[行业研究]液化天然气(LNG)冷能利用研究进展

发布日期:2014-10-16 16:03
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液化天然气(LNG)冷能利用研究进展
王方,付一珂,范晓伟,朱彩霞
(中原工学院能源与环境学院,河南 郑州 450007)
 
摘要:液化天然气(LNG)作为一种清洁、高效的优质能源,其汽化释放的大量冷量具有极大的经济价值及环 保价值,但却存在 LNG 冷能利用率不高的普遍问题。本文阐述了 LNG 冷能利用的各种方式,比较了各种方式的优缺点及冷能需求,分析了其利用前景及环保价值。介绍了国内外液化天然气冷能利用技术的开发与研究进 展,指出了其冷能利用率普遍不高的原因。在此基础上强调了 LNG 冷能“温度对口,梯级利用”原则的重要性, 开发蓄积和储存冷能的装置以及研发新型载冷剂的迫切性,并提出因地制宜选择冷能利用项目,拓展新的冷能 利用形式。
关键词:液化天然气;冷能利用;㶲;相变;回收
中图分类号:TE 642 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2016)03–0748–06
DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.015
 
A review on liquefied natural gas (LNG) cold energy utilization
WANG FangFU YikeFAN XiaoweiZHU Caixia
(School of Energy and Environment,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,Henan,China)
 
AbstractAs an energy source,liquefied natural gas (LNG) has the advantages of clean and efficient. The vaporization of LNG releases a large number of cold energy,which has great economic value and environmental value. But it is a common problem that LNG cold energy utilization rate is low. This paper presents various ways of the LNG cold energy utilization,compares the advantages and disadvantages and cooling energy requirements among them,and dicusses the prospects for their utilization and environmental values. LNG cold energy utilization technology development and the research progress are also introduced. To solve the problem of low utilization rate,suggestions of taking advantage of the principle of temperature counterpart and cascade utilization,developing accumulation and cold energy storage device as well as developing new refrigerating medium,are proposed. The choice of cold energy projects should be based on the availability of local conditions and new forms of cold energy utilization need to be developed.
Key wordsliquefied natural gas (LNG); cold energy utilization; exergy; phase change; recovery
 
 
天然气作为一种清洁、高效的能源,其利用对我国大气污染防治具有重要意义。近年来,我国天然气消费量快速增长,液化天然气(liquefied natural
gas,LNG)作为天然气的液态形式,是天然气经过净化处理、降温至−162℃时形成的液体,体积变为原来的 1/600,其存在增加了天然气储运和利用的灵活性,扩大了天然气的应用范围。生产 1 吨液化天然气的设施及动力耗电量约 850kWh,而 LNG 汽
化时放出大量的冷量,其值约为 830~860kJ/kg,
LNG 汽化过程伴随大量可用冷能的释放,1 吨 LNG 经换热汽化在理论上可利用的冷量约为 230kWh。但正常情况下,这部分冷量通常在 LNG 汽化器中
收稿日期:2015-08-01;修改稿日期:2015-08-31。
基金项目:河南省重点科技攻关项目(152102210363)。
第一作者及联系人:王方(1976—),男,博士,副教授,主要从事建筑能源新技术、热泵空调节能技术及 LNG 冷能利用技术研究。E-mail
 
被舍弃了,不仅造成了大量的能源浪费,甚至还会造成环境污染。回收这部分冷能不仅有效利用了能源,还减少了机械制冷的大量电能消耗,具有可观的经济与社会效益。为此,LNG 冷能利用引起了国内外学者的广泛关注。

1 LNG 冷能利用技术应用

1.1 LNG 冷能主要利用方式
LNG 冷能利用一般分为直接利用和间接利用两种方式。其中,直接利用主要集中于低温发电、空气分离、干冰制造、轻烃分离、超低温冷冻、海水淡化、汽车空调和低温养殖、栽培等方面,间接利用主要是通过 LNG 冷能生产液氮或液氧,再利用液氮、液氧分别进行低温粉碎、低温生物工程、污水处理等工艺。其利用方式及利用温度如表1 所示。
 
1 LNG 冷能利用方式及温度
直接应用 温度/℃ 间接应用
低温饲养和培育 10
低温除盐 0
 
冷库 −20 储存及运输冷冻食品
 
低温发电 −40
 
生产液态 CO2 −60
 
生产干冰 −80
 
−100 食品冷冻
 
−120 冷冻-粉碎食品
 
−140 粉碎塑料和橡胶
 
−160 粉碎废弃家电
 
空气分离 −180
 
−200 高温超导
 
 1.2 LNG 冷能利用前景
随着天然气消费需求量的增加,我国天然气进口量也成递增趋势,2007—2012 年天然气净进口量年均增长速率约为 94.2%。其中,LNG 进口占据相当大的比重,2012 年我国 LNG 进口量为 1496.0 万吨,约占同期天然气进口量的 48.2%。预计 2020 年, 我国天然气市场供需缺口将达 1415.0 万吨[1],为了弥补这一缺口,可以预见我国 LNG 进口量将进一步加大,由此催生的 LNG 冷能利用技术将具有光明前景。
目前,LNG 冷能回收技术得到了各国政府和企业的广泛关注,全球大型 LNG 接收站逐步增多,
LNG 进入高速发展阶段,这为 LNG 冷能利用技术的快速发展提供了可能。日本的 LNG 冷能利用技术走在世界前列,其低温发电、空气分离、液态二氧化碳及干冰制造和低温冷库技术均达到国际先进水平,LNG 冷能利用率约为 20%~30%。我国 LNG 冷能利用技术起步较晚,发展尚不成熟,总体利用程度不高。中国海洋石油集团公司作为我国 LNG 冷能利用的领军企业,目前已在冷能空分、冷冻胶粉、丁基橡胶等多项技术领域取得了重大进展,冷能空分装置已投入商业运行,冷冻胶粉和丁基橡胶等项目也已进入工业应用的实质性推进阶段,具有丰富的冷能项目建设运行经验,在国际同类企业中具备一定的竞争力。中国石油天然气集团公司和中国石化集团公司目前也在加紧研发 LNG 冷能利用技术,具有一定的后发优势。未来几十年内,发展
LNG 冷能利用技术对我国能源的综合利用具有重要意义。我国 LNG 冷能利用相关项目[2]见表 2。
1.3 冷能利用方式比选
表 3 总结了几种 LNG 冷能的主要利用方式, 并分析了各自优缺点及冷能需求,对因地制宜选择
 
2   我国 LNG 冷能利用相关项目
项目所在地
接收站
 
站线状态
规模/万吨·年−1 深冷空分 轮胎粉碎 丁基橡胶 海水淡化 冷能发电 冷冻冷藏 液态二氧化碳
 
轻炔分离 冷能利投产时间一期 二期 /吨·天−1 /万吨·年−1 /万吨·年−1/吨·天−1/兆瓦/万吨/万吨·年−1/万吨·年−1 用率/%
 
深圳 大鹏
2006.5
运营投产
370
300
820
8
1200
约 10
福建 莆田
2008.4
运营投产
260
260
610
2
1000
10
5
25.2
上海 洋山港
2009.1
运营投产
300
300
1240
8
1200
5
5
17.5
辽宁 大连
2011.11
运营投产
300
300
600
5
114
2
30
浙江 宁波
2012
运营投产
300
300
620
2
5
1200
4.5
唐山 曹妃甸
2014
在建
350
650
820
5
15
30
64
海南 八所港
2014.8
在建
200
100
410
2
 
 
3   LNG 主要利用方案比选
利用方式
优点
缺点
冷能需求
建议
空气分离
㶲利用效率高、压缩机尺寸小、能耗低
投资多,占地大
高、多且要求工艺平稳
适用于大型气化站
冷能发电
技术成熟,易大规模实现
投资多,占地大
高、多且要求工艺平稳
适用于大型气化站
低温粉碎
实用性强,能耗低
设备复杂,占地大
中等,要求工艺平稳
处于产业链下游
冷冻仓库
能耗低,占地少,投资省,维护方便
产业链要求较高
中等、多且要求工艺平稳
技术相对简单,需要与下
游市场匹配冷能制冰 工艺流程简单,技术成熟,能耗低,占地少,投资低冷能利用率低 低 适合各类 LNG 气化站
 
干冰生产 操作压力低,能耗低 设备多,占地大,产业链要求高 较低 需要与下游市场匹配蓄冷装置 便于冷能储放 技术要求高,占地较大,增加投资  较高 加大研发力度
空调 便于低品位冷能利用 冷能输送距离较远 较低 需结合周边用户,适合各类 LNG 气化站低温养殖/栽培 利用低品位冷能,可养殖/栽培需要低温的动植物占地大 较低 养殖技术要求高滑冰场 利用低品位冷能,可养殖/栽培需要低温的动植物占地大 中等且要求工艺平稳 需与周边市场匹配,适合中型以上气化站冷能利用方式提供了帮助[3]

2 国内外 LNG 冷能利用研究进展

不管是直接还是间接利用 LNG 冷能的方式, 都是通过单一途径对 LNG 冷能进行回收利用,从热力学㶲的角度分析,单一的途径不能对 LNG 冷能充分利用,㶲损耗较大。目前很多业内专家建议应将多种回收方式进行综合利用,以提高 LNG 冷能的利用率。
2.1 LNG 冷能用于冰蓄冷
陈秋雄等[4]开发了一种将 LNG 冷能与冰蓄冷系统供冷相结合的技术。通过冰蓄冷的形式将 LNG 气化所释放的冷量储存起来,再经过换热将冷量提供给空调循环水,起到“削峰填谷”、平衡电力负荷的作用,明显节约用户电费。图 1 为冰蓄冷空调工艺流程[4]。林苑[5]确定了一套将 LNG 冷能用于冰蓄冷空调的两级冷媒冷量传递工艺设计方案。分别采用 R404a 和 30%乙二醇溶液为一、二级冷媒,得到两台换热器的㶲效率分别为 30.88%和 43.86%。经分析,可知引起㶲损的主要原因是换热过程中存在高温差,作者又从减小换热温差的角度对工艺方案进行了进一步优化。
2.2 LNG 冷能用于空气分离
夏鸿雁等[6]提出将 LNG 冷能用于空分设备,主要是利用液化天然气的冷量来取代膨胀机制冷循
 
 
 
 
 
 
 
图 1 冰蓄冷空调工艺流程
 
环。将 LNG 低温级冷量用于液化高压氮气,LNG 常温级冷量则提供给乙二醇冷却水系统。该 LNG 冷能空分设备比常规空分设备节能 50%,且配套循环冷却水系统有明显节电、节水效果。图 2 为 LNG
 
 
 
 
图 2 LNG 冷能回收系统示意图
 
冷能回收系统示意图[6]。魏林瑞等[7]提出了利用液氮冷媒补冷,维持空分装置连续运行的方案,解决了由于不同时段和不同季节用户用气波动而导致
LNG 空分装置因冷量中断而被迫频繁停车的问题, 并从经济角度对比分析了利用液氮补冷维持空分装置连续运行与直接停车再冷开车的方案。
2.3 LNG 冷能用于冷库
杨春等[8]提出一种液化天然气(LNG)冷能用于冷库和冷水的橇装化装置,该装置包括 3 个系统:
LNG  气化系统、冷媒循环系统和冷水生产系统。
LNG 通过气化系统将冷能传给冷媒,冷媒又将冷能用于冷库和通过冷水生产系统传给冷水,冷媒解决了 LNG 气化和应用在时间和空间上不同步的问题。肖芳等[9]改进了 LNG 冷能用于冷库制冷技术的工艺流程,解决了当天然气用户需求较少时,
LNG 冷能供给不足、冷媒冷量不够的问题。并对比了 LNG 冷能制冷工艺和传统冷库电压缩制冷工艺, 得出前者更节省用电费用,流程㶲效率更高,投资回收期更短,运行成本更低的结论。图 3 为 LNG 冷能用于冷库的工艺流程图[9]。LA ROCCA[10]研究了一种将 LNG 冷能用于超市中深冷冻农业产品并能进行空气调节的工业设施,并从概念设计、热力学分析及经济角度分析了它的可行性、适用性及盈
 
 
 
 
 
图 3 LNG 冷能用于冷库的工艺流程
利能力,为高效利用 LNG 冷能提供了新思路。
2.4 LNG 冷能用于燃料船舶
杜令光[11]将 LNG 冷能用于远洋货物冷藏,将蓄冷技术与冷冻冷藏技术完善地结合在一起,降低了船舶制冷系统的初投资,回收 LNG 冷能,降低远洋货物冷藏成本。田堃等[12]根据 LNG 冷能利用
“温度对口,梯级利用”的原则,进行了船运 LNG 冷能综合利用方案的设计开发,将 LNG 冷能用于冷库及冷水空调,BOG 处理则根据发电机和内燃机的开启情况选取冷凝法或直接输出法的方式。既能充分利用 LNG 气化产生的冷能,又减少船上制冷所需燃料,同时明显减少压缩式制冷装置工作时所需要的运行电耗。
2.5 LNG 冷能用于发电
陈利琼等[13]总结了已应用的 6 种冷能发电技术,包括直接膨胀法、二次媒体法、联合法、混合媒体发电法、布雷顿循环法及燃气轮机利用法。指出布雷顿循环法发电效率最高,可达到 55%,但有冷却器温度的要求。贺雷等[14]提出将 LNG 冷能朗肯循环发电与空调制冷相结合的工艺,通过采用分段回收的方式将高品位冷能用于冷能发电,低品位冷能用于空调制冷,实现 LNG 冷能梯级利用,有效提高冷能利用效率。图 4 为发电与制冷相结合的
LNG 冷能梯级利用原理图[14]
2.6 LNG 冷能用于海水淡化
黄美斌等[15]将 LNG 冷能与冷冻法海水淡化结合起来,并针对系统中冷媒是否相变提出无相变流程和有相变流程,结果说明无相变流程设备简单、控制方便,但冷媒质量流量大; 有相变流程冷媒质量流量小,但流程、设备与控制均较复杂,气相部分体积流量较大,使得气态管路直径较大,相应的换热器尺寸也会更大。图 5 为间接冷冻法海水淡化示意图[15]。江克忠等[16]综合分析了 3 种目前海水淡化的主要技术,分别为膜法、蒸馏法和冷冻法。指出采用混合脱盐工艺即 LNG 冷能冷冻与低温蒸馏膜相结合或 LNG 冷能冷冻法与其他膜法联用是当今利用 LNG  冷能淡化海水的新技术发展方向。
CAO[17]研究了将 LNG 冷能用于间接接触冷冻海水淡化的过程,选取了合适的中间冷却剂转移冷量并提供了最合适的海水结晶温度,结果表明:1kg 的
LNG 冷能可获得 2kg 的冰层融化水,并且在这个过程中,LNG 与海水的混合过程几乎不耗费能量。
  • LNG 冷能用于丁基橡胶
韩军仕[18]分析了 LNG 冷能用于丁基橡胶产业
 
 
 
图 4 发电与制冷相结合的 LNG 冷能梯级利用原理图
 
 
 
 
 
图 5   间接冷冻法海水淡化示意图
 
 
的可行性,提出了 LNG 和丙烯联合使用的二级制冷以及采用 LNG 直接制冷的两种方案,并与常规使用乙烯和丙烯联合制冷的方案对比分析后得到: 采用 LNG 与丙烯联合制冷每吨橡胶可节约电能
1100kWh,投资成本可降低 10%~20%;采用 LNG 直接制冷更为节能,每吨橡胶节能高达 2000kWh。图 6 为 LNG 与丙烯联合制冷流程[18]。陈茂春等[19]
则对比分析了 LNG、乙烯、丙烯三者联合制冷和
LNG 与丙烯联合制冷的两种方案,对于 5 万吨/年的常规丁基橡胶装置,后者具有LNG 汽化压力低、制冷设备设计压力低,装置占地面积小等优势。相较于传统的制冷流程,大大简化了制冷流程,具有工艺设备大大减少且投资较少,公用工程消耗降低等优点。
 
 
 
 
 
图 6 LNG 与丙烯联合制冷流程
 
2.8 LNG 冷能用于重卡空调
王方等[20]设计了一种将 LNG 冷能用于重卡车载冷能利用空调制冷联合装置。包括 LNG 钢瓶、汽化器、空调、冰箱、发动机和控制器。LNG 在汽化器中与载冷剂进行逆流热交换,释放冷量后成为常温燃料汽化进入发动机供重卡使用,载冷剂得到
LNG 释放的冷能后,温度降低,冷能蓄积,从汽化器中出来的低温载冷剂经泵加压进入空调蒸发器, 之后通过风机将冷量传递到驾驶室,达到调节室温的目的。在这个过程中,载冷剂始终只是温度变化而没有发生相变。该实用新型装置节省了驱动压缩机运转的燃料,回收了 LNG 汽化过程的冷能,起到了节能降耗、降低成本的作用,且工艺简洁,便于推广使用。

3 展 望

提高 LNG 冷能利用率是综合利用能源,缓解紧张的用能压力,响应国家节能减排的号召,增加经济效益和社会效益的关键,但目前存在 LNG 冷能利用效率普遍较低,且利用方式单一、项目进展缓慢、实施严重落后等问题。鉴于此,提出以下几点建议。
(1)根据 LNG 接收站的大小、当地经济条件及市场需求合理选择冷能利用项目。
(2)研发特定工艺技术梯级利用LNG 冷能, 从单项高效利用和综合梯级利用两方面提高 LNG 冷能利用率。
(3)开发蓄积和储存冷能的装置,使冷媒系统可以充分实践“温度对口、梯级利用”的原则,利用冷媒将冷能回收和冷能利用分为两个过程,通过
 
冷媒输送管线向各冷能用户供应冷能。
(4)加大蓄冷介质的研发,目前市场上冷媒很少与 LNG 换热时不发生相变,因此,加紧研发无相变冷媒是重中之重。
除此之外,积极拓展新的冷能利用方式也是目前仍需努力的方向。总之,在 LNG 冷能利用过程中要贯彻循环经济的理念,积极探索 LNG 冷能利用技术,实现 LNG 冷能的充分利用,形成健康的工业网络体系。
参 考 文 献
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