论文部分内容阅读
摘要：文章介绍液化天然气冷能利用的原理，介绍目前国内外的发展概况，并重点介绍液化天然气冷能的几种常用的应用方式。
关键词：液化天然气；冷能利用
1引言
近年来随着全球经济和社会的快速发展，能源的需求量呈逐年递增的发展趋势，而且世界能源结构也正在由煤炭、石油向天然气转变。天然气的主要成分为甲烷，其在常温常压下为气体状态，由于储存和运输的需求，通常在将其开采出之后要经过压缩和液化处理，将其转化为-162℃的低温高压液体，也就是液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas），其体积为常温常压状态下的1/600，不仅有利于天然气的远距离运输，而且有利于降低其储存成本，还利于其民用负荷的调峰。虽然将其也液化为LNG需要消耗较多的能量，但是相较于储存和远距离运输的成本消耗仍然具有良好的经济性。但是在LNG的使用时需要将其进行气化使用，此过程会释放大量的冷量，其中有大量可用冷能的存在，据统计，每吨LNG经换热气化时的理论可用冷量为230kWh左右，但是这部分冷量的利用却没有引起该有的重视，造成了能量的浪费，甚至还会造成环境污染，所以研究LNG冷能的利用具有客观的经济和社会效益[1]。
2 LNG冷能利用技术
天然气在储存和运输过程中，需要将其进行液化处理，使其转化为-162℃的高压低温液体，其与周围环境有着较大的压力差和温度差，所以在其转换为与外界平衡的状态时，需要释放出大量的冷能，通常生产1吨的LNG所需的动力和耗电量约为850kWh，而在将LNG运输到目的地进行使用时，需要将其通过汽化器进行气化之后接入天然气管网，在此过程中1kg的LNG释放出的冷能约为830KJ，而架设将此能量全部转化为电能，则相当吨每吨LNG所释放的冷能折合约230kWh的电能。而以我国每年进口4500万吨LNG为例，其蕴含的冷能约105亿kWh，相当于7个30万kW装机容量电厂每年生产的电能总和。
3 LNG冷能利用技术的发展
LNG冷能利用的方式主要有直接利用和简介利用两种，前者的主要形式有低温发电、空气分离、轻烃回收、液态乙烯储存、冷冻仓库、液态CO2和肝病植被、海水淡化、汽车冷藏及空调、蓄冷、建造人工滑雪场等，而后者的主要形式有低温粉碎、污水处理、冷冻干燥、低温医疗、冷冻食品等。日本是全世界最大的LNG进口国，其LNG的冷能利用技术也是全世界最发达的国家，其成功运行的大型LNG接收站的数量居全世界第一，其LNG冷能利用技术于上世纪60年代就開始开发和利用，其中低温发电的比重占到70%左右，其次为空气分离，此外，国外LNG冷能技术比较发达的国家还有韩国、美国等国家。我国自2005年才开始大量进口LNG，目前的LNG接收站项目的投产和在建的数量在逐年增多，LNG的进口量也在迅猛增加，所以LNG的冷能利用技术还处于起步阶段。目前对LNG冷能利用还仅限于单项利用技术，且利用效率也较低，所以各国的相关学者都在致力于提高LNG冷能利用率的研究[2]。
4冷能利用技术应用现状
4.1用于冰蓄冷
国内有关专家利用冰蓄冷系统将LNG气化时所释放的冷能进行储存，然后经过换热将此冷能用于空调循环水系统，起到调峰调谷、平衡电力负荷的作用，其节约用户电费的作用十分明显。
4.2用于空气分离
可以用LNG气化时的冷能代替空气分离设备中的膨胀机制冷循环，通常可以将LNG低温级冷能用于液化高压氮气，而其常温级冷能则用于给乙二醇的冷却水系统，此方式可以常规的空气分离装置节能50%左右，具有明显的节点和节水的效果。但是由于不同时段和不同季节用户对天然气的使用会有所波动，所有有关专家又研发了利用液氮冷媒补冷来维持空气分离器连续运行的方法，确保了空气分离器运行的稳定性，并对其运行方案的经济性进行了优化。
4.3用于冷库
利用冷库和愣说的撬装化装置将LNG的冷能传给冷媒，然后经过冷媒循环系统将冷能用于冷库和通过冷水生产系统传给冷水，这样不仅简化了传统的制冷系统，降低其耗电量，而且可以采用串联的方式，将各种冷媒通过热交换作用传输到各类冷库中，其冷能利用率可较高，可以降低机械制冷方式37.5%左右的成本。
4.4用于发电
利用燃气蒸汽联合循环电站的方式以液化天然气为燃料，并对液化天然气的冷能进行回收，依靠动力循环进行发电，主要有膨胀法、二次煤体法、联合法、混合煤体法、布雷顿循环法和燃气轮机利用法等方法。其中以布雷顿循环法的利用效率最高，可以达到50%以上，但是对冷却器温度的要求较高；而直接膨胀法的过程和所用设备比较简单，但利用效率较低；二次煤体法是利用天然气的冷能将蒸汽低压冷凝而转化为液体进行循环冷凝，而利用海水作为热源对载热剂进行蒸发，此方法的利用效率略高于直接膨胀法，但是由于不能对高于冷凝温度的天然气冷能进行利用，所以其利用率也较低。
4.5用于海水淡化
目前海水淡化的主要方法有膜法、蒸馏法和冷冻法，而采用冷冻法进行海水淡化时，可以结合LNG冷能，并针对系统中冷媒的相变状态分为无相变流程和有相变流量两种，其中前者的设备较为简单、控制也较为方便，但是冷媒的质量流量较大；而后者具有较小的质量流量，却用于较为复杂的流程、设备和控制方式，其设备的体积也比前者要大。目前此领域的研发方向为采用LNG冷能冷冻与低温蒸馏膜结合或者与其他魔法联用的方式进行海水淡化。目前的技术可以做到采用1kg的LNG冷能可以得到2kg的冰层融化水，而且LNG与海水的混合过程中几乎不消耗能量。
4.6用于丁基橡胶的生产过程
在丁基橡胶的生产过程，可以将LNG和丙烯联合使用进行二级制冷或直接制冷，来代替传统的采用乙烯和丙烯进行联合制冷的方式，在采用新的方法后据统计，采用LNG与丙烯联合制冷的方法生产每吨橡胶可以比传统方法节省电能约1100kWh，且投资成本可以节约15%左右；而采用LNG直接制冷的方法生产每吨橡胶可比传统方法节省电能约2000kWh，节约投资成本约25%左右。而且采用LNG制冷的方案其具有制冷设备的设计压力较低，装置的占地面积较小，制冷流程较为简单等优点。
5结语
在目前全球资源紧缺和环境恶化的大环境下，提高LNG冷能的利用方式和利用效率是顺应低碳环境大形势，提高经济效益和社会效益的重要措施。但是目前LNG冷能利用的方式比较单一，效率也较低，需要在今后的应用和发展中根据当地的经济条件和市场需求进行合理选用，并研发和推广蓄积和储存冷能的先进技术和设备，以及加大蓄冷介质的开发，提高LNG冷能利用效率，拓宽其应用领域，形成健康的LNG冷能利用的工业网络体系。
参考文献：
[1]王方，付一珂，范晓伟，等. 液化天然气（LNG）冷能利用研究进展[J]. 化工进展，2016，35（3）：748-753.
[2]宋翠红，吴烨，高锦跃，等. 液化天然气（LNG）冷量的利用技术[C]// 中国液化天然气储运技术交流会. 2016.
关键词：液化天然气；冷能利用
1引言
近年来随着全球经济和社会的快速发展，能源的需求量呈逐年递增的发展趋势，而且世界能源结构也正在由煤炭、石油向天然气转变。天然气的主要成分为甲烷，其在常温常压下为气体状态，由于储存和运输的需求，通常在将其开采出之后要经过压缩和液化处理，将其转化为-162℃的低温高压液体，也就是液化天然气（LNG，Liquefied Natural Gas），其体积为常温常压状态下的1/600，不仅有利于天然气的远距离运输，而且有利于降低其储存成本，还利于其民用负荷的调峰。虽然将其也液化为LNG需要消耗较多的能量，但是相较于储存和远距离运输的成本消耗仍然具有良好的经济性。但是在LNG的使用时需要将其进行气化使用，此过程会释放大量的冷量，其中有大量可用冷能的存在，据统计，每吨LNG经换热气化时的理论可用冷量为230kWh左右，但是这部分冷量的利用却没有引起该有的重视，造成了能量的浪费，甚至还会造成环境污染，所以研究LNG冷能的利用具有客观的经济和社会效益[1]。
2 LNG冷能利用技术
天然气在储存和运输过程中，需要将其进行液化处理，使其转化为-162℃的高压低温液体，其与周围环境有着较大的压力差和温度差，所以在其转换为与外界平衡的状态时，需要释放出大量的冷能，通常生产1吨的LNG所需的动力和耗电量约为850kWh，而在将LNG运输到目的地进行使用时，需要将其通过汽化器进行气化之后接入天然气管网，在此过程中1kg的LNG释放出的冷能约为830KJ，而架设将此能量全部转化为电能，则相当吨每吨LNG所释放的冷能折合约230kWh的电能。而以我国每年进口4500万吨LNG为例，其蕴含的冷能约105亿kWh，相当于7个30万kW装机容量电厂每年生产的电能总和。
3 LNG冷能利用技术的发展
LNG冷能利用的方式主要有直接利用和简介利用两种，前者的主要形式有低温发电、空气分离、轻烃回收、液态乙烯储存、冷冻仓库、液态CO2和肝病植被、海水淡化、汽车冷藏及空调、蓄冷、建造人工滑雪场等，而后者的主要形式有低温粉碎、污水处理、冷冻干燥、低温医疗、冷冻食品等。日本是全世界最大的LNG进口国，其LNG的冷能利用技术也是全世界最发达的国家，其成功运行的大型LNG接收站的数量居全世界第一，其LNG冷能利用技术于上世纪60年代就開始开发和利用，其中低温发电的比重占到70%左右，其次为空气分离，此外，国外LNG冷能技术比较发达的国家还有韩国、美国等国家。我国自2005年才开始大量进口LNG，目前的LNG接收站项目的投产和在建的数量在逐年增多，LNG的进口量也在迅猛增加，所以LNG的冷能利用技术还处于起步阶段。目前对LNG冷能利用还仅限于单项利用技术，且利用效率也较低，所以各国的相关学者都在致力于提高LNG冷能利用率的研究[2]。
4冷能利用技术应用现状
4.1用于冰蓄冷
国内有关专家利用冰蓄冷系统将LNG气化时所释放的冷能进行储存，然后经过换热将此冷能用于空调循环水系统，起到调峰调谷、平衡电力负荷的作用，其节约用户电费的作用十分明显。
4.2用于空气分离
可以用LNG气化时的冷能代替空气分离设备中的膨胀机制冷循环，通常可以将LNG低温级冷能用于液化高压氮气，而其常温级冷能则用于给乙二醇的冷却水系统，此方式可以常规的空气分离装置节能50%左右，具有明显的节点和节水的效果。但是由于不同时段和不同季节用户对天然气的使用会有所波动，所有有关专家又研发了利用液氮冷媒补冷来维持空气分离器连续运行的方法，确保了空气分离器运行的稳定性，并对其运行方案的经济性进行了优化。
4.3用于冷库
利用冷库和愣说的撬装化装置将LNG的冷能传给冷媒，然后经过冷媒循环系统将冷能用于冷库和通过冷水生产系统传给冷水，这样不仅简化了传统的制冷系统，降低其耗电量，而且可以采用串联的方式，将各种冷媒通过热交换作用传输到各类冷库中，其冷能利用率可较高，可以降低机械制冷方式37.5%左右的成本。
4.4用于发电
利用燃气蒸汽联合循环电站的方式以液化天然气为燃料，并对液化天然气的冷能进行回收，依靠动力循环进行发电，主要有膨胀法、二次煤体法、联合法、混合煤体法、布雷顿循环法和燃气轮机利用法等方法。其中以布雷顿循环法的利用效率最高，可以达到50%以上，但是对冷却器温度的要求较高；而直接膨胀法的过程和所用设备比较简单，但利用效率较低；二次煤体法是利用天然气的冷能将蒸汽低压冷凝而转化为液体进行循环冷凝，而利用海水作为热源对载热剂进行蒸发，此方法的利用效率略高于直接膨胀法，但是由于不能对高于冷凝温度的天然气冷能进行利用，所以其利用率也较低。
4.5用于海水淡化
目前海水淡化的主要方法有膜法、蒸馏法和冷冻法，而采用冷冻法进行海水淡化时，可以结合LNG冷能，并针对系统中冷媒的相变状态分为无相变流程和有相变流量两种，其中前者的设备较为简单、控制也较为方便，但是冷媒的质量流量较大；而后者具有较小的质量流量，却用于较为复杂的流程、设备和控制方式，其设备的体积也比前者要大。目前此领域的研发方向为采用LNG冷能冷冻与低温蒸馏膜结合或者与其他魔法联用的方式进行海水淡化。目前的技术可以做到采用1kg的LNG冷能可以得到2kg的冰层融化水，而且LNG与海水的混合过程中几乎不消耗能量。
4.6用于丁基橡胶的生产过程
在丁基橡胶的生产过程，可以将LNG和丙烯联合使用进行二级制冷或直接制冷，来代替传统的采用乙烯和丙烯进行联合制冷的方式，在采用新的方法后据统计，采用LNG与丙烯联合制冷的方法生产每吨橡胶可以比传统方法节省电能约1100kWh，且投资成本可以节约15%左右；而采用LNG直接制冷的方法生产每吨橡胶可比传统方法节省电能约2000kWh，节约投资成本约25%左右。而且采用LNG制冷的方案其具有制冷设备的设计压力较低，装置的占地面积较小，制冷流程较为简单等优点。
5结语
在目前全球资源紧缺和环境恶化的大环境下，提高LNG冷能的利用方式和利用效率是顺应低碳环境大形势，提高经济效益和社会效益的重要措施。但是目前LNG冷能利用的方式比较单一，效率也较低，需要在今后的应用和发展中根据当地的经济条件和市场需求进行合理选用，并研发和推广蓄积和储存冷能的先进技术和设备，以及加大蓄冷介质的开发，提高LNG冷能利用效率，拓宽其应用领域，形成健康的LNG冷能利用的工业网络体系。
参考文献：
[1]王方，付一珂，范晓伟，等. 液化天然气（LNG）冷能利用研究进展[J]. 化工进展，2016，35（3）：748-753.
[2]宋翠红，吴烨，高锦跃，等. 液化天然气（LNG）冷量的利用技术[C]// 中国液化天然气储运技术交流会. 2016.