液化天然气（LNG）冷能利用研究进展.pdf

7 48 化 工 进 展 C H E MI C A L I N DUS T R Y A ND E NG I NE E R I NG P R O GR E S S 2 0 1 6年第 3 5卷第 3 期 液化天然气 L NG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 4 5 0 0 0 7 摘要液化天然气 L N G 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 L NG冷能利用率不高的普遍问题。本文阐述 了L N G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L NG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；炯；相变；回收 中图分 类号 T E 6 4 2 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 60 30 7 4 80 6 Doh 1 0 ． 1 6 0 8 5 ／ j ．i s s n ． 1 0 0 0 6 6 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 3 ． 0 1 5 A r e v i e w o n l i q u e fi e d n a t u r 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 WANG Fa n g，， I T k e ， F AN Xi a o we i ， ZHU Ca i xi a S c h o o l o f E n e r g y a n dE n v i r o n me n t ，Zh o n g y u a nUn i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 7 ，He n a n ，Ch i n a Ab s t r a c t As a n e n e r g y s o u r c e ，l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L NG h a s t h e a d v a n t a g e s o f c l e a n a n d e ffic i e n t ． Th e v a p o r i z a t i o n of LNG r e l e a s e s a l a r g e n umb e r of c o l d e ne r g y， whi c h h a s g r e a t e c o no mi c va l ue a n d e n v i r o n me n t a l v a l ue ．Bu t i t i s a c o mmo n pr o bl e m t ha t LNG c o l d e n e r g y ut i l i z a t i o n r a t e i s l o w．Thi s p a p e r p r e s e nt s va r i o u s wa ys of t he LNG c o l d e n e r g y ut i l i z a t i o n， c o mpa r e s t he a d v a n t a g e s a nd d i s a d v a n t a g e s a n d c o o l i n g e n e r g y r e q u i r e me n t s a mo n g t h e m， a n d d i c u s s e s t h e p r o s p e c t s f o r t h e i r u t i l i z a t i o n a n d e nv i r o n me n t a l va l ue s ．LNG c ol d e n e r g y u t i l i z a t i o n t e c h n o l o g y d e ve l o pme n t a nd t he r e s e a r c h pr og r e s s a r e a l s o i n t r o d uc e d．To s o l v e t he pr o bl e m of l o w u t i l i z a t i o n r a t e ， s u g ge s t i o ns of t a k i n g a d v a n t a g e of t he pr i nc i pl e of t e mpe r a tu r e c o u nt e r pa r t a n d c a s c a d e ut i l i z a t i o n， de ve l o pi ng a c c u mu l a t i o n a n d c o l d e n e r g y s t o r a g e d e v i c e a s we l l a s d e v e l o p i n g n e w r e f r i g e r a t i n g me d i u m， a r e p r o p o s e d ． T h e c h o i c e o f c o l d e n e r g y p r o j e c t s s h o u l d b e b a s e d o n t h e a v a i l a b i l i t y o f l o c a l c o n d i t i o n s a n d n e w for ms o f c o l d e n e r g y u t i l i z a t i o n n e e d t o b e d e v e l o p e d ． Ke y w o 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 ； e x e r g y ； p h a s e c h a n g e ； r e c o v e r y 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 1 i q u e fi e d n a tur a l g a s ，L NG作为天然气的液态形式，是天然气经过 净化处理、降温至一 1 6 2 C时形成的液体，体积变为 原来的 1 ／ 6 0 0 ，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 8 5 0 k Wh ， 而 L NG汽 化时放出大量的冷量，其值约为 8 3 0 --8 6 0 k J ／ k g ， L NG汽化过程伴随大量可用冷能的释放， 1 吨 L NG 经换热汽化在理论上可利用的冷量约为 2 3 0 k Wh 。 但正常情况下，这部分冷量通常在 L NG 汽化器中 收稿 日期2 0 1 5 - 0 8 0 1 ；修改稿日期2 0 1 5 - 0 8 3 1 。 基金项 目河南省重点科技攻关项目 1 5 2 1 0 2 2 1 0 3 6 3 。 第一作者及联系人王方 1 9 7 6 一 ，男，博士，副教授，丰要从事建 筑能源新技术、热泵空调节能技术及 L NG冷能利用技术研究。 E ． ma i l wf z z t i 1 2 6 ． G o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王方等 液化天然气 L NG冷能利用研究进展 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，L NG冷能利用引起了国 内外学 者 的广泛 关注 。 1 L NG冷能利用技术应用 1 ． 1 L NG冷能主要利用方式 L NG 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 L NG 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。 表 1 L NG冷能利用方式及温度 1 ． 2 L NG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， 2 0 0 7 --2 0 1 2年天然气净进 口量 年均增长速率约为 9 4 ． 2 ％。其中，L NG进 口占据相 当大的比重，2 0 1 2年我国 L NG进 口量为 1 4 9 6 ． 0万 吨， 约 占同期天然气进 口量的 4 8 ． 2 ％。 预计 2 0 2 0年 ， 我国天然气市场供需缺 口将达 1 4 1 5 ． 0万吨⋯，为了 弥补这一缺 口，可 以预见我国 L NG 进 口量将进一 步加大，由此催生 的 L NG 冷能利用技术将具有光 明前景。 目前， L NG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 L NG 接收站逐步增多 ， L NG进入高速发展阶段，这为 L NG冷能利用技术 的快速发展提供 了可能。日本的 L NG 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， L NG冷能利用率约为 2 0 ％3 0 ％。 我 国 L N G 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 L N G 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 己投入商业运行，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 L NG 冷能， ． 10 用 技术，具有一定的后发优势 。未来几十年 内，发展 L NG 冷能利用技术对我 国能源 的综合利用具有重 要意义。我国 L NG冷能利用相关项 目[ 2 1 见表 2 。 1 - 3 冷能利用方式 比选 表 3总结了几种 L NG 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 表 2 我国 L NG冷 能利用相关项 目 接收站 项 目所在地 站线状态 投产时间 规模／ 万吨‘年 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 一 期 二期 ／ 吨 天 ／ 万吨 年 ／ 万吨 年一 ／ 吨 天一 b 瓦 ／ 万吨 ／ 万吨一 年一 ／ 万吨 年一 ‘ 用率／ ％ 深 圳大鹏 2 0 0 6 ． 5 福建莆 田 2 0 0 8 ．4 上海 洋山港2 0 0 9 ． 1 辽宁大连 2 0 1 1 ． 1 1 浙江宁波 2 o 1 2 唐山 曹妃甸 2 0 1 4 海南 八所港2 0 1 4 ． 8 运营投产 运 营投 产 运 营投 产 运营投产 运营投产 在 建 在建 m 2 5 一 一 一 一 Ⅲ ～ ～ ～ ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ∞ 一 如 一 一 5 5 2 2 一 一 m 5 一 一 一 一 O O O 0 瑚 一 姗 一 一 ～ ～ ～ 5 ～ ～ 8 2 8 5 2 5 2 啪 ㈣ 啪 锄 枷 姒 姒 姒 搬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冷能利用方式提供了帮助【 引 。 2 国内外 L N G冷能利用研究进展 不管是直接还是间接利用 L NG 冷能的方式， 都是通过单一途径对 L N G 冷能进行回收利用，从 热力学炯的角度分析 ，单一的途径不能对 L N G 冷 能充分利用，炯损耗较大。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 L NG 冷 能的利用率。 2 ． 1 L NG冷能用于冰蓄冷 陈秋雄等[4 1 开发 了-} o o 将 L NG 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 L NG 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 l 为冰蓄冷空调工 艺流程【 。林苑[ ] 确定了一套将 L NG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 R 4 0 4 a 和 3 0 ％乙二醇溶液为一、二级冷媒，得到 两台换热器的炯效率分别为 3 O ． 8 8 ％和 4 3 ． 8 6 ％。经 分析，可知引起炯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 L N G冷能用于空气分离 夏鸿雁等l 6 J 提 出将 L NG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 L NG 低温级冷量用于液化高压氮气 ，L NG 常温级冷量则提供给乙二醇冷却水系统 。该 L NG 冷能空分设备 比常规空分设备节能 5 0 ％，且配套循 环冷却水系统有明显节 电、节水效果。图 2为 L NG 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王方等 液化天然气 L N G冷能利用研 究进展 7 5 1 L 供天然气用户 守低 幸 高 蒌 液 ．．J 图 2 L NG冷能 回收系统示 意图 冷能回收系统示意图【 6 ] 。魏林瑞等[ 7 J 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 L NG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 L N G 冷能用于冷库 杨春等 J 提出一种液化天然气 L NG冷能用 于冷库和冷水的橇装化装置 ， 该装置包括 3个系统 L NG 气化系统 、冷媒循环系统和冷水生产系统 。 L NG 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 L NG 气化和应用在时 间和 空间上不 同步的 问题。肖芳等L 9 J 改进了 L NG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， L NG冷能供给不足、冷媒冷量不够的问题 。并对 比 了 L NG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，流程炯效率更高 ，投资 回收期更短，运行成本更低 的结论。图 3为 L NG 冷能用于冷库的工艺流程图【 9 J o L A R OC C A[ m ] 研究 了一种将 L NG 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 L N G储罐 图 3 L NG冷能用于冷库 的工艺流程 管 网 利能力，为高效利用 L NG冷能提供 了新思路。 2 ． 4 L NG冷能用于燃料船舶 杜令光[ 1 1 ] 将 L NG 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 L NG 冷能，降低 远洋货物冷藏成本 。田垫等[ 1 ] 根据 L NG 冷能利用 “ 温度对 口，梯级利用 ”的原则，进行 了船运 L NG 冷能综合利用方案 的设计开发，将 L NG 冷能用于 冷库及冷水空调， B OG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 L NG 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 L NG冷能用于发 电 陈利琼等L l 引 总结了己应用 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 5 5 ％，但有 冷却器温度的要求 。贺雷等_ l ] 提出将 L NG 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 L NG 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 L NG冷能梯级利用原理图l J 引 。 2 ． 6 L N G冷能用于海水淡化 黄美斌等I l 将 L NG 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【 J 引 。江克忠等L l b J 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 L NG 冷能冷冻与低温蒸馏 膜相结合或 L NG 冷能冷冻法与其他膜法联用是当 今利用 L NG 冷能淡化海水 的新技术发展方 向。 C AO J 研究了将 L NG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l k g的 L NG冷能可获得 2 k g的冰层融化水， 并且在这个过 程 中，L NG与海水的混合过程几乎不耗费能量。 2 ． 7 L N G冷能用于丁基橡胶 韩军仕【 】 8 J 分析了 L NG 冷能用于丁基橡胶产业 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 5 2 化 工 进 展 2 0 1 6年第 3 5 卷 图4 发电与制冷相结合的L N G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 L NG 和丙烯联合使用的二级制 冷 以及采用 L NG 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 L NG 与丙烯联合制冷每吨橡胶可节约 电能 1 1 0 0 k Wh ，投资成本可降低 l 0 ％～2 0 ％；采用 L NG 直接制冷更为节能，每吨橡胶节能高达 2 0 0 0 k Wh 。 图 6为 L NG 与丙烯联合制冷流程 。陈茂春等 则对 比分析 了 L NG、乙烯 、丙烯三者联合制冷和 L NG 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 L NG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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王方等 液化 天然气 L NG冷 能利用研 究进展 7 5 3 图 6 L NG与丙烯联合制冷流程 洗 涤 淡 水 2 ． 8 L NG冷能用于重卡空调 王方等 u j 设计 了一种将 L NG 冷能用于重卡车 载冷能利用空调制冷联合装置 。包括 L NG 钢瓶、 汽化器、空调、冰箱、发动机和控制器 。L NG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 L NG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 L NG 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 L NG 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 L NG 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 L NG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 L NG冷能 ， 从单项高效利用和综合梯级利用两方面提高 L NG 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 L NG 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 L NG 冷能利用过程 中要贯彻循环经济的理念 ，积极探索 L NG 冷能利 用技术，实现 L NG 冷能的充分利用，形成健康的 工业网络体系 。 参考文献 余黎明．高效利用 L N G冷能的途径探析[ J ]化学工业，2 0 1 4 ，3 2 5 1 1 2 ． 徐文东，段娇，陈运文，等． 液化天然气冷能利用技术及其产业 化进展叨．天然气化工 C1 化学与化工， 2 0 1 3 ， 3 8 5 7 9 8 4 ． 高为，张磊．我国液化天然气卫星站冷能利用潜力分析[ J ] ． 化学 工业 ，2 O l 4，3 2 1 02 3 ． 2 6 ． 陈秋雄，徐文东，陈敏． L N G冷能用于冰蓄冷空调的技术开发[ J ] ． 煤气与热力，2 0 1 2 ，3 2 8 6 - 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