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第 5期 徐文东等 液化天然气冷能利用技术及其 产业化进展 7 9 液化天然气冷能利用技术及其产业化进展 徐文 东 ， 段娇 ， 陈运文 2 ， 卓 凡 1 ． 华 南理工大学强化传热与系统节能教育部重点实验室 ， 天然气利用研究 中心， 广东 广州 5 1 0 6 4 0 ； 2 ． 深圳市燃气集团股份有限公司 ， 广东 深圳 5 1 8 0 4 9 摘要 介绍了国内外液化天然气 L N G 冷能利用技术开 发与应用 进展 ， 概述 了我 国 L N G冷能利用技术 产业 化的特点 。指 出 L N G冷能利用率较 低的普遍 问题 ， 分析其原因为 L N G气化过程与用冷过程在时间、 空问上的不同步 ， 以及 L N G接收终端或 卫星站工况背景与冷产业发展要求不相 匹配等 。在此基础上提 出了规划前做好冷能用户调查 、 积极 规划利用 L N G卫星站冷能 以及开拓冷能利用新方式等 解决方案 ， 并建议 L N G接收终端或卫星站 彰显本 身优势 ， 利用政府扶持进行大力 发展 ， 最终形成 L N G接收站与冷能回收 利用装置相结合 的新型工业 园区。 关键词 液化天然气 ； 冷能 ； 利用 ； 技术 ； 产业 化 中图分类号 r E 0 9 T Q 0 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 9 2 1 9 2 0 1 3 0 5 ． 7 9 0 6 十年来 L N G产业在 我 国经历 了技术 引进 、 产 业形成和迅猛发展 阶段 ．已经形成了气源液化 、 储 运及多领域终端应用等多条产业链 。 在我 国能源结 构调整和产业升级发展战略方面占有重要地位。然 而 。作为该产业的重要附属产业一L N G冷能利用 ， 其发展现状却令人担忧 。因此有必要把 L N G冷能 利用重新进行梳理 ．从技术经济角度进行 深刻剖 析 ， 结合我 国实际分析 其存 在的问题 ， 探讨其解决 措施 。 为相关技术开发和项 目建设提供理论依据。 L NG冷能利用方式有很多种 见 图 1 ， 主要包 括 低温发 电、 空气分离 、 低温冷冻 、 废 旧橡胶生冷 粉碎 、 燃气轮机进气冷却技术等。美国、 13本等国家 都已实现 了冷能发电 、 空分等项 目产业 化 ； 低温冷 冻 冷库 、 冷水 技术 已相对成熟 ； L N G冷能间接用 l l鋈 l l l l霎 f l l l l I垂l l萋l l萋l l孽l l 图 1 L NG冷 能的主 要利用方式 收稿 日期 2 0 1 3 ． 0 4 - 1 2 ； 作者简介 徐文东 1 9 7 2 一 ， 男 ， 博士， 副 研究员 。 在华 南理工大学化学与 化工学 院从事 高表 面活性炭 制备 及天然气 产业 利用技术研究 工作 ， 电话 1 3 8 2 5 1 9 2 3 4 7 ， 电 邮 w d x u s c u t ． e d u ． C l l ； 联 系人 段娇 ，硕士研究生 ，电话 1 3 5 7 0 2 9 8 4 5 6 。 电邮 a j ． s c u t f o x ma i l ． c o rn。 于废 旧橡胶深冷粉碎项 目，国外亦已实现产业化 ， 但直接利用方式尚未实现 。 国内正在进行相应的中 试研究l 】 我国燃气轮机进气 冷却技术普遍应用 于 L NG接收站周边电厂 。 L N G冷能利用技术在我 国发展迅猛 。 在约十年 发展过程中涉及 了空气分离 、 制造冰雪 、 废 旧橡胶 深冷粉碎等领域 ，典型的实施项 目如福建 L N G项 目， 福建德化 L N G冷能室 内滑冰场项 目。 吉林松叶 粉末橡胶 制品有 限公司的液氮法 粉碎橡胶 生产线 等。 但总体而言． 供冷与需冷产业之间存在温位不 匹配、产业交叉大 ，导致 L N G冷能总体利用率较 低 ， 需要重新审视 、 分析和解决。通过这些典型项 目 来探讨 L N G冷能利用技术的研究进 展 ，并找出方 案来解决现存 L N G冷能利用效率低 ，冷能技术 发 展难度大的问题。 1 L NG冷能利用技术进展 1 ． 1 L NG 冷 能技术 的研究 目前 ．国内外在 L N G冷能利用方面的成功案 例仍局 限于单项利用技术 空分 、 冷库 、 发电 、 干冰 制备等 ，且 L N G所携带的冷能利用效率也较低 ， 因此 国内外的学者一直致力 于 L N G冷能利用研究 以提高冷能利用率。 K a n e k o等12 ] 提出一种 M G T mi r r o r g a s t u r b i n e 多 级压缩和膨胀的 L N G冷 能发 电方案 。该方案采用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 天然气化工 C 化学与化工 2 0 1 3年第 3 8卷 多级压缩和多级换热的方法 ． 只要保持最后一级压 缩 的出口温度在环境温度之上 ． L N G冷能就被逐级 利用。当燃气轮机进 口温度为 1 5 0 0 C 时 ， 系统热效 率可达 6 O ％。Z h a n g等【 1将 L N G冷能利用和甲烷燃 烧的超临界朗肯循环结合来 回收 C O ， 使 L N G的能 量效率和炯效率分别超过 6 5 ％和 5 0 ％。A o k i 等I 4 1通 过研究 L N G直接与水 的接触过程 ，在一定程度上 为利用 L N G冷能间接冷冻海水淡化方法的研究奠 定 了基础。 Y a n g 等四 利用 L N G的冷能分离 出了 L N G 中的轻烃 ． 并省去制冷设 备 。 在 以很低 的能耗获得 乙烷和液化石油气 L P G 产品的同时实现 了 L N G 的气化 ， 有效利用了 L N G冷能。美国专利开发了一 种以低温氮气制冷的橡胶粉碎法I6 1 。在低于玻璃化 温度下将胶粒引入粉碎机 的同时引入惰性气体冷 冻剂 如氮气 进行低温胶粒粉碎 ， 通过氮气来获得 L N G冷能的方式使用冷能 ， 降低了橡胶粉碎的高能 耗。 国内的 L N G冷能利用技术研究随着我 国 L N G 产业的蓬勃发展而取得了很大的进展 。 研究领域涉 及了发 电、 空气分离 、 冷库 、 低温粉碎等。 朱鸿梅等[7 1 采用混合工质的朗肯循环回收天然 气冷量进行发电， 改善了高压天然气 集输过程 中因 节流而使天然气温度明显下降的问题 。 循环效率提 高了约 4 0 ％。程文龙 8 】 采取在二次冷媒的蒸气循 环 中加人抽气 回热的方法改进 L N G冷能 回收联合 法发 电流程，利用 L N G的低温炯 和压力炯使 L N G 冷能的 回收效率达到 5 0 ％左右。刘蔚蔚等 则提 出 了根据不同循环工作温度采用复合循环方法来满 足大温度范围跨度的四级循环系统 ， 使冷能利用效 率达 5 8 ． 6 1 ％。 陈则韶等【 1 O l 提出了一种利用 L N G冷能的空分 流程 ，优点在于该流程设 置了由 L N G冷能冷却的 氮内循环与氮外循环制冷系统 ． 且均采用氮气低温 压 缩 ， 节 能 效 果 明显 ， 生 产液 氧 的 能耗 较 不 用 L N G 法节 电 6 0 ％一 7 3 ． 5 ％。金滔等⋯ 】 取消了氮气内循环 ， 并将氧气的液化设 置在低温换热器中 ． 生产液氧的 能耗 比传统工 艺节能 6 2 ％ 6 8 ％。 黄美斌等【 2 ] 提出了 L N G冷能用于低温冷库 的 两种流程 无相变流程和有相变流程 ， 并通过对 比 分析发现 无相变流程为全液态运行状态 ． 系统设 备简单 、 易于控制运行 ， 但 因冷媒质量流量大而导 致泵功耗较大 ； 有相变流程冷媒质量流量和功耗较 小 。 但因气态部分较大的体积流量 ， 增大了管路 直 径 和换热器尺寸 。 同时使得流程更 复杂 、 控制更 困 难 。吴集迎 ” 】 结合福建 L N G总体项 目确定 了一 套供气规模为 4 0 0 0万 m 3 ／ a的 L N G冷能用 于冷库 的系统流程． 该冷库系统冷量回收率为 3 3 ％。 李亚军等 1 1 4 】 研究的 L N G冷能利用用于乙烯深 冷分离工 艺。 大幅度降低乙烯深冷分离装置的能耗 成 本 ， 但 因冷 热 物 流换 热温 度 不对 应 造成 大量 炯损 。 致使煳 效率仅为 3 8 ． 7 ％。熊永强等【 5 1 提 出的 集成利用 L NG冷能的液氮冷冻粉碎法和低温氮气 冷冻粉碎法两种工艺 ，使紧邻 L N G接收站 的废旧 橡胶低 温粉碎装置直接利用空分装置副产的氮气 和 由 L NG冷能生产的低温氮气进行橡胶冷冻和粉 碎 。 不仅降低了废 旧橡胶低温粉碎生产精细胶粉的 能耗． 更将冷能利用的炯效率提高到 7 0 ． 7 ％。 由上所述可以看出。国内部分 L N G冷能利用 的研究多集中于冷能的直接利用 。 且多为单元利用 工艺。 L N G冷量炯由压力 P下热不平衡引起的低温 和环境温度下由压力不平衡引起的压力炯 e 两部分构成。 通过分析对比发现炯效率较高的流程 都有充分考虑利用低温炯和压力焖 ， 亦或是按照冷 量梯级利用的原则进行冷量集成利用优化。可见合 理规划利用低温焖和压力J焖能明显提高 L N G冷能 炯效率。 1 ． 2 L NG冷 能利用 技术产 业化 实施现 状 国外马来西亚 、 卡塔尔 、 尼 日利亚 、 澳大利亚等 L N G项 目主要是制取 L N G用于出口。 日本从上世 纪 6 0年代就一直致力于 L N G相关技术的研发 ， 并 率先实现了利用 L N G冷能进行空气分离 、冷能发 电、 干冰制造和冷库冷藏等。 相对于某些发达国家 。我国的 L NG产业起步 较晚。但近些年 ， 国内的 L N G产业得到了迅猛的发 展 。截止到 目前 ．国内已建成多个 L N G接收终端 如深圳大鹏 、 上海 L N G接收站等 ， L N G卫星气 化 站 已达 2 0 0多个 。L N G产业 的迅猛发展 ，促进 了 L N G冷能利用产业的发展。目前 ， 国内 L N G冷能的 利用主要集中在以下几个领域 空气分离 、 制造冰 雪 、 冷库 、 废 旧橡胶深冷粉碎、 C O 的低温捕集等。 L N G接收站因其可利用的冷能规模大 、 冷能供 应稳定等优点 ， 首先受到了工业界和学者们的普遍 关注， 其冷能的应用领域多为空气分离 、 冷库等。随 着我 国 L N G产 业的进一步发展 ， L N G卫星气化站 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 徐文东等 液化天然气冷能利用技术及其产业化进展 8 1 的逐渐兴起 ，围绕 L NG卫星站的 L N G冷能利用逐 渐受到了学者和工业界的关注。2 0 1 0年 5月 。 作为 国 内 L N G卫 星站 冷能 利用 的标志性 工程 ．杏 坛 L N G卫 星站冷能用于冷库技术开发的项 目正式 运 营 ，掀起 了国内 L N G卫 星站冷能利用 的又一轮高 潮 。 我 国 L N G接收站的冷能利用项 目已有部分投 入运行 ， 但大多仍处于规划或可研阶段 ， 具体利 用 现状见表 l V 6 - 1 9 1 。 表 1 我国 L N G 接收站冷能利用情况 项 同 辽 大 注 所有 运营投产接 收站 中只有福建莆 田接收站 的深冷 空分项 目已 运营投产 。 其余项 目均处 于在 建或规 划状态 综合上述研究可以看 出目前我 国 L N G冷能利 用技术产业化进展特点 ， 主要包括以下几点 1 冷能利用进展缓慢 ， 实施严重落后。从表 l 可以看 出，深圳大鹏接收站 2 0 0 6年 5月就开始运 营投产 ， 福建莆 田接收站于 2 0 0 8年 4月投产 ， 上海 洋山港接收站也于 2 0 0 9年 l 0月投产 。 这 3个接 收 站最晚的也已投产 2年多 ， 但真正投产运营的冷 能 项 目只有福建莆 田深冷空分 。 可见冷能利用项 目建 设进展很慢 。 实施严重落后于接收站。 2 冷能利用项 目涉及面宽。包括深冷空分 、 轮 胎粉碎 、 丁基橡胶 、 海水淡化 、 冷能发 电、 冷冻冷藏 、 液态 C O 、 轻炔分离等 ， 但 由于受 L N G接 收站站 区 条件限制及周边市场影响 ． 将这些项 目总体规划在 一 个工业 园 实施难 度 大 。 3 L N G冷能工业利用率都较低 ，大多低于 3 O ％。 虽然在实验室 L N G冷能利用率 已可达 5 0 ％及 以上 ， 但具体工业运用中利用率仍 旧很低 ， 究其原 因可能是由于行业问产业链配置存在诸多困难和 矛 盾 。 4 L NG冷能在深冷项 目上的应用较为广泛 ， 且冷能利用项 目越多 ， L N G冷能利用率越高。根据 经济学分析表明，天然气液化就是靠大量耗电的深 冷过程实现的 ， 单位质量 L N G耗电量约 8 5 0 k WM 。 根据卡诺定理 ．利用 1 8 0 C 左右的温差发电的理论 炯 效率不到 1 9 ％， 实际炯效率更低 ， 单位质量 L N G 的冷能只能获得发电量约 5 O k WM 。而通过炯经 济学分析并结合现实因素 ， 生产液体空分产 品的空 分装置及生产为其他产业链服务 的内压缩气体空 分产 品的空分装置才是 L N G冷能利用最充分 、 最 合理的方式 ， 因而利用空分产品进行深冷粉碎 的产 业也得到相应发展。另外 ， 冷能项 目越多， 因分布于 不同温位将会有效的提高冷能利用率。 2 存在问题及解决措施 目前 。 尽 管国内外 L N G冷能利用在冷能发电 、 空分 、 轻烃分离 、 低温粉碎等方面 已实现工业 化利 用 ， 并取得了较好的经济效益。但 L N G冷能利用还 存在 L N G冷能的利用率较低的问题 ，如 日本 L N G 冷能的利用率仅为 8 ％I2 ” ． 造成这一结果的主要原因 有 1 冷能利用进展缓慢 ， 实施严重落后。虽然各 接收站规划项 目设计面宽 ， 包括深冷空分 、 轮胎粉 碎 、 丁基橡胶 、 海水淡化 、 冷能发电、 冷冻冷藏等 。 但 目前所有接收站冷能利用 项 目只有福建 莆田深冷 空分运营投产 ， 其他冷能利用项 目均处于在建或规 划状态， 实施严重落后于接收站运营。 2 冷能利用方式集中于单一利用。国内部分 的 L N G冷能利用 的研 究多集 中于冷能 的直接利 用 ， 且多为单元利用工艺 ， 而现有 的 L N G冷能利用 项 目主要采用单元利 方式 ．仅能有效利用 L N G 冷能中某一品位 的冷能 ．大量的 L N G冷能没有利 用或未得到有效利用 ，是造成 L N G冷能利用率低 的 主要原 因之 一 。 3 现有 L NG接收终 端的供气工艺亦是导致 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 天然气化工 C1 化学与化工 2 0 1 3年第 3 8卷 L N G冷能利用率较低 的原 因之一。由于天然气在供 气之前 ， 一般采用低 温泵将低压的 L N G增至高压 ， 经加热气 化后再 进入 天然气管 网 。由 L N G 冷量 炯的特 征可知 ， 当 L N G的压力大于 8 MP a时， 在 气化的过程中，约 2 ／ 3左右的冷炯将会转化为压力 炯 ，而现有的 L N G冷能利用工艺除了冷能发 电可 以利用部分压力删外 ， 其余 均是利用其低温炯 。在 L N G高压气化过程 中由冷炯 转化而成的压力娴 因 得不到有效利用而被浪费掉 ， 最终导致较低的 L N G 冷能利用率。 4 冷 能用户需求 与 L NG接收站或卫星站 的 气化需求在时间和空间上的不同步。时间不同步是 由于下游燃气需求量随季节和昼夜波动， 决定了接 收站气化负荷需求 的变幅 ； 而 生产 过程 、 市 场需求 则决定冷能用户对冷能负荷需求的变幅。下游燃气 需求与冷能用户对冷能负荷需求规律完全不同。 很 难同步。同时现有 L N G接 收站在设计和选址时未 考虑冷能的用户 ． 使得接收站周边的冷能用户单一 或没有冷能用户。空间不同步是 由于现有 L N G接 收站在设计和选址时未考虑冷能利用项 目， 导致接 收站或卫星站的面积有限 。限制 了 L N G冷能的大 规模利用 。 5 L N G冷能梯级利用和实际结合 不够。按照 冷量梯级 利用 的原则针对不同温位特 点设计利用 项 目， 保证 每个温位冷能合理全面利用 ， 以提高冷 能利用率 。根据 L N G冷能温位利用特性状况可知 全面利用冷量必使产业链拉长 。而较长的 L N G冷 能利用产业链 ， 势必会受 到资源 、 市场 、 环境 、 运输 等诸多因素的影响 ， 即很多项 目从冷能梯级利用 的 角度可能是 比较匹配 ． 在其他因素上却存在诸多困 难和矛盾 ， 使得产业衔接出现问题 ， 未能实现真正 的梯级利用。 针对 目前 L N G冷能利用技术存在 的问题 ， 为 更好实现 L N G冷能的经济高效利用 ，现提 出以下 几点建议 1 冷 能利用产业链 应与 L N G接收站 同步规 划 、 建设。 L N G冷能综合集成利用产业链 的构建 ． 需 要接收站业主协同地方循环经济开发区、 相关的其 他企业部门统一规划。目前我国各项冷能利用技术 已较成熟 ， 且利用率也较高 。 可将大型 L NG接收站 规划成包括冷能利用产业链 、 轻烃分离用作化工原 料产业链及天然气冷热电三联供 的工业／ 城镇能源 循环经济链 的循环经济园区．以解决 L N G接收站 气化需求和冷能用户需求在时问和空问上的不同 步问题。构建一个完整的 L N G冷能利用产业链 ， 涉 及下游的众多行业 、 各个单元项 目及其下游产业链 的建 没。 既需要地区政府及相关中央企业部门统一 规划 、 相互协调和管理 ， 又需要遵循市场机制和规 律行事。因而在开展 L N G利用项 目前应开展整个 产业链和 各个 子项 目的投 资 、 建设 、 运营机制 的前 期研究工作 ． 做出与地 区总体规划相呼应的冷能利 用 产 业链 规 划 ，在产 业链 的各个 环 节 间开 展公 平 、 互利的关联交易机制的探索和安排。 2 规划前做好冷能用户调查。L N G接收站或 卫 星站出现气化需求和冷能用户需求 在时问和空 间上不同步的状况 。 主要是 由于前期调查工作没有 做好。因而今后的 L N G接收站或卫星站在规划前 期应做好冷能用户调查 ． 根据现存和将来可能发展 的冷能用户状况 ，并结合 L N G接收站或卫 星站的 工况背景做出符合实际情况的最佳产业规划方案。 3 积极规划利用 L N G卫星站冷能。 当 L N G卫 星站 的广阔分布 与其冷能利用产业发展布局相吻 合时 ， 冷能可利用空间大。如国内第一个 L N G冷能 用于冷库项 目就是卫星站上建设 ， 卫星站具有 L N G 流量小 ， 负荷波动大 ， 由于冷库项 目建设符合 当地 用冷市场需求使得该项 目具有投资少， 见效快的特 点[．z 3 1 。 可见应 尽早对 大 量的小 型 L N G卫 星站进 行冷 能利用规划 ．建设能与 L N G卫星站冷能利用相匹 配的用户 。 例如 废橡胶轮胎粉碎 、 干冰 、 冷库 、 低温 储粮 、 制冰等 ． 以便较好地回收 L N G冷能。 4 加快冷能利用项 目建设进度 ， 优化能源利 用方式 ，实现能量梯级利用 以提高 L N G冷能利用 率。现有冷能利用主要采用单元利用方式 ， 仅能有 效利用 L N G冷能中某一 品位的冷能 ．而任何单一 利用技术都无法充分利用 L N G冷能 。过程炯损失 较大； 通过前期调查工作能更好做到兼顾能量利用 的经济性和合理性 ， 合理安排冷能利用方案。建议 在开展 L N G利用项 目前做好 L N G冷能利用方案 ， 利用 日益成熟 的化工装 置和工艺技术及设备等设 计 出可通过冷媒储存冷能来实现保证天然气下游 日供气调峰作用的系统 ．协调 L N G气化工程 和用 户用冷过程在时间和空问上的不同步。在此基础上 加快 各大 型 L N G接 收站冷能 利用项 目的建设进 度 ， 将冷能利用项 目实施起来 ． 切实做 到能量梯级 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第- 5期 徐文 东等 液化天然气冷能利用技术及其产业化进展 8 3 利用 以提高冷能利用率。 5 优化现有 的 L N G冷能应用 领域 的同时积 极拓展新 的应用方式 。目前 ． L N G冷能利用主要集 中在空气分离 、 冷能发电 、 低温橡胶粉碎 、 低温冷库 等方 面 。由于我 国将来 每 年要 进 口数 千 万吨 的 L N G， 冷能巨大 ， 而现有的这些冷 能利用产 品种类 不多， 又因市场容量有 限， 容易达 到饱和 。因此 ， 开 发新 型 、 高效 、 产品附加值高的 L N G 冷能利用技术 有利于冷能利用产业的多元化发 展 ，对我 国 L N G 冷能利用产业 的发展至关重要。 6 依托政府扶 持政 策 ， 利用本 身优 势进行 大 力发展。 L N G冷能利用符合环保和经济型社会的发 展要求 ． 具有直接的经济效益和社会效益 ， 因而相 关产业应积极争取得到政府扶持 ， 发挥本身优势进 行大力发展 。冷能项 目需要在政府统筹规划之下 ． 有计划地招商引资，并且配合当地 的规划进展 ， 实 现与 L NG接收站的同步建设 。在项 目开展初期 阶 段， 争取利用政府资源 ， 优先选择有实力的 、 与当地 L N G资源方有关联的投资机构和具有较成熟技术 和丰富产业经营经验的企业参与投资和经营。 以有 利于带动冷能综合利用的发展 。同时按照国家有关 资源综合利用产业减免税收的优惠政策减免各项 税赋 ， 并争取在用地、 融资等方面的优惠 ， 从而促进 这种节能减排项 目的顺利开展。 3 小结 L N G冷能的有效 利用是 提高能源利用率 ． 缓 解紧张的用能压力 ， 增加经济效益的关键。但冷能 利用的实施存在项 目进展缓慢 、实施严重落后 、 利 用方式单一 、 能量利用率低等问题 ， 具体体现在 现 有 L N G接 收终端供气工艺 限制 ， L NG接 收站或 卫 星站的气化需求 和冷 能用户需求 在时间和空间上 的不同步以及冷能梯级利 和实 际结合 不够等方 面 ， 急需系统全面的解决。可通过同步规划 、 建设冷 能利用产业链 与 L N G接 收站 ．规划前 做好冷能用 户 调 查 ． 积极规 划 L N G卫 星站 ． 加 快 冷 能利 用 项 目 建设进度 ， 积极拓展新 的冷能利用方式并依托政府 政策扶持等方式加 以缓解或解决 ． 从而促进冷能利 用的积极规划 ， 稳建实施 ， 协调发展。 参考 文献 [ 1 】 郑 惠平， 徐 文东， 边 海军， 等． 废旧橡胶低温粉碎技术研 究进展[ J ] ． 化工进展， 2 0 0 9 ， 2 8 1 2 2 2 4 2 - 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