液化天然气(LNG)冷能利用研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2016年第35卷第3期·748·化工进展液化天然气（LNG）冷能利用研究进展王方，付一珂，范晓伟，朱彩霞（中原工学院能源与环境学院，河南郑州450007）摘要：液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的优质能源，其汽化释放的大量冷量具有极大的经济价值及环保价值，但却存在LNG冷能利用率不高的普遍问题。本文阐述了LNG冷能利用的各种方式，比较了各种方式的优缺点及冷能需求，分析了其利用前景及环保价值。介绍了国内外液化天然气冷能利用技术的开发与研究进展，指出了其冷能利用率普遍不高的原因。在此基础上强调了LNG冷能“温度对口，梯级利用”原则的重要性，开发蓄积和储存冷能的装置以及研发新型载冷剂的迫切性，并提出因地制宜选择冷能利用项目，拓展新的冷能利用形式。关键词：液化天然气；冷能利用；㶲；相变；回收中图分类号：TE642文献标志码：A文章编号：1000–6613（2016）03–0748–06DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.015Areviewonliquefiednaturalgas(LNG)coldenergyutilizationWANGFang，FUYike，FANXiaowei，ZHUCaixia（SchoolofEnergyandEnvironment，ZhongyuanUniversityofTechnology，Zhengzhou450007，Henan，China）Abstract：Asanenergysource，liquefiednaturalgas(LNG)hastheadvantagesofcleanandefficient.ThevaporizationofLNGreleasesalargenumberofcoldenergy，whichhasgreateconomicvalueandenvironmentalvalue.ButitisacommonproblemthatLNGcoldenergyutilizationrateislow.ThispaperpresentsvariouswaysoftheLNGcoldenergyutilization，comparestheadvantagesanddisadvantagesandcoolingenergyrequirementsamongthem，anddicussestheprospectsfortheirutilizationandenvironmentalvalues.LNGcoldenergyutilizationtechnologydevelopmentandtheresearchprogressarealsointroduced.Tosolvetheproblemoflowutilizationrate，suggestionsoftakingadvantageoftheprincipleoftemperaturecounterpartandcascadeutilization，developingaccumulationandcoldenergystoragedeviceaswellasdevelopingnewrefrigeratingmedium，areproposed.Thechoiceofcoldenergyprojectsshouldbebasedontheavailabilityoflocalconditionsandnewformsofcoldenergyutilizationneedtobedeveloped.Keywords：liquefiednaturalgas(LNG);coldenergyutilization;exergy;phasechange;recovery天然气作为一种清洁、高效的能源，其利用对我国大气污染防治具有重要意义。近年来，我国天然气消费量快速增长，液化天然气（liquefiednaturalgas，LNG）作为天然气的液态形式，是天然气经过净化处理、降温至−162℃时形成的液体，体积变为原来的1/600，其存在增加了天然气储运和利用的灵活性，扩大了天然气的应用范围。生产1吨液化天然气的设施及动力耗电量约850kWh，而LNG汽化时放出大量的冷量，其值约为830～860kJ/kg，LNG汽化过程伴随大量可用冷能的释放，1吨LNG经换热汽化在理论上可利用的冷量约为230kWh。但正常情况下，这部分冷量通常在LNG汽化器中收稿日期：2015-08-01；修改稿日期：2015-08-31。基金项目：河南省重点科技攻关项目（152102210363）。第一作者及联系人：王方（1976—），男，博士，副教授，主要从事建筑能源新技术、热泵空调节能技术及LNG冷能利用技术研究。[e-mail]。综述与专论第3期王方等：液化天然气（LNG）冷能利用研究进展·749·被舍弃了，不仅造成了大量的能源浪费，甚至还会造成环境污染。回收这部分冷能不仅有效利用了能源，还减少了机械制冷的大量电能消耗，具有可观的经济与社会效益。为此，LNG冷能利用引起了国内外学者的广泛关注。1LNG冷能利用技术应用1.1LNG冷能主要利用方式LNG冷能利用一般分为直接利用和间接利用两种方式。其中，直接利用主要集中于低温发电、空气分离、干冰制造、轻烃分离、超低温冷冻、海水淡化、汽车空调和低温养殖、栽培等方面，间接利用主要是通过LNG冷能生产液氮或液氧，再利用液氮、液氧分别进行低温粉碎、低温生物工程、污水处理等工艺。其利用方式及利用温度如表1所示。表1LNG冷能利用方式及温度直接应用温度/℃间接应用低温饲养和培育10低温除盐0冷库−20储存及运输冷冻食品低温发电−40生产液态CO2−60生产干冰−80−100食品冷冻−120冷冻-粉碎食品−140粉碎塑料和橡胶−160粉碎废弃家电空气分离−180−200高温超导1.2LNG冷能利用前景随着天然气消费需求量的增加，我国天然气进口量也成递增趋势，2007—2012年天然气净进口量年均增长速率约为94.2%。其中，LNG进口占据相当大的比重，2012年我国LNG进口量为1496.0万吨，约占同期天然气进口量的48.2%。预计2020年，我国天然气市场供需缺口将达1415.0万吨[1]，为了弥补这一缺口，可以预见我国LNG进口量将进一步加大，由此催生的LNG冷能利用技术将具有光明前景。目前，LNG冷能回收技术得到了各国政府和企业的广泛关注，全球大型LNG接收站逐步增多，LNG进入高速发展阶段，这为LNG冷能利用技术的快速发展提供了可能。日本的LNG冷能利用技术走在世界前列，其低温发电、空气分离、液态二氧化碳及干冰制造和低温冷库技术均达到国际先进水平，LNG冷能利用率约为20%～30%。我国LNG冷能利用技术起步较晚，发展尚不成熟，总体利用程度不高。中国海洋石油集团公司作为我国LNG冷能利用的领军企业，目前已在冷能空分、冷冻胶粉、丁基橡胶等多项技术领域取得了重大进展，冷能空分装置已投入商业运行，冷冻胶粉和丁基橡胶等项目也已进入工业应用的实质性推进阶段，具有丰富的冷能项目建设运行经验，在国际同类企业中具备一定的竞争力。中国石油天然气集团公司和中国石化集团公司目前也在加紧研发LNG冷能利用技术，具有一定的后发优势。未来几十年内，发展LNG冷能利用技术对我国能源的综合利用具有重要意义。我国LNG冷能利用相关项目[2]见表2。1.3冷能利用方式比选表3总结了几种LNG冷能的主要利用方式，并分析了各自优缺点及冷能需求，对因地制宜选择表2我国LNG冷能利用相关项目规模/万吨·年−1项目所在地接收站投产时间站线状态一期二期深冷空分/吨·天−1轮胎粉碎/万吨·年−1丁基橡胶/万吨·年−1海水淡化/吨·天−1冷能发电/兆瓦冷冻冷藏/万吨液态二氧化碳/万吨·年−1轻炔分离/万吨·年−1冷能利用率/%深圳大鹏2006.5运营投产3703008208—1200————约10福建莆田2008.4运营投产2602606102—1000105——25.2上海洋山港2009.1运营投产30030012408—120055——17.5辽宁大连2011.11运营投产3003006005114——230——浙江宁波2012运营投产300300620251200—4.5———唐山曹妃甸2014在建3506508205———153064—海南八所港2014.8在建2001004102———————化工进展2016年第35卷·750·表3LNG主要利用方案比选利用方式优点缺点冷能需求建议空气分离㶲利用效率高、压缩机尺寸小、能耗低投资多，占地大高、多且要求工艺平稳适用于大型气化站冷能发电技术成熟，易大规模实现投资多，占地大高、多且要求工艺平稳适用于大型气化站低温粉碎实用性强，能耗低设备复杂，占地大中等，要求工艺平稳处于产业链下游冷冻仓库能耗低，占地少，投资省，维护方便产业链要求较高中等、多且要求工艺平稳技术相对简单，需要与下游市场匹配冷能制冰工艺流程简单，技术成熟，能耗低，占地少，投资低冷能利用率低低适合各类LNG气化站干冰生产操作压力低，能耗低设备多，占地大，产业链要求高较低需要与下游市场匹配蓄冷装置便于冷能储放技术要求高，占地较大，增加投资较高加大研发力度空调便于低品位冷能利用冷能输送距离较远较低需结合周边用户，适合各类LNG气化站低温养殖/栽培利用低品位冷能，可养殖/栽培需要低温的动植物占地大较低养殖技术要求高滑冰场利用低品位冷能，可养殖/栽培需要低温的动植物占地大中等且要求工艺平稳需与周边市场匹配，适合中型以上气化站冷能利用方式提供了帮助[3]。2国内外LNG冷能利用研究进展不管是直接还是间接利用LNG冷能的方式，都是通过单一途径对LNG冷能进行回收利用，从热力学㶲的角度分析，单一的途径不能对LNG冷能充分利用，㶲损耗较大。目前很多业内专家建议应将多种回收方式进行综合利用，以提高LNG冷能的利用率。2.1LNG冷能用于冰蓄冷陈秋雄等[4]开发了一种将LNG冷能与冰蓄冷系统供冷相结合的技术。通过冰蓄冷的形式将LNG气化所释放的冷量储存起来，再经过换热将冷量提供给空调循环水，起到“削峰填谷”、平衡电力负荷的作用，明显节约用户电费。图1为冰蓄冷空调工艺流程[4]。林苑[5]确定了一套将LNG冷能用于冰蓄冷空调的两级冷媒冷量传递工艺设计方案。分别采用R404a和30%乙二醇溶液为一、二级冷媒，得到两台换热器的㶲效率分别为30.88%和43.86%。经分析，可知引起㶲损的主要原因是换热过程中存在高温差，作者又从减小换热温差的角度对工艺方案进行了进一步优化。2.2LNG冷能用于空气分离夏鸿雁等[6]提出将LNG冷能用于空分设备，主要是利用液化天然气的冷量来取代膨胀机制冷循图1冰蓄冷空调工艺流程环。将LNG低温级冷量用于液化高压氮气，LNG常温级冷量则提供给乙二醇冷却水系统。该LNG冷能空分设备比常规空分设备节能50%，且配套循环冷却水系统有明显节电、节水效果。图2为LNG第3期王方等：液化天然气（LNG）冷能利用研究进展·751·图2LNG冷能回收系统示意图冷能回收系统示意图[6]。魏林瑞等[7]提出了利用液氮冷媒补冷，维持空分装置连续运行的方案，解决了由于不同时段和不同季节用户用气波动而导致LNG空分装置因冷量中断而被迫频繁停车的问题，并从经济角度对比分析了利用液氮补冷维持空分装置连续运行与直接停车再冷开车的方案。2.3LNG冷能用于冷库杨春等[8]提出一种液化天然气（LNG）冷能用于冷库和冷水的橇装化装置，该装置包括3个系统：LNG气化系统、冷媒循环系统和冷水生产系统。LNG通过气化系统将冷能传给冷媒，冷媒又将冷能用于冷库和通过冷水生产系统传给冷水，冷媒解决了LNG气化和应用在时间和空间上不同步的问题。肖芳等[9]改进了LNG冷能用于冷库制冷技术的工艺流程，解决了当天然气用户需求较少时，LNG冷能供给不