LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的分析

王文化， 張 琳， 王 敏， 杜 洋

(1.淄博綠能燃氣工程有限公司，山東淄博255000；2.華南理工大學，廣東廣州510000)

1 概述

我國是農業大國，水果蔬菜資源豐富，近年來，我國的脫水果蔬加工業得到了迅猛發展，脫水果蔬已成為我國重要的出口農產品之一[1-4]。在LNG氣化過程中，大約有830～860 MJ/t的冷量白白浪費掉[5]。果蔬冷凍干燥過程中需要大量冷能[6]，如果能夠將LNG氣化過程中浪費的冷能利用到果蔬冷凍干燥加工工藝中，那么不僅可以很好地回收冷能，而且對促進LNG產業的綠色健康發展以及推動現代農業和速凍食品產業發展具有積極作用。

本文以某LNG調峰儲配站為例，將LNG冷能利用與果蔬冷凍干燥加工工藝相結合，設計出一種LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工工藝的方案，對設計的LNG冷能利用工藝進行模擬分析，進行經濟衡算，在提高冷能利用率的同時，降低了果蔬冷凍干燥加工工藝的投入。

2 方案設計

2.1 項目概況

本項目LNG調峰儲配站占地29 333 m2，主要包括以下幾部分：供氣規模為30×104m3/d的LNG氣化站(按24 h均勻氣化)、加氣規模為5×104m3/d的CNG加氣站、加氣規模為3×104kg/d的LNG加氣站、相應的輔助配套設施。本文采用氣化站日供氣量為30×104m3/d的供氣規模進行計算，暫不考慮CNG加氣站的冷能利用。LNG氣化站的供氣量較為穩定，氣化外輸壓力為0.8 MPa，氣化外輸溫度≥0 ℃。本項目的氣源接收貧液LNG、富液LNG，本文采用貧液LNG進行模擬計算，其組成見表1。

表1 LNG組成

2.2 冷媒比選

目前LNG冷能利用系統常用的冷媒主要有氯氟烴和碳氫化合物，還有乙二醇水溶液、乙醇、鹽水、氨等。針對不同的冷能利用場所，需要選擇適合相應工藝的冷媒。以下從溫位、經濟性兩個方面來分析，確定冷媒換熱思路，選擇適合LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的冷媒。

果蔬冷凍干燥工藝基本分為兩個階段，即預冷段和真空干燥段[7]，兩個階段所需溫位分別在-30～-15 ℃和-60～-40 ℃區間[8-10]。

預冷段溫位較淺，與LNG(-162 ℃)溫差過大，直接換熱可能會發生凍堵。因此，選擇進行二級換熱，即采用兩種冷媒，一級冷媒與LNG換熱，再使一級冷媒與二級冷媒換熱，通過二級冷媒將冷能傳遞給預冷段。根據預冷段溫位，初步設計二級冷媒溫度在-25 ℃左右，進入預冷段內供冷后二級冷媒溫度升高至-15 ℃附近。

真空干燥段所需冷量的溫位相對較深，約-55 ℃。同時考慮到預冷段需要二級換熱，本著冷能回收利用最大化原則，確定冷媒換熱思路：一級冷媒與-162 ℃的LNG換熱后溫度降至-55 ℃，返回一級冷媒儲罐，然后分為兩股。一股直接進入真空干燥段提供冷量，一級冷媒溫度升至-45 ℃左右。另一股一級冷媒與二級冷媒進行換熱，一級冷媒溫度升至-45 ℃左右，然后與第一股一級冷媒匯合，再與LNG換熱。

根據溫度要求，乙烷完全滿足一級冷媒換熱需求，且經濟實惠，故一級冷媒采用乙烷較為合適，控制其與LNG換熱器的進口溫度為-45 ℃，出口溫度為-55 ℃。二級冷媒由于與一級冷媒乙烷換熱，為了防止凍堵，故采用質量分數為50 %的乙二醇水溶液較為合適，控制其與乙烷換熱器的進口溫度為-15 ℃，出口溫度-25 ℃。

2.3 工藝流程

根據確定的換熱思路，設計LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的工藝流程，見圖1。

圖1 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥的工藝流程

LNG從調峰儲配站原有LNG儲罐出來，經LNG泵輸送至換冷站，壓力為0.8 MPa，溫度為-162 ℃，質量流量為9 t/h。LNG在換冷站內的LNG-乙烷換熱器內與一級冷媒乙烷換熱后氣化，變成壓力為0.8 MPa、溫度為-50 ℃的天然氣。然后經換冷站內的空溫式換熱器加熱至溫度≥0 ℃，流出換冷站，輸送至下游用戶。

壓力為0.5 MPa、溫度為-45 ℃、質量流量為14.5 t/h的氣態乙烷進入LNG-乙烷換熱器與LNG換熱，變成液態乙烷，溫度降至-55 ℃。液態乙烷在流出換冷站后進入乙烷儲罐，經乙烷泵加壓后被分流器分為兩股，一股質量流量為9.7 t/h，進入乙烷-乙二醇水溶液換熱器，與從預冷箱組來的-15 ℃的乙二醇水溶液換熱，變成氣態乙烷，溫度升至-45 ℃。另一股液態乙烷質量流量為4.8 t/h，直接流向真空干燥箱組對果蔬進行真空冷凍干燥，變成氣態乙烷，溫度升至-45 ℃。然后兩股氣態乙烷匯合，回到LNG-乙烷換熱器，進入下一循環。

從乙二醇水溶液儲罐中出來的乙二醇水溶液，壓力為0.101 3 MPa，溫度為-15 ℃，質量流量為130 t/h。乙二醇水溶液經乙二醇水溶液泵加壓后，進入乙烷-乙二醇水溶液換熱器與乙烷換熱，溫度降至-25 ℃，進入預冷箱組對果蔬進行預冷，溫度升至-15 ℃，然后回到乙二醇水溶液儲罐，進入下一循環。

2.4 工藝模擬

采用Aspen Plus V11對上述工藝流程進行模擬，LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的模擬流程(軟件截圖)見圖2。圖2中的圖標解釋見表2，其中的MIX(混合器)表示圖1中兩路氣態乙烷的匯合處。模擬過程的主要輸入參數如下： LNG的壓力為0.8 MPa，溫度為-162 ℃，質量流量為9 t/h；乙烷的壓力為0.5 MPa，溫度為-45 ℃，質量流量為14.5 t/h；乙二醇水溶液壓力為0.101 3 MPa，溫度為-15 ℃，質量流量為130 t/h；分流器FS將乙烷分為9.7 t/h與4.8 t/h兩股。

圖2 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的模擬流程(軟件截圖)

表2 模擬圖中的圖標解釋

LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的主要物流模擬結果見表3。模擬得到的換熱器HX01的換熱量-溫度圖見圖3，換熱器HX02的換熱量-溫度圖見圖4。

表3 LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝的主要物流模擬結果

由圖3可以看出，冷流LNG從-162 ℃升溫至-50 ℃，在換熱器HX01中LNG為系統提供1 836 kW換熱量。由圖4可以看出，在換熱器HX02中，冷媒乙烷共提供給預冷箱組換熱量1 224 kW。在所設計的LNG冷能用于果蔬冷凍干燥工藝中，質量流量為9 t/h的LNG供給凍干機組預冷箱組的換熱量為1 224 kW，供給凍干機組真空干燥箱組的換熱量為612 kW，即LNG提供的總換熱量為1 836 kW，折合節電900 kW。

圖3 換熱器HX01的換熱量-溫度圖

圖4 換熱器HX02的換熱量-溫度圖

3 經濟性分析

LNG冷能回收主要設備造價見表4。

表4 LNG冷能回收主要設備造價

需要說明的是，本項目中,由于LNG泵是調峰儲配站必備的設備，無論是用電壓縮制冷，還是利用LNG冷能制冷，果蔬凍干機組也是必備的設備，因此，本文LNG泵、果蔬凍干機組不計入LNG冷能回收設備造價中。LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工項目新增冷能回收設備總造價為500×104元?？苫厥绽脫Q熱量1 836 kW，折合節電900 kW，按0.7 元/(kW·h)電價計算，節電效益約500×104元/a。本項目LNG冷能回收設備投資回收期為1 a。

4 結論

以某LNG調峰儲配站(日供氣量為30×104m3/d)為例，設計了一種LNG冷能用于果蔬冷凍干燥加工工藝的方案，將LNG氣化過程中產生的冷能用于果蔬冷凍干燥加工。通過Aspen Plus V11模擬，計算結果表明，質量流量為9 t/h的LNG，可提供給凍干機組預冷箱組的換熱量為1 224 kW，提供給凍干機組真空干燥箱組的換熱量為612 kW，相當于節電900 kW。項目投資回收期為1 a，經濟性效益好。