高曉勸，梁勇(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

1 LNG冷能利用現(xiàn)狀

國外對(duì)LNG冷能利用研究起步較早，其中日本是LNG冷能利用開發(fā)、使用較早的國家，目前全球LNG接收站冷能利用方面，日本占有50%左右的份額。日本冷能發(fā)電裝置占冷能利用總量約60%，是冷能利用的最主要方式。韓國LNG冷能利用技術(shù)主要是在空氣分離和食品冷藏方面。另外法國、西班牙、比利時(shí)等國家均有接收站建設(shè)冷能利用裝置。

我國LNG發(fā)展較晚，一直延伸至2006年廣東大鵬投產(chǎn)相關(guān)接收站，我國逐步引入進(jìn)口LNG，并憑借自身特征優(yōu)勢，快速席卷整個(gè)市場，獲取良好的推廣應(yīng)用成效。目前，我國已投運(yùn)LNG接收站21座。其中7座接收站設(shè)置冷能利用裝置。

2 LNG冷能利用方法

2.1 LNG冷能發(fā)電

現(xiàn)階段，全球各國均紛紛投產(chǎn)LNG冷能發(fā)電裝置接收站，其中眾多國家中以日本為首級(jí)，如：大阪瓦斯泉北NO.2、東邦瓦斯知多LNG基地，均應(yīng)用循環(huán)發(fā)電方式；新瀉日本海LNG等采用直接膨脹法發(fā)電。上海洋山港LNG接收站發(fā)電采用低溫朗肯循環(huán)，循環(huán)介質(zhì)為丙烷，設(shè)計(jì)循環(huán)量為175 t/h；舟山LNG接收站發(fā)電采用低溫朗肯循環(huán)，循環(huán)介質(zhì)為丙烷和乙烯，設(shè)計(jì)循環(huán)量為200 t/h。國內(nèi)已建LNG冷能發(fā)電裝置均采用自給自足的供電模式，核心目的在于為有效避免意外事故對(duì)接收站造成干擾，主要體現(xiàn)在內(nèi)部供氣暫時(shí)停止，致使經(jīng)濟(jì)受損，同時(shí)也是接收站供電可靠性及時(shí)效性有力保障。冷能發(fā)電裝置受LNG接收站外輸量影響較大，建議冷能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)規(guī)模與LNG接收站的基荷外輸量一致以保證裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行。除了LNG接收站的外輸量，冷能發(fā)電裝置的外輸功率還受如LNG組分、海水入口溫度、LNG壓力等因素制約。LNG組份越接近貧液，蘊(yùn)含的冷能越多，冷能發(fā)電裝置的外輸功率越高，以東南部某LNG接收站實(shí)際接收貧、富液典型組分(甲烷含量體積分?jǐn)?shù)分別為99.86%，87.74%)為例，單位質(zhì)量LNG貧液發(fā)電量較富液高33%；海水入口溫度對(duì)冷能發(fā)電裝置的影響明顯，相同外部條件下，貧液組分在海水入口極高溫度(28 ℃)與平均溫度(19 ℃)工況相比，裝置發(fā)電功率提高了16%，因此我國南方地區(qū)尤其適合設(shè)置低溫有機(jī)郎肯循環(huán)冷能發(fā)電系統(tǒng)。因此，利用LNG冷能發(fā)電具有流程和產(chǎn)業(yè)鏈短、占地少、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，在其他冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈尚難決策或這些產(chǎn)業(yè)鏈仍不能完全利用LNG冷能的情況下，可優(yōu)先考慮冷能發(fā)電。

2.2 空氣分離

LNG冷能空氣有效分離，主要原理為將高質(zhì)量低溫冷能放置于空氣分離裝置中，聯(lián)合其氣化和空氣分離系統(tǒng)，依托LNG高品質(zhì)低溫冷能，進(jìn)一步減少空氣分離系統(tǒng)中實(shí)際冷能耗損量，優(yōu)化改造流程，節(jié)省大量建設(shè)成本支出，提高空氣分離設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間，提高設(shè)備生產(chǎn)效率。空氣野花分離溫度與LNG溫度相較，低于其實(shí)際溫度，充分應(yīng)用LNG冷量，可以在較低的能耗指標(biāo)下得到大量的液態(tài)產(chǎn)品，是現(xiàn)階段技術(shù)上最理想的利用方式。在日本、韓國、法國以及我國接收站均有應(yīng)用案例，全球建設(shè)LNG冷能液體空分裝置約為35座。中海油與美國空氣化工產(chǎn)品公司在福建莆田建設(shè)的國內(nèi)首個(gè)LNG冷能空分項(xiàng)目，液氧、液氮生產(chǎn)規(guī)模達(dá)600 t/d；中石油江蘇如東LNG項(xiàng)目吸收國外先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)一座總產(chǎn)能20.0×104t/a冷能利用空分工廠；浙江寧波LNG項(xiàng)目采用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)建造了620 t/d的冷能空分，年減排CO2可達(dá)6.5萬噸，節(jié)能降耗效果顯著；唐山LNG以及珠海LNG冷能空分裝置規(guī)模為723 t/d和620 t/d，都分別于2015年6月及2018年2月投產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)品產(chǎn)量調(diào)節(jié)靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。典型LNG冷能空分技術(shù)如圖1所示。

圖1 典型LNG冷能空分技術(shù)

利用LNG冷能進(jìn)行空分，技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)效益較好。受限因素主要為周邊市場情況，合理的往返運(yùn)距一般為100～300 km，另外空分設(shè)備多，占地較大。LNG冷能空分的建設(shè)建議與接收站同步進(jìn)行，以利于工藝參數(shù)、設(shè)備操作參數(shù)的確定[1]。

2.3 輕烴分離

LNG冷能輕烴分離的原理為，由于其內(nèi)部輕烴組分自身性質(zhì)存在較大差異性，相變溫度不盡相同，分離技術(shù)實(shí)施主要是基于各組分相變溫度不同下，達(dá)成輕烴分離目標(biāo)。從上述組分中分離最終產(chǎn)物較多，即CH4、C2H6和LPG。其中一般將最終分離獲取的CH4對(duì)其進(jìn)行持續(xù)性加壓，最終輸送至天然氣管道，分離得到的C2H6是重要的工業(yè)原料。輕烴回收成功之后，原有包含乙烷和丙烷回收率較高，同時(shí)溫度可至約-100 ℃左右的液相，具有成本低、能耗低、投資小的優(yōu)勢，產(chǎn)生很客觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前國外的意大利和西班牙的接收站設(shè)置有LNG輕烴回收裝置。我國第一套LNG輕烴分離裝置在青島LNG項(xiàng)目中投用，采用LNG兩級(jí)升壓一級(jí)閃蒸無壓縮流程。該技術(shù)可從200萬噸/年富液LNG中分離出C2+/C3+組分約40萬噸/年。利用LNG冷能進(jìn)行輕烴分離具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，受制因素為進(jìn)口LNG來源地各不相同，導(dǎo)致接收站儲(chǔ)罐內(nèi)LNG組份含量不同，復(fù)雜的氣源組份使輕烴分離的產(chǎn)品產(chǎn)量難以保證。

2.4 冷庫

LNG和冷庫之間的換熱，使用中間冷媒循環(huán)來完成，無需使用制冷機(jī)，此種方式應(yīng)用可有效突破原有換熱方式瓶頸，不僅占據(jù)實(shí)際面積較小，節(jié)省投資費(fèi)用，而且溫度差異性凸顯，后續(xù)維護(hù)較為便捷。LNG接收站通常設(shè)在港口附近，港口貨物吞吐量大，為充分應(yīng)用LNG冷能，通?？蓪⒉煌瑴囟认吕鋬鰩臁鼋Y(jié)庫及冷藏庫，依照一定溫度梯度以串聯(lián)方式連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化應(yīng)用。用于冷庫比較多的國家是日本，日本神奈川縣根岸基地的金槍魚超低溫冷庫(-60～-70 ℃)，自1976年至今運(yùn)營效果良好。

2.5 制取液態(tài)二氧化碳和干冰

干冰實(shí)際制備過程中，其基本原理為充分應(yīng)用降低二氧化碳的壓力，一部分液體二氧化碳蒸發(fā)將大量熱量吸收，促使剩余部分二氧化碳冷卻呈現(xiàn)為固體，將其稱為干冰。處于常溫常壓條件下，干冰可直接生化為低溫二氧化碳?xì)怏w，具有五毒無害的特征，此類特征優(yōu)勢，促使干冰在食品、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中占有一席之地。干冰廣泛應(yīng)用促使二氧化碳成為可利用物質(zhì)，克服原有領(lǐng)域中技術(shù)難題，增強(qiáng)其自身原有附加價(jià)值。同時(shí)，與碳捕獲技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)成完成的產(chǎn)業(yè)鏈，以此有效緩解溫室效應(yīng)，獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益，相較于傳統(tǒng)工藝，可節(jié)省超過一半的耗能[2]。LNG冷能用于干冰制備的技術(shù)取得一定的研究進(jìn)展，但是目前該技術(shù)的投產(chǎn)仍存在一定的難點(diǎn)，如LNG冷能利用率低。同時(shí)國內(nèi)沒有投產(chǎn)項(xiàng)目，缺少可參考的數(shù)據(jù)。

2.6 廢舊橡膠深冷粉碎

橡膠、塑料、金屬都具有低溫脆性。相較于常溫破碎，其可將將物質(zhì)破碎轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘?，具有良好的可分離性，破碎過程中不會(huì)造成污染及爆炸現(xiàn)象，通過不同低溫有針對(duì)性選取破碎混合物，此種方式在資源回收、物質(zhì)分離等領(lǐng)域中擁有良好發(fā)展空間。廢舊橡膠深冷粉碎產(chǎn)品市場前景廣闊，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行深層次加工具有較高的附加值，且該項(xiàng)目投資投入小、成效較快，環(huán)保性優(yōu)良，只要具有產(chǎn)品投入市場內(nèi)，便可獲取良好的經(jīng)濟(jì)成效。

2.7 海水淡化

通過應(yīng)用LNG冷能實(shí)現(xiàn)海水淡化，核心原理是利用冷凍法，冷凍法海水淡化主要是海水實(shí)際冷凍過程中，會(huì)出現(xiàn)“鹽水分離”的現(xiàn)象，溫度較低冰體中實(shí)際含鹽量較低，可有效實(shí)現(xiàn)鹽水與冰分離，最終形成產(chǎn)物為淡水。立足實(shí)際能耗層面分析，冰在一個(gè)大氣壓條件下融化與水氣化比值為3∶10，且冷凍法處于低溫下操作，材料設(shè)備腐蝕程度小，無需進(jìn)行除鈣。現(xiàn)階段，受多方面因素限制，LNG冷能海水淡化仍處于理論及研究層面，在工業(yè)化應(yīng)用仍有較長的路。

3 LNG冷能利用面臨的主要問題

3.1 LNG冷能利用方式單一，效率較低

LNG接收站通常遠(yuǎn)離城市，且周邊配套工業(yè)需求、交通等條件差異較大，受周邊配套系統(tǒng)影響，多數(shù)接收站的LNG冷能利用方式較為單一，利用效率低。在對(duì)冷能技術(shù)利用的過程中，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合政府的扶持政策，考慮站址周邊交通情況及未來發(fā)展規(guī)劃，聯(lián)合與周圍匹配度較高、集成度較高的LNG冷能，進(jìn)而對(duì)其技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化改良，制定可行性較高的技術(shù)工藝方案[3]。

現(xiàn)階段，為進(jìn)一步應(yīng)用LNG冷能，研究者加大冷能階梯技術(shù)，但其可用性及工業(yè)化應(yīng)用需耗損一定時(shí)間。

3.2 LNG冷能需求與LNG接收站的運(yùn)行峰谷匹配性差，降低了冷能利用率

天然氣供需實(shí)際量，與氣候及溫度變化息息相關(guān)，下游燃?xì)庑枨蠛屠淠苡脩魧?duì)冷能負(fù)荷需求變化規(guī)律存在一定的偏差，促使其無法實(shí)現(xiàn)協(xié)同實(shí)施。

3.3 冷能利用與接收站建設(shè)不同步，遠(yuǎn)期預(yù)留用地不足

我國大量LNG接受站，處于初期設(shè)計(jì)及規(guī)劃過程中，對(duì)冷能實(shí)際用戶未進(jìn)行綜合性考量，進(jìn)而形成時(shí)間層面無法實(shí)現(xiàn)同步化。同時(shí)，實(shí)際規(guī)劃及設(shè)計(jì)過程中，對(duì)使用項(xiàng)目考量缺位，實(shí)際占地面積有限，難以實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋目標(biāo)。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展背景下，我國能源產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，LNG實(shí)際需求量呈上升態(tài)勢，可攜帶的冷能也是良好的應(yīng)用資源，提高其實(shí)際利用率，作為LNG產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保重要舉措。

針對(duì)LNG接收站冷能利用的前景提出以下兩點(diǎn)展望：(1)在LNG接收站規(guī)劃前期充分考慮LNG冷能利用，遵循因地制宜的原則，確定其實(shí)際應(yīng)用方式，為積極促進(jìn)周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高其實(shí)際應(yīng)用率，形成產(chǎn)業(yè)與LNG冷能聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。(2)最大限度提高LNG冷能利用率，選用冷能階梯方式，逐層次充分應(yīng)用冷能，并有效提高其應(yīng)用可行性?；蚣哟笱邪l(fā)新工藝力度，不僅對(duì)冷能利用方案進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，而且需積極研發(fā)新冷能利用方案。