LNG 冷能回收制冰技術的應用實踐

孫 雷

（陜西首創天成工程技術有限公司，西安 710016）

LNG 是超低溫液態天然氣（-162 ℃），蘊含著大量高品位冷能。相關數據顯示，2022 年全國LNG 進口量超過6 000 萬t，攜帶的冷能約150 億kW·h，相當于千萬級人口城市1 a 的居民用電量。隨著“雙碳”目標的提出及國家對天然氣能源利用的大力推廣和發展，國內LNG 氣化站的建成與投產日益增多。當前LNG 氣化站的生產模式普遍為利用空溫式氣化器與空氣進行換熱，將LNG 加熱氣化為常溫的天然氣，在氣化過程中約能產生870 kJ/kg 的低溫能量，目前，這些冷能大部分被釋放到空氣中，造成LNG 冷能的浪費。

《天然氣發展“十二五”規劃》要求，引導天然氣高效利用，將LNG 接收站冷能利用納入LNG 項目核準評估內容，實現節能減排和提高能效。若將LNG 中的冷能進行有效利用，不僅可以帶來可觀的經濟效益，而且在節約能源及保護環境方面具有重大意義，也是能源綠色低碳轉型的有效途徑。

1 冷能利用方式

LNG 冷能利用是利用LNG 氣化時大量釋放的冷能，通過新增冷能回收設備將其冷能進行利用，LNG 冷能利用方式主要有冷能發電、冷能空分、制取液態CO2或干冰、冷藏倉庫或制冰、輕烴分離、空調、海水淡化和低溫粉碎等[1]，LNG 冷能利用方式如圖1 所示。

圖1 LNG 冷能利用方式

國外已對LNG 冷能的應用展開了廣泛、深入的研究，美國、澳大利亞、俄羅斯、日本，以及歐盟國家和地區的LNG 冷能利用發展都進入應用階段。其中，日本是世界上LNG 冷能利用較多、技術最發達的國家，主要方式有低溫發電、空氣分離、干冰的制造和低溫冷庫；韓國主要將LNG 冷能用于空氣液化分離及食品冷凍庫2 個方面，利用率不足20%；印度冷能利用的主要方式是冷能發電。

我國LNG 產業起步較晚，但LNG 冷能利用潛力巨大。中國海洋石油有限公司是我國LNG 冷能利用的領軍龍頭企業，已在冷能空分、冷凍膠粉、丁基橡膠等多項技術領域取得了工業化進展。LNG 冷能利用主要集中于大型企業的大型沿海接收站項目，國內大范圍存在和發展的冷能利用率極低，積極創新開發應用研究勢在必行。

各種利用方式的主要原理不相同：LNG 冷能用于空分，是通過循環氮氣的冷卻來實現的，省去了氮氣透平膨脹機和氟利昂制冷機組，裝置實現小型化，電耗、水耗大大降低，降低了液氮、液氧的生產成本。冷庫也是利用LNG 較高品位的冷能回收，適用于各種低溫環境，可用于農作物儲藏或食品冷凍。低溫破碎是利用空分后的液氮在低溫下破碎一些在常溫下難以破碎的物質，如粉碎由金屬、電子器件、塑料器件和橡膠等構成的廢舊汽車。海水淡化的核心原理是利用冷凍法。冷凍法海水淡化主要是海水實際冷凍過程中，會出現“鹽水分離”的現象，溫度較低冰體中實際含鹽量較低，可有效實現鹽水與冰分離，最終形成產物為淡水。輕烴分離是LNG 冷能用于C2+分離和裂解制乙烯裝置中的裂解產物深冷分離。冷能發電是利用海水加熱LNG 進行汽化的過程中體積膨脹，可以驅動發電機發電。

本文主要分析LNG 冷能制冰技術的應用，方式是將LNG 管路通入制冰機內，制冰機內利用冷能轉換器將LNG 內的冷能置換出來，并利用低溫冷媒溶液進行儲存。當需要制冰時，低溫冷媒溶液進入鋁板冰模內與水換熱進行制冰。制冰完成后，一鍵切換至太陽能化冰管路，從而完成冰塊脫模，進而完成冷能與太陽能的綜合應用。

2 LNG 冷能制冰投資及收益分析

本文以某LNG 儲配站冷能利用制冰項目為例，分析項目的投資及收益。該項目對已建中壓氣化LNG 冷能增設回收功能，把原來LNG 氣化過程中浪費的冷能，通過新增冷能回收設備和制冰機的形式回收制冰，氣化設計規模為8 000 m3/h（標）。冷能制冰包含：1 臺換冷設備，1 臺蓄冷橇，2 臺制冰機，2 臺太陽能熱水器，制冰機罩棚1 座，配套給排水、電氣等公用工程。裝置布置的原則是按照工藝流程的順序布置設備，盡量縮短管線，方便操作維修，便于運冰車輛進出通行。LNG 冷能回收制冰流程如圖2 所示。LNG 從儲罐出來后，進入換冷設備和乙二醇水溶液（制冷劑）換熱，利用換冷設備將LNG內的冷能置換出來，并利用乙二醇水溶液（制冷劑）將冷能儲存在蓄冷橇內。蓄冷橇內設置循環泵，將換冷設備的冷量導入，供給制冰機。一個制冰過程需要15～16 h，需要連續供冷。

圖2 LNG 冷能回收制冰流程

制冰機制冰狀態：蓄冷橇中的制冷劑通過低溫泵輸送至冰模蒸發器內進行換熱制冰，換熱后的制冷劑返回至冷能換熱器進行低溫換熱，從而完成制冰閉式循環。

制冰機化冰狀態：利用太陽能板將常溫罐中的液體進行加熱。通過泵輸送熱流體至冰模蒸發器內進行換熱化冰，換熱后的低溫液體返回至換熱器進行升溫換熱，從而完成化冰閉式循環。

2.1 LNG 冷能回收制冰項目投資

項目總投資245 萬元，其中建設投資237 萬元，企業自有流動資金8 萬元。建設項目總投資構成見表1。

表1 建設項目總投資構成表

2.2 項目收益分析

產量及單價：制冰機日產冰約40 t（8 h），年運營350 d，年產量14 000 t，冰含稅售價80 元/t。

成本：①人工成本。新增定員3人，人均年成本8萬元。②年水電消耗。用水14 000 t，損耗2%，含稅水價4.21元/t；用電23 800 kW·h，含稅電價0.75 元/kW·h。③固定資產折舊費用。直線法折舊，固定資產折舊年限20 a，殘值率為4%。④修理費。按固定資產折舊費的50%計取。⑤安全生產費用。依據《關于印發〈企業安全生產費用提取和使用管理辦法〉的通知》（財資〔2022〕136 號）文件規定，按年營業收入4%計取。⑥其他制造費用。按修理費的10%計取。⑦其他管理費用。按職工工資的30%計取。⑧其他營業費用。按營業收入的0.5%計算。⑨盈余公積金。按稅后利潤的10%計提。⑩增值稅。電、設備及工器具13%，水、建筑、安裝服務9%，其他服務6%。?附加稅及企業所得稅。城市維護建設稅5%，教育費附加3%，地方教育費附加2%，企業所得稅25%。

依據以上測算基礎數據計算項目營業收入99.12萬元，凈利潤29.43 萬元，主要損益指標匯總表見表2。

表2 主要損益指標匯總表

2.3 項目盈利能力分析

主要測算得出項目所得稅前財務內部收益率為21.73%，所得稅后財務內部收益率為17.07%，均高于行業基準收益率，項目投資回收期5.52a。主要盈利能力指標見表3。

表3 主要盈利能力指標匯總表

2.4 項目盈虧平衡分析

根據圖3 盈虧平衡點可知，產銷量只需達到設計規模的56.79%，企業即可保本，項目具備較強的抗風險能力。盈虧平衡點BEP（生產能力利用率）＝年固定成本/（年營業收入－年銷售稅金－年可變成本）×100%。

圖3 盈虧平衡點

2.5 與傳統制冰方式比較

傳統制冰方式一般采用壓縮機制冷直接制冰，或者是通過壓縮機制冷與鹽水換冷后再用鹽水制冰。兩種傳統制冰方式制冰時需消耗大量的電力能源，消耗的電能為每噸冰70 kW·h 左右，制冰成本較高（約90 元/t），市場售價一般在200 元/t 左右。

3 LNG 冷能制冰社會效益分析

3.1 節能減排

LNG 冷能和太陽能作為新能源被使用，大大降低了對電能的消耗；作為清潔能源，對減少化石燃料的使用具有很大的意義。LNG 理論完全氣化可釋放的冷量所表現的節能減排情況見表4。本項目利用LNG的冷能制冰，與傳統電制冰相比，每年可以節約電能67.2 萬kW·h，相當于約268.8 t 標準煤燃燒所發出的電量。傳統的氣化方式為LNG 直接和空氣換熱，冷能未利用，造成了冷能的浪費，利用LNG 的冷能制冰，達到了節能減排的目標。

表4 節能減排匯總表

3.2 環境保護

1）氣化區冷霧減少，相比較過去更有利于工作人員巡查和操作作業。

2）減輕場站區域冷霧對環境的破壞。

3）LNG 冷能利用制冰機相比較過去直冷式制冰機，不再使用氟利昂作為冷媒，現用乙二醇溶液對環境沒有不良影響。

傳統制冰機使用氟利昂（R22）作為冷媒，10 t 的制冰機初裝量約100 kg，氟利昂破壞臭氧。而LNG 冷能利用的制冰機使用乙二醇水溶液作為冷媒，不會影響環境。

一個氯原子可以破壞數萬個臭氧分子。推導的化學結論：1 kg 氟利昂可以捕捉消滅約7 萬kg 臭氧。同時，氟利昂也是重要的溫室氣體之一，一個氟利昂分子增加溫室效應的效果相當于10 000 個二氧化碳分子。

一臺10 t 傳統制冰機的氟利昂（R22）對臭氧的破壞約為700 萬kg 臭氧。

3.3 變廢為寶

LNG 冷能長期為閑置能源，隨著對其進行研究的深入，其有利用途被不斷被開發使用。作為清潔能源利用類項目，投資小、效益高、潛在市場巨大，市場前景比較樂觀。

LNG 冷能制冰項目將原本浪費的能源充分利用，實現價值，是對能源的節約利用，也是對“碳達峰、碳中和”雙碳目標政策做出的實際行動，對節約電能，減少碳排放有很大的貢獻。LNG 冷能制冰設備在制冰的同時，減少了冷能排入空氣，很大程度緩解了空溫式氣化器在進行LNG 氣化作業時導致的大量霧氣問題，無需人工去除冰凍，減少人工受傷的風險，減少了冷能對大氣環境和交通出行等人居環境的破壞。

4 應用前景展望

通過以上實際工程實例分析，LNG 冷能回收制冰技術的應用實踐社會經濟性佳，應全面促進LNG 附加值的開發。LNG 冷能回收制冰技術可應用場景包括：①用于冷藏保鮮，如今漁業捕撈、儲存、運輸和零售的各環節都需要冰塊進行保鮮，對冰的需求量非常大。農貿市場和商超均需要大量冰塊來保存果蔬、魚肉等農副產品，以保證產品質量。冷鏈物流產業需要大量冰塊對生鮮產品、醫療藥品等進行冷鏈運輸。②用于產品加工過程的降溫，食品加工的過程中，加入冰塊以調節肉禽等食品的溫度、濕度來保證產品質量和口感。③用于一些工業制成品和化工原料在生產過程中的降溫，比如混凝土攪拌會產生熱量，攪拌場和施工地距離太遠，加入冰塊可以延長混凝土凝固時間，控制混凝土品質，在水利水電、核電、建筑工程等混凝土需求量大的行業中都有廣泛應用。④用于環境降溫。在不適合安裝空調或者空調降溫費用過高的環境，在高溫時節，需要通過冰塊來降溫以達到適宜的溫度。比如養殖場等。⑤冰雪運動產業[2]。近年來興起的室內冰雪娛樂城、冰雕展覽和之前結束的2022 北京冬奧會等冰雪項目，既豐富了市民的文化生活，又增加了項目收入。

LNG 儲罐出口溫度達-162 ℃，如果僅用于制冰的話，并沒有得到全面利用。下一步發展展望是冷能的梯級利用（圖4），可以將不同冷能溫度對口應用到各階段，在項目前期，應同步規劃相對應的產業鏈。

圖4 LNG 冷能回收梯級利用

5 結論

一是加大政策支持力度。LNG 冷能被利用，既增加了能源利用的類型，也相當于節省了大量電能，而且對環境保護起到很大的積極作用，更重要的是其表現出來的經濟效益和社會效益相當可觀。通過更多詳細扶持政策的出臺和行業標準的完善，能夠加快推進我國LNG冷能利用產業的發展步伐。二是搭建好下游渠道。如何選擇LNG 冷能的利用方式比較容易，難點在于對形成的產品如果外銷獲取收入效益。這就要求開發利用LNG 冷能的同時還需要同時搭建好下游渠道。三是重視LNG 冷能利用規劃。整合周邊產業及資源，從產業鏈角度分析探索LNG 冷能的利用，規劃構建冷能利用產業鏈[3]。四是加強人才培養和國產化攻關。加大關鍵設備國產化支持力度，推動冷能利用技術集成優化和工程化進程，做好冷能利用專業技術人才培養和儲備工作，確保我國LNG 冷能利用可持續發展。