LNG冷能作為冷鏈物流業(yè)新冷源的回顧與展望

郭風(fēng)軍，劉方然，于懷智，張長峰,*，劉玉嶺，孫崇德

（1.山東省農(nóng)產(chǎn)品貯運(yùn)保鮮技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250103；2.煙臺(tái)睿加節(jié)能科技有限公司，山東 煙臺(tái) 264002；3.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；4.浙江大學(xué)園藝產(chǎn)品冷鏈物流工藝與裝備國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，冷鏈物流市場快速成長，對冷能需求量不斷增大。現(xiàn)有終端能源品種中，電力可實(shí)現(xiàn)冷能轉(zhuǎn)換，而管道天然氣、汽柴油、煤炭、生物質(zhì)燃料等只能提供熱能，太陽能、風(fēng)能等新能源亦遠(yuǎn)不能支撐冷鏈物流所需冷能。作為天然氣的一種產(chǎn)品形態(tài)，液化天然氣（Liquefied Natural Gas,LNG）是氣態(tài)天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理，通過低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏兀?162℃）液體混合物，同時(shí)蘊(yùn)含熱能和冷能。LNG主要成分是甲烷，無色、無味、無毒且無腐蝕性，被全球公認(rèn)為最干凈的能源之一，并可規(guī)模化配送到終端，成為世界各國重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備能源[1]。

1 國內(nèi)外LNG冷能利用的基本情況

世界上許多國家開發(fā)LNG冷能利用技術(shù)，在空氣分離、冷能發(fā)電、深冷粉碎、冷凍倉庫、空調(diào)制冷、制取干冰、低溫蓄冷等方面達(dá)到了實(shí)用化程度[2-3]。日本是較早開展LNG冷能利用的國家之一，利用LNG冷能發(fā)電至今已經(jīng)超過40年[3]。日本東京煤氣公司在神奈川縣根岸建成基于LNG冷能技術(shù)的低溫冷庫，用于存儲(chǔ)-50～-35℃的冷凍食品，這為LNG冷能應(yīng)用于冷庫建設(shè)提供了優(yōu)秀范例。目前，我國LNG接收站和大型水產(chǎn)冷庫基本設(shè)在港口附近，這方便遠(yuǎn)洋捕獲魚類的冷凍加工，同時(shí)回收LNG冷能為冷庫提供冷源也更易實(shí)現(xiàn)[4]。2017年以來，國家鼓勵(lì)發(fā)展LNG罐式集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，推動(dòng)建立從境內(nèi)外液源地直達(dá)終端“一罐到底”液態(tài)供應(yīng)系統(tǒng)。LNG罐式集裝箱宜運(yùn)宜儲(chǔ)，市場配置不受管網(wǎng)限制，可達(dá)任何區(qū)域，在快速形成供熱能力的同時(shí)，可將其蘊(yùn)含冷能直供終端，從根本上消除了冷鏈物流利用LNG冷能的地理空間限制。在提供熱能使用時(shí)，LNG必須進(jìn)行氣化操作，而重新升溫轉(zhuǎn)換為氣態(tài)過程中吸收熱量（包括LNG氣化潛熱和氣態(tài)天然氣從存儲(chǔ)溫度復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱），即釋放冷量[5]。通常這部分冷量在天然氣氣化器中隨海水或空氣而被舍棄，造成能源的浪費(fèi)[6]。另外，LNG在運(yùn)輸、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量蒸發(fā)氣需要放空以保證槽車上路安全。目前，尚無有效的槽車放空氣回收技術(shù)，使得LNG攜帶的冷能白白地浪費(fèi)掉，而且對環(huán)境造成冷污染和安全隱患。為此，研發(fā)回收技術(shù)利用LNG冷量，以達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。同時(shí)，通過跨行業(yè)融合集成創(chuàng)新LNG冷能利用高新技術(shù)并產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對于農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流行業(yè)整體技術(shù)進(jìn)步具有引領(lǐng)帶動(dòng)意義。

2 我國LNG冷能在冷鏈物流業(yè)應(yīng)用中存在的問題

我國冷鏈物流利用LNG冷能現(xiàn)處在探索發(fā)展階段，對LNG冷能利用認(rèn)知度較低。由于缺乏實(shí)際落地項(xiàng)目的示范效應(yīng)，許多冷鏈企業(yè)對LNG冷能利用還存在認(rèn)知盲點(diǎn)。合理的工藝技術(shù)方案是LNG冷能利用競爭力的核心因素[6-7]。利用LNG冷能作為農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流業(yè)新冷源，在我國屬于開拓性的新型產(chǎn)業(yè)。盡管在一定程度上可以借鑒國外的發(fā)展模式，但是我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、消費(fèi)市場和工藝技術(shù)水平與其他國家仍存在較大的差異。因此，我國LNG冷能利用要立足國情，開發(fā)相應(yīng)的新型工藝技術(shù)或改良現(xiàn)有工藝技術(shù)。在市場配套條件較為完備的地區(qū)首先建設(shè)工藝技術(shù)成熟度高的LNG冷能利用示范項(xiàng)目，逐步探索我國LNG冷能利用的建設(shè)和運(yùn)營模式。在示范工程的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有計(jì)劃、有步驟地科學(xué)落實(shí)LNG冷能利用項(xiàng)目建設(shè)，逐步形成我國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流LNG冷能利用的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。

2.1 冷能利用效率低

我國在LNG冷能利用方面起步較晚，當(dāng)前在該領(lǐng)域仍未有成熟先進(jìn)的技術(shù)[8-9]。即使有少數(shù)投入實(shí)際生產(chǎn)的單元冷能利用工藝，仍存在冷能利用效率低損大的現(xiàn)象，這致使LNG所攜帶的大部分冷能沒有得到合理利用[6-7,10]。作為我國第一個(gè)LNG衛(wèi)星站冷能利用示范工程，杏壇LNG衛(wèi)星站冷庫冷能利用項(xiàng)目采用雙氨制冷循環(huán)系統(tǒng)回收LNG冷能，但雙氨制冷循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同性差，使得制冷劑易凍結(jié)阻塞，冷能供給不足[6]。

梯級冷能利用工藝雖然已經(jīng)被提出，但未對其進(jìn)行深入的理論分析與合理的工藝設(shè)計(jì)，其仍然未能夠從根本上解決LNG冷能利用效率不高等問題。如深海捕撈的金槍魚必須儲(chǔ)存在-55～-50℃的冷庫，傳統(tǒng)的冷庫采用多級壓縮機(jī)和螺桿式制冷裝置維持冷庫的低溫，電耗很大；但采用LNG冷量作為冷庫的冷源，將載冷劑冷卻到-65℃，然后通過載冷劑制冷循環(huán)冷卻冷庫，不用冷凍機(jī)，可以很容易地將冷庫溫度維持在-55～-50℃，電耗降低了65%，并減少建設(shè)費(fèi)用10%[3]。為有效利用LNG冷能，將-60℃左右的低溫凍結(jié)庫、-35℃左右的冷凍庫、0℃以下的冷藏庫以及0～10℃果蔬預(yù)冷庫等按溫度梯度串聯(lián)，可使LNG冷能得到系統(tǒng)化應(yīng)用。盡管目前利用技術(shù)研發(fā)有一定成果，但在LNG冷量采集方式與采集地點(diǎn)、熱交換方式與裝備最優(yōu)設(shè)計(jì)、制冷劑與載冷劑優(yōu)化選配、LNG冷能利用與冷庫設(shè)備對接以及試驗(yàn)測試條件等方面，亟待形成有利于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)路線和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[11]。產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線尚未形成。不同領(lǐng)域利用LNG冷能有不同技術(shù)路線，冷鏈物流領(lǐng)域的技術(shù)路線主要是集成融合天然氣與制冷兩個(gè)行業(yè)的技術(shù)裝備。由于缺乏跨行業(yè)集成創(chuàng)新平臺(tái)，研發(fā)企業(yè)分別在各自專業(yè)領(lǐng)域開展工作，很難及時(shí)把握相關(guān)行業(yè)最新科技成果，亦難以形成統(tǒng)一技術(shù)路線和裝備標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益前景不明確

經(jīng)濟(jì)上可產(chǎn)生效益是利用LNG冷能的市場推廣基礎(chǔ)。與電力制冷成本相比，LNG冷能利用成本是否具有優(yōu)勢，冷能利用設(shè)備及改造投入回收期是否經(jīng)濟(jì)合理，冷能利用替代量的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)是多少等成為研究的重要方向[6,12-14]。Yang等[6]認(rèn)為LNG冷能冷庫具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，500冷噸（USRT）的冷庫投資回收周期預(yù)計(jì)小于3.5年。Messineo等[13]評估了西西里島某LNG氣化廠為附近食品加工廠提供冷能的可能性，認(rèn)為冷能銷售價(jià)格低于3歐元/kWh具有市場價(jià)值，且有著極強(qiáng)的節(jié)能和環(huán)保意義。La Rocca[14]從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，通過熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性分析，認(rèn)為通過合理的技術(shù)路線具有一定的可行性和經(jīng)濟(jì)效益，但當(dāng)冷能價(jià)格高于0.20歐元/kWh時(shí)，投資回收周期超過10年。

冷鏈物流企業(yè)更多看重冷能利用的裝備投入承受力和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。如果無法取得與電力制冷的成本比較優(yōu)勢，LNG冷能利用將難以產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

2.3 資源整合度不高

目前，我國LNG冷能利用項(xiàng)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。這導(dǎo)致接收站和冷能利用項(xiàng)目運(yùn)行不銜接、不協(xié)調(diào)。同時(shí)，國內(nèi)當(dāng)前天然氣的定價(jià)機(jī)制為：LNG氣化后的售價(jià)是按成本加利潤上報(bào)國家發(fā)改委審批而定，接收站不用冷能不影響其經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目的穩(wěn)定和安全運(yùn)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。解決上述難題，有賴于我國現(xiàn)有投資管理體制的改革?？蓪⒔邮照九c冷能利用結(jié)合為有機(jī)整體，使冷能利用項(xiàng)目作為接收站的子公司，或者與接收站為同一個(gè)母公司，為發(fā)展冷能利用創(chuàng)造條件。

在研發(fā)資源方面，現(xiàn)階段LNG冷能利用未形成市場化需求，導(dǎo)致相關(guān)研發(fā)資源總量偏少。在研發(fā)重點(diǎn)方面，不同研發(fā)機(jī)構(gòu)側(cè)重點(diǎn)各不相同，天然氣行業(yè)主要圍繞接收站研發(fā)利用技術(shù)，制冷行業(yè)主要面向冷庫研發(fā)利用技術(shù)。在市場上下游方面，研發(fā)機(jī)構(gòu)苦于找不到科研成果應(yīng)用場景，冷鏈物流企業(yè)則難以找到降低能源成本新技術(shù)的路徑。如何引導(dǎo)研發(fā)資源聚焦冷鏈物流，暢通科研與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用銜接渠道，需要深入研究探討。

2.4 存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)

LNG屬于2.1類危險(xiǎn)品，許多制冷劑也是危險(xiǎn)源，因此LNG冷能利用的安全性是重中之重。盡管石化行業(yè)和制冷行業(yè)具有豐富可靠的安全措施與經(jīng)驗(yàn)，但兩種危險(xiǎn)源疊加在一起則將增大安全運(yùn)行難度。在國家加強(qiáng)安全生產(chǎn)監(jiān)管大背景下，如何確保冷能利用技術(shù)裝備及運(yùn)行管理的安全性，關(guān)系到LNG冷能利用技術(shù)能否成功推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3 將LNG冷能作為冷鏈物流業(yè)新冷源的幾點(diǎn)建議

突破冷鏈物流利用LNG冷能瓶頸，對于農(nóng)業(yè)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有綠色能源支撐作用。農(nóng)產(chǎn)品包括種植業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)生產(chǎn)的物品，具有數(shù)量大、品類多、覆蓋廣等特點(diǎn)，是冷鏈物流產(chǎn)品的主體。同時(shí)，農(nóng)產(chǎn)品加工需要大量熱能和冷能。LNG是農(nóng)業(yè)農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要替代清潔能源。大力開發(fā)LNG冷能產(chǎn)業(yè)化利用技術(shù)，使之發(fā)揮出冷熱能共生優(yōu)勢，可在電力之外形成新的冷熱能綜合利用終端能源，為農(nóng)產(chǎn)品加工和“產(chǎn)地冷鏈”等提供區(qū)域性、系統(tǒng)性、低成本綜合用能解決新方案。

3.1 充分論證

擴(kuò)大冷能供給，降低能源成本是冷鏈物流發(fā)展新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的重要舉措。LNG冷能利用技術(shù)性強(qiáng)，涉及方面多，安全性要求高，作為新冷源供給模式能否成功建立面臨許多不確定因素[15-17]。因此，我們建議相關(guān)組織機(jī)構(gòu)進(jìn)行可行性論證，如邀請專家學(xué)者進(jìn)行專題研討、召開不同類型專題論證會(huì)、開展相關(guān)軟課題研究等。多渠道對技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等難點(diǎn)問題形成解決方案，以作為行業(yè)共同行動(dòng)的決策依據(jù)。在各方面達(dá)成可行性共識(shí)基礎(chǔ)上，啟動(dòng)推進(jìn)工作，營造良好氛圍，形成上下游推進(jìn)合力，及時(shí)向相關(guān)政府部門匯報(bào)，研究制定相關(guān)鼓勵(lì)扶持政策。

3.2 搭建創(chuàng)新平臺(tái)

目前，相關(guān)研發(fā)資源分散，上下游銜接不暢，建議在充分利用相關(guān)單位已建立的資源平臺(tái)、研究系統(tǒng)和科研團(tuán)隊(duì)的同時(shí)，搭建產(chǎn)學(xué)研跨行業(yè)集成創(chuàng)新平臺(tái)，聚焦冷鏈物流應(yīng)用研發(fā)，加強(qiáng)科技信息共享，促進(jìn)學(xué)科交叉融合，合理配置和高效利用研發(fā)資源。由研究機(jī)構(gòu)牽頭，組織天然氣與制冷行業(yè)的相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)單位組成冷能利用技術(shù)集成創(chuàng)新聯(lián)合體。盡早在技術(shù)路線和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面實(shí)現(xiàn)突破，在資源方面形成冷能利用保障機(jī)制，組織農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流利用LNG冷能課題研究。

3.3 技術(shù)攻關(guān)

國家和行業(yè)應(yīng)高度重視LNG冷能回收利用問題，特別是應(yīng)加大這方面的技術(shù)與配套裝備的研發(fā)應(yīng)用工作[18-20]。例如，可將中小型LNG釋放氣體時(shí)所產(chǎn)生的廢冷應(yīng)用于冷鏈物流領(lǐng)域，這無論是對冷鏈物流的發(fā)展，還是節(jié)能減排均有著十分重要的意義。筆者所在的團(tuán)隊(duì)正在開展如下幾項(xiàng)研究工作：①基于LNG冷回收的陸海聯(lián)運(yùn)綠色保鮮設(shè)備及品質(zhì)控制技術(shù)，研制節(jié)能環(huán)保、智能高效的LNG冷回收的快速凍結(jié)、冷藏裝置，配套水產(chǎn)品保鮮工藝；②研制基于LNG冷回收蓄冷密度大、流通性好的流態(tài)制冰設(shè)備，并開展規(guī)?；痉稇?yīng)用；③研究基于LNG氣化站的高效蓄冷、釋冷技術(shù)及配套裝備，建立單元式移動(dòng)式能源站，針對不同的冷鏈模式及用途，開展多溫區(qū)高效蓄冷技術(shù)研究與應(yīng)用；④針對現(xiàn)有食品凍干設(shè)備造價(jià)高、利用率低、時(shí)間長等問題，充分利用LNG釋放的高品位冷能優(yōu)勢，開發(fā)LNG冷回收食品凍干設(shè)備等。

3.4 選點(diǎn)試驗(yàn)示范

未來可選擇的試點(diǎn)示范場景包括：一是冷熱源同時(shí)需要的冷鏈企業(yè)；二是冷鏈企業(yè)需要冷源，周邊企業(yè)需要熱源；三是與燃?xì)馄髽I(yè)合作，為冷鏈企業(yè)提供冷源，LNG氣化后輸入燃?xì)夤艿?；四是在燃?xì)馄髽I(yè)氣化站完成冷量采集蓄冷，供應(yīng)冷鏈企業(yè)需要等。實(shí)現(xiàn)冷鏈物流利用LNG冷能產(chǎn)業(yè)化，是一個(gè)較為長期的過程，不可能一蹴而就。當(dāng)前無論采用何種冷能利用技術(shù)，都要面對LNG供冷相對不連續(xù)的客觀現(xiàn)實(shí)。因此在冷鏈物流冷能供給體系中，LNG冷能利用應(yīng)當(dāng)定位在補(bǔ)充冷源，即電力供冷之外的“第二冷源”。面向現(xiàn)有單體冷庫和冷庫集群，屠宰、加工、冷藏等冷鏈業(yè)務(wù)集中地，以及現(xiàn)有LNG接收站和氣化站，提供電力制冷與LNG冷能利用雙冷源供給、LNG熱電冷三聯(lián)供分布式能源以及采集LNG冷量蓄冷等技術(shù)與裝備解決方案，促進(jìn)冷鏈企業(yè)通過高新技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)改造降低能源成本。