液化天然气冷能构成与有效利用方式分析.pdf

第4 4 誊第1 0 ． 期 2 0 1 5 年1 0 月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N o ． 1 0 O c t o b e r ，2 0 1 5 液化天然气冷能构成与有效利用方式分析 王 吴，马贵阳，王锡钰 ，李 程 辽宁石油化工大学 石油天然气学院，辽宁 抚顺 i 1 3 0 0 1 摘 要随着时代的不断进步与人们对液化天然气的需求量与日俱增的大环境下 ，我们近些年来对于这一 方面进行详细而深入的研究 ，通过以往大量的实践结果表明，液化天然气 简称 L N G 在汽化期间会释放巨大 的冷能，倘若我们能够根据实际需要想方设法有效利用和回收这部分冷能 ， 将会在很大程度上提高节能效果与 对系统的效率 ，对于人们的生活质量和环保方面产生的作用将会是十分巨大的。对 L N G冷能的构成以及相关 应用进行了分析，通过这种方式说明在当前这种大环境下各种 L N G冷能回收利用形式的能量利用的实际情况 以及在应用过程中的一些注意事项。然后结合 自身多年的实践经验针对冷能回收系统的不同提出相关的指导性 建议，希望能够在今后的有效应用液化天然气方面提供一些借鉴和参考。 关键词 液化天然气 ；冷量利用 ；回收；L N G冷能 中图分类号 T E 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 51 0 2 3 5 7 0 3 Ana l y s i s on Co m p os i t i on a nd Ef f e c t i ve Ut i l i z a t i o n o f LNG Co l d Ene r g y WANG H a o ， MA Gu i - ya n g ,WANGXi - yu ， LI Che n g Co l l e g e o f Pe t r o l e u m a n d Na t u r a l Ga s E n g i n e e r i n g ， Li a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t As t h e p r o g r e s s o f t h e T i m e s a n d p e o p l e S i n c r e a s i n g d e ma n d f o r l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L NG ． w e h a v e ma d e a n e x h a u s t i v e s t u d y o n i t i n r e c e n t y e a r s ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t ， l i q u e fi e d n a tur a l g a s L NG c a n r e l e a s e h u g e c o l d e n e r g y d u r i n g e v a p o r a t i o n ． I f we c a r l e ffe c t i v e l y u s e a n d r e c y c l e t h i s p a r t o f t h e c o l d e n e r g y a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l n e e d ， t h e e ffic i e n c y o f t h e e n e r g y s a v i n g wi l l b e l a r g e l y i mp r o v e d ， wh i c h wi l l h a v e v e r y g r e a t e ffe c t o n t h e q u a l i t y o f p e o p l e ’ S l i v e a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ．I n t h i s a r t i c l e ， c o mp o s i t i o n a n d r e l a t e d a p p l i c a t i o n o f L NG c o l d e n e r g y we r e a n a l y z e d ． No w a c tua l s i tua t i o n o f r e c y c l i n g a n d u t i l i z a t i o n L NG c o l d e n e r g y wa s d i s c u s s e d a s we l l a s s o me ma t t e r s n e e d i n g a t t e n t i o n i n t h e a p p l i c a t i o n p r o c e s s ． T h e n c o mb i n e d wi t h p r a c t i c a l e x p e r i e n c e s ， s o me s u g g e s t i o n s we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s L i q u e fi e d n a tur a l g a s L NG ； C o l d e n e r g y u t i l i z a t i o n ； R e c y c l i n g ； L NG c o l d e n e r g y ． 从以往的大量实践中我们可以看出，为了最大 限度的方便天然气的储藏运输，我们最为常用的做 法就是将天然气经过相关的干燥脱酸处理后 ，1 1 K 这种低温状态下液化成液态。但是有一点值得大家 注意的是，在液化天然气气化成常温气体之后供给 用户 的期 间必然会将释放 出大量的冷能，而以往 的 很多时候 ， 我们会对这一问题不管不顾，任由其浪 费掉 ，这是十分可惜的。 1 L N G的冷能具体构成 众所周知 ，随着全球人 口总数越来越多 ，能源 供应问题也 日 益凸显出来，人们随着时间的推移逐 渐认识到能源 “ 质”比 “ 量”更关键。从 一个角度 上来看，我们在当前这种大的形势下已经不能再像 过去那样单纯的看量而忽略了质，而应该以一种综 合的角度了分析和看待这个问题。 下面将从 “ 冷量” 和 “ 冷量用” 这两个方面分别阐述冷能的主要构成。 1 ． 1 L N G的冷量 通常而言 ，我们常说 的冷量所指的是系统处于 比环境温度要低 具体低多少要根据实际情况而定 通过边界所散发出来 的能量总和。通过以往大量的 实践结果，蒸发器内制冷工质汽化冷却冷媒水 通 常是 以液态形式出现 ； 液氮喷淋在冷藏车 内汽化制 冷等 ，这些都是利用工质的冷量来完成的，这就好 像在过去的冬天生火取暖 、烹煮食物 比较类似 ，都 利用了热量， 但是它们之间也存在着本质上的区别， 那就是前者所利用的是 比环境温度要低的热量 。但 是这种数量描述仍然无法在真正意义上体现能量在 “ 质”上的差异。因为对于低温工质而言，冷量一 般而言只是非常简单的描述 了它吸收热量 的能力到 底有多大而以。 通过过去的大量 的研究 ，当 L N G由 饱和温度 我们可以用 饱和 1 1 1 K 复温到 3 0 0 K， 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 - 1 0 作者简介 王昊 1 9 9 1 一 ，男，辽宁抚顺人，硕士，辽宁石油化工大学油气储运硕士在读，研究方向液化天然气冷能利用技术。 E -ma i l 4 7 l7 9 4 0 4 6 q q ． c o m 。 2 3 5 8 当 代 化 工 2 0 1 5 年 1 0月 1 0 0 卡 帕 的环 境状 态下 释 放 出的冷 量 为 9 1 9 ． 8 9 k J ／ k g E ” 。 1 ． 2 L N G的冷量用 从前面的描述中我们可以得知，不管是系统当 时是处于哪一种状态如果在逆变化到给定环境状态 的过程 中，能转换为 “ 可完全转换能量”的称之为 冷量用 。当工质温度 比环境温度要低的时候 ，系统 会从外界环境吸热的期间达到有用功的最大化 ，还 有一种情况就是为了尽可能的维持低温，自系统抽 取冷量过程中需要消耗的有用功最小值称为冷量 用。如果从这种层面来看的话 ，冷量用和热量用本 质上其实属于 “ 死态”的两种形式罢了，他们都可 以某种方式转化为有用功 。从图 1 中可以看出，低 温工质所具有的冷量通常要少于比它所能转化的最 大有用功 ，而且要少得多 。 6 0 5 ． O 4 O l 。3 ． 0 2 0 1 ．0 0 一 ＼ Q ＼ ／ _ ＼ 0 i 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 T ／ K 图 1 热量／ 冷量用与温度的关系 Fi g． 1 He a t ／ c o l d qua nt i t y r e l a t i ons wi t h t e mpe r at ur e 从图 1中可以清楚的得出一个结论 ，与环境的 温差会随着温度的降低而加大。众所周知，与环境 的温差完全一致的条件下 ，低温下 的能质系数要高 出高温状态下能力系数 而且一般会高出许多 。 此 时我们可 以从节能的角度充分 的利用低温下系统的 这种能力会比以前那样单纯的利用低温工质放出的 冷量在价值方面必然会高得多-z]。 2 L N G冷能的回收与有效利用 通过以往 的经验总结 ，L N G 冷能的回收与有 效利用主要表现在以下几个方面。 2 ． 1 L N G冷能回收在发 电中的有效应用 一 般地说 ，回收 L N G冷能 ，就 目前而言还是 需要依靠动力循环进行发电是 回收以及有效利用 L N G冷能的主要方式 ，而且经过这么多年技术的沉 淀和经验 的积累 ，在技术方面相对较而言会更加成 熟一些。总的来说 ，当前通过电能 的形式回收冷量 用的方式主要包括 以下三种情况 首先是利用温度 用的中间介质朗肯循环方式，换言之，就是每吨 L N G的发电量保持在 2 0 k W h的状态 ；然后是利 用压力用的膨胀法 直接而非间接 ； 最后就是综合 上述两者的联合法， 也就是保持每吨 L N G的发电量 在 4 5 k W h上下徘徊 。 从图 2 看出，左半部分是靠 L N G与海水驱动 的冷媒动力循环 二次 。 右半部分是利用压力用的 直接膨胀动力系统完成的。 其中需要特别强调的是 ， 在这个运行的过程 中选取系统 中二次冷媒是至关重 要的， 我们务必要保证其物性合乎相关标准才行， 也就是要切实保证在 L N G范 围内不会凝 固， 与此同 时流动和换热性能也必须要 良好 ，临界温度不得低 于环境温度，使用安全，比热大等相关要求。除此 之外，为了最大限度的提高 L N G冷能的回收效率， 我们在就 目前而言已经得到实践证明过最为有效 的 方式就是在二次冷媒动力循环系统中采用再热 或 回热 循环， 数据表 明， 如果不出现意外情况的话 ， 这种回收方式的冷能回收率通常可以达到 5 0 ％左 右。 海水 乏气 或 图 2 L N G冷 能回收联合法流程 Fi g ． 2 J o i n t me t h o d o f LNG c o l d e n e r g y r e c o v e r y p r o c e s s 2 ． 2 冷能回收在空分 中的有效应用 一 般地说 ，低温环境往往是由电力驱动的机械 制冷所造成的，我们从制冷原理可知，消耗的电能 会随着温度的降低呈现出急剧增加的状态。通过以 往大量的实践结果表明， 低温蒸发在一定的范围内， 能耗势必会随着蒸发温度降低而出现一定程度的增 加 。相关数据表明 ，蒸发温度每降低 1 K，能耗会 随之增加大约 1 0 ％上下徘徊 。 回收 L N G冷能如果是 主要用于两级压缩制冷冷却空气制取液氮， 那么液 氧的空分装置流程图如图 3 所示 。 事实证 明，采取这种方式所需要的制冷机 的类 型是通常是比较小的那种 ，电能消耗也可逐渐得到 减少 ，在过去的很长一段时间里生产 1 m 需要 电耗 0 ． 5 k W h ，自从采用冷量 回收的方法可使电耗减小 3 0 ％；而且随着水耗的减少必然会在很大程度上降 低液氮 或者是液氧 的生产成本，这样一来可以 使 L N G在温度更低的领域得到更为广泛的应用 ， 比 方说在生产半导体器件、真空冷阱、食品速冻等领 域。此外，预冷剂作为空气分离装置，它在生产液 氩的空分装置中会最大限度的利用其冷能冷却以及 第 4 4卷第 1 0期 王 昊，等液化天然气冷能构成与有效利用方式分析 2 3 5 9 液化的 循环 氮， 事实 证明， 通过 这种 方式可以 很好 3 结束语 的省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组 ，从而进 一 步降低产品能耗 ， 事实证明，这样做可以在一定 程度上减少企业的成本投入， 大大提高经济效益 。 图 3 L N G冷 能回收 用于空分 流程 F i g ． 3 LNG c o l d e n e r g y r e c o v e r y us e d i n a i r s e pa r a t i o n pr o c e s s 2 ． 3 L N G冷能回收在制造干冰过程 中的应用 以化工厂 的副产 品二氧化碳为原料 ，这 也是 L N G冷能回收的主要利用形式 ，相关数据表明，这 样做能够有效节约 5 0 ％以上的电能。 除此之外，液态二氧化碳在焊接、铸造行业应 用的同样 比较广泛 ，而干冰的应用领域就更多了。 事实证 明， 利用 L N G冷能制造液态二氧化碳 或干 冰 ，不但比过去消耗的电耗更小 1 m 电耗 0 ．2 k W h ，而且生产的产 品的纯度高最高可 以达到 9 9． 9％同 ． 综上所述 ， 随着科技的发展与人们对天然气质 量的要求越来越高，因为这是与我们的E t 常生活密 切相关 的，我们必须要对此问题引起足够 的重视才 行 。 通过多年的实践经验得出 ， 冷量 L N G会随着温 度 的降低而不断提高 自身的价值越高 ，L N G具有的 作功能力比吸热的能力更宝贵。从这一点上来看 ， 我们应充分利用其在低温下的高品质能量，想方设 法最大限度的利用 L N G 的作功能力为我们提供优 质服务。想要做到这一点， 相关工作人员应该根据 实际需要对流程进行合理安排 ，最好的办法就是采 取减小传热温差等措施来有效减少那些不可逆损 失。从而保障的天然气更好的为我们所用。 参考文献 [ 1 ]熊永强掖 化天然气冷量利用的集成优化阴． 华南理工大学学报 自 然科学版 ，2 0 1 1 0 3 1 0 2 1 0 3 ． [ 2 ]谭洪波．液化天然气冷能用于 s t il l i n g热机初探明． 化工学报 ，2 0 1 4 0 64 9 5 3 ． [ 3 ]白飞飞．低温回收废热与液化天然气冷能利用的集成研究[ J ] ． 中国化 学工程学报 ，2 0 1 0 0 5 2 0 2 3 ． [ 4]张国军 ，刘伯权． 高强混凝土框架柱的恢复力模型研究[ D 】 ．北京 北京大学， 2 0 1 1 ． [ 5 ]熊永强，华贵． 利用液化天然气冷能搜集二氧化碳的动力系统的集 成[ J ] ．化工学报， 2 0 1 0 1 27 8 - 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