LNG儲(chǔ)存與冷能利用技術(shù)發(fā)展前景廣闊

□ 文/高浩瑋

發(fā)展液化天然氣的初衷是為了方便運(yùn)輸和降低天然氣運(yùn)輸成本，因此LNG的儲(chǔ)存與冷能利用在整個(gè)LNG工業(yè)鏈中占據(jù)非常重要的地位。通常LNG需要重新氣化為氣態(tài)天然氣才能獲得利用，LNG氣化時(shí)釋放的冷能大約為840千焦/千克。一座300萬(wàn)噸/年的LNG接收站，如果LNG連續(xù)均勻氣化，釋放的冷能大約為80兆瓦?？梢姡琇NG蘊(yùn)涵的冷能是十分巨大的，回收這部分能量具有可觀的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

一、LNG儲(chǔ)存技術(shù)

相對(duì)于地上儲(chǔ)氣庫(kù)來說，地下LNG儲(chǔ)氣庫(kù)液化溫度為零下162攝氏度，儲(chǔ)庫(kù)的圍巖在這種情況下將受到低溫影響，造成巖體破碎，導(dǎo)致LNG大量泄漏和蒸發(fā)損失，因此在穩(wěn)定度較差的地下洞室儲(chǔ)存會(huì)很困難。截至目前，國(guó)外僅有少部分用不銹鋼保溫層作為L(zhǎng)NG的密封層地面儲(chǔ)存槽來儲(chǔ)存LNG的實(shí)例。阿爾及利亞阿爾澤的地下儲(chǔ)氣庫(kù)，利用凍土層地下洞穴儲(chǔ)存LNG，仍無(wú)法避免泄漏問題。由于無(wú)法直接在巖洞中儲(chǔ)存LNG，韓國(guó)通過對(duì)巖體冷卻理論的深入研究，對(duì)使用隔熱氣密襯砌系統(tǒng)地下巖洞儲(chǔ)存LNG技術(shù)進(jìn)行了探索研發(fā)。

日本是全球地下LNG儲(chǔ)罐建造技術(shù)較為領(lǐng)先的國(guó)家，由于該國(guó)家天然氣資源稀缺，故也是最大的LNG進(jìn)口國(guó)，有近20座儲(chǔ)罐在役。日本東京燃?xì)庥邢薰驹跈M濱新建的LNG基地中，采用氣浮工藝、空氣支撐技術(shù)，同時(shí)通過儲(chǔ)罐側(cè)壁與筒底的剛性結(jié)合方式建造儲(chǔ)罐，取得了良好的成效。地下LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁及保溫層與地上儲(chǔ)罐基本相同，常用的儲(chǔ)罐內(nèi)壁材料主要為9%鎳鋼、不銹鋼或鋁合金，保溫層材料為珍珠巖和硬質(zhì)聚氨酯泡沫。外罐一般采用鋼筋混凝土壁和預(yù)應(yīng)力混凝土壁，上有碳鋼拱頂，拱頂下有上覆玻璃纖維毯保冷層的鋁質(zhì)吊頂。地下LNG儲(chǔ)罐具有占地少、安全性極高、儲(chǔ)存液體不易溢出、抗震性能強(qiáng)、耐久性等特點(diǎn)。

根據(jù)地上LNG金屬混凝土儲(chǔ)罐內(nèi)壁材料的不同，通常分為預(yù)應(yīng)力混凝土型儲(chǔ)罐和薄膜型儲(chǔ)罐兩種。一般大型儲(chǔ)罐都采用預(yù)應(yīng)力混凝土型，外殼材料主要為預(yù)應(yīng)力混凝土，內(nèi)筒為低溫的金屬材料。薄膜型儲(chǔ)罐內(nèi)筒材料有殷瓦鋼和不銹鋼兩種。日本是全球建造大型LNG儲(chǔ)罐最多的國(guó)家，其擁有的儲(chǔ)罐數(shù)量占了全球LNG儲(chǔ)罐的62%。據(jù)報(bào)道，日本大阪煤氣公司日前在建可儲(chǔ)存23萬(wàn)立方米的LNG儲(chǔ)罐。此外，印尼、文萊和阿爾及利亞等LNG輸出國(guó)，以及英、法等LNG進(jìn)口國(guó)，均建有大量大型常壓LNG低溫儲(chǔ)罐。韓國(guó)天然氣公司建造了世界第一批最大的27萬(wàn)立方米的LNG儲(chǔ)罐。我國(guó)東部沿海10余個(gè)LNG接收站的儲(chǔ)罐容量全部為16萬(wàn)立方米。我國(guó)目前最大儲(chǔ)罐為中國(guó)石油江蘇液化天然氣公司如東接收站的20萬(wàn)立方米全容儲(chǔ)罐。

二、LNG冷能利用技術(shù)

利用LNG冷能發(fā)電是較為新穎的能源利用方式，技術(shù)相對(duì)比較成熟，能夠大規(guī)模利用LNG冷能。利用LNG冷能發(fā)電的系統(tǒng)主要有直接膨脹法、二次冷媒法、聯(lián)合法等。A. 直接膨脹法。將儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG抽出并加壓，然后以海水為熱源使之受熱氣化，再送至膨脹機(jī)中做功，從而產(chǎn)生電能。直接膨脹法原理簡(jiǎn)單、投資少，但LNG冷能利用率很低，只有24%左右。因此，該方法主要與其他冷能利用方案綜合使用。B. 二次冷媒法。二次冷媒法利用中間冷媒的朗肯循環(huán)回收LNG冷能進(jìn)行發(fā)電。將低溫LNG的冷量轉(zhuǎn)移到冷媒上，冷媒在溫差的作用下進(jìn)行蒸汽動(dòng)力循環(huán)，從而做功產(chǎn)生電能。C. 聯(lián)合法。聯(lián)合法將直接膨脹法與二次冷媒法相結(jié)合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%。日本投入實(shí)際使用的LNG冷能發(fā)電項(xiàng)目大多采用這種方式。冷能發(fā)電是一種新興無(wú)污染的發(fā)電方式，這種方法對(duì)LNG冷能的回收效率非常低，僅相當(dāng)于制備LNG耗用的5%，但具有流程短、占地面積少、投資小、易于實(shí)施、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，所以在其他冷能利用方式難以實(shí)現(xiàn)的情況下，可優(yōu)先考慮冷能發(fā)電。

通過LNG冷能氣化使吸收熱量使周圍介質(zhì)冷卻的原理，來進(jìn)行冷庫(kù)和冷水的制冷是LNG冷能利用的重要部分，其利用方式多樣、應(yīng)用廣泛，有較好的推廣價(jià)值。其中，LNG冷能用于冷庫(kù)和冷水的撬裝化裝置，此裝置包括LNG氣化系統(tǒng)、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和冷水生產(chǎn)系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)，通過LNG氣化將冷能傳給冷媒，再通過冷媒傳遞給冷庫(kù)或冷水來達(dá)到制冷效果。此裝置較為合理地利用了能量的守恒原則，通過理論計(jì)算和模擬得出能量利用比例，以操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)優(yōu)化了冷庫(kù)冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有較大發(fā)展空間。

中國(guó)作為世界上最大的橡膠消費(fèi)國(guó)和最大廢舊橡膠生產(chǎn)國(guó)，每年報(bào)廢的廢舊橡膠數(shù)量巨大，從而粉碎廢舊橡膠工作量也非常龐大。采用LNG冷能對(duì)廢舊橡膠進(jìn)行粉碎，對(duì)比傳統(tǒng)的常溫直接切割粉碎和低溫深冷粉碎有較大優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)能降耗，還能有效簡(jiǎn)化流程，具有較為廣闊的市場(chǎng)前景。通過LNG氣化站和衛(wèi)星站分布廣泛的特點(diǎn)，利用冷能建設(shè)廢舊橡膠低溫深冷粉碎裝置，就地粉碎當(dāng)?shù)貜U舊輪胎，節(jié)約輪胎的運(yùn)輸成本，降低精細(xì)膠粉的生產(chǎn)成本，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)不無(wú)裨益。

三、我國(guó)LNG儲(chǔ)存與冷能利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)英國(guó)能源咨詢公司道格拉斯韋斯特伍德(DW)的報(bào)道，未來5年全球LNG產(chǎn)能總體呈上升趨勢(shì)，投資總量要比過去5年增加90%，預(yù)計(jì)接近2590億美元。在當(dāng)前中國(guó)對(duì)環(huán)保問題愈加重視的情況下，LNG作為清潔能源格外受到關(guān)注，天然氣產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入前所未有的高速成長(zhǎng)期。

從趨勢(shì)看，LNG儲(chǔ)罐將向超大型化發(fā)展。儲(chǔ)罐越大，LNG單位成本就會(huì)越低，越節(jié)省鋼材，單位投資也會(huì)減小，同時(shí)布局緊湊，總體占地面積也會(huì)變小。但前提是，需要對(duì)新型絕熱結(jié)構(gòu)與絕熱材料進(jìn)一步深化研究。

在LNG船儲(chǔ)罐用材方面，低溫鋁材相比鎳合金而言更經(jīng)濟(jì)、更安全，具有優(yōu)良的低溫力學(xué)性能和抗腐蝕性?？梢灶A(yù)見，鋁材將成為鎳鋼的最具潛能的替代材料；新型海上集LNG的生產(chǎn)、儲(chǔ)存于一身的LNG－FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）技術(shù)，適用于油田伴生氣的回收和邊際氣田浮式LNG接收終端，既簡(jiǎn)化了過程，又降低了成本，但目前無(wú)實(shí)際應(yīng)用，仍有待進(jìn)一步發(fā)展。LNG的氣化過程與LNG冷能利用過程在空間和時(shí)間上的不同步問題，是LNG冷能迄今沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成利用的主要原因。為此，一些專家研究利用一些相變物質(zhì)作為蓄冷劑存儲(chǔ)LNG冷能，實(shí)現(xiàn)LNG冷能在時(shí)間和空間跨度上的供應(yīng)。原理如下：當(dāng)LNG冷能充裕時(shí)，蓄冷劑吸收冷量而凝固；當(dāng)LNG冷能供應(yīng)不足時(shí)，蓄冷劑溶解，從而釋放出冷量。蓄冷劑的開發(fā)是蓄冷技術(shù)的關(guān)鍵。作為蓄冷劑的相變物質(zhì)，要求具有較高的相變潛熱、合適的相變溫度、較大的熱導(dǎo)率和密度、無(wú)相分離現(xiàn)象以及廉價(jià)易得等特性。

LNG冷能利用具有很高的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，隨著LNG貿(mào)易迅速增長(zhǎng)，以及全球性的能源緊張，LNG冷能利用具有十分廣闊的發(fā)展前景。LNG冷能利用不僅可以節(jié)能減排，還可帶動(dòng)相關(guān)的科學(xué)研究和冷鏈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，LNG冷能利用是時(shí)代的要求、發(fā)展的需要，是利國(guó)利民的綠色工程。然而，LNG產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)來說仍是一個(gè)新興的行業(yè)，相關(guān)技術(shù)，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有許多不足之處。在LNG儲(chǔ)存方面，我國(guó)儲(chǔ)罐多是中小型壓力罐，大型LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、材料制造與研發(fā)等方面仍存在進(jìn)一步提升空間。雖然我國(guó)LNG項(xiàng)目的建設(shè)大都是在東南沿海，但仍存在調(diào)峰能力不足、小型液化工廠布局雜亂無(wú)序等問題，有待進(jìn)一步調(diào)整解決。