液化天然氣（LNG）冷量的利用技術

宋翠紅

中原石油勘探局勘察設計研究院 河南濮陽 457001

液化天然氣（LNG）冷量的利用技術

宋翠紅

中原石油勘探局勘察設計研究院 河南濮陽 457001

進入新世紀以來，在一次性煤、石油、天然氣化石燃料消費中，天然氣所占的比例逐年增加，與此同時液化天然氣（LNG）產業也得到了快速發展，LNG蘊含著極為可觀的冷量。隨著LNG產銷量的迅速增長，以及全球性的能源緊張，LNG冷能的利用尤為重要。目前，LNG冷能已經用于發電、空分、輕烴分離、冷凍倉庫、低溫粉碎等相關領域，此外，LNG冷能梯級利用技術也逐步趨于成熟。因此，實現LNG產業能源的綜合集約利用將會帶來巨大的經濟效益。

液化天然氣 冷量 梯級利用

隨著我國對LNG的需求量日益增加，我國在廣東、福建、浙江、江蘇、山東等沿海地區陸續興建了多個LNG接收站。據2011年中國石油化工產業綜述的數字表明：截至2011年年底，全國已投產運營5座LNG接收站，年液化天然氣接收能力達1580萬t，存儲能力已上升至世界第六位，預計到2015年，將迅猛增到4200萬t。

LNG經過氣化后進入輸氣管網輸送給各類用戶，作為城市燃氣、燃氣汽車燃料、燃氣空調、工業燃料和化工原料加以利用。在LNG氣化過程中，將大約產生830k J/kg的低溫能量。通常這部分冷量可以通過天然氣氣化器被空氣、海水、蒸汽、導熱油、乙二醇吸收，其中包含的冷量火用未能得到利用，造成巨大的能量浪費。因此，積極尋求和高效利用LNG的冷能具有重要的意義。

1 LNG的冷能利用

LNG冷能利用，可以根據利用過程的不同，分為直接利用和間接利用兩種。直接利用包括LNG冷能發電、空氣液化分離、制取液態CO2和干冰、冷凍倉庫、輕烴分離與切割、海水淡化等，間接利用包括低溫粉碎廢棄物、冷凍食品、LNG蓄冷等。

1.1 冷能發電

利用LNG冷能發電是以電能的形式回收LNG的冷能，主要是利用LNG的冷能使工質液化，然后工質經受熱氣化在氣輪機中膨脹做功帶動發電機發電。依靠動力循環進行發電是目前LNG冷能回收利用較為成熟的技術。LNG冷能在發電方面的利用主要有3種形式。

1.1.1 接膨脹發電

LNG從低溫儲罐或管道出來，經低溫泵加壓后，在天然氣汽化器氣化為高壓天然氣，直接驅動透平膨脹機，帶動發電機發電，這個過程主要利用LNG的壓力能，冷能回收量取決于氣輪機進出口氣體的壓力比。該方法效率不高，發電的功率較少，冷能回收僅為24%，但循環過程簡單，所需的設備少。一般情況下與其他LNG冷能利用方法聯合使用。

1.1.2 降低蒸汽動力循環的冷凝溫度

將低溫的液化天然氣作為冷凝劑，通過冷凝器，把冷量轉移到另一介質上，利用介質與環境溫差，推動介質進行蒸汽動力循環，對外做功，帶動發電機發電。這種方法冷能的利用效率與所選的低溫介質有關，工作介質的選取相當重要。工作介質有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等單組份，或者采用他們的混合物。單工質循環系統的冷能回收率并不高，只有18%；碳氫化合物混合工質循環的冷能給你回收率大大提高，可達到36%。

而目前使用最多的是將以上兩種方法聯合起來，可以進一步提高冷能回收率。即使天然氣的輸送壓力提高也可以回收相當多的冷能[1]。

1.1.3 降低氣體動力循環的吸氣溫度

燃氣輪機循環是氣體動力循環的一種形式。據燃氣輪機知識，降低燃氣輪機的吸氣溫度，將會顯著提高循環做功和循環效率。實際應用中，通常利用LNG預冷空氣來提高機組的效率，增加發電量。由于LNG氣化的溫度很低，因此需采用易揮發介質作為中間載冷劑，將冷能傳遞給空氣。但溫度必須嚴格控制在0℃以上，以防止水蒸氣在冷卻裝置上凍結，造成冰堵。

LNG冷能發電是一種新型的無污染發電方式，是一種節能的好方法，但它只考慮到LNG的冷能回收利用，并沒有對LNG冷能品位的利用，這種方式對冷能的回收效率是相當低的。現實生產1t的LNG要消耗850kW/h能量，即使LNG擁有的冷能以100%的效率轉化為電能，1t LNG的冷能也只相當于240kW/h。所以，利用LNG冷能發電是最可能大規模實現的方式，但不一定是利用LNG冷能最科學的方式。

1.2 液化分離空氣

通常的空氣分離辦法就是將空氣液化，通過工質為氟利昂冷凍機、膨脹透平制冷進行空氣的液化分離，提取氮氣、氧氣、氬氣等。而LNG冷能分離空氣，是通過工質氮氣換冷，利用氮氣冷卻來實現的。

利用LNG的低溫特性不但可減少建設費用，而且生產液氮、液氧的單位耗能也大大降低了。由于LNG冷能分離空氣能夠減少制冷時電力的消耗，此法分離空氣得到了充分的應用。回收的LNG冷能和兩級壓縮式制冷機冷卻空氣，制取液氧、液氮，制冷劑容易實現小型化，電能消耗相對較低，水消耗也減少30%，液氮、液氧的生產成本顯著下降，經濟效益相當可觀。此外，低成本制造的液氮可以拓展LNG應用的溫度領域，達到更低-196℃，可以用于真空冷阱、生產半導體器材、食品速凍等。利用制取的液氧還可以進一步得到高純度的臭氧，在污水處理方面用處很大。

1.3 制取液態CO2和干冰

工業生產中很多地方都產生大量的CO2，尤其是發電廠、化工廠和油氣田生產等，大量的CO2排放引起全球性的氣候變暖，溫室效應加劇,因此如何處理CO2已經成為一個棘手的難題。方法之一就是將其液化、固化。傳統的CO2液化工藝是將CO2壓縮至2.5～3.0 MPa再利用制冷設備冷卻后液化。利用LNG冷能則很容易獲得冷卻和液化CO2所需要的低溫，從而使制冷設備的工作壓力降低到0.9 MPa左右，以化工廠的副產品CO2為原料，利用LNG冷能制造CO2和干冰，不但耗電量減少，而且產品的純度極高。

1.4 冷凍倉庫和低溫儲糧

LNG接收站和大型的冷庫基本都建在港口碼頭附近，因此，冷庫利用LNG回收的冷能就很方便。利用LNG冷能作為冷源的冷庫，只需將載冷劑冷卻到一定的溫度后經管道進入冷庫、糧庫、冷藏庫，通過內部的冷卻盤管釋放冷能，實現對物品、糧食的冷凍和冷藏。雖然冷庫使LNG的冷能幾乎無浪費地使用，且不用制冷機，降低了建造費和運行費，但一般的冷庫只需維持在-50～-65℃即可，而將-162℃的LNG冷能全部用于冷庫制冷是不必要的。為了高效地利用LNG的冷能，可以將LNG分成不同的溫度帶，采用不同的載冷劑進行換冷，依次進入低溫凍結庫，低溫凍結裝置，冷凍庫，冷藏室，預冷裝置，這樣冷能的利用率就大幅度提高了，運行成本較機械制冷下降很多。

目前，我國規劃建設的LNG接收站均位于經濟發達的東南沿海地區的港口附近，而同樣為了便于運輸與周轉，大型的糧食儲備庫也均建在交通運輸便利的港口附近。例如，福建LNG接收站緊鄰中央儲備糧莆田直屬庫[2]，這為糧食儲備庫按照“溫度對口，梯級利用”原則利用LNG冷能進行低溫儲糧提供了可能。糧食儲備庫利用LNG冷能進行低溫儲糧主要有兩種方式：即直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分裝置副產的污氮氣體（區別于純氮，含氧量在5%以下）。LNG實現低溫儲糧，不僅可以降低低溫儲糧的能耗成本，也為LNG冷能的利用提供了新的方法。

1.5 低溫粉碎

輪胎、塑料以及其他的化學合成物在常溫不易粉碎也不容易降解，回收起來相當困難，但它們基本都具有低溫冷脆性，當溫度低到一定程度時，其強度大大降低，只需很小的沖擊力就能將其粉碎。利用LNG先冷卻液體氮，再利用液氮冷凍廢棄物，最后將廢棄物粉碎以達到回收的目的。

1.6 輕烴分離和切割

天然氣生產中通常要回收乙烷及乙烷以上的輕烴，除了使天然氣達到商品外輸要求外，還可以追求最大的利潤。而LNG冷能用于C2+分離切割和裂解制乙烯裝置中的裂解產物的深冷切割，這是LNG冷能利用的最佳方式。LNG冷能用于輕烴分離的產品主要是乙烷[3]，丙烷和少量的丁烷，可以進一步的切割，得到丙烷，LPG（丙烷和丁烷），天然汽油（C5+）等商品分別出售，提高天然氣處理廠的經濟效益[4]；用于乙烯裂解氣的分離，可以大大降低乙烯的生產成本。

2 冷能的梯級利用

如果僅僅考慮LNG冷能的回收是不夠的，還應考慮LNG冷能品位的利用，這樣能量的利用率才有較大的提高。而對LNG冷能進行梯級利用是一個很好的途徑。

分離空氣的溫度范圍是-150～-190℃，LNG的氣化溫度是-162℃，處于空分溫度的范圍之間，二者相匹配，把空分作為LNG冷能梯級利用的第一級，能夠充分利用LNG的低溫特性；LNG在第一級換熱出來的溫度大概在-100℃左右，而CO2的液化溫度是-70℃，干冰的生成溫度是-78.5℃，因此，制取液化CO2和干冰可以作為LNG冷能梯級利用的第二級。此后，LNG溫度與環境溫度仍有很大的差距，而冷庫的溫度范圍為-60℃～10℃，此溫度范圍正適合作為LNG冷能梯級利用的第三級。三級之后，LNG氣化的溫度差不多就是供氣的溫度，經供氣前處理后供給天然氣用戶。LNG經低溫儲罐或管道出來后，經過三級冷能利用設備，溫度不斷的提高，同時各級換熱溫度匹配良好，較為充分的利用了LNG的冷能。

3 結語

LNG冷能利用前景相當廣闊，積極合理利用蘊藏的冷能具有重要的意義。梯級利用冷能是提高LNG冷能利用率的最有效途徑。特別指出的是，LNG冷能的利用應向集成化、一體化、高效化發展，達到能源的綜合集約利用和提高LNG產業經濟效益的雙重目的。

1 彭世尼,周廷鶴.LNG冷能利用技術探討 [J].城市燃氣，2008(11):15-18.

2 熊永強,陳忠南,高麗榮,李亞軍等.利用LNG冷能開展低溫儲糧[J].天然氣工業，2009/5.

3 熊永強,李亞軍.液化天然氣冷量利用與輕烴分離集成優化 [J].現代化工,2006,26(3):50-53.

4 馮叔初,郭揆常等.油氣集輸與礦廠加工 [M].中國石油大學出版社,2006年5月第二版.

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1672-9323（2012）05-0052-02

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