之，温差发电效益最差。当然，实际上

还受到LNG接收站附近有无各种利用冷能条件的限制。分离LNG中的c:2+和充分利用冷能可使气化后的天然气成本降低约0．3元／m3，提升了市场竞争力。

2．2 LNG冷能利用技术研究现状

    目前，在11个国家和地区建有38座LNG接收

站，其巾日本有23座[7]。F1本对LNG冷能的利用在世界上处于领先地位，除了与发电厂配合使用外，

还有26台独立的冷能利用设备。其中包括7台空气分离装置，单台装置的处理能力为(1～2)×104

 m3／h；3台生产能力为100 t／d的制干冰装置；15台低温朗肯循环独立发电装置”J。

    ①发电

    要提高LNG发电系统的整体效率，必须考虑LNG冷能盼合理利用，否则与利用普通天然气的发电系统无异。回收LNG冷能，依靠动力循环进行发电是目前LNG冷能回收利用的霞要内容，日．技术较为成熟。用LNG冷能发电主要足利用LNG的低温冷能使工质液化，然后工质经加热气化在气轮机中膨胀做功带动发电机发电。LNG冷能发电主要有3种利用方式：直接膨胀发电、降低蒸气动力循环的冷凝温度、降低气体动力循环的吸气温度[2.4]。

    a．直接膨胀发电。从LNG储罐来的LNG经低温泉加压后，在气化器受热气化为高压天然气，然后直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电。LNG冷热能回收量取决于气轮机进出口气体的压力比，主要利用了介质的压力火目。这种方法原理简单，但效率不高，发电功率较小，冷能回收率仅为24％。但该方法适用于回收部分冷能，可考虑与其他LNG冷能利用方法联合使用。

    b．降低蒸气动力循环的冷凝温度。在冷凝温度显著降低的条件下，蒸发温度也可显著降低，从而可能利用工业余热或海水这一类价格低甚至无需成本的热源，这种低温朗肯循环是利用LNG冷能的朗肯循环的主要方式。单工质朗肯循环系统一般使用纯甲烷或乙烯，实际装置的冷能回收率约18％。

混合工质朗肯循环系统工质为碳氢化合物的混合物，整个系统的冷能回收率约36％。目前，采用最为广泛的是将以E两种方法联合使用，这呵使冷热能同收率大幅提高，但冷能的同收率也只能达到36％”。。综合了二种系统的联合法，单位质量LNG的发电量约45 kW·h／t。

    c．降低气体动力循环的吸气温度。燃气轮机循环是气体动力循环一种形式，燃气轮机入口的空气温度对燃气透平的工作效率有明显影响。研究表明，降低燃气轮机的吸气温度，将会显著提高其做功能力和循环效率。实际中，通常利用LNG冷能预冷空气，以提高机组效率，提高发电量。由于LNG的气化温度较低，因此采用一种易挥发的物质作为中间载冷剂，将冷能传递给空气。但冷却温度须严格控制在O℃以上，以防止水蒸气在冷却装置表面冻结。利用低温火目的中问介质朗肯循环方式，单位质量LNG的发电量约20 kW·h／t。

    LNG冷能发电是一种新兴的无污染发电方式，虽然这不失为一种节能的好方法，但它只考虑到对LNG冷能的同收利用，并未考虑LNG冷能的品位,这种方法对冷能的同收率非常低。由于生产单位质量LNG耗电量为850 kW·h／t，即使LNG拥有的冷能完全转化为电能，单位质鼍LNG冷能发电量也只为231 kW·h／t 。。因此，利用LNG冷能发电虽然是最可能大规模实现的方式，但却不是利用LNG冷能最科学的方式。

  ②空气分离

  采用空气分离装置分离空气，首要的条件是在空气分离装置中制造低温，使空气液化以保证蒸馏况的正常进行，凶此可采用利用LNG冷能的空气分离方法。空气分离装置利用LNG冷能的流程可以有多种方式，循环氮气量约为同等规模的低压带中压制冷循环系统空气分离装置的20％，循环氮气压力为1 960 kPa，制取液氧的能耗较通常制取液态产品装置降低50％。与普通空气分离装置相比，该方法电力消耗节省50％以上，可简化空气分离流程，降低了系统造价，LNG气化的费用也可降低。由于空气分离装置中需达到的温度比LNG温度还低，因此LNG的冷能可得到****利用。LNG经空气分离装置换冷后的温度约一100℃，因此应进一步考虑继续利用剩余冷能。如果说LNG冷能发电最可能大规模实现，那么在空气分离装置中利用LNG冷能应该是技术上最合理的方式。

通常的低温环境都是由电力驱动的机械制冷机产生，由制冷原理可知，随着温度的降低，机械制冷消耗的电能将急剧增加。在一定的低温蒸发范围内，蒸发温度每降低l K，能耗要增加10％。在采用LNG冷能回收的空气分离方法中，机械制冷机很容易实现小型化，耗电量也可降低50％，耗水量减少0％，这样会大幅降低液氮、液氧的生产成本，具有可观的经济效益[。此外，LNG作为空气分离装置的预冷剂，在生产液氩的空气分离装置中，利用其冷能冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮，可以省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组，使单位体积产品的能耗平均降低0．5 kW·h／ms，装置的造价也可降低10％左右，生产成本降低20％～30％

  ③制取液化二氧化碳及十冰

  传统的二氧化碳液化工艺将二氧化碳压缩至2．5—3．O MPa，再利用制冷设备冷却和液化。利用LNG冷能则很容易获得冷却和液化二氧化碳所需要的低温，从而将液化装置的工作压力降至0．9MPa左右。与传统的液化工艺相比，制冷设备的负荷大为降低，耗电量也可降低30％一40％。以化工厂的副产品二氧化碳为原料，利用LNG冷能制造液化二氧化碳及干冰，不但可节约电能，而且产品的纯度可高达99．99％[9]。

  ④作为冷库的冷源

  利用LNG冷能作为冷源的冷库，将载冷剂冷却到一定温度后经管道进入冷冻、冷藏库，通过冷却盘管释放冷能，实现对物品的冷冻、冷藏。另外，还按LNG不同温级，采用不同的载冷剂进行换冷后分别送人对温度要求不同的冷间，这样LNG冷能的利用率将大幅提高，运行成本较机械制冷下降37．5％。虽然冷库使LNG的冷能几乎无浪费地利用，且不用制冷机，降低了系统造价及运行费，但一般的冷库只需维持在一50～一65。C即可，而将一162℃的LNG冷能全部用于冷库制冷是不必要的。为有效利用天然气冷能，可将低温冻结库或低温冻结装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等按小同的温度带串联。这种方式按LNG的不同温度带，采用不同的载冷剂进行换冷后依次送入低温冻结库或低温冻结装置(温度为-60℃)、冷冻库(温度为一35℃)、冷藏库(温度为O屯以下)、预冷装置(温度为O～10℃)。

⑤其他利用方法

  a．随着LNG汽车的不断发展，LNG用作汽车清洁燃料的同时，可将其冷能回收用于汽车空调或汽车冷藏车。这样就无需给汽车单独配备机械式制冷机，既降低了造价，又消除了机械制冷的噪声污染，具有节能和环保的双重意义，足一种真正的绿色汽车，尤其适用f有噪声限制的地区.在夏季，货物在冷库经充分预冷后装入冷藏车．开始不需要消耗过多的冷能，此时LNG气化产生的冷能储存在蓄冷装置中。随着运输时间的延长、开门次数的增多，负荷增大，LNG冷能就直接进入冷藏车厢，与蓄冷装置共同制冷，以维持车厢内温度。

按冷藏车消耗LNG量为12～15 kg／h计算，制冷能力为2．8 kW，叫‘满足将预冷后的货物进行中短途的冷藏运输。世界上首台LNG冷藏车南德国的梅赛尔公司制造完成，并于1997年底在德国REWE零售连锁店投入使用。这种冷藏车经过1998年一个夏天的运输检验，以其稳定的运行工况、良好的冷藏效果以及轻污染的环保优势，得到了科隆地区政府的认可。

   b．蓄冷装置。LNG主要用于发电和城市燃气．因此LNG的气化负荷易随时间和季节发生波动。

LNG冷能的波动易对冷能利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视。日本大阪煤气公司研究的LNG蓄冷装置，利用相变物质的潜热储存LNG冷能。在白天LNG冷能充裕时，相变物质吸收冷能凝固；在夜问LNG冷能供应不足时，相变物质融化，释放冷能供给冷能利用没备。

   c.轻烃分离。LNG冷能用于c：+分离和裂解制乙烯装置中的裂解产物深冷分离，是LNG冷能利用的极佳途径。LNG冷能用于轻烃分离的主要产品c2+(主要为乙烷、丙烷和少量丁烷)既可以进一步分离，作为丙烷和LPG(主要成分是丙烷和丁烷)分别出售，义可将其作为制取乙烯的工业原料，并可片作乙烯裂解装置中c2+的分离及乙烷与乙烯的分离，降低其生产成本，市场前景都非常乐观。

3 LNG冷能利用情况

  ①国内利用情况

  中国为予引进国外LNG，在广东深圳和福建莆田建没了LNG接收站，并准备在上海、广东珠海、浙江宁波、山东青岛陆续建设LNG接收站。因此，我国LNG冷能利用潜力巨大”。中国海洋(以下简称中海油)规划，在莆田、宁波、深圳大鹏湾和上海4座LNG接收站相继建设空气分离项目和

民用制冷项目，2010年--2015年将完成中海油各LNG接收站冷能综合利用的全『酊建设与开发。已经进行的莆田LNG冷能利用项日是中海油第一个LNG冷能利用项目，它分为空气分离、发电、轻烃分离、橡胶轮胎粉碎、冷库、海水淡化和干冰制造7个项目。空气分离项目计划2007年12月31日建成，其他项目计划2015年前完成，总造价约15×108元。莆田空气分离项目是中美合资项目，设计日耗冷能100×104 GJ／d，日产液氧250t／d、液氮340t／d、液氩lOt／d。圳大鹏湾LNG冷能利用项目将于2010年建成，计划建设冰雪世界冷能旅游区、空气分离、海水淡化、干冰制造4个项目。宁波LNG冷能利用项目分为空气分离、发电、轻烃分离、橡胶轮胎粉碎、冷库、海水淡化、干冰制造7个项目，空气分离项目计划2010年底建成，其他项目计划2015年前完成。国内多家大专院校和研究机构积极开展了相关研究，先后开发和深化r LNG冷能利用的各项技术。上海交通大学进行了系统的LNG冷能利用研究，取得了一系列成果，清华大学联合中海油进行了实际的冷能利用项目开发，同济大学很早进行了冷能利用原理及方法的探索。，华南理工大学进行了冷能优化集成利用等方面的研究，西安交通大学进行了冷能评价分析及在汽车工艺上的技术研发，上海海事大学进行了LNG冷能的蓄冷及梯级利用方而的研究，中国科技大学进行『{令能利用和评估等方面的研究，中科院工程热物理研究所进行了超临界C02类朗肯循环和布雷顿循环发电等研究。中国市政工程华北设计研究院等大型燃气设计研究单位则从设计、原理和技术、工艺角度进行了LNG接收站及相关冷能开发利用设备流程的研究，以形成节能利用的核心技术。

  ②国外利用情况

  国外已对LNG冷能的应用展开了广泛、深入的研究，并在冷能发电、冷冻食品、空气液化，制取干冰以及低温粉碎方面获得应用，经济效益和社会效益非常明显。LNG冷能利用已相当成熟，世界上多个国家都采用了LNG冷能利用技术，像日本就已经利用LNG冷能进行空气分离、发电、干冰制造和冷库冷藏，利用LNG发电至今已有超过30年的历史。空气分离在LNG冷能技术中应用最为广泛，在韩国、澳大利亚都有应用。韩国蔚山大学运用LNG冷能实现轻烃分离。法国有将LNG冷能用于空气分离的实践，如法国FOS—SUR—MER的冷能回收系统。在这个系统中，LNG冷能主要用于液化空气厂，也用于旋转机械和汽轮机的冷却水系统。美国、俄罗斯、欧盟国家和地区的LNG冷能利用发展到了立用阶段。

4 LNG冷能的梯级利用与注意问题

  ①LNG冷能的梯级利用

  按质用能、分级调节是LNG冷能利用的指导原则。将LNG冷能应用于不同领域，从热力学第一定律分析都是对这部分冷能的利用，不存在本质差别。但是，从热力学第二定律特别是从火用的角度分析，则LNG冷能用于不同领域的效果明显不同。若不加以统筹考虑，将造成不合理利用。由此，对LNG冷能进行梯级利用是较好的解决方案。

  梯级利用的第一级应当充分利用LNG冷能的低温特性。在通常用途中，与此温度相匹配的是空气分离。窄气分离的主要方法是将空气液化，这种方法须在一150一一191℃条件下进行，这样的低温与LNG气化时的温度一162℃十分匹配。实际上，空气分离时所需冷能并不全由LNG冷能供给，还需电制冷或其他方式补充冷能，但仅就LNG与空气的换冷，二者的品位匹配程度很高。LNG在李气分离装置中通过换冷后的温度约一100℃，作为冷能利用第二级，可用作乙烯裂解装置中c2+的分离及乙烷与乙烯的分离。干冰温度为一78．15℃，此温度与LNG通过空气分离装置后的温度较为匹配，将制取干冰作为LNG冷能利用的第三级具有可行性。利用LNG冷能制取干冰后，其温度仍大大低于环境温度，还可利用其冷能。冷库适合作为LNG冷能梯级利用的第四级，此方案可行，且设计冷库时可根据各冷间设计温度的不同，对LNG冷能的利用做进一步优化。

  ②注意问题

   a．经济性。目前任何单一利用技术都无法充分利用LNG冷能，过程炯损失较大。

   b．技术评价。我国关于LNG冷能利用技术的研究尚处于起步阶段，不具备系统全面的LNG冷能利用技术的研发指导机制，缺乏此类技术的评价方法。

    c．宏观调控。在未来十儿年内我国将在沿海地区相继建成多座LNG接收站，冷能的利用及其产品的应用会受到市场和生产环境的制约，元序的利用丁程将导致产品的积压，降低冷能利用效率，影响LNG产业的发展”。

    d．工艺性。尚未建立开发冷能梯级利用的技术平台，设计符合能源节约和****限度利用的技术工艺，形成完整的工艺流程，用于指导LNG接收站建设及配套。

    e．经济、社会效益****化。区别于直接利用环境介质，如地下水、空气、海水，利用LNG冷能适应环保和经济型社会的发展要求，具有直接的经济和社会效益，使之****化是我们应考虑的问题。

5结语

    随着LNG用量的迅速增长以及全球性能源供应紧张形势的加剧，合理利用LNG冷能显得尤为重要，研究如何对LNG冷能进行梯级利用将成为LNG产业的一个重要课题。滚技术能节约更多的能源、降低成本，有利于我国LNG产业的发展。在冷能利用中，无论用于空气分离装置、发电、制取液态二氧化碳还是冷库，进行不同的温度级别、各种方法组合优化，以达到充分利用LNG冷能的目的，是今后该领域研究的发展方向。

 

 

 

 

 

 

 

 

                                            摘录《煤气与热力》