液化天然气(LNG)冷量的利用技术.pdf

E＆CTechnol ogyl工程技术 液 化 天 然 气LNG 冷量的利用技术 宋翠红 中原石油勘探局勘察设计研究院河南濮阳457001 摘要进入新世纪以来，在一次性煤、石油、天然气化石燃料消费中，天然气所占的比例逐年增加，与此同时液化天然气 LN G 产业也得到了快速发展，LN G 蕴含着极为可观的冷量。随着LN G 产销量的迅速增长，以及全球性的能源紧 张，LN G 冷能的利用尤为重要。目前，L N G 冷能已经用于发电、空分、轻烃分离、冷冻仓库、低温粉碎等相关领域，此 外，LN G 冷能梯级利用技术也逐步趋于成熟。因此，实现LNG 产业能源的综合集约利用将会带来巨大的经济效 益。 关键词液化天然气冷量梯级利用 中图分类号TE978文献标识码B文章编号16729323201205-005202 随着我国对LN G 的需求量日益增加，我国在广东、福建、浙 江、江苏、山东等沿海地区陆续兴建了多个LN G 接收站。据 2011年中国石油化工产业综述的数字表明截至2011年年底， 全国已投产运营5座L N G 接收站，年液化天然气接收能力达 1580万t ，存储能力已上升至世界第六位，预计到2015年，将迅 猛增到4200万t。 LN G经过气化后进入输气管网输送给各类用户，作为城市 燃气、燃气汽车燃料、燃气空调、工业燃料和化工原料加以利用。 在LN G气化过程中，将大约产生830kJ／kg的低温能量。通常这 部分冷量可以通过天然气气化器被空气、海水、蒸汽、导热油、乙 二醇吸收，其中包含的冷量火用未能得到利用，造成巨大的能量浪 费。因此，积极寻求和高效利用LN G的冷能具有重要的意义。 1LNG 的冷能利用 LN G冷能利用，可以根据利用过程的不同，分为直接利用 和间接利用两种。直接利用包括LN G 冷能发电、空气液化分离、 制取液态CO 和干冰、冷冻仓库、轻烃分离与切割、海水淡化等， 间接利用包括低温粉碎废弃物、冷冻食品、LN G 蓄冷等。 1．1冷能发电 利用L N G 冷能发电是以电能的形式回收LN G 的冷能，主 要是利用LNG 的冷能使工质液化，然后工质经受热气化在气轮 机中膨胀做功带动发电机发电。依靠动力循环进行发电是目前 LN G 冷能回收利用较为成熟的技术。LN G 冷能在发电方面的 利用主要有3种形式。 1．1．1接膨胀发电 LN G从低温储罐或管道出来，经低温泵加压后，在天然气 汽化器气化为高压天然气，直接驱动透平膨胀机，带动发电机发 电，这个过程主要利用LN G的压力能，冷能回收量取决于气轮 52l 石油化工建设2012．05 机进出口气体的压力比。该方法效率不高，发电的功率较少，冷 能回收仅为24％，但循环过程简单，所需的设备少。一般情况下 与其他LNG冷能利用方法联合使用。 1．1．2降低蒸汽动力循环的冷凝温度 将低温的液化天然气作为冷凝剂，通过冷凝器，把冷量转移 到另一介质上，利用介质与环境温差，推动介质进行蒸汽动力循 环，对外做功，带动发电机发电。这种方法冷能的利用效率与所 选的低温介质有关，工作介质的选取相当重要。工作介质有甲 烷、乙烷、乙烯、丙烷等单组份，或者采用他们的混合物。单工质 循环系统的冷能回收率并不高，只有18％；碳氢化合物混合工质 循环的冷能给你回收率大大提高，可达到36％。 而目前使用最多的是将以上两种方法联合起来，可以进一 步提高冷能回收率。即使天然气的输送压力提高也可以回收相 当多的冷能“】。 1．1．3降低气体动力循环的吸气温度 燃气轮机循环是气体动力循环的一种形式。据燃气轮机知 识，降低燃气轮机的吸气温度，将会显著提高循环做功和循环效 率。实际应用中，通常利用LN G预冷空气来提高机组的效率，增 加发电量。由于LNG 气化的温度很低，因此需采用易挥发介质 作为中间载冷剂，将冷能传递给空气。但温度必须严格控制在 0“C以上，以防止水蒸气在冷却装置上冻结，造成冰堵。 LN G冷能发电是一种新型的无污染发电方式，是一种节能 的好方法，但它只考虑到LN G 的冷能回收利用，并没有对LN G 冷能品位的利用，这种方式对冷能的回收效率是相当低的。现实 生产l t 的LN G 要消耗850kW ／h能量，即使LN G 拥有的冷能 以100％的效率转化为电能，I tLN G 的冷能也只相当于 240kW ／h。所以，利用LN G冷能发电是最可能大规模实现的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式，但不一定是利用LNG 冷能最科学的方式。 1．2液化分离空气 通常的空气分离办法就是将空气液化，通过工质为氟利昂 冷冻机、膨胀透平制冷进行空气的液化分离，提取氮气、氧气、氩 气等。而LNG 冷能分离空气，是通过工质氮气换冷，利用氮气冷 却来实现的。 利用LN G 的低温特性不但可减少建设费用，而且生产液 氮、液氧的单位耗能也大大降低了。由于LNG 冷能分离空气能 够减少制冷时电力的消耗，此法分离空气得到了充分的应用。回 收的LNG 冷能和两级压缩式制冷机冷却空气，制取液氧、液氮， 制冷剂容易实现小型j 匕，电能消耗相对较低，水消耗也减少 30％，液氮、液氧的生产成本显著下降，经济效益相当可观。此 外，低成本制造的液氮可以拓展LNG 应用的温度领域，达到更 低-196。C，可以用于真空冷阱、生产半导体器材、食品速冻等。 利用制取的液氧还可以进一步得到高纯度的臭氧，在污水处理 方面用处很大。 1．3制取液态COz和干冰 工业生产中很多地方都产生大量的C O，尤其是发电厂、化 工厂和油气田生产等，大量的CO 排放引起全球性的气候变暖， 温室效应加剧，因此如何处理C O 已经成为一个棘手的难题。方 法之一就是将其液化、固化。传统的C O液化工艺是将C O压 缩至2．5～3．0M Pa再利用制冷设备冷却后液化。利用LN G 冷 能则很容易获得冷却和液化C O所需要的低温，从而使制冷设 备的工作压力降低到0．9M Pa左右，以化工厂的副产品CO为 原料，利用LNG 冷能制造CO和干冰，不但耗电量减少，而且 产品的纯度极高。 1．4冷冻仓库和低温储粮 LN G 接收站和大型的冷库基本都建在港口码头附近，因 此，冷库利用L N G 回收的冷能就很方便。利用L N G 冷能作为冷 源的冷库，只需将载冷剂冷却到一定的温度后经管道进入冷库、 粮库、冷藏库，通过内部的冷却盘管释放冷能，实现对物品、粮食 的冷冻和冷藏。虽然冷库使LN G的冷能几乎无浪费地使用，且 不用制冷机，降低了建造费和运行费，但一般的冷库只需维持在 -50～一65℃即可，而将- 162oC的L N G 冷能全部用于冷库制冷 是不必要的。为了高效地利用L N G 的冷能，可以将L N G 分成不 同的温度带，采用不同的载冷剂进行换冷，依次进入低温冻结 库，低温冻结装置，冷冻库，冷藏室，预冷装置，这样冷能的利用 率就大幅度提高了，运行成本较机械制冷下降很多。 目前，我国规划建设的LN G接收站均位于经济发达的东南 沿海地区的港口附近，而同样为了便于运输与周转，大型的粮食 储备库也均建在交通运输便利的港口附近。例如，福建LNG 接收 站紧邻中央储备粮莆田直属库脚，这为粮食储备库按照“温度对 口，梯级利用”原则利用LNG 冷能进行低温储粮提供了可能。粮 食储备库利用LNG冷能进行低温储粮主要有两种方式即直接 利用LN G 冷能和利用L N G 冷能空分装置副产的污氮气体 区别 于纯氮，含氧量在5％以下。LN G实现低温储粮，不仅可以降低 低温储粮的能耗成本，也为LNG 冷能的利用提供了新的法。 1．5低温粉碎 轮胎、塑料以及其他的化学合成物在常温不易粉碎也不容 易降解，回收起来相当困难，但它们基本都具有低温冷脆性，当 温度低到一定程度时，其强度大大降低，只需很小的冲击力就能 将其粉碎。利用LN G先冷却液体氮，再利用液氮冷冻废弃物，最 后将废弃物粉碎以达到回收的目的。 1．6轻烃分离和切割 天然气生产中通常要回收乙烷及乙烷以上的轻烃，除了使 天然气达到商品外输要求外，还可以追求最大的利润。而LN G 冷能用于C2分离切割和裂解制乙烯装置中的裂解产物的深冷 切割，这是L N G 冷能利用的最佳方式。LN G 冷能用于轻烃分离 的产品主要是乙烷o】，丙烷和少量的丁烷，可以进一步的切割，得 到丙烷，LPG丙烷和丁烷 ，天然汽油c5十等商品分别出售，提 高天然气处理厂的经济效益4】；用于乙烯裂解气的分离，可以大 大降低乙烯的生产成本。 2冷能的梯级利用 如果仅仅考虑LN G 冷能的回收是不够的，还应考虑LN G 冷能品位的利用，这样能量的利用率才有较大的提高。而对 LN G冷能进行梯级利用是一个很好的途径。 分离空气的温度范围是一150～一190℃，LN G 的气化温度 是一162。C，处于空分温度的范围之间，二者相匹配，把空分作为 LN G 冷能梯级利用的第一级，能够充分利用LN G 的低温特性； LN G 在第一级换热出来的温度大概在一100。C 左右，而CO 的 液化温度是一70℃，干冰的生成温度是-78．5℃，因此，制取液 化CO 和干冰可以作为LN G 冷能梯级利用的第二级。此后， LN G 温度与环境温度仍有很大的差距，而冷库的温度范围为 一60。C～10。C ，此温度范围正适合作为LN G冷能梯级利用的第 三级。三级之后，LN G气化的温度差不多就是供气的温度，经供 气前处理后供给天然气用户。LN G经低温储罐或管道出来后， 经过三级冷能利用设备，温度不断的提高，同时各级换热温度匹 配良好，较为充分的利用了LNG 的冷能。 3结语 LN G 冷能利用前景相当广阔，积极合理利用蕴藏的冷能具 有重要的意义。梯级利用冷能是提高LN G冷能利用率的最有效 途径。特别指出的是，LNG 冷能的利用应向集成化、一体化、高 效化发展，达到能源的综合集约利用和提高LNG 产业经济效益 的双重目的。 参考文献 1彭世尼，周廷鹤．LN G 冷能利用技术探讨[J】．城市燃气，200811 1518． 2熊永强，陈忠南，高丽荣，李亚军等．利用LN G 冷能开展低温储粮 [J 】．天然气工业，2009／5． 3熊永强，李亚军．液化天然气冷量利用与轻烃分离集成优化[J】．现 代化工，2006，26 3 5053． 4冯叔初，郭揆常等．油气集输与矿厂加工[M 】．中国石油大学出版 社，2006年5月第二版． 收稿日期2012-07-10 石油化工建设2012．05 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m