深圳市城市規(guī)劃發(fā)展研究中心 張濤

深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 高彩魁

液化天然氣(LNG)是氣態(tài)天然氣在脫硫、脫水處理后，經(jīng)低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?-162 ℃)液體混合物。每生產(chǎn)1 t LNG的動(dòng)力及公用設(shè)施耗電量約為850 kW·h，而在LNG接收站一般又需將LNG通過(guò)汽化器汽化后使用，汽化時(shí)放出很大的冷量，其值大約為830 kJ/kg(包括LNG的汽化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲(chǔ)存溫度復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱)，這一部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空氣被舍棄了，造成了能源的極度浪費(fèi)。然而如果通過(guò)特定的工藝技術(shù)將這部分浪費(fèi)的冷能進(jìn)行回收和利用，則可以達(dá)到節(jié)能環(huán)保以及拓展 LNG產(chǎn)業(yè)鏈的目的。

近年來(lái)，我國(guó)已在LNG的生產(chǎn)、運(yùn)輸和應(yīng)用等領(lǐng)域取得了卓越的成果，LNG在我國(guó)的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用已勢(shì)不可擋，怎樣充分的利用 LNG在汽化過(guò)程中釋放的冷能，使其在多領(lǐng)域達(dá)到實(shí)用化的程度，提升整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是擺在我們眼前的一大難題。本文想通過(guò)對(duì) LNG冷能應(yīng)用于空氣分離、制取液化二氧化碳和干冰以及低溫破碎等領(lǐng)域的闡述分析，使同行們初步了解LNG冷能應(yīng)用的特點(diǎn)和規(guī)律，認(rèn)識(shí)這一新興技術(shù)。

1 空氣分離

從目前的科技發(fā)展分析，空氣分離裝置中利用LNG冷量應(yīng)該是技術(shù)上最為合理的利用方式，因?yàn)槔肔NG冷量大規(guī)模的冷卻空氣，不但可以較大程度的降低能耗，而且能夠簡(jiǎn)化空氣分離的流程，減少投資建設(shè)費(fèi)用，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。另外一方面，可以有效的減少LNG的汽化費(fèi)用。

作為世界上最大的液化天然氣進(jìn)口國(guó)家，日本在將LNG冷量應(yīng)用于空氣分離方面已有較為成功的實(shí)踐，與此同時(shí)，其它國(guó)家也有將LNG冷量用于空分的成功流程案列，特別是空分裝置聯(lián)合運(yùn)行的LNG發(fā)電系統(tǒng)的投入使用，更是拓展了LNG冷量利用于空氣分離的領(lǐng)域，這種在LNG電站中將發(fā)電、空氣分離和LNG汽化利用相互結(jié)合的零排放系統(tǒng)中，LNG與空氣分離裝置輸出的冷氧氣和冷氮?dú)庠谝黄鸨挥脕?lái)冷卻空氣分離系統(tǒng)中的多級(jí)壓縮機(jī)，將可以得到更低的單位能耗指標(biāo)，達(dá)到節(jié)能的目的。

通過(guò)大量的學(xué)術(shù)研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將LNG冷量引入空氣分離裝置主要有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，其一是可以提高空氣分離裝置的液化率，使其生產(chǎn)流程中產(chǎn)生更多的液體產(chǎn)品滿足市場(chǎng)的需要，其二是降低空氣分離裝置的壓力，以求減少裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用。目前，在世界范圍內(nèi)空氣分離裝置利用 LNG冷量可以有多種的流程組織方式，各有優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，針對(duì)不同項(xiàng)目應(yīng)選取何種流程方式，需要對(duì)具體情況進(jìn)行實(shí)際的探討和研究。

2 制取液化二氧化碳和干冰

液態(tài)二氧化碳可用于食品冷藏、焊接和鑄造等領(lǐng)域，同時(shí)也是蘇打汽水的主要原料。固態(tài)二氧化碳(干冰)同樣可應(yīng)用于食品的冷藏運(yùn)輸，以及諸多工業(yè)生產(chǎn)流程。

液態(tài)二氧化碳和固態(tài)二氧化碳(干冰)是二氧化碳?xì)怏w通過(guò)壓縮、提純等工藝獲得的。傳統(tǒng)的主要工藝流程是將二氧化碳首先壓縮至2.5～3.0 MPa，再利用制冷設(shè)備將其冷卻和液化。如果在制冷設(shè)備的制冷過(guò)程中利用LNG在轉(zhuǎn)化過(guò)程中所釋放的冷量的話，則將非常容易獲得冷卻和液化二氧化碳所需要的低溫環(huán)境，進(jìn)而可以把液化裝置的工作壓力降至更低的壓力范圍。因此，新型的LNG冷能利用技術(shù)較傳統(tǒng)的液化工藝相比，制冷設(shè)備的負(fù)荷會(huì)大幅減少，初步估算，整個(gè)工藝流程中所消耗的電能將降低為原來(lái)的30%至40%左右，節(jié)能效果明顯。

液態(tài)二氧化碳和干冰的主要生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 液態(tài)二氧化碳和干冰的生產(chǎn)流程

3 冷庫(kù)中的應(yīng)用

食品的腐壞主要是由于其自身發(fā)生了生物的化學(xué)反應(yīng)，如將食品放置于低溫環(huán)境中，則可大大緩解生物化學(xué)反應(yīng)的速度，使新鮮的食品能夠保存相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。低溫冷藏是當(dāng)前世界范圍內(nèi)應(yīng)用食品保鮮的主要方法，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于生物制藥保存、彈藥儲(chǔ)存等領(lǐng)域。

目前絕大多數(shù)的冷庫(kù)是采用多級(jí)壓縮機(jī)和螺桿式制冷裝置維持冷庫(kù)低溫環(huán)境，此類工藝流程耗電量較大，涉及裝置設(shè)備繁多。如果我們采用LNG的冷量作為冷庫(kù)的冷源，則可通過(guò)較為簡(jiǎn)易的工藝很容易的將載冷劑氟利昂冷卻至-65 ℃及其以下溫度，然后再通過(guò)氟利昂制冷循環(huán)系統(tǒng)將冷能送至冷庫(kù)之中，將冷庫(kù)溫度維持在-50～-55 ℃的范圍內(nèi)，整個(gè)工藝流程所消耗的電能也將降低至少65%。LNG冷能應(yīng)用于冷庫(kù)流程見圖2。

圖2 LNG冷能應(yīng)用于冷庫(kù)流程

4 低溫破碎和粉碎

絕大多數(shù)的物質(zhì)在一定的低溫環(huán)境下都會(huì)失去延展性，瞬間變得比較脆弱，如外部實(shí)施相對(duì)較小的作用力，則很容易將其破碎甚至粉碎。根據(jù)以上原理，目前，低溫破碎和粉碎工藝就是利用了物質(zhì)的低溫脆性，采用液態(tài)氮?dú)庾鳛橥獠渴┝ξ?。通常?yīng)用的低溫破碎和粉碎具有以下的特點(diǎn)：

(1)室溫下具有延展性和彈性的物質(zhì)，在低溫下都會(huì)變得易脆，可以很容易地被粉碎；

(2)低溫粉碎后的微粒有著極佳的尺寸分布和流動(dòng)特性；

(3)食品和調(diào)料的味道和香味并不會(huì)因此而損失。

根據(jù)以上的特點(diǎn)，LNG冷量在輪胎等廢料的資源回收系統(tǒng)、塑料的低溫粉碎系統(tǒng)等方面已得到了深入的研究和初步應(yīng)用。

5 潛艇廢氣處理

在軍用潛艇的動(dòng)力系統(tǒng)中，熱機(jī)的廢氣排放是需謹(jǐn)慎解決的難題。針對(duì)此類問(wèn)題，歸類于兩大方面，第一，潛艇一般處于水下航行狀態(tài)，平時(shí)整個(gè)艇身承受著較大的水壓，對(duì)有時(shí)需潛至水下幾千米及其以下深度進(jìn)行作業(yè)和航行的潛艇更為如此。在這么高壓的狀態(tài)下，較于常壓情況下熱機(jī)燃燒后排放廢棄這一司空見慣的操作，將變得極其困難和復(fù)雜，甚者，排放廢氣所可能耗費(fèi)的能量可占到整個(gè)熱機(jī)輸出能量的 30%；第二點(diǎn)，對(duì)于承擔(dān)軍事任務(wù)且不能夠采用空氣推進(jìn)技術(shù)的軍用潛艇而言，是絕對(duì)不可以排放會(huì)暴露自身行蹤的廢氣的。

要解決這一問(wèn)題，目前主要有兩大方法。第一是“減排”，通過(guò)技術(shù)和設(shè)備的改進(jìn)，盡可能的提高熱效率，使燃料充分燃燒，減少?gòu)U氣中某些成分的產(chǎn)生量；第二則是“儲(chǔ)存”，在潛艇的動(dòng)力系統(tǒng)后面建立一套技術(shù)可行的儲(chǔ)存系統(tǒng)，將那些通過(guò)減排后實(shí)在不能消除的廢氣成分進(jìn)行分類和儲(chǔ)存，然而對(duì)于要求輕裝設(shè)備工藝的潛艇而言，這將會(huì)使?jié)撏У呢?fù)載增加，能耗提高。

對(duì)于上述看似無(wú)法解決的矛盾，液化天然氣作為供給燃料的優(yōu)越性則將體現(xiàn)出來(lái)了。液化天然氣除了自身具有高熱值的燃燒性能之外，更是一種超低溫燃料，我們完全可以通過(guò)其在汽化時(shí)所散發(fā)的冷量使廢氣中的部分成分(如二氧化碳)液化，縮小二氧化碳的體積，便于在較低的壓力環(huán)境下儲(chǔ)存，這樣，二氧化碳液化儲(chǔ)存系統(tǒng)只需消耗相對(duì)較小的壓縮功，同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能的目的。

6 蓄冷裝置

LNG作為一次性能源，主要應(yīng)用于城市燃?xì)夂碗姀S發(fā)電需求，同時(shí)LNG在變相為氣態(tài)天然氣的汽化過(guò)程中所釋放的汽化負(fù)荷也將會(huì)伴隨時(shí)間和季節(jié)變化而發(fā)生波動(dòng)。在一般情況下，對(duì)天然氣的需求不均勻性主要表現(xiàn)在白晝和冬季時(shí)用氣量較大，LNG在汽化過(guò)程中所提供的冷量也比較多；而在夜晚和夏季對(duì)天然氣的需求減少，則可以利用的LNG冷量亦隨之減少。LNG冷量的持續(xù)波動(dòng)，會(huì)對(duì)冷量利用設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生極其不良的影響，如在冷量供應(yīng)和冷量利用設(shè)備之間裝備一種可以蓄積和儲(chǔ)存冷能的裝置，則可有效解決其對(duì)利用設(shè)備的影響。

目前，全世界范圍內(nèi)多數(shù)研究機(jī)構(gòu)主要致力于一種特殊的相變物質(zhì)的潛熱來(lái)儲(chǔ)存LNG冷量。大致的原理如下，白天LNG冷量充裕的時(shí)候，相變物質(zhì)吸收冷量而凝固，達(dá)到蓄冷的作用，夜間LNG冷量供應(yīng)不足時(shí)，相變物質(zhì)此時(shí)開始進(jìn)行溶解，釋放冷量供給冷量利用設(shè)備，以此達(dá)到平穩(wěn)持續(xù)供冷的目的。相變物質(zhì)的選擇可以說(shuō)是LNG蓄冷裝置的關(guān)鍵，在充分考慮相變物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等物質(zhì)屬性的前提下，須兼顧使用過(guò)程中的安全性問(wèn)題，當(dāng)前此類技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

7 LNG冷能在我國(guó)的利用現(xiàn)狀

福建LNG冷能利用項(xiàng)目：冷能空分一期項(xiàng)目已開始建設(shè)，年生產(chǎn)20萬(wàn)t液態(tài)空氣產(chǎn)品，目前正在考慮上馬二期冷能空分，包括橡膠低溫粉碎，制取精細(xì)膠粉，規(guī)模為1至3萬(wàn)t/a；冷庫(kù)項(xiàng)目，低溫冷凍冷藏，規(guī)模為4～5萬(wàn)t。

唐山LNG項(xiàng)目冷能綜合利用項(xiàng)目：LNG冷能空分項(xiàng)目、7億m3/a油田伴生氣的輕烴分離項(xiàng)目和首鋼的乙二醇水溶液供冷項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告已經(jīng)完成，其余冷能利用項(xiàng)目正在逐步展開論證。

上海洋山港LNG接收站冷能利用項(xiàng)目：先考慮LNG空分，待條件成熟時(shí)，發(fā)展其它LNG冷能利用項(xiàng)目。

海南LNG接收站冷能利用項(xiàng)目：考慮冷能空分項(xiàng)目，其它利用方式待時(shí)機(jī)成熟時(shí)再發(fā)展。

廣東深圳市大鵬 LNG冷能空分項(xiàng)目：現(xiàn)已完成可行性研究報(bào)告。

大連LNG冷能利用項(xiàng)目：考慮液體空分項(xiàng)目和冷庫(kù)，目前可行性研究已經(jīng)完成。

江蘇LNG冷能項(xiàng)目：考慮液體空分。

福建德化LNG冷能項(xiàng)目：已完成《德化LNG衛(wèi)星站冷能利用規(guī)劃》，項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)在于開發(fā)了LNG低溫火用開質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)，同時(shí)把LNG冷能集成用于冷庫(kù)、室內(nèi)滑冰場(chǎng)和冷水空調(diào)。

8 總結(jié)

以上對(duì) LNG冷能的應(yīng)用分析是比較初步和片面的，除上述利用方式以外，LNG冷能還可以應(yīng)用于發(fā)電、汽車空調(diào)和汽車?yán)洳氐阮I(lǐng)域。在LNG冷能利用的各個(gè)領(lǐng)域中仍涉及很多更細(xì)、更復(fù)雜的設(shè)備流程和工藝原理，為求真正建立屬于我國(guó)的LNG冷能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，需要同行們和相關(guān)專業(yè)同仁們的共同努力。