“雙碳”背景下LNG冷能利用技術(shù)前景分析

梁威,姚輝超

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100028)

LNG(Liquefied Natural Gas)冷能利用主要是依靠LNG與周圍環(huán)境(如空氣、海水)之間存在的溫度和壓力差,將高壓低溫的LNG 變?yōu)槌撼氐奶烊粴鈺r(shí),回收儲(chǔ)存在LNG中的能量。LNG蒸發(fā)可產(chǎn)生830 kJ/kg的制冷量,最低可利用-162 ℃的冷能,每t LNG蘊(yùn)含270 kWh冷能,最大利用率可達(dá)90%;年進(jìn)口100萬t,相當(dāng)于捎帶約2億kWh,經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀。2022年10月12日,中國已建成24個(gè)液化天然氣終端,年產(chǎn)能1.095 7億t,儲(chǔ)存量1 398萬m3。2022年國家發(fā)展改革委國家能源局印發(fā)了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》,規(guī)劃中將LNG接收站列入能源安全保障重點(diǎn)工程,并在能源加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)提效降碳,推廣LNG冷能等余能綜合利用技術(shù)。在當(dāng)前我國加速推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”減碳目標(biāo)的宏觀背景下,每年如此巨量的冷能必然會(huì)被全方位推進(jìn)利用。

1 國內(nèi)外LNG冷能利用現(xiàn)狀

世界各國都非常看重LNG 冷能的再使用,其中,以中國和日本等國家領(lǐng)先開展了詳盡深化地探究。將LNG冷能成熟應(yīng)用于冷凍冷藏、制取干冰、粉碎和發(fā)電等各個(gè)方面。LNG冷能在回收使用產(chǎn)業(yè)上都獲得了各國各方面的鼎力相助,取得了顯著收效。

整體而言,日本和韓國等依賴國際能源市場的島國和半島國家在LNG冷能利用的推廣和工業(yè)實(shí)踐上處于世界前列。日本對LNG冷能的再使用走在世界前列,研究已有30多年的時(shí)間。目前全球范圍內(nèi)日本LNG冷能的利用是項(xiàng)目最廣泛、技術(shù)最先進(jìn)的。不僅包括傳統(tǒng)占比重較高的發(fā)電和空分等方式,還包括新興的冷凍冷藏、液態(tài)CO2及干冰的制造等。日本是第一個(gè)使用LNG作為冷卻能源的國家,如今普遍用于發(fā)電。低溫冷卻和冷凍、發(fā)電、空氣分離以及液態(tài)二氧化碳和干冰生產(chǎn)廠等行業(yè)都集中在東京灣的液化天然氣接收站區(qū)域,冷能利用率可達(dá)50%。

在低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下,我國LNG冷能產(chǎn)業(yè)的推廣和工業(yè)實(shí)踐逐漸走在世界前列。在政府大刀闊斧的推進(jìn)下,LNG冷能在中國發(fā)展迅速,空氣分離、冷能生產(chǎn)和水產(chǎn)品冷鏈等項(xiàng)目已經(jīng)投入使用。

LNG作為冷能在世界范圍內(nèi)的廣泛推廣還有障礙。首先,工業(yè)設(shè)施位于LNG接收站附近是一個(gè)障礙,所以目前還主要是單項(xiàng)利用;其次,LNG氣化過程中產(chǎn)生的冷能不能和需冷用戶的步調(diào)保持協(xié)調(diào)一致。

2 冷能利用技術(shù)分析

根據(jù)不同低溫能源類別所對應(yīng)的相對溫度范圍,LNG低溫能源的應(yīng)用可以分為深、中、淺三個(gè)應(yīng)用溫區(qū)。深冷段-162和-100 ℃,冷能利用方式適合冷能發(fā)電、空氣分離、液態(tài)空氣儲(chǔ)能、輕烴分離、液態(tài)氫生產(chǎn)以及乙烯工業(yè)的低溫分離;中冷段-100～-50 ℃,冷能利用方式包括低溫吸附碳捕集、制取液態(tài)二氧化碳和干冰、低溫粉碎廢舊橡膠、冷鏈物流和冷凍冷藏;淺冷段-50～0 ℃左右,冷能利用方式包括數(shù)據(jù)中心、海水淡化、污水處理和冷水養(yǎng)殖。

2.1 LNG深冷段冷能利用

2.1.1 冷能發(fā)電

如表1所示,LNG有五種不同的使用方式,可以在-162～-60 ℃的溫度下發(fā)電。

表1 LNG冷能發(fā)電方式

目前大部分LNG接收站因考慮冷能發(fā)電技術(shù)不成熟,項(xiàng)目收益率的原因,在氣化器實(shí)際運(yùn)行時(shí)將LNG氣化后直接外輸,并不會(huì)對LNG冷能進(jìn)行回收。隨著對冷能發(fā)電投入的不斷增加,推動(dòng)了LNG冷能發(fā)電在生產(chǎn)上的應(yīng)用。節(jié)省空間、推行容易、短流程,可作為應(yīng)用首選。上海液化天然氣項(xiàng)目可使接收站的用電量減少四分之一,平均每月減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約583 t,每月減少二氧化碳排放約1 558 t。浙江LNG冷能利用(發(fā)電)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)年凈回收電能約2 000萬kWh,所發(fā)電能折標(biāo)煤約6 500 t/a,減少碳排放約1.63萬t/a。

2.1.2 冷能空分

冷能空分歷史悠久,隨著其能源消耗的逐步減少,目前已可大范圍低壓開展生產(chǎn)應(yīng)用。空分工藝適用溫度為-162～-80 ℃左右,該流程由空氣過濾、壓縮、冷卻、純化系統(tǒng)等組成。現(xiàn)代空氣分離技術(shù)是一種以低溫蒸餾為基礎(chǔ)的脫氮除氧方法,不僅技術(shù)先進(jìn)、使用方便、安全可控,而且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯,應(yīng)用廣泛。通常情況下,需在低于-150 ℃的溫度下進(jìn)行,這是一個(gè)能源密集型的過程。然而,通過利用LNG冷能,可以大大減少能源消耗,從而節(jié)約成本,提高效率。冷能空分流程示意圖見圖1。

圖1 冷能空分流程示意圖

鑒于空分技術(shù)安全、穩(wěn)定且匹配度的優(yōu)勢,已被世界多個(gè)國家廣泛應(yīng)用,成為LNG冷能使用中最普遍的方式方法。目前我國已建成的中海油福建LNG冷能空分裝置運(yùn)行電耗可較傳統(tǒng)空分裝置降低約50%,耗水降低90%,大大降低能耗和運(yùn)營成本。在其13年的運(yùn)營過程中,福建冷能空分公司總共使用了約500萬t LNG,減少了約65萬t的碳排放。

2.1.3 液態(tài)空氣儲(chǔ)能

液態(tài)空氣儲(chǔ)能適用溫度為-160～-80 ℃左右,分為釋儲(chǔ)能兩部分。釋能階段是對液態(tài)空氣做功,將儲(chǔ)能階段儲(chǔ)存的電能等釋放出來進(jìn)行生活生產(chǎn)的過程。儲(chǔ)能階段主要用來調(diào)峰和應(yīng)急響應(yīng)等情況下使用。對剩余風(fēng)能、光能和電能產(chǎn)生的電進(jìn)行利用,通過壓縮周圍空氣,對空氣進(jìn)行液化降溫,從而轉(zhuǎn)化成以電能和熱能的形式保存能量。其具有較大的機(jī)載容量和較長的存儲(chǔ)周期、系統(tǒng)效率高、規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn)。它通常可以在40～50年內(nèi)儲(chǔ)存和釋放數(shù)萬倍的能量,與水力發(fā)電一樣,是最有希望的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一。液態(tài)空氣儲(chǔ)能工藝示意圖見圖2。

圖2 液態(tài)空氣儲(chǔ)能工藝示意圖

2.1.4 輕烴分離

輕烴分離適用溫度為-160～-100 ℃左右,LNG中有不同程度的C2+以上的組分。通過LNG的冷能液化分離出的天然氣,降低外輸輕烴產(chǎn)品溫度,從而降低成本。輕烴回收成功后,乙烷和丙烷的回收率很高,液相溫度為-100 ℃,其原因是成本低、能耗低、投資少,能帶來非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前,意大利和西班牙的液化天然氣接收終端安裝有輕烴類裝置。在中國,青島LNG是第一個(gè)采用兩級(jí)LNG增壓和單級(jí)不可壓縮加速汽化的輕烴分離裝置已經(jīng)投入運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)每月可以從17萬t LNG中分離出約3.3萬t C2+/C3+成分。

2.1.5 LNG制液氫

將液化天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫的適宜溫度為-162～-110 ℃。氫氣工業(yè)的快速發(fā)展為天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣和液化天然氣創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。美國空氣產(chǎn)品公司提出在LNG接收站附近建設(shè)天然氣制氫工程,LNG冷能降低氫氣溫度產(chǎn)生液態(tài)氫氣,制氫過程中產(chǎn)生的熱量,轉(zhuǎn)化為氫、氣、冷、熱的能源系統(tǒng)。來自液化天然氣的低溫能源,其液化溫度為-253 ℃,可用于降低氫氣液化的成本,提高氫氣產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。此方案從技術(shù)上講是基本可行的,大中型天然氣制氫技術(shù)和氫氣液化技術(shù)均能從市場獲得,但經(jīng)濟(jì)性需要因地制宜結(jié)合具體項(xiàng)目周邊熱量和氫氣需求后才能判斷。韓國天然氣公司與GS Caltex 建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系,計(jì)劃建設(shè)一個(gè)年產(chǎn)1萬t的液化氫超級(jí)工廠,該工廠計(jì)劃于2024年12月完工,生產(chǎn)和供應(yīng)液化氫。韓國將成為首個(gè)利用LNG冷能生產(chǎn)液氫的國家,生產(chǎn)液氫成本將降為原來的七成。

2.1.6 乙烯工業(yè)中的深冷分離

乙烯的生產(chǎn)溫度在-145～0 ℃。LNG被用作冷卻和制冷源,可減少融資和成本。中國石化天津南港乙烯項(xiàng)目正在建設(shè)中,這是國內(nèi)首次開發(fā)的乙烯裝置間接法回收LNG冷量技術(shù),采用甲醇作為循環(huán)冷媒,由工藝物料直接高效利用了冷媒的冷量。LNG冷量間接回收技術(shù)可使乙烯裝置標(biāo)油能耗降低30 kg/t,綜合能耗低至497 kg/t。

2.2 LNG中冷段冷能利用

2.2.1 低溫吸附碳捕集

冷吸附法捕獲碳的相對溫度約為-90～-30 ℃。二氧化碳的低溫分離分為低溫凝結(jié)和低溫凝華。對于廢氣的冷卻,液化天然氣被用作制冷劑,以防止海水腐蝕造成的管道損壞并節(jié)約能源。

2.2.2 制取液態(tài)二氧化碳和干冰

液體二氧化碳和干冰適用溫度為-80～-50 ℃左右,在建筑、工業(yè)、冷藏、餐飲、服務(wù)、教育、煙草和醫(yī)療行業(yè)有著廣泛的用途。建筑和工業(yè)可減緩材料使用壽命,提高精細(xì)度和質(zhì)量;冷凍冷藏食品及活體細(xì)胞組織;煙絲膨脹;醫(yī)療冷凍等行業(yè)。該系統(tǒng)利用液化天然氣蒸汽提供冷,用于生產(chǎn)液態(tài)二氧化碳,然后冷卻成干冰。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是,生產(chǎn)所需的溫度介于冷和熱之間,使得該系統(tǒng)的使用效率低下,并需依賴于二氧化碳排放量高的鄰近行業(yè)。

2.2.3 低溫粉碎廢舊橡膠

低溫粉碎廢舊橡膠適用溫度為-90～-40 ℃左右,LNG冷能產(chǎn)生的液氮,用來銷毀橡膠,粉末更細(xì)微,且安全無污染。主要工藝流程如圖3所示。

圖3 低溫粉碎流程圖

2.2.4 和冷鏈物流融合

冷鏈物流適用溫度為-80～-30 ℃左右,LNG多產(chǎn)業(yè)冷能資源,聯(lián)合冷鏈物流,擴(kuò)寬冷能使用范圍,甚至還可以考慮探索與罐箱點(diǎn)供的冷能利用相結(jié)合,為LNG冷能利用開辟新路徑。

2.2.5 冷凍冷藏

冷凍冷藏適用溫度為-80～-20 ℃左右,目前,LNG接收站都位于港口碼頭區(qū)域,大型冷藏庫為了便于生鮮進(jìn)口及水產(chǎn)品的加工處理也大多選擇碼頭港口不遠(yuǎn)處建廠,這就為LNG冷能的利用提供了更為便利的條件。LNG冷能直接為冷庫降溫,會(huì)導(dǎo)致冷庫內(nèi)空氣溫度過低,影響冷庫循環(huán)系統(tǒng),帶來安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此需選用一種中間介質(zhì)使空氣降溫,進(jìn)而對冷庫制冷。

2.3 LNG淺冷段冷能利用

2.3.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心適用溫度為-50～-5 ℃左右。跨進(jìn)數(shù)字時(shí)代,大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)也蒸蒸日上,機(jī)房作為用冷大戶,對冷能的消耗將與日俱增,迫切需要可靠、穩(wěn)定、節(jié)能的降溫方式。用LNG氣化產(chǎn)生的低溫冷能給數(shù)據(jù)中心降溫,可有效降低碳排放,提升能源利用水平,打造高科技綠色產(chǎn)業(yè)。

2.3.2 海水淡化

海水淡化的溫度約為-30 ℃。在淡水資源非常有限的國家,特別是當(dāng)干旱威脅到農(nóng)業(yè)、林業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)時(shí),海水淡化是解決干旱的首選方案。海水淡化利用來自液化天然氣的冷能將海水凍結(jié)成海水晶體,然后將其提取并加工成淡水。

2.3.3 污水處理

廢水處理的溫度范圍是-30～-10 ℃。用液化天然氣冷凍廢水是一種新興的廢水處理方法,并且高效能,可以冷凍和減少污染物。傳統(tǒng)的冷凍方法是昂貴和能源密集型的。利用LNG冷能進(jìn)行冷凍,這不僅減少了能源損失,而且還大大改善了經(jīng)濟(jì)性。目前該技術(shù)僅在研究階段,尚無實(shí)施案例。

3 結(jié)論與建議

隨著信息化的發(fā)展,科技的不斷創(chuàng)新,在工業(yè)范疇內(nèi)應(yīng)用冷能,不僅可以節(jié)約能源、對環(huán)境進(jìn)行保護(hù),同時(shí)也延伸了LNG的產(chǎn)業(yè)鏈,減少可觀的能源流失。但現(xiàn)階段LNG冷能利用項(xiàng)目受制于應(yīng)用場景限制,經(jīng)濟(jì)性不理想。促進(jìn)目前各階段LNG冷能利用項(xiàng)目開展,最大限度地實(shí)現(xiàn)能量再利用,從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)雙輪驅(qū)動(dòng),共同攻克。

加速推進(jìn)冷能利用技術(shù)攻關(guān),重點(diǎn)開展深冷段技術(shù)研發(fā),提高已有的發(fā)電、空分等冷能利用技術(shù)效率,加快液態(tài)空氣儲(chǔ)能、液氫等新技術(shù)盡快攻關(guān)研發(fā);將中冷段和淺冷段冷量采用梯級(jí)綜合利用有機(jī)組合的方式;探索冷水養(yǎng)殖、污水處理等技術(shù),盡快取得重大技術(shù)突破和標(biāo)志性科技成果,開拓新的應(yīng)用場景,實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)示范應(yīng)用。

在雙碳背景下充分抓住世界LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的契機(jī),積極推動(dòng)我國LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)事業(yè),可通過探索LNG冷能利用項(xiàng)目碳減排量核算方法,獲得碳減排貢獻(xiàn)計(jì)算值、折算標(biāo)準(zhǔn)、碳減排收益,確定LNG冷能利用產(chǎn)生的碳資產(chǎn)收益的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。