液化天然氣的冷能回收與利用分析

張 俊

（山西天然氣有限公司，山西 太原 030000）

引言

液化天然氣是將常規(guī)狀態(tài)的天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理后，并在此基礎(chǔ)上采取冷凍工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的液化而得到的液體物。液化天然氣的溫度一般為-162 ℃，將天然氣液化處理后便于對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸。液化天然氣達(dá)到應(yīng)用地點(diǎn)后還需將其加熱至常溫狀態(tài)才能夠使用，在此階段存在熱交換現(xiàn)象，會(huì)釋放大范圍的冷能，將此階段的冷能充分利用不僅對(duì)其得到了有效回收和利用，而且還避免了制冷設(shè)備運(yùn)行時(shí)消耗大量的電能。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)液化天然氣冷能的回收與利用對(duì)于社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益具有重要意義。

1 液化天然氣冷能利用原理分析

為了便于對(duì)天然氣的存儲(chǔ)與運(yùn)輸，一般將天然氣進(jìn)行液化處理；并在使用之前對(duì)液化的天然氣進(jìn)行氣化處理。液化天然氣在汽化的過程中會(huì)吸收大量熱量，從而會(huì)散發(fā)出大量的冷量。對(duì)于液化天然氣的汽化可采用蒸發(fā)氣體再液化工藝和直接壓縮工藝兩種[1]。其中，蒸發(fā)氣體再液化工藝為常見的工藝，本文將采用該工藝對(duì)液化天然氣進(jìn)行液化處理，其對(duì)應(yīng)的工藝流程，如圖1 所示。

圖1 液化天然氣蒸發(fā)氣體再液化工藝流程圖

所謂液化天然氣冷能的利用主要是自汽化過程中，液化天然氣與周圍環(huán)境存在一定的溫度差和壓力差，在能量的轉(zhuǎn)換過程中對(duì)液化天然氣中的能量進(jìn)行回收利用[2]。從原理上將，液化天然氣的冷能可以用于發(fā)電、空氣分離、輕烴分離、深冷粉碎、制造干冰、冷凍倉庫、蓄冷裝置、低溫破碎和粉碎。

2 工程概況

本文以具體液化天然氣的項(xiàng)目為例開展研究，該液化天然氣管道采用埋地方式進(jìn)行敷設(shè)，為保證液化天然氣運(yùn)輸?shù)陌踩詫⒎笤O(shè)管道的深度設(shè)計(jì)為2 m，其具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 液化天然氣各管道的關(guān)鍵參數(shù)

液壓天然氣在使用之前需對(duì)其進(jìn)行汽化處理，從理論上講，液化天然氣在汽化過程中會(huì)放出很大的冷量；通過測(cè)量可知，對(duì)液化天然氣汽化后會(huì)釋放出830 kJ/kg 的冷量；在某種程度上，上述釋放出的冷量隨著空氣或者海水被舍棄，從而造成了資源的浪費(fèi)。因此，對(duì)液化天然氣汽化過程中的冷能進(jìn)行充分利用可以達(dá)到節(jié)省資源、提升經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文將根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)液化天然氣進(jìn)行利用，包括有發(fā)電、空氣分離、制取干冰以及冷庫等。

3 液化天然氣的利用方案研究

3.1 液化天然氣冷量在發(fā)電中的應(yīng)用

液化天然氣冷能在發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是實(shí)現(xiàn)冷能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)中的廢熱進(jìn)行綜合利用，從而達(dá)到提升燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用的熱效率。所謂聯(lián)合循環(huán)指的是，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)兩部分的有機(jī)聯(lián)合應(yīng)用[3]。液化天然氣汽化過程中釋放的冷能與燃?xì)廨啓C(jī)釋放的預(yù)熱可對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)共同作用。其中，液壓天然氣汽化過程中釋放的冷能可對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)入口處的空氣進(jìn)行冷卻處理；燃?xì)廨啓C(jī)的蒸汽的余熱可用于液化天然氣的汽化過程。

實(shí)踐表明，采取上述液化天然氣冷能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)后，發(fā)電能力為8.2 kW·h/kg；比采用傳統(tǒng)單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的發(fā)電能力7 kW·h/kg 高。而且，采用液化天然氣冷能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)后發(fā)電系統(tǒng)的熱效率為53%，高于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的45%。

3.2 液化天然氣冷能在空氣分離技術(shù)的應(yīng)用

從理論上講，當(dāng)冷能應(yīng)用于比它自身溫度還低的環(huán)境時(shí)，對(duì)應(yīng)的利用效果越好。對(duì)于空氣分離技術(shù)的空分裝置而言，該裝置的使用溫度遠(yuǎn)低于液化天然氣汽化過程中冷能溫度。因此，液化天然氣冷能在空氣分離技術(shù)的應(yīng)用不單單是可行，而且會(huì)取得較好的應(yīng)用效果[4]。

液化天然氣冷能在空分裝置的應(yīng)用，不僅可以大幅降低系統(tǒng)的能耗，而且還可簡(jiǎn)化空分流程，從而減少了項(xiàng)目在建設(shè)期所花費(fèi)的費(fèi)用。液化天然氣冷能在空氣分離技術(shù)的應(yīng)用流程，如圖2 所示。

圖2 液化天然氣冷能在空氣分離技術(shù)的應(yīng)用流程

如圖2 所示，S 代表蒸汽，M代表混合物，0C 代表有機(jī)混合物；CWI 代表冷卻進(jìn)水；CWO 代表冷卻出水。

3.3 液化天然氣冷能在制備干冰中的應(yīng)用

干冰為對(duì)二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過壓縮、提純、液化后得到的液態(tài)二氧化碳。傳統(tǒng)制備干冰的工藝中，首先將二氧化碳?xì)怏w壓縮至3 MPa 左右，而后在相關(guān)制冷設(shè)備的作用下將其壓縮后的二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行冷卻和液化處理[5]。將液化天然氣的冷能應(yīng)用于干冰制備中，僅需將二氧化碳?xì)怏w壓縮至0.9 MPa 即可將其將至所需的溫度。

實(shí)踐表明，將液化天然氣冷能應(yīng)用于干冰的制備中可大幅度降低設(shè)備的負(fù)荷，從而降低整個(gè)制備中的能耗，約35%左右。

3.4 液化天然氣冷能的梯級(jí)利用

上述三種方案僅是對(duì)液化天然氣的冷量進(jìn)行利用，并未從能量的角度對(duì)其進(jìn)行利用。本節(jié)將從能量的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)液化天然氣的利用，實(shí)現(xiàn)冷能的梯級(jí)利用。從能量的角度設(shè)計(jì)液化天然氣梯級(jí)利用的流程，如圖3 所示。

圖3 液化天然氣梯級(jí)利用流程

4 結(jié)語

煤炭是在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)于天然氣而言，我國(guó)主要依靠進(jìn)口方式獲取，為了便于天然氣的運(yùn)輸，一般將其液化至-162 ℃的低溫狀態(tài)液體進(jìn)行運(yùn)輸；液化天然氣在利用之前需要對(duì)其進(jìn)行加熱，在加熱過程中會(huì)釋放大量的冷能，對(duì)上述冷量的充分利用不僅可對(duì)能源進(jìn)行充分利用，而且在某些領(lǐng)域可降低制冷設(shè)備的能耗。本文重點(diǎn)對(duì)研究液化天然氣冷能在發(fā)電、空氣分離技術(shù)、干冰制備的利用，并從能量角度提出了冷能梯級(jí)的利用方案。實(shí)踐表明：

1）將液化天然氣冷能應(yīng)用于干冰的制備中可大幅度降低設(shè)備的負(fù)荷，從而降低整個(gè)制備中的能耗，約35%左右。

2）采取液化天然氣冷能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)后，發(fā)電能力為8.2 kW·h/kg，比采用傳統(tǒng)單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的發(fā)電能力7 kW·h/kg 高。而且，采用液化天然氣冷能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)后發(fā)電系統(tǒng)的熱效率為53%，高于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的45%。