全球LNG冷能利用對如東的啟發和借鑒研究

摘 要：隨著能源需求的不斷增長，我國成為全球最大液化天然氣進口國之一。據海關總署數據統計，2021年1月～12月，中國天然氣進口量12 135.6萬噸，與2020年同期相比增長19.9%。其中LNG進口量為7 893萬噸，占天然氣進口的65%。因管道氣受地緣政治影響較大，LNG進口規模將持續擴大，預計到2035年，全國LNG進口量將超過1.1億噸。而LNG從-162℃氣化，會釋放大量的冷能，據測算1公斤LNG氣化的冷能達到840千焦，也就是，如果LNG連續均勻氣化，1噸LNG釋放的冷能相當于240度電，充分利用LNG冷能，可以產生可觀的經濟效益、社會效益和環境效益，在“雙碳”背景下有著重要利益。

關鍵詞：LNG冷能利用；利用經驗；LNG冷能利用的啟發

一、LNG冷能利用的形式

LNG冷能利用主要是依靠LNG與周圍環境（如空氣、海水）之間存在的溫度和壓力差，將高壓低溫的LNG變為常壓常溫的天然氣時，回收儲存在LNG中的能量。LNG冷能利用可分為直接利用和間接利用兩類。直接利用包括：發電、低溫空分、低溫粉碎、冷凍倉庫、輕烴分離、制造液態CO2或干冰、海水淡化、空調和低溫養殖栽培等；間接利用包括用空分后的液氮、液氧、液氬來低溫破碎，冷凍干燥、低溫干燥、水和污染物處理及冷凍食品等。

二、國外LNG冷能利用經驗

（一）日本的LNG冷能利用

日本是全球利用LNG冷能最早的國家，1971年日本東京液氧公司運行了全球第一個冷能空分裝置，該項目較傳統空分裝置電力消耗節約50%以上，冷能水消耗節約70%以上，之后日本根岸、泉北1、泉北2、袖浦、知多、東京等LNG接收站均建設了冷能空分裝置；1976年，日本位于神奈川縣的根岸LNG接收站，投產了金槍魚超低溫冷庫，開始了LNG冷能應用于冷庫的歷程，因為無須制冷機制冷，節約了大量設備投資和運營成本，年用電量降低約1/3。1979年，日本大阪LNG接收站首臺1450kW冷能發電機組投入運營，該裝置裝機容量較小，日本后續建設的冷能利用項目裝機容量不斷擴大，到2000年，單機組新上裝機容量已經有8 800kW，目前最大裝置達到了9 400kW ，整體冷能利用率超過50%。按照目前能查到的公開數據，截至2010年，日本共有26臺獨立的冷能利用裝置，其中7臺冷能空分裝置，產能均在1萬～2萬標方/小時之間；3臺制干冰裝置，日產能均在100噸左右；1臺深冷冰庫，容量3萬噸；15臺冷能發電裝置，裝機容量在400kW～9 400kW之間。其中東京灣LNG接收站區域已實現冷能梯次綜合利用，冷能發電、冷能空分、冷庫、食品加工、干冰生產等項目集中布局，按照LNG冷能溫區進行高效利用，冷能利用率達到了43%。

（二）其他國家的LNG冷能利用

韓國的LNG冷能利用主要體現在空分裝置上，整體冷能利用率約20%。平澤LNG接收站是韓國首個冷能空分裝置，具備每小時生產1.5萬方液氧、6 500方液氧、440方液氬的生產能力。

印度的LNG冷能利用主要是配套燃氣電廠，由美國安然公司投資建設的達波爾電廠所用燃料為進口LNG，結合LNG氣化釋放的冷能，冷卻燃氣輪機入口空氣，當入口空氣從30℃降低到5℃時，燃氣輪機輸出電功率可增加約20%，效率相對提高約5%，經濟價值極高。

此外，美國、澳大利亞、法國等國家以及中國臺灣在冷能利用上有較長時間的研究，掌握較多專利，冷能利用項目也有小規模運營，其中冷能空分是布局數量最多的項目。

三、我國的LNG冷能利用

到目前為止，全國共有22座LNG接收站投入運營，大部分接收站在建設規劃期都計劃布局冷能利用項目，但實際投入運營的數量較少。

（一）已經建設的冷能利用項目

1.唐山LNG接收站冷能利用項目

2007年，中石油唐山LNG接收站結合自身特點和周邊環境，由華南理工大學和中國石油規劃總院編制了《唐山LNG接收站冷能綜合利用專題研究報告》，報告認為建設LNG冷能空分項目技術上相對成熟，是利用冷能最為穩妥的方案，而冷能發電雖然在國外有一定的應用，但大多數是自備電廠，電力自發自用，這與國內發電并網政策不同，導致在國內建設冷能發電項目運營成本較高，經濟性還需要論證和實踐，其他諸如輕烴回收、橡膠粉碎、冷藏冷凍等需要有一定的應用場景才能穩定運行。因此，按照該研究報告，唐山LNG接收站建設了冷能空分項目，并于2015年投產。

2.莆田LNG接收站冷能利用項目

中海油莆田LNG接收站是我國首個投產LNG冷能利用項目的接收站，也是目前LNG冷能利用項目最多的接收站。2010年，中海油和美國空氣化工產品公司在福建莆田LNG接收站建成了全國首個冷能空分裝置，日產液氮300噸、液氧300噸、液氬10噸。2012年，LNG冷能低溫橡膠粉碎項目開工，2014年投產，年處理廢舊輪胎2萬噸，年產精細膠粉1.3萬噸，但該項目在莆田當地無法獲得足量的廢舊輪胎資源，下游亦沒有足夠的輪胎市場，建成后一直處于停產狀態，目前，該裝置已拆除并出售給“中國輪胎之都”山東東營廣饒縣。2019年，莆田LNG接收站冰雪小鎮開工建設，用地545畝，計劃建設包括滑雪館綜合體、大道速滑館、雪上運動訓練館、冰上運動訓練館、冰雪小鎮商業步行街、水上樂園、SNOW＆ICE酒店、運動員公寓等。

3.大鵬灣LNG接收站冷能利用項目

廣東大鵬灣有大鵬LNG、中海油、中石油、深圳燃氣4座LNG接收站，2013年，《大鵬半島LNG冷能及新能源利用可行性研究》結題，計劃利用8年時間，分三期推進冷能利用項目，總投資約20億元，建設包括冰雪世界、海水淡化/制冰、空分等項目，計劃打造全國LNG接收站冷能綜合利用率最高，建設項目最多的示范型接收站。2019年，該接收站換冷站項目投產，2021年，圍繞該換冷站建設的主題樂園開始對外開放，利用零下35℃的氯化鈣溶液進行換冷，首先用于冰雪樂園的制冰造雪，氯化鈣溶液溫度升至零下21℃時，在通過板換轉化為水，由0℃～5℃冷凍水轉化為7℃～12℃，與傳統空調系統接駁，是國內首個大型冷能利用項目，預計年節約用電2 000萬℃，減少二氧化碳排放1萬噸。

4.其他冷能利用項目

其他已經投入運營的LNG冷能利用項目包括2014年投產的中石油江蘇如東LNG接收站冷能空分裝置。2015年投產的中海油浙江寧波LNG接收站，以及2018年投產的中海油廣東珠海LNG接收站的冷能利用項目，這些項目在國產化上也不斷得到提高。

2021年，上海LNG接收站冷能發電項目開工建設，項目由上海電建一公司承建，是國內首臺套冷能發電項目，項目額定LNG氣化能力205.2噸/小時，以海水為熱源，丙烷為介質，將海水中的熱量轉移到丙烷中，再用來氣化LNG，年發電量2 400萬千瓦時。

由此可見，國內已成功運營的冷能利用項目主要是冷能空分，因為冷能空分產品較傳統空分產品成本優勢顯著，可以很快占領區域市場，因此投資方建設積極性較高。

（二）規劃中的冷能利用項目

國內也有部分已經投產的LNG接收站正在實質性推動冷能利用項目。2013年，大連保稅區與唐鋼氣體有限公司簽訂LNG冷能空分項目投資協議，利用大連LNG接收站的冷能建設空分裝置。2020年，中石化天津LNG接收站與中圣科技（江蘇）有限公司簽訂了《冷能綜合利用合作意向協議》，計劃建設冷能空氣分離、冷能發電、輕烴分離等設施。其中輕烴處理能力200萬噸/年。2022年，廣東粵東LNG接收站冷能利用項目環評、安評等專項報告開始委托，包括四個子項目，即冷能利用示范項目、冷能空分項目、冷能互聯網數據中心項目以及換冷站項目。

其他正在審批或正在開展前期工作的LNG接收站基本都規劃有冷能利用項目，如2021年六橫LNG接收站冷能綜合利用項目簽約，項目包括中圣LNG冷能綜合利用項目、華東能源LNG冷能空分項目、LNG冷能發電項目等。

四、對如東LNG冷能利用的啟發

（一）合理確定可供利用的冷能量

未來，隨著天然氣將作為我國現代清潔能源體系主體能源之一的加快發展，預計到2035年，全國天然氣消費量將達到4.1億噸～4.5億噸，而國產氣供應量約為2.1億噸，而管道氣進口量受資源談判、地緣政治等因素影響不確定性較大，進口LNG將進一步成為進口天然氣的主要渠道，預計2035年進口LNG需求量1.1億噸。而根據對沿海各省已建、在建和規劃LNG接收站情況的統計，預計到2030年，全國LNG接卸能力將達到2.6億噸，屆時全國LNG接收站平均負荷率僅為42%。

按照規劃，如東洋口港將建設4座LNG接收站，以每個接收站650萬噸設計接卸能力，年可接卸LNG2 600萬噸，雖然2021年，中石油江蘇如東LNG接收站接卸LNG718萬噸，已超過650萬噸的設計接卸量，但在其他沿海接收站陸續投產的形勢下，不可能始終維持這種高負荷。我們從LNG冷能利用裝置穩定運行的角度，以2030年全國接收站平均42%的負荷率保守計算，屆時如東LNG接收站實際年接卸量估計在1 100萬噸左右。而且，接收站氣化負荷取決于下游的用氣需求，下游調峰發電、商業燃料、民用燃氣等主要用戶晝夜、夏冬的需求氣量變化很大。而大部分冷能用戶（如空分）都是連續、穩定的工藝過程，用冷負荷基本上是晝夜均衡的。因此，并不是所有冷能均能夠全部利用，按照世界上最先進的日韓等國冷能實際利用率20%計算，洋口港實際利用的冷能約220萬噸LNG蘊含的冷量，即相當于5.28億度電。

（二）科學涉及冷能利用系統

如東的LNG接收站集中布局在洋口港陽光島。從用地角度看，陽光島總面積3平方公里，系圍填形成，土地成本極高，且大部分土地性質為危化品倉儲用地，因此，考慮到建設成本和安全性，陽光島上不具備建設冷庫、冰雪世界等大用地、商業性項目的可能性，而冷能空分、冷能發電項目占地面積較小，且必須要靠近接收站就近利用LNG深冷，經濟效益相對較高，可以在陽光島上布局。因此，如東LNG冷能利用需要分為兩部分，島上為深冷利用，并建設換冷站，以冷媒介質將中淺冷傳輸到12公里以外的岸上，建設其他中淺冷利用項目，導致LNG冷能利用在空間上跨度極大。

而且，從管道設計看，充分利用陽光島上四個接收站的冷能，每個接收站均需要建設管道將LNG或冷媒引出，再從換冷站到岸上，岸上冷媒回輸，再加上蒸發氣、氮氣等輔助管道，管道布置量可能要十幾條，在擁擠的陽光島上，在沒有任何工程經驗可以參考的情況下，設計難度較大，需要長時間論證研究，科學設計。

（三）優先發展深冷利用項目

深冷利用主要是指冷能空分和冷能發電兩塊。冷能空分方面，隨著鋼鐵、化工等產業的發展，南通區域內對空分產品的需求量正在持續擴大，冷能空分項目憑借著低于傳統空分項目的成本，市場前景廣闊，可以考慮擴大現有空分項目的規模。冷能發電方面，雖然技術上已經成熟，但政策上對這種小眾發電方式并沒有相關扶持和補貼，因此，投資冷能發電的經濟性存在很大的不確定性，在項目推進上可以先爭取上級對冷能發電自發自用、隔墻售電等政策支持，減少運營成本，在經濟上確保項目上馬后可以穩定運營。

（四）合理規劃中淺冷利用項目

中淺冷利用受限于下游應用市場。如冷庫和制冰方面，如東是海洋漁業大縣，對冷庫和制冰有巨大需求，但目前冷庫和制冰廠散布在全縣，而LNG冷能利用要求集中布局，將全縣冷庫和制冰廠集中在洋口港布局成本較大，而且給以個體戶為主的使用群體造成極大不便，且洋口港臨港園區以工業用地為主，倉儲物流用地有限，附近有化工園區和危化品物流基地，不宜布置食品類項目。低溫粉碎方面，主要是將物料冷卻到玻璃化溫度或玻璃化溫度以下，再施以粉碎操作，以獲得細微粉末的過程，低溫粉碎實際上是先將LNG應用于空分，然后采用空分生產的液氮作為低溫粉碎的冷媒來源，間接利用LNG冷能，主要可以應用于工業廢棄物、退役風電、城市廢棄物、食品醫藥、合成樹脂等領域，目前洋口港南通天洋新材料有限公司已經使用杭氧空分制備的液氮對橡膠進行粉碎，但使用量較少，鑒于如東是新能源大縣，10年后，沿海大量風機葉片面臨退役，需要處理，可以利用液氮對其進行破碎，但這種項目需要大量堆場，土地使用率不高。冰雪大世界是否能夠盈利受制于區域內潛在冰雪愛好者和觀光客的數量。利用黃海高含量的海水進行淡化的成本遠高于目前取用長江水。總體而言，在如東充分利用LNG中淺冷有眾多限制因素，如果要大力發展，需要在全縣的層面系統規劃，圍繞經濟性建立數模，精確測算，合理規劃。

（五）可以考慮輕烴利用

如東是全江蘇省保留的14家化工園區之一，但石化項目較少，石化原料生產項目審批困難，限制了石化產業規模化、鏈條化發展。天然氣按照輕烴含量的不同，可分為干氣和濕氣，濕氣中含有10%以上碳二、碳三、碳四烴類。在大部分LNG液化廠通過深冷換熱脫除較重的烴類，而不能脫出乙烷，所以獲取的LNG是濕氣。由于輕烴含量高，LNG濕氣的熱值要高于干氣，因此，我國進口LNG汽化后的熱值要高于“西氣東輸”天然氣熱值，不利于熱值統一。通過LNG冷能輕烴分離技術，可以以較低的成本將濕氣中輕烴資源分離出來，有助于乙烯工業獲得大量優質原料，據測算，利用輕烴代替石油作為乙烯原料，乙烯裝置投資成本可降低30%，能耗降低30%～40%，綜合成本降低10%。建設冷能輕烴分離裝置，可以使洋口港獲得大量輕烴原料，有助于以乙烯為源頭的石化產業在洋口港實現發展。

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