基于LNG氣化冷能的回收利用

李秉繁，潘 振，張桂強, 商麗艷

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津300451）

基于LNG氣化冷能的回收利用

李秉繁1，潘 振1，張桂強2, 商麗艷1

（1. 遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油海洋工程有限公司天津分公司，天津300451）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為綠色能源的液化天然氣（LNG）得到了更多的重視和利用。大量的冷能產(chǎn)生于LNG氣化過程中，不僅造成能源的浪費，還將會造成冷污染。與此同時LNG所攜帶的冷能具有重大的經(jīng)濟(jì)價值。文章描述了對液化天然氣氣化過程中所產(chǎn)生的冷能相關(guān)的回收及再利用。

液化天然氣（LNG）；冷能；冷能的回收；冷能再利用

隨著我國的經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，面臨的能源污染問題日益嚴(yán)峻，作為公認(rèn)的清潔能源——天然氣的規(guī)劃和利用將起到改善我國能源結(jié)構(gòu)的作用[1]。其中，主要以 LNG的形式存在的天然氣不僅方便了儲存也方便了運輸，但天然氣的必須以氣態(tài)的形式才能被利用，液態(tài)天然氣（LNG）在氣化為天然氣中伴隨著大量的冷能，對于LNG轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生冷能的回收既合理的利用了廢棄能源又降低了對下游設(shè)備的破壞和環(huán)境的冷污染[2]。

1 LNG冷能用于發(fā)電技術(shù)

1.1 直接膨脹發(fā)電

如圖1所示，LNG注入低溫壓縮機（1）轉(zhuǎn)化為高壓 LNG，再經(jīng)過蒸發(fā)器（2）轉(zhuǎn)化為高壓天然氣，在汽輪機（3）中膨脹對外做功的高壓天然氣，汽輪機帶動發(fā)動機發(fā)電。此過程的優(yōu)點在于原理簡單、天然氣沒有直接用于發(fā)電，當(dāng)效率低、發(fā)電功率小、LNG氣化產(chǎn)生的冷能未能完全利用[3]。

1.2 降低蒸汽動力循環(huán)的冷凝溫度

如圖2所示為朗肯循環(huán)的T-s圖，1-2過程中蒸汽在汽輪機中膨脹，2-3過程中工質(zhì)在冷凝器中由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，3-4過程中工質(zhì)由水泵注入鍋爐中，4-1過程中鍋爐將工質(zhì)轉(zhuǎn)化為過熱蒸汽[4]。

圖1 天然氣直接膨脹發(fā)電裝置Fig.1 DX type of natural gas generation device

圖2 朗肯循環(huán)T-s圖Fig.2 Rankine's circulation T-s diagram

根據(jù)朗肯循環(huán)的效率：

其中：（h1-h2）-（h4-h3）為循環(huán)凈功，h1-h4為吸熱量。

當(dāng)吸熱過程不變時，降低1-2過程的放熱溫度，h1-h2會顯著提高,盡管h4-h3也會略有提高，但對于h1-h2的提高 h4-h3的提高可以忽略不計，所以隨著冷凝溫度的降低，循環(huán)效率和凈功都會提高[5]。

1.3 降低氣體動力循環(huán)的吸氣溫度

由布雷頓循環(huán)知，在定壓加熱過程中溫度達(dá)到臨界值時，若降低燃?xì)廨啓C的吸氣溫度，則循環(huán)作功和其效率將得到顯著提高[6]。如圖 3所示為燃?xì)廨啓C入口空氣預(yù)冷裝置，LNG經(jīng)過水冷卻和對流式換熱器轉(zhuǎn)化為常溫天然氣，以LNG作為冷源的裝置通常以乙二醇溶液為冷媒防止水蒸氣冷結(jié)在冷卻管的表面。冷能載體乙二醇溶液在換熱器中與空氣進(jìn)行冷交換，以提高循環(huán)作功和效率[7]。

圖3 燃?xì)廨啓C入口空氣預(yù)冷裝置Fig.3 Air pre-cooling equipment at inlet of the gas turbine

2 LNG冷能用于液化分離空氣

分析LNG冷能火用分析可知，低溫火用在環(huán)境溫度越低是越大，盡可能充分利用低溫火用，減少低溫火用的耗散?？諝夥蛛x的溫度在-150～-200 ℃，而LNG蘊含的冷量為162 ℃，空氣分離裝置使得LNG的低溫火用得到了最佳利用。利用LNG冷量的空分裝置主要包括：提高空分裝置的液化率和利用LNG冷能降低空分裝置的壓力，以提高液化效率和減少壓縮機作功。液化天然氣產(chǎn)生的冷能用于空氣分離裝置產(chǎn)生了一舉三得的效果：(1)節(jié)約電能;(2)簡化流程;(3)能源再利用[8]。

3 LNG冷能用于輕烴分離

如圖 4 所示為：輕烴分離循環(huán)圖[9]，其設(shè)備包括： 液化天然氣低溫泵 ，液化天然氣分流器，換熱器 ，壓縮機，甲烷氣體混合器，氣液兩相閃蒸塔，脫甲烷塔。LNG 經(jīng)低溫泵 P1后由分流器分為兩股：一股經(jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)行氣液分離，CH 氣體從閃蒸塔頂分出進(jìn)入混合器，含有輕烴的液態(tài)天然氣由塔底注入脫甲烷塔中再次進(jìn)行分離；而由液化天然氣分流器中分出的另一股液化天然氣直接注入脫甲烷塔中進(jìn)行分離，經(jīng)過脫甲烷塔分離后的甲烷氣體從脫甲烷塔頂部分出，液態(tài)含輕烴則由脫甲烷塔塔底流出[10]。

圖4 美國專利 US694l77lB2 的輕烴分離流程圖Fig.4 U.S. Patent US694l77lB2 light hydrocarbon separating circulant graphs

4 LNG冷能的其它應(yīng)用

4.1 用于液化 CO2處理汽車尾氣

隨著天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，LNG作為清潔能源作為汽車燃料得到了迅猛發(fā)展，以LNG為汽車燃料將降低汽車尾氣對大氣的污染，LNG蘊含著大量的冷能，并將這些冷量用于處理汽車尾氣，不僅實現(xiàn)了汽車尾氣的零排放，減少了汽車尾氣的環(huán)境污染問題，而且是的LNG氣化產(chǎn)生的冷能得到了合理利用[11-13]。

4.2 用于低溫粉碎橡膠

橡膠在玻璃化溫度（-100 ℃左右）時變得很脆弱，LNG冷能的應(yīng)用很容易將常溫不易破碎的橡膠粉碎，在低溫粉碎裝置中通常以液氮為冷媒，保證了設(shè)備的安全運行[14]。與傳統(tǒng)的再生利用、整體利用和熱利用等回收方式相比低溫粉碎技術(shù)有降低噪音、節(jié)省動力費用和減小污染等優(yōu)點[15]。

4.3 LNG冷能的梯級利用

空氣分離作為液化天然氣冷能梯級利用的第一階，目的是充分利用液化天然氣的低溫火用[16]；LNG經(jīng)過空分裝置后的溫度約為-100 ℃，而粉碎橡膠的玻璃化溫度在-100 ℃左右，經(jīng)過空分的低溫 LNG用于粉碎橡膠，因此對二階段LNG冷能梯級利用為液化天然氣低溫粉碎廢舊橡膠；之后，從低溫粉碎裝置中出來的天然氣仍具有較低溫度，可以用于維持溫度為-60～-10 ℃的冷庫系統(tǒng)中，將用于冷庫系統(tǒng)作為LNG冷能梯級利用的第三階。經(jīng)過三階之后，LNG氣化為常溫天然氣，再經(jīng)處理后利用[17]。

5 結(jié)束語

當(dāng)今我國正處于資源再利用的變革中，液化天然氣氣化冷能的再利用不僅響應(yīng)了國家的號召也減少了冷能對環(huán)境的污染和設(shè)備的冷破壞。

本論文主要從基于 LNG氣化冷能的回收利用進(jìn)行綜述，LNG冷能在發(fā)電、空氣分離、輕烴分離、處理汽車尾氣、粉碎橡膠等方面的利用及合理利用LNG的低溫火用的LNG冷能梯級利用，實現(xiàn)了LNG氣化產(chǎn)生的冷能的回收再利用[18]。

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Recycling of Cold Energy During LNG Gasification

LI Bing-fan1，PAN Zhen1，ZHANG Gui-qiang2，SHANG Li-yan1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. China National Petroleum Offshore Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451，China）

With the fast development of modem society and economy, LNG as a green energy has attached more great importance. Lots of cold energy can be produced during LNG gasification, if the cold energy is not used, which not only will cause the waste of energy sources, but also will cause the cold contamination. Meanwhile cold energy carried by LNG has a significant economic value. In this paper, recovery and reuse technologies of the cold energy generated during LNG gasification procedure were introduced.

LNG; Cold energy; Recovery; Reutilization

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2377-03

2014-04-02

李秉繁（1901-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲運專業(yè)，研究方向：油氣管道輸送技術(shù)。E-mail：670264522qq.com。