LNG冷能價值與工業(yè)利用技術(shù)

許峰杰，徐 建，王 丹

（中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

LNG冷能價值與工業(yè)利用技術(shù)

許峰杰，徐 建，王 丹

（中國空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

介紹LNG氣化時產(chǎn)生的冷能隨環(huán)境溫度、系統(tǒng)壓力以及各組分的變化，分析LNG冷能的價值，并介紹了LNG冷能在發(fā)電、空氣分離、輕烴分離工業(yè)中的應用。

LNG冷能；冷能發(fā)電；冷能空分

液化天然氣（LNG）主要成分為CH4，在氣化使用時放出大量的冷量，該冷量由汽化潛熱和復溫顯熱組成，而目前的氣化工藝中，主要通過開架式海水氣化器或空浴式氣化器換熱復溫，該部分冷能流失，這就造成能源的極大浪費。近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益嚴重，對能源的綜合利用越來越受到重視，低溫冷能利用技術(shù)也得到了進一步開發(fā)，目前國內(nèi)外許多研究人員對如何合理利用LNG冷能展開了研究，范圍包括用于發(fā)電、空氣分離和輕烴分離等，通過合理的工藝組織利用LNG冷能，從而達到節(jié)能、減排、提高能源利用效率的目的。

1 LNG冷能特點分析

LNG的冷能（?）分為壓力p下由熱不平衡引起的低溫（?）ex，th和環(huán)境溫度下由壓力不平衡引起的壓力（?）ex，p，兩部分，即：

其中，

LNG冷能（?）的多少隨環(huán)境溫度、系統(tǒng)壓力以及各組成成分含量等因素而變化，具體變化如圖1、2和3所示。

從圖1可看出，LNG冷能（?）的大小與環(huán)境溫度有較大關(guān)系，LNG的低溫（?）、壓力（?）以及總冷能（?）隨環(huán)境溫度T0的增大而隨之增大。

圖1 LNG冷能（?）隨環(huán)境溫度的變化（p=1.013MPa）

從圖2中可以知，當假定環(huán)境溫度不變時，LNG冷能（?）隨系統(tǒng)壓力變化存在著一定的變化規(guī)律：當LNG系統(tǒng)壓力增大時，LNG壓力（?）也隨之增大。

從圖中2可以看出，當p<1.8MPa時，ex，th>ex，p：而當p>1.8MPa時，ex，th

圖2 LNG冷能（?）隨系統(tǒng)壓力的變化（T0=288.15K）

通常，氣化后得到的天然氣通過高壓管網(wǎng)輸送至城市接收站或用氣點，天然氣的輸送壓力較高，一般在5.0～10.5MPa之間，該LNG的壓力（?）大，低溫（?）相對較小。而使用燃氣發(fā)電或者燃氣鍋爐發(fā)電的發(fā)電站，輸氣壓力一般在0.8～3.0MPa左右，其壓力（?）較小，而低溫（?）較大。

如圖3可見，LNG的泡點和露點溫度受LNG的組成成分、各組分的比例而影響，當組分或組分比例變化時，LNG的冷能（?）也將隨之發(fā)生變化。

當p=1.0MPa，To=288.15 K時，LNG冷能（?）隨混合物中CH4含量的變化關(guān)系：在系統(tǒng)壓力不變的情況下，CH4體積分數(shù)增加，則LNG的泡點溫度降低，LNG與環(huán)境溫度熱平衡的溫度差增大。

圖3 LNG冷能（?）隨CH4體積含量的變化

2 LNG可用冷量分析

以廣東大鵬LNG接收站為例，該LNG主要來自澳大利亞西北大陸架，組成成分如表1所示。大鵬供氣方式采用高壓管道，供氣壓力為10.5 MPa，故LNG在此壓力氣化下釋放出來可利用的冷量如圖4所示。

從圖4可知，1kg大鵬LNG在10.5MPa下氣化至15℃可以釋放出703kJ的冷能，折合195kW·h/t，則大鵬第一期每年進口約600萬tLNG，則該部分LNG氣化可釋放出4.2×109MJ，平均的供冷功率達到133.8 MW。

表1 大鵬LNG組成成分

圖4 10.5MPa下LNG冷能與溫度的關(guān)系

3 LNG冷能利用技術(shù)

現(xiàn)今LNG冷能工業(yè)利用技術(shù)，按照利用方式的不同，LNG冷能利用可分為直接利用和間接利用。下面對目前工業(yè)應用中常用的幾種利用方式進行簡單介紹。

3.1 冷能發(fā)電

冷能發(fā)電屬于對LNG冷能的直接利用，是一種新興的節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式，該技術(shù)流程和產(chǎn)業(yè)鏈短、占地少、投資省、易于實施，不受諸如市場、資源環(huán)境、運輸?shù)纫蛩氐母蓴_，因此，成為LNG冷能利用中最具有實際可行性、同時也最容易大規(guī)模利用的方式。

LNG冷能發(fā)電的主要方式為膨脹發(fā)電，是利用LNG的低溫冷能使工質(zhì)液化，然后工質(zhì)經(jīng)加熱氣化再在汽輪機中膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電，膨脹發(fā)電可分為兩種類型：直接膨脹發(fā)電、ORC有機朗肯循環(huán)法。

此外，冷能還能通過降低蒸氣動力循環(huán)的冷凝溫度、降低氣體動力循環(huán)的吸氣溫度來提高發(fā)電效率，降低發(fā)電能耗。

3.1.1 直接膨脹發(fā)電

LNG經(jīng)低溫液體泵加壓至中、高壓液體，進入換熱器被空氣、循環(huán)水復熱至常溫狀態(tài)，再通過膨脹發(fā)電機對外發(fā)電做功。該流程簡單，所需設(shè)備少，發(fā)電功率較小，效率不低，LNG的冷能沒有充分利用，冷能回收效率僅為24%。每噸LNG的發(fā)電量約為20kW·h/t左右，因此，一般考慮與其他LNG冷能利用的方法聯(lián)合使用。

3.1.2 ORC有機朗肯循環(huán)法

LNG通過冷凝器把冷能傳遞到某一冷媒（有機工質(zhì)上），利用LNG與環(huán)境之間的壓力、溫度差，推動冷媒進行蒸汽動力循環(huán)，從而對外發(fā)電。ORC有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)有單工質(zhì)、混合工質(zhì)之分。

單工質(zhì)ORC系統(tǒng)使用純的CH4、C2H6、C3H8或C2H4做工作媒體，這種系統(tǒng)的LNG冷能回收效率在18%左右?；旌瞎べ|(zhì)ORC系統(tǒng)使用碳氫化合物的混合物作為工質(zhì)，冷能回收效率較高，能達到36%左右（因LNG溫度變化，混合工質(zhì)可覆蓋更大溫度范圍），但是，混合工質(zhì)本身的不穩(wěn)定可能引起系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定。

3.2 冷能空分

LNG氣化時的冷能對空氣進行分離（筒稱為冷能空分），生產(chǎn)液態(tài)氣體產(chǎn)品，其工藝流程是在傳統(tǒng)空分的基礎(chǔ)上改進的，冷能用在氣體液化和預冷上，主要節(jié)省液化功，仍需常規(guī)電能來提供分離功，因此，冷能空分80%以上的工藝與設(shè)備仍與傳統(tǒng)空分是一致的。冷能空分具有明顯的成本優(yōu)勢：由于采用LNG液化和預冷氣體，可節(jié)省液化功，即50%-90%電耗；又由于采用乙二醇循環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)空分的冷卻水循環(huán)冷卻壓縮系統(tǒng)，可節(jié)省水耗70%~100%。

空分需要-180℃的深冷溫度，與LNG-162℃低溫正好匹配，冷能品位對接順暢，對LNG冷能的整體利用率高，節(jié)能效果顯著。在國際上此類研究己有逾30a的歷史，并且有多個項目建成運營。如果說LNG冷能發(fā)電是最可能大規(guī)模實現(xiàn)的話，那么LNG冷能空分是最合理、最能充分利用LNG低溫位冷能的方法，福建莆田LNG接收站冷能利用的主體工程就是空分項目，該項目為國內(nèi)首例冷能空分項目。

3.3 輕烴分離

冷能利用輕烴分離即利用LNG原料的冷量使甲烷氣體在較高的壓力下再次液化，再通過LNG泵將其壓力提高至管輸標準，常規(guī)流程如圖5。

圖5 LNG輕烴分離優(yōu)化流程圖

理論上，LNG冷能用于分離和裂解制乙烯裝置中的裂解產(chǎn)物是冷能利用收益率最高的利用方法。冷能用于輕烴分離的主要產(chǎn)品主要為C2H6、C3H8和少量C4H10，既可以進一步分離，作為液態(tài)C3H8，又可將其作為制取C2H4的工業(yè)原料，大大降低其生產(chǎn)成本，市場前景都非常樂觀。在美國，從中分離出輕烴己成為調(diào)節(jié)天然氣熱值使之符合美國國家燃氣標準的重要手段。

4 LNG冷能利用的意義

中國經(jīng)濟快速發(fā)展和模式轉(zhuǎn)型決定了大規(guī)模利用LNG冷能的絕對必要性，LNG冷能的利用有著重大的意義。

1）環(huán)境效益 大型LNG接收終端如廣東大鵬，在LNG氣化時若不采取冷能回收措施，則通過開架式海水氣化器進行換熱，低溫海水排向海中會影響到局部海域的生態(tài)平衡，造成冷污染；

2）節(jié)能降耗、低碳 以冷能空分為例，傳統(tǒng)空分每噸液態(tài)氣體成本在500元左右，而本項目的冷能空分在300元以下，每噸液態(tài)產(chǎn)品節(jié)省的電耗可達200多kW·h，按照每度電相當于排放0.785kg二氧化碳的轉(zhuǎn)換關(guān)系，20 000液體冷能空分項目的運行相當于減排二氧化碳10萬t/a；

3）促成天然氣產(chǎn)業(yè)和其他行業(yè)聯(lián)姻 以冷能空分為例，氧氣生產(chǎn)成本降低，將促進氧氣進入更廣泛的應用領(lǐng)域，如：劣質(zhì)煤、煤矸石、高爐煤氣、垃圾、秸稈等低熱值燃料發(fā)電，普及水體增氧技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、污水處理等；

LNG冷能開發(fā)、利用不是一個簡單、孤立的節(jié)能項目，它可以通過冷能直接利用和間接利用串起起來，聯(lián)合開發(fā)，形成一個低溫經(jīng)濟圈。

5 結(jié)束語

LNG蘊藏著大量的低溫能量，隨著國家對能源綜合利用要求的提高，LNG冷能利用的市場將進一步打開。冷能發(fā)電工藝相對簡單，操作簡便，屬于利用較早的技術(shù)，經(jīng)運行證明，冷能發(fā)電利用降能效率較低，一般僅為15%~25%，想要提高發(fā)電效率要采用多級發(fā)電系統(tǒng)，但設(shè)備龐多，占地面積過大投資回報期過長。

冷能空分作為與LNG冷能品位匹配高，冷能利用率高，推廣最具代表性。冷能空分技術(shù)相對較為成熟，國際上已有10套以上系統(tǒng)在運行，國內(nèi)第一個冷能利用項目（莆田）也采用冷能空分方案，運行經(jīng)驗較豐富。

因此，利用LNG冷能進行空氣分離項目是目前能量利用最充分，同時符合循環(huán)經(jīng)濟、環(huán)境友好節(jié)能的原則，滿足社會、經(jīng)濟和環(huán)境三重效益。

LNG Cold Energy Value and Industrial Utilization Technology

Xu Feng-jie，Xu Jian，Wang Dan

This paper introduces the cold energy produced by LNG gasification with the ambient temperature，the system pressure and the change of each component，analyzes the value of LNG cold energy，and introduces the LNG cold energy in the power generation，air separation，light hydrocarbon separation in the industry Use technology.

LNG cold energy；cold energy generation；cold energy separation

TE89

B

1003–6490（2017）03–0171–02

2017–03–12

許峰杰（1984—），男，浙江海寧人，工程師，主要從事空分工藝流程和壓力管道設(shè)計工作。