LNG冷能利用研究

劉紅宇，龍曉警

?

LNG冷能利用研究

劉紅宇，龍曉警

通過對國內(nèi)外LNG冷能利用現(xiàn)狀的分析，結(jié)合我國LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)的政策，對我國LNG冷能利用存在的問題進行了分析與研究，并提出了相應(yīng)的對策建議。

LNG；冷能利用

引 言

常壓下的LNG是一種-162.0 ℃的低溫液體，通常在LNG接收站采取增壓汽化的方式將LNG汽化成為常溫的高壓天然氣。在汽化過程中LNG會釋放出大量的冷能。截至2014年底，我國已建成十余座大型接收站，預(yù)計未來3年，我國接收站累計接收能力將超過8 000萬t/a。這些接收站在氣化過程中會產(chǎn)生大量的冷能，有效地利用LNG的冷能，對我國節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化具有重要的意義。

1 國外LNG冷能利用情況

世界上最早在進口LNG的同時也開發(fā)LNG冷能利用技術(shù)的是日本，已經(jīng)有40多年的歷史。目前日本LNG冷能利用主要分成2類：一類供接收站自身使用，如BOG再液化、冷能發(fā)電和接收站的空調(diào)；另一類是與外部工廠或冷卻系統(tǒng)集成使用，如空分、液體CO2生產(chǎn)和低溫冷庫等。其中LNG冷能在空分系統(tǒng)中的利用效率最高，因為空分利用的是LNG深冷部分的冷量，每噸LNG大約節(jié)省電力150 kW·h。日本建設(shè)了7套左右的空氣分離裝置，每套處理能力大致為 10 000～20 000 m3/h。在日本，空分裝置利用的冷能約占LNG冷能利用總量的20 %左右，而冷能發(fā)電項目利用的LNG冷能最多，約占70 %左右。

作為全球主要LNG進口國，韓國國內(nèi)建設(shè)了5個主要的LNG接收站，仁川、平澤、光陽、統(tǒng)營和三陟等5個接收站，規(guī)模都比較大。在韓國，LNG的冷能主要用于空氣分離和食品的低溫冷凍冷藏，其LNG冷能利用率不到20 %。

在印度，LNG冷能利用是與燃?xì)怆姀S發(fā)電結(jié)合，利用 LNG冷能來提高大型燃?xì)廨啓C出力。LNG接收站的冷能被用于燃?xì)廨啓C的進氣冷卻，用來提高燃?xì)廨啓C的發(fā)電量。

2 我國LNG冷能利用現(xiàn)狀

我國對 LNG冷能利用十分重視，自第一個LNG接收終端—廣東大鵬LNG接收站建設(shè)期間就已經(jīng)開始進行了有關(guān) LNG冷能利用的研究和前期規(guī)劃。

國家相關(guān)部委也出臺了相關(guān)鼓勵政策。根據(jù)《關(guān)于印發(fā)天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃的通知》（發(fā)改能源［2012］3383號），為引導(dǎo)天然氣高效利用，將LNG接收站冷能利用納入LNG項目核準(zhǔn)評估內(nèi)容，實現(xiàn)節(jié)能減排和提高能效。

2012年3月，國家發(fā)展改革委、財政部、國土資源部和國家能源局聯(lián)合頒布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011—2015年）》，規(guī)劃明確我國要加大LNG冷能利用力度，冷能利用納入LNG項目核準(zhǔn)評估內(nèi)容，與接收站同步建設(shè)，減少對海水生態(tài)環(huán)境的影響，提高能源綜合利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排和提高能效。

根據(jù)《石油和化工行業(yè)“十二五”發(fā)展指南》，國家鼓勵LNG冷能的利用，特別是大型空分設(shè)備對LNG冷能的利用。LNG冷能利用是社會各界關(guān)注的問題，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將有望逐步完善，進一步推動我國LNG冷能產(chǎn)業(yè)的科學(xué)健康持續(xù)發(fā)展。

目前，我國 LNG冷能利用主要用于空氣分離、輕烴分離、廢舊橡膠低溫粉碎、丁基橡膠、低溫冷庫、制冰和冷水空調(diào)等方面。在我國的LNG接收站中，大多數(shù)將空氣分離項目作為首先的冷能利用項目。

我國第一個LNG冷能的空氣分離項目2010 年11月在福建莆田建成投產(chǎn)，日產(chǎn)液氮、液氧和液氬等產(chǎn)品，比常規(guī)生產(chǎn)法節(jié)能50 %、節(jié)水70 %以上。

除了福建莆田的LNG空分外，其它在建或建成的利用LNG冷能的空分項目包括：中海油浙江寧波空分項目、中海油廣東珠?？辗猪椖?，以及中石油河北唐山的空分項目，江蘇如東等 4個LNG冷能空分項目。

除了空氣分離項目外，LNG輕烴分離項目在青島建成；廢舊輪胎低溫粉碎項目在福建莆田建成。

總體而言，我國LNG冷能項目實際投入使用的很少，LNG冷能利用率很低。

3 LNG冷能利用的主要方式

結(jié)合國內(nèi)外冷能利用的實踐，本文重點介紹幾種常見的LNG冷能利用方式。

3.1 空氣分離生產(chǎn)液氧、液氮和液氬

空氣分離方法可分為低溫和非低溫兩種。采用低溫分離法大規(guī)模制取氧氣、氮氣液態(tài)產(chǎn)品，尤其是高純度產(chǎn)品方面具有無法取代的競爭優(yōu)勢，而且只有低溫分離法可以同時生產(chǎn)氬氣等稀有氣體產(chǎn)品，因此低溫分離法在空氣分離的工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)非常重要的地位。

低溫分離法即深度冷凍空氣分離法，是采用低溫技術(shù)從空氣中分離氧氣和氮氣的技術(shù)。利用LNG氣化時的冷能對空氣進行分離，生產(chǎn)液態(tài)空氣產(chǎn)品，系統(tǒng)工藝溫度低，對LNG冷能的整體利用率高，以600 t/d、20 000 m3/h規(guī)模的空分裝置為例，常規(guī)空分裝置的電耗為0.7 kW·h/（N·m3），而LNG空分裝置電耗為0.3 kW·h/（N·m3），每小時消耗50 t LNG，全年節(jié)電6 400萬kW，節(jié)能效果顯著。在國際上此類研究已有逾30年的歷史，并已有多個項目建成運營?？偟膩碚f，利用LNG冷能的空分流程有3個主要優(yōu)點：

1）利用LNG冷能的空氣分離項目技術(shù)成熟，主要產(chǎn)品是液氧、液氮和液氬，產(chǎn)品在鋼鐵、化工、醫(yī)藥、電子、材料等領(lǐng)域均有廣泛的用途，有非常廣闊的市場。2）在空分裝置中LNG冷能可以得到高效利用，項目有很好的經(jīng)濟性和節(jié)能減排效益。3）項目占地較少，可以布置在 LNG接收站內(nèi)。

3.2 LNG冷能發(fā)電

在目前回收LNG冷能的諸多方法當(dāng)中，利用LNG冷能發(fā)電是應(yīng)用較多，技術(shù)較為成熟的方法。用LNG冷能發(fā)電主要是利用LNG的低溫冷能使工質(zhì)液化，而后工質(zhì)經(jīng)加熱氣化再在氣輪機中膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電。目前LNG冷能發(fā)電方式主要有直接膨脹發(fā)電、朗肯循環(huán)發(fā)電、直接膨脹+朗肯循環(huán)系統(tǒng)等。

日本作為LNG最大的進口國，在利用LNG發(fā)電方面有最多的工程實例。日本的 Sodegaura低溫電力公司的直接膨脹-單工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的LNG流量為10 t/h，發(fā)電量為442 kW·h；混合工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的LNG流量為5 t/h，發(fā)電量為241 kW·h。

冷能發(fā)電技術(shù)成熟，世界上已有多套商業(yè)化運行的LNG冷能發(fā)電裝置。而且LNG冷能低溫發(fā)電是一種新興的節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式，符合國家大力提倡的節(jié)能減排政策，且產(chǎn)業(yè)鏈最短，但冷能利用效率較低，約30 %～50 %。近年來，隨著我國對冷能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的投入，目前大部分相關(guān)設(shè)備能夠國產(chǎn)，項目投資已經(jīng)大幅降低。冷能發(fā)電項目占地較小，可以設(shè)置在接收站內(nèi)。

3.3 低溫冷庫及冷凍食品加工

LNG基地和大型的冷庫基本都設(shè)在港口附近，所以回收LNG冷能供給冷庫是很方便的冷能利用方式。

采用LNG作為冷庫的冷源，將載冷劑冷卻到一定溫度，冷卻后的載冷劑經(jīng)管道進入冷凍、冷藏庫，通過冷卻盤管釋放冷能實現(xiàn)對物品的冷凍冷藏。另外，還可對LNG的冷能進行“溫度對口，逐級利用”，即從低溫到高溫，用不同的冷媒進行熱交換后分別送入低溫凍結(jié)庫或低溫凍結(jié)裝置（-60 ℃）、冷凍庫（-35 ℃）、冷藏庫（0 ℃以下）以及果蔬預(yù)冷庫（0～10 ℃），這樣其冷能的利用效率大大提高，整個成本較之機械制冷會下降37.5 %。

冷庫可以使 LNG的冷能從量上幾乎無浪費的全部加以利用，且不用制冷機，節(jié)約了大量的投資和運行費用。但根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《冷庫設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，一般的冷庫只需維持在-35 ℃以上即可，而將-162 ℃ LNG的冷能全部用于冷庫制則冷能損很大，冷能利用效率較低。

3.4 冷能制冰

冰是一種高能耗產(chǎn)品，1 t 20 ℃的水凝結(jié)成冰需要約120 kW·h的冷能，常規(guī)采用電壓縮制冷的方法將水冷卻凝結(jié)為冰，1 t冰需近70度電，制冷工質(zhì)通常采用氨或氟利昂。

利用 LNG冷能制冰可以節(jié)約大量制冰消耗的電能，符合國家提倡的節(jié)能減排政策。LNG冷能制冰技術(shù)成熟，但是將-160 ℃的LNG冷能用于-10 ℃左右的制冰，冷能利用效率低，無法充分體現(xiàn)LNG冷能的價值。

3.5 輕烴分離

利用 LNG的冷能能夠以較低的成本將進口LNG濕氣（即含C2+較多—體積百分比在10 %左右或以上）中的輕烴資源分離出來，其利用溫位在-150～-110 ℃。經(jīng)過輕烴分離可以從LNG中回收乙烷、丙烷、丁烷等C2+輕烴。開展LNG輕烴分離項目，關(guān)鍵是進口的LNG中是否有較高含量的輕烴。如果進口的LNG為富含C2+輕烴的濕氣，而且氣源穩(wěn)定，則可以開展輕烴分離項目，回收的 C2+輕烴可以作為乙烯原料和液化石油氣產(chǎn)品進行銷售。

從LNG中利用冷能分離回收輕烴技術(shù)成熟，我國第一個LNG輕烴分離項目回收裝置2015年4月15日已建成交工，設(shè)計規(guī)模為回收輕烴200 萬t/a，生產(chǎn)純度為95 %乙烷以及液化氣產(chǎn)品。

3.6 丁基橡膠

丁基橡膠合成工藝是一個溫度在-95～-102 ℃的典型低溫反應(yīng)，生產(chǎn)過程所需冷量通過丙烯、乙烯復(fù)迭制冷系統(tǒng)獲得，制冷系統(tǒng)龐大復(fù)雜，需要消耗大量的電能，造成丁基橡膠整個工藝高能耗的問題。將LNG擁有的高品質(zhì)冷能利用于丁基橡膠生產(chǎn)過程中，可以將丁基橡膠生產(chǎn)過程的制冷能耗降低87 %，提高經(jīng)濟效益的目的。

利用LNG冷能的丁基橡膠項目技術(shù)成熟，產(chǎn)品市場需求大，前景好，LNG冷能可以得到較高效的利用。但是利用LNG冷能的丁基橡膠項目需要較大的建設(shè)用地。

3.7 制取液態(tài)CO2和干冰

利用 LNG的冷能，很容易獲得冷卻和液化CO2所需要的低溫，從而將液化裝置的工作壓力降至0.9 MPa左右。利用回收LNG的冷能制造液態(tài)CO2或者干冰，耗電0.2 kW·h/m3，與傳統(tǒng)液化工藝相比可節(jié)約50 %以上的電能和10 %的建設(shè)費。利用LNG冷能制取液體CO2和干冰，項目技術(shù)成熟。

制取液體 CO2和干冰裝置 2所需的溫度（-60～-50 ℃）與LNG冷能品位（-162 ℃）相差較大，冷能回收率低于空氣分離、輕烴分離、丁基橡膠等項目，但高于冷能發(fā)電、低溫冷庫、制冰等項目。此外，LNG冷能液體CO2和干冰生產(chǎn)裝置需要選擇建設(shè)排放大量氣態(tài) CO2的工廠附近，確保原料氣態(tài)CO2供應(yīng)充足。如果LNG接收站周邊建設(shè)有鋼廠和火電廠等CO2集中排放源，可以考慮建設(shè)干冰或液體CO2生產(chǎn)項目。

4 目前LNG冷能利用存在的問題及對策

我國LNG冷能項目實際投入使用的很少，利用率很低。在世界范圍內(nèi)，除了日本大阪燃?xì)夂透痘氐?LNG接收站的冷能利用效率較高之外，其余大多數(shù) LNG接收站的冷能利用率均較低，一般均在20 %～30 %之間，甚至更低。造成LNG冷能利用率偏低主要有以下幾個因素。

4.1 受LNG接收站汽化操作的限制

冷能利用項目一般均要求連續(xù)、穩(wěn)定運行，而接收站 LNG的氣化量在不同時段和不同季節(jié)會由于下游用戶的用氣波動而頻繁變化，夜間用氣低谷時LNG的氣化量很少，甚至停止氣化，致使利用LNG冷能的裝置難以連續(xù)、穩(wěn)定運行，所以通常按照 LNG用量最低來進行冷能利用項目設(shè)計，從而限制了LNG冷能利用的規(guī)模，導(dǎo)致冷能利用率較低。這是LNG冷能利用面臨的技術(shù)難點和重大挑戰(zhàn)。

解決上述問題，可考慮采取以下對策：在LNG接收站項目選址階段需統(tǒng)籌規(guī)劃，將冷能利用產(chǎn)業(yè)的布局進行綜合考慮，在接收站附近安排石油煉廠、化工廠、電廠等需要冷熱的企業(yè)，LNG冷能利用采用工業(yè)集群模式。對于不具備采用大規(guī)模工業(yè)集群模式的接收站，為了提高LNG冷能利用的效率，可以考慮不同他冷能項目進行集成，實現(xiàn)LNG冷能的梯級利用。

4.2 冷能利用項目的投資管理模式矛盾

目前我國 LNG冷能利用項目大部分是接收站以外的其他公司投資建設(shè)，與LNG接收站投資主體不同，導(dǎo)致接收站運行和冷能利用項目運行不銜接、不協(xié)調(diào)的問題。同時，國內(nèi)由于目前電/天然氣的定價機制：LNG氣化后的售價是按“成本加利潤”上報國家發(fā)改委審批而定，接收站不用冷能不影響其經(jīng)濟效益。所以LNG接收站業(yè)主把注意力集中在保障上百億投資項目的穩(wěn)定和安全運行上，擔(dān)心冷能利用“副業(yè)”對主業(yè)（氣化—供應(yīng)）有干擾。這極大地限制了大部分LNG冷能的利用。

解決上述問題，有賴于我國現(xiàn)有投資管理體制的改革，通過將接收站與冷能利用結(jié)合為有機整體，使冷能利用項目作為接收站的子公司，或者均與接收站是同一個母公司，為發(fā)展冷能利用創(chuàng)造條件。

4.3 LNG冷能接收站的選址限制

由于大部分 LNG項目在選址的時候未將冷能利用產(chǎn)業(yè)的布局進行綜合考慮，或者接收站周邊沒有足夠的工業(yè)用地用于冷能利用產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，因而缺乏足夠的冷能用戶和冷能需求。

解決上述問題，需要在LNG接收站項目選址階段將冷能利用產(chǎn)業(yè)的布局進行綜合考慮，在接收站附近根據(jù)擬引進的冷能利用產(chǎn)業(yè)規(guī)劃預(yù)留出必要的土地資源。

5 結(jié) 語

LNG的冷能利用在我國尚處于起步階段，如何有效利用 LNG冷能是我國節(jié)能減排的一個重要課題。本文是筆者實際工作中的一些體會，不當(dāng)之處，望指正。

Research on LNG Cold Energy Utilization

Liu Hongyu， Long Xiaojing
（CCCC First Harbor Consultants Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China）

Based on the policy on the industry of LNG cold energy utilization established by Chinese government，by analyzing the present state of LNG cold energy utilization in China and abroad， the research and analysis have been carried out for the existing problems of LNG cold energy utilization in China. Furthermore， the corresponding measures and suggestions are put forward.

LNG； cold energy

TE89

A

1004-9592（2016）03-0063-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160316

2015-10-14

劉紅宇（1966-），男，高級工程師，主要從事港口工程總圖設(shè)計工作。