LNG冷能利用途径及适用特点大盘点

newwish 2018-03-20

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对LNG冷能利用的现状、特点进行了总结分析。将LNG的使用方式分为直接利用与间接利用，阐述的两种利用方式的最基本原理，对比了两种方式的优缺点。LNG冷能的间接利用主要是冷能转化为电能，转化的电能适用范围广、便于传输;直接利用方式不存在能量类型的转化，直接用于制冷场所或设备、装置的降温，冷能利用率高，但不便于远距离传输。

概述

随着环境问题的不断突出，我国能源消费结构也发生了相应变化。液化天然气(LNG)因其清洁环保等优点已逐渐成为重要的战略储备能源。工业生产中，通过消耗大量的电能将天然气液化为-162°C的低温液体混合物。因此，LNG气化时也会释放大量冷能，约为830~860，折合电能约231。由于LNG温度较低，在进入城市燃气管网前需要加热升温，传统的加热方式是直接采用海水汽化器或燃气加热器加热，这造成LNG冷能的极度浪费。随着我国LNG工业的不断发展，越来越多的企业与研究单位开始重视LNG冷能的再利用。LNG冷能的利用，不但节约能源、保护环境，而且能够产生可观的经济效益和良好的社会效益。目前国内外己经形成了多种LNG冷能利用技术，按照利用原理可以概括为两大类:一类是LNG冷能的直接利用，即冷量以传热的形式应用，如低温冷藏室、深冷粉碎废旧橡胶、制取液态二氧化碳或干冰等;另一类是LNG冷能的间接利用，即利用冷流体吸热膨胀对外做功，转化为其它形式的能源并进一步加以利用，目前最常见的是冷能发电技术。本文将针对不同的LNG冷能利用方法开展讨论，阐述不同冷能利用方法的适用条件、不足及未来研究方向。

LNG冷能利用的主要途径

1.1 LNG冷能的间接利用

LNG冷能间接利用的最主要的途径即“冷能发电”。冷能发电是以电能的形式回收LNG冷能，主要利用LNG的低温冷量使工质液化，然后工质经加热气化后在汽轮机中膨胀做功带动发动机发电。目前，主要发电方式有直接膨胀法、采用中间媒介的Rankine循环法、Brayton循环法和燃气轮机的近气冷却等。

1.1.1 直接膨胀法

直接膨胀法是首先将天然气压缩为高压液体，然后通过换热器被海水加热至常温状态，再通过透平膨胀对外做功。这种循环的优点是循环过程简单，所需设备少。但是，由于LNG的低温冷量没有充分利用，故其对外做功亦较少，冷能回收效率仅为24%。此类透平膨胀机的功率与膨胀前后的压缩比有关，对于外输所需压力较高的情况，不宜采用此类方法。

1.1.2 采用中间媒介的Rankine循环法

此种中间媒介法是将低温的液化天然气作为冷凝液，通过冷凝器，把冷量转化到另一冷媒上，利用液化天然气与周围环境间的温度差异，推动冷媒进行蒸气动力循环，从而对外做功。此类中间媒介主要有甲烷、乙烷、丙烷等单组分，或者采用它们的混合物。液化天然气是多组分混合物，沸程很宽，要提高效率，使液化天然气的气化曲线与工作媒体的凝结曲线尽可能保持一致是十分必要的。因此，使用混合媒体更有利。这种方法对液化天然气冷能的利用效率要优于直接膨胀法。但是，由于高于冷凝温度的这部分天然气冷能没有加以利用，冷能回收效率也必然受到限制。采用中间媒介的Rankine循环是LNG冷能发电中采用较多的一种方法。

1.1.3 Brayton循环法

Brayton循环由压缩机、氮气涡轮机与热交换器组成。相同增加比情况下，低温气体耗功更低。所以此流程中，氮气首先被LNG冷却，经压缩机增压后进入热交换器升温，再进入透平膨胀机做功，输出电能。

1.1.4 联合法

联合法实质上是直接膨胀法和低温Rankine循环法的结合。经循环泵加压的LNG在冷凝器中将冷能传递给中间介质，之后中间介质开始进行Rankine循环，借助透平膨胀机对外输出电力;同时，释放冷能后的LNG膨胀对外做功，借助透平膨胀机，输出电能。相比单一的直接膨胀法或者Rankine循环法，联合法对冷能的回收率更高，每吨LNG回收的电量大约在40~45。

1.1.5 LNG与燃气轮机联合流程

该流程是Rankine循环法、直接膨胀法以及燃气轮机发电的综合方法。Rankine循环是最上游的流程，LNG经过换热器与中间媒介(如丙烷等)换热后进入直接膨胀流程，中间媒介通过吸热膨胀并经过透平膨胀机输出电能;进入直接膨胀流程的低温天然气与海水换热后体积膨胀，通过透平膨胀机对外输出电能;经过充分换热的天然气作为燃料，与空气充分混合后，借助燃气轮机输出电能。

对于燃气轮机，入口空气的温度下降可以有效提高空气质量流量，进而使燃气轮机的效率显著提高。所以，此类流程中也通常将燃烧前的低温天然气与空气进行换热，降低燃气轮机入口空气温度，以提高燃气轮机工作效率。

1.2 LNG冷能的直接利用

LNG冷能的直接利用是通过传热的方式，将冷能应用于需要制冷的行业或者空间、设备等，中间不存在内能向其他类型能量转化的过程。LNG冷能可以直接应用于冷库、滑雪场等低温场所，也可以为住宅制冷，工业中也可用于空气液化、橡胶粉碎等。

1.2.1 LNG冷能用于空间降温

以传热的方式使密闭空间降温是LNG冷能利用的最直接方式。可以借助LNG冷能降温的密闭空间包括冷冻仓库、办公楼与住宅等建筑物。

LNG应用于冷冻仓库

由于远洋运输的需要，大型的冷库与LNG基地通常设在港口附近，这为LNG冷能供给冷库提供了良好的条件。通常情况下，LNG与制冷剂进行换热，之后制冷剂进入冷库的制冷系统，通过冷却盘管降低冷藏室内物品温度。根据制冷需要，还可以优化设计换热方式，逐级利用LNG冷能，实现对不同冷库的降温。LNG冷能在冷库中的应用可以有效降低机械制冷的成本。

办公楼与住宅等建筑

对于许多办公楼与住宅，通常设有空调制冷系统以在夏季维持室内处于较适宜的温度。与冷库原理一致，LNG冷能也可以应用于办公楼、住宅等建筑物内部环境的降温。然而，通常情况下，LNG基地周围的建筑物数目有限，而且不宜采用LNG长距离管道输送的方式运输冷能，所以此种方法通常局限于LNG站内建筑物。

1.2.2 LNG冷能用于空气液化

传统液化空气的方式所需冷却能大约是0.756，而LNG冷能的利用可以降低其他能量的消耗。利用LNG冷能液化空气的流程包括空气压缩、空气净化、空气冷却、冷却发生、精馏几部分，LNG通过换热器实现空气冷却0。利用LNG冷能冷却空气制取液态氮、氧，可以降低50%的电能消耗和30%的水耗，大幅度降低生产成本，显著提高经济效益。

1.2.3 LNG冷能用于CO2液化与制取干冰

与液化空气的原理一致，借助LNG冷能实现CO2液化或制取干冰，可以有效减小其他能量的消耗。文献0指出，利用此方法制造液态二氧化碳或者干冰，耗电量仅为0.2，相比传统液化工艺节约电能50%，有效降低了制冷设备的负荷，且产品纯度高达99.99%。

1.2.4 LNG冷能用于粉碎废旧橡胶

废旧轮胎的大量堆积不仅占用土地、浪费资源，而且还带来严重的环境污染。胶粉制备是废旧橡胶的再生利用的主要处理方法之一。传统胶粉制备主要利用液氮喷淋橡胶，使其冷却至玻璃化温度，进而机械粉碎。由于LNG携带大量冷能，LNG用于橡胶粉碎的技术逐渐得到重视。但与氮气冷却不同，LNG作为燃气不能与橡胶直接接触，所以需要间接制冷媒介。通常情况下，冷冻过程涉及到LNG、空气(间接制冷媒介)与橡胶三种介质:LNG经过换热器与空气换热，低温空气为橡胶冷却与粉碎提供冷量，升温后的空气再次循环至换热器中与LNG换热。

1.2.5 LNG冷能用于滑雪场

由于携带了巨大冷能，LNG也被用于滑雪场“冰雪世界”的制冷。深圳位于亚热带地区，但目前正筹划利用LNG所携带的巨大冷能建造冰雪世界。深圳大鹏半岛规划有中海油、中石油、深圳市燃气集团以及大鹏LNG共4座大型LNG接收站。若4座LNG接收站全部投运，则每年LNG处理量可达到1300万吨以上，伴随着巨大的冷能与潜在经济效益。现有冰雪世界的冷负荷按照200计算，对于面积为的场所，所需总冷负荷为2MW，不考虑能量损失，折算所需的LNG的质量流量大约为8.5，而每年节约制冷电费可达数百万元。