LNG的物理特性及冷能利用淺析

溫慧

摘 要：隨著新能源的安全和再利用問題的日益嚴(yán)重，天然氣的開發(fā)和利用在國內(nèi)被廣泛推廣。天然氣是一種既環(huán)保又清潔的燃料能源，它不僅燃燒熱值高，而且燃燒產(chǎn)物低碳環(huán)保，在未來的發(fā)展過程中將替代石油和煤等一些高成本的燃料。不僅如此，液化天然氣技術(shù)的飛速發(fā)展更加放大了天然氣的優(yōu)點，使得它在更多領(lǐng)域中應(yīng)用和推廣。天然氣不但與人們的居家生活密切相關(guān)，而且對社會生產(chǎn)帶來積極影響和可觀利潤。文章介紹了液化天然氣的基本物理性質(zhì)以及LNG冷能的幾種利用方法，以達(dá)到合理利用LNG冷能，節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞：LNG;物理特性;冷能利用;發(fā)展趨勢

中圖分類號： TU24 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-184-2

1 ?何為液化天然氣

液化天然氣英文名liquefied natural gas，是以甲烷為主的無色無味、無毒低溫混合液體。所謂液化天然氣（LNG）就是將氣田生產(chǎn)的天然氣經(jīng)過脫水、脫碳、脫酸、脫汞等凈化工藝處理后，再利用膨脹或加壓節(jié)流制冷技術(shù)，在零下145℃-160℃變成液態(tài)天然氣，此時它的體積也約為原來的1/625。

LNG的物理特性如下：

分子量 173 ? 氣化溫度 -162.3℃ ? 常壓 1053bar

臨界溫度 -82.5℃ ? 爆炸極限 ?上限 15.77% ?下限 4.91%

液相密度 440kg/m3 ? 氣相密度 0.6～0.7kg/Nm3

燃點 650℃ ? ? 熱值 ? 8500～9200kca/Nm3

氣化潛熱 121.87kca/Nm3 燃燒勢 45.18cp 華白數(shù) 54.23MJ/Nm3

2 ?液化天然氣的優(yōu)點

①存儲效率高、占地面積小、投資少。②有利于調(diào)節(jié)城市燃?xì)庳?fù)荷，生產(chǎn)過程中釋放出的冷量可以作冷能、冷凍、溫差發(fā)電等。③便于運(yùn)輸。有專用槽車、火車等運(yùn)輸。④可做優(yōu)質(zhì)燃料與汽柴油相比抗爆性好、燃燒完全、排污少，發(fā)動機(jī)壽命長可以有效降低運(yùn)輸成本。⑤減少城市污染、保護(hù)環(huán)境，相對密度小、易擴(kuò)散 ，使用安全。⑥不含硫、粉塵，降低溫室效應(yīng)。⑦價格低，1立方LNG是1升0號柴油市場零售價的60%。

3 ?液化天然氣的冷能利用

生產(chǎn)一噸液化天然氣的動力及公用設(shè)施耗電量約為850kw·h。在LNG接收站通過氣化器復(fù)溫時會釋放出大量的冷能（約為830-860kJ），這部分冷能通常被海水或者空氣吸收，不僅造成了冷能的浪費(fèi)，甚至造成環(huán)境污染。如果將這部分冷能回收利用，那么每噸LNG可利用的冷能折合電量約為240kw.h。若一座600萬t/a的LNG接收站，每年可利用的冷能約為14.4億kw.h，而且這種冷能具有很高的利用價值。

3.1 冷能原理

由于液化天然氣是常壓低溫（-162℃）或者高壓低溫（-148℃，0.35MPa）存儲的液體，它同周圍環(huán)境存在溫度差與壓力差，液化天然氣從液相到氣相的轉(zhuǎn)化過程中要釋放冷量，吸收熱量。就是這種利用溫差所得到的能量在工程熱力學(xué)原理中我們稱之為冷能。實際上還是遵循了能量守恒定律。

3.2 LNG冷能應(yīng)用中的注意事項

選擇利用LNG冷能的工藝過程應(yīng)充分利用其-160～-150℃的低溫，工藝過程溫度越低越好;冷能利用工廠的位置盡量靠近LNG接收站或者氣化站，可以降低管道建設(shè)成本和壓力、溫度損失;LNG冷能利用要保證足夠的安全性，避免泄漏形成爆炸性氣體，在設(shè)計和施工中要考慮防爆性能，保證安全運(yùn)行。

3.3 LNG冷能利用方式

LNG冷能利用按過程可以分為兩類：直接利用和間接利用。直接利用包括發(fā)電、低溫空分、冷凍倉庫、海水淡化、制造液化二氧化碳、輕烴回收、制造冰雪、空調(diào)和低溫養(yǎng)殖、栽培等;間接利用包括空分后的液氮、液氧、低溫干燥、污染處理、冷凍干燥及冷凍食品等。

3.3.1 ?冷能的直接利用

①LNG冷能發(fā)電

據(jù)能源利用方式的不同可以分為：a用LNG冷能來改善現(xiàn)有各種發(fā)電動力循環(huán)系統(tǒng)。針對汽輪機(jī)入口空氣濕度的不同，整個循環(huán)的輸出功有不同程度的增加。相對濕度小于30%的系統(tǒng)，其輸出功率將會增加8%，而相對濕度是60%的系統(tǒng)，其輸出功率將增加6%。b用LNG冷能的相對獨(dú)立的低溫動力循環(huán)。LNG冷能將循環(huán)的溫度范圍拓展到低溫領(lǐng)域，而一般工業(yè)余熱或環(huán)境溫度則成為低溫動力循環(huán)的高溫?zé)嵩?。目前，回收利用LNG冷能來發(fā)電系統(tǒng)主要有以下幾種方式：

直接膨脹法：參見圖一。

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·下旬刊201611＼1-197＼100-1.jpg>

圖一

這種方法循環(huán)過程簡單，所需設(shè)備少，但效率不高，發(fā)電功率小。

二次冷媒法：這是利用中間載熱體的朗肯循環(huán)冷能發(fā)電。參見圖二。

<E：＼123＼中小企業(yè)管理與科技·下旬刊201611＼1-197＼100-2.jpg>

圖二

混合工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)為碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，整個冷能系統(tǒng)的冷能回收率為36%。

聯(lián)合法：綜合了直接膨脹法與二次冷媒法，它的冷能回收率保持在50%左右，這是目前使用最廣泛的一種方法，它大大提高了冷能回收效率。

LNG冷能發(fā)電是一項無污染發(fā)電方式，但它只考慮到了冷能的回收利用，并不是一種科學(xué)的方法。

②低溫空分

常用的空氣分離法是將空氣液化后，通過氟利昂冷凍機(jī)、透平膨脹進(jìn)行空氣的液化分離制成液態(tài)的N2，O2，Ar等。LNG低溫冷能用于空分裝置取消了高溫和低溫膨脹機(jī)，是一種非常有效、低能耗的利用途徑?？諝饨?jīng)過壓縮機(jī)純化后先分離，再通過循環(huán)N2冷卻，然后參與精餾得到液氧、液氮、液氬等產(chǎn)品。

③制造液化CO2及干冰

傳統(tǒng)的二氧化碳液化的工業(yè)液化方法大多是把常壓常溫的二氧化碳加壓至2.5.～3.0MPa，-20℃左右，再與制冷機(jī)組換熱降低溫度而液化，其過程能耗很大導(dǎo)致二氧化碳液化成本增加。而利用回收的LNG冷能就能很容易的將二氧化碳冷卻至所需要的低溫。它的工藝原理為：以LNG作為制冷工質(zhì)，當(dāng)儲氣罐里的常溫CO2與低溫LNG在換熱器里換熱，LNG吸收熱量氣化，CO2則釋放熱量溫度降低，部分液態(tài)的CO2直接變成固態(tài)。氣化后的LNG經(jīng)過壓縮機(jī)加壓再次變成液態(tài)進(jìn)一步與換熱后的中低溫液態(tài)CO2在干冰機(jī)中凝固制得干冰，送入干冰儲罐供用戶使用，部分液態(tài)二氧化碳吸熱氣化進(jìn)入循環(huán)回路。

④冷凍倉庫

冷凍或者冷藏倉庫利用LNG與蓄熱或者換熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換，利用冷卻介質(zhì)在倉庫內(nèi)循環(huán)冷卻。這種方式與傳統(tǒng)冷卻方式比，不用大型冷凍機(jī)械，建設(shè)費(fèi)用小，電力消耗大幅度減小，節(jié)約能源。雖然這種方式降低了造價和運(yùn)行費(fèi)用，但是一般的冷凍溫度只需-65℃～-50℃即可，而將LNG低溫用于冷凍也有浪費(fèi)冷能的不足之處。為了有效利用天然氣的冷能，可將低溫凍結(jié)庫、冷凍庫、冷藏庫及預(yù)冷裝置按照不同的溫度帶串聯(lián)，采用不同的載冷劑進(jìn)行換熱后一次送入低溫凍結(jié)庫、冷凍庫、冷藏庫、預(yù)冷裝置，這樣將大幅度提高冷能利用率，運(yùn)行成本較機(jī)械制冷提高37.5%。

3.3.2 ?LNG冷能的間接利用

①低溫破碎

低溫破碎是利用物料在某一低溫時變脆的性能對一些在常溫下難以破碎的固體廢物進(jìn)行有效破碎的過程，也可以利用不同廢物脆化溫度的差異在低溫下進(jìn)行選擇性破碎。比如：橡膠、塑料、金屬等具有低溫脆性的物質(zhì)。破碎后的產(chǎn)物顆粒微小可分離，且不易產(chǎn)生粉塵形成微粒爆炸。我們可以針對不同成分的混合物的物理特性選擇不同的低溫。因此這種方法在資源回收、物質(zhì)分離、精細(xì)破碎等方面有極好的前景。幾種固體的低溫破碎溫度如表1。

表 1

[固體＼& ? ?破碎溫度＼& 制品粒度＼&尼龍12

聚酯

聚乙烯

海帶＼&-100℃

-100℃

-120℃

-100℃＼&150m 90%

150m 90%

150m 90%

75m 90%＼&]

低溫破碎還可以用于醫(yī)療藥品加工與提取、無聊的水油分離、工業(yè)電子原料的無雜質(zhì)加工、垃圾廢物的處理、早期強(qiáng)度水泥等領(lǐng)域。

②污水處理

利用液態(tài)氧可以得到高純度的臭氧，被處理污水對臭氧的吸收率很高，這種方法與傳統(tǒng)的過程相比可以減少三分之一的電量消耗，并且對污水處理效果很好。

4 ?LNG在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

目前，我國天然氣的發(fā)展還沒有形成一定規(guī)模，消費(fèi)量實際上就是生產(chǎn)供應(yīng)量。隨著我國人口的迅速增長和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，市場供需缺口越來越大，居民用氣所占比例也在逐年上升。加上現(xiàn)在社會對環(huán)境保護(hù)要求也更為嚴(yán)格，LNG將成為天然氣市場的主打品牌。2007年中國LNG進(jìn)口量是2006年進(jìn)口量的3倍多。2008年1-11月中國LNG進(jìn)口總量比2007年同期增長18.14%。根據(jù)中國石油和化工協(xié)會統(tǒng)計數(shù)字表明，2015年我國將進(jìn)口液化天然氣高達(dá)4200萬噸。 因此LNG產(chǎn)業(yè)需加快投資。

雖然近期LNG市場疲軟和嚴(yán)重的供應(yīng)過剩局面，使?jié)撛诘腖NG項目建設(shè)不確定性增加，較低的開工率和價格也降低了項目的盈利能力，投資方對LNG項目的投資將越來越慎重。

2015年，全球只有2 000萬噸/年的產(chǎn)能完成投資決策開始建設(shè)。相比其他清潔能源，如風(fēng)能、太陽能等，天然氣無論從安全性、可靠性，還是從經(jīng)濟(jì)效益來說，都是最為成熟的替代能源。國家政府也已經(jīng)出臺了各項稅費(fèi)減免政策，引導(dǎo)我國能源轉(zhuǎn)型建立“無燃煤區(qū)”，為天然氣的市場發(fā)展提供廣闊有利的空間。中國天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵是液化天然氣資源多元化利用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 敬加強(qiáng).液化天然氣技術(shù)問答[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2015（03）：122.

[2] 寧平.固體廢物處理與處置[M].高等教育出版社，2007（12）：134.

[3] 顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2015（13）：213