冷能利用现状及发展前景
摘 要 随着我国大量进口 LNG , LNG 携带的大量低温能量的利用, 其经济价值已不能被忽视。为此,综述了目前国内外对 LNG 冷能利用的现状, 对现有的 LNG 冷能利用的主要利用方式:冷能发电、空气分离、液化二氧 化碳等进行了分析和评价。指出了上述种种利用方法主要是只考虑了冷能的回收, 而没有考虑品位的利用, 造成大 量火用损耗;并且大多是孤立地应用 LNG 冷能, 没有和 LNG 的应用相集成。进而介绍了包括利用冷能的新型动力循环和分离C 2+烃在内的 LNG 冷能利用的研究进展;最后提出了与 LNG 的综合利用相集成的冷能利用集成优化的思路———将 LNG 接收站 与冷能工业园区一体化建设, 以逐级利用 LNG 冷能提高其利用效率。
主题词 液化天然气 冷能利用 分析 评价 集成优化
目前 ,全球 LNG 贸易量超过1 ×108 t ,并在继续 增长 ,在 LNG 接收站, 一般都将 LNG 通过气化器气 化后使用 ,气化时会放出很大的冷能, 其值约为 830 kJ /kg 〔1〕 。如何通过特定的工艺技术充分利用 LNG 冷能 ,是专家们一直在研究的问题 。 一 、LNG 冷能利用技术现状与评述
目前全世界在 11 个国家和地区有 38 个 LNG 接受站在运行 , 其中日本有 23 个〔2〕 。LNG 冷能利用的问题已越来越受到关注,为此对 LNG 冷能利用原理进行了研究〔3〕 。现有的 LNG 冷能利用有两种方式〔4〕 :①直接利 用:冷能发电、空气分离、冷冻仓库 、液化二氧化碳 ; ②间接利用:用空分得到的液氮、液氧来进行低温破 碎、污水处理等 。
1. 利用 LNG 冷能发电 利用 LNG 冷能发电较多, 技术较为成熟。用 LNG 冷能发电主要是利用 LNG 的低温冷能使工质 液化 , 然后工质经加热气化再在气轮机中膨胀做功 带动发电机发电 。主要有以下 3 种方式 。
(1)直接膨胀发电 LNG 储罐来的 LNG 经低温泵加压后, 在气化 器受热气化为高压天然气 ,然后利用 LNG 的物理火 用在高压气化时转化成的压力火用 , 直接驱动透平膨胀机 ,带动发电机发电。其冷热能回收量取决于气轮 机进出口气体的压力比 。这种方法原理简单, 但是 效率不 高, 发电 功率 较小 , 冷能 回收 效率 仅为 24% 。但该方法适合用于回收部分冷能, 并可考虑与其他 LNG 冷能利用的方法联合使用。
(2)降低蒸气动力循环的冷凝温度 最基本的蒸气动力循环为朗肯循环, 它由锅炉、 气轮机 、冷凝器和水泵组成。通常冷凝器采用冷却 水作为冷源 。其原理是: 将 LNG 通过冷凝器把冷能 转化到某一冷媒上, 利用 LNG 与环境之间的温差, 推动冷媒进行蒸气动力循环 , 从而对外做功。根据 中间媒质的不同 ,存在单工质 、混合工质的朗肯循环 系统。单工质朗肯循环系统一般使用纯的甲烷或乙 烯 ,其实用装置冷能回收量大约为 18% 混合工 质朗肯循环系统工质为碳氢化合物的混合物, 工质 冷凝器采用多流体换热器 ,在换热器中 LNG 利用工 质自身的显热和潜热进行预热或部分气化 ,然后在 蒸发器中全部气化进入输气管线 。采用此系统只用 了一级朗肯循环就可得到相当多的动力 ,整个系统 的效率约为 36%。 目前采用最为广泛的是将以上 2 种方法联合使 用 。这可使冷热能的回收效率大大提高。即使天然 气的输送压力提高也可回收相当多的冷热 ,能量的 利用率比 2 个单独的系统要高, 但冷热能的回收效率也只能达到 36 %。
(3)降低气体动力循环的吸气温度 燃气轮机循环是气体动力循环一种形式 。研究 表明 ,降低燃气轮机的吸气温度, 将会显著提高循环 做功和循环效率 。实际中 ,通常利用 LNG 冷能预冷 空气 ,以提高机组效率 , 增加发电量。由于 LNG 的 气化温度较低, 故用一种易挥发的物质作为中间载 冷剂 ,将冷能传递给空气。但冷却温度须严格控制 在 0 ℃以上 ,以防止水蒸气冻结在冷却器表面 。 LNG 的冷能发电是一项新兴的无污染发电方
式,虽然这不失为一种节能的好方法 ,但它只考虑到 对 LNG 冷能的回收利用, 并未注意到对 LNG 冷能 品位的利用。这种方法对冷能的回收效率是非常低 的。由于生产 1 t LNG 要消耗 850 kW h 能量 。 即使 LNG 拥有的冷能以 100%的效率转化为电力 , 1 t LNG 的冷能也只相当于 240 kW h〔8〕 。所以在 发电装置中利用 LNG 冷能虽然是最可能大规模实 现的方式 ,但却不是利用 LNG 冷能最科学的方式。
2. 利用 LNG 冷能进行空气分离 通常空分装置使空气分离, 首要的条件是在空 分装置中造成低温 , 使空气液化以保证精馏工况的 正常进行 。空分装置利用 LNG 冷能的流程可以有 多种方式 。其特点是:由于液化天然 气的可燃性,故用氮气作为与它换热的工质, 利用液 化天然气的冷能来冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮 。这种方式 ,可省去空气、氮气两种透平膨 胀机及氟里昂制冷机组 , 循环氮气量约为同等容量 的低压带中压制冷循环系统空分装置的 1/5,循环氮 气的压力为 1960 kPa, 制取液氧的能耗较通常液态 产品的装置可降低一半, 仅 2500 kJ/m3〔10〕 。 与普通空分装置相比, 该方法电力消耗节省50%以上, 并且将 LNG 冷能用于空分可简化空分流 程 ,减少了设备建设费用。同时 , LNG 气化的费用 也可降低。据 LNG 冷能火用分析原理, 低温火用是在 越远离环境温度时越大 ,因此应在尽可能低的温度 下利用 LNG 冷能 。否则,在接近环境温度的范围内 利用 LNG 冷能, 大量宝贵的低温火用 就会损失掉。 从这个角度来看, 由于空分装置中所需达到的温度 比 LNG 温度还低 ,因此 , LNG 的冷能火用能得到最 佳的利用。但 LNG 在空分装置中通过换冷后的温 度为 - 100 ℃左右, 所以还须进一步考虑继续利用 - 100 ℃以上的冷能。
3. 制取液化二氧化碳 传统的液化工艺将二氧化碳压缩至 2. 5 ～ 3. 0 MPa,再利用制冷设备冷却和液化 。而利用 LNG 的 冷能 ,则很容易获得冷却和液化二氧化碳所需要的 低温, 从而将液化装置的工作压力降至 0. 9 MPa 左 右 。与传统的液化工艺相比, 制冷设备的负荷大为 减少, 电耗也降低了 30 %～ 40%。但需指出,二氧化 碳的液化温度为 - 70 ℃, 如若直接采用 - 162 ℃的 LNG 换冷 ,则仍不符合相同品位利用的原则 。
4. 冷库 LNG 基地和大型的冷库基本都设在港口附近, 所以回收 LNG 冷能供给冷库是很方便的冷能利用 方式。采用 LNG 的冷能作为冷源的冷库 ,将载冷剂 冷却到一定温度后经管道进入冷冻 、冷藏库, 通过冷 却盘管释放冷能实现对物品的冷冻冷藏 。另外, 还 可按 LNG 不同温级,用不同的冷媒进行热交换后分 别送入低温冻结库或低温冻结装置 , 这样其冷能的 利用效率大大提高 , 整个成本较之机械制冷会下降 37. 5% 虽然冷库使 LNG 的冷能几乎无浪费的得以利 用 ,且不用制冷机, 节约了大量的投资和运行费用, 还可以节约 1/3 以上的电力。但一般的冷库只需维 持在 - 50 ～ - 65 ℃即可, 而将 - 162 ℃LNG 的冷能 全部用于冷库制冷是不必要的 。
5. 其他利用方法 (1)LNG 冷能回收在 LNG 汽车及汽车冷藏车 中的应用〔12〕 。车用 LNG 的冷能利用有两种方式: 动力利用和制冷利用 。动力利用方式就是将 LNG 加压升温气化, 推动叶轮对外做功, 热源是空气或内 燃机的余热 。制冷利用方式有 ,利用 LNG 的冷能来 液化一些低温气体, 或提供汽车车厢使用的冷能。 (2)蓄冷装置 。LNG 主要用于发电和城市燃 气 , LNG 的气化负荷将随时间和季节发生波动。LNG 冷能的波动, 将会对冷能利用设备的运行产生 不良影响 ,必须予以重视。日本大阪煤气公司研究 的 LNG 蓄冷装置, 利用相变物质的潜热存储 LNG 冷能。白天 LNG 冷能充裕时,相变物质吸收冷能而 凝固;夜间 LNG 冷能供应不足时 ,相变物质溶解 ,释 放冷能供给冷能利用设备 。 (3)间接利用主要是利用 LNG 冷能产生的液氮 和液氧。采用 LNG 冷能空分电能可减少 50 %, 水 耗减少 30%, 这样就大大降低液氮 、液氧的生产成 本。低成本的液氮可以使 LNG 应用的温度领域扩 展到更低的温级(- 196 ℃),如用于真空冷阱 、生产 半导体器件、食品速冻、低温破碎回收物料以及金属 热处理等 。利用制取的液氧还可以得到高纯度的臭
氧,在污水处理方面用途很大 。 二 、LNG 冷能利用的研究进展
近来在如何合理利用 LNG 冷能研究领域又有 了一些新进展。中国科学院工程热物理所提出了利 用 LNG 冷能与分离 CO2 一体化的新型循环系统 , 如图 2 所示。该方案利用 LNG 冷能来完善燃用它 的热机性能,既提高了效率, 又能回收用天然气燃料 热机的惟一主要排放物 CO2 。为降低CO2 分离能耗 和实现CO2 准零排放动力系统的研究做出了重要贡 献。另外, 华贲教授提出在 LNG 接收终端附近将 LNG 的冷能利用和分离 C2 +轻烃集成优化实现液 化天然气的最优利用 。
图 2 利用 LNG 冷能分离 CO2 的循环系统 A 泵;B 压缩机;C 燃烧室;D H 透平;E G 换热器
综上所述, LNG 冷能利用的研究和实际应用已 取得了一定的进展。然而, 以往的大多数研究却没 有考虑将这部分冷能逐级 、充分利用。液化天然气 冷潜热的特点不仅数量多 , 而且处于 - 162 ℃的低 温,能量品极高 ,所以 ,充分利用 LNG 的冷潜热是十 分必要的。
三 、LNG 冷能利用的集成优化 研究和应用前景
将 LNG 用作一次能源时 ,从现有的利用方法可 见 ,无论是用于空分装置 、冷能发电、制取二氧化碳 还是冷冻仓库, 都不能简单地下结论说那种方法最 好 。它们可以在不同的温级利用 LNG 冷能, 而目前 主要将这些方案孤立的应用,并未充分利用 LNG 的 冷能。因此 ,将上述各种方法相互交叉集成以达到 充分利用 LNG 冷能的目的是今后该领域研究的发 展方向之一 。可考虑将这些利用 LNG 冷能的装置 建成联合企业的冷能工业园区 ,并将其与 LNG 接收 站一体化建设。当液化天然气作为化工原料使用时 ,主要用于合成氨和制乙烯两方面。而这些生产工艺中也需要 大量的冷能 ,因此考虑将 LNG 冷能利用同该生产工 艺集成优化 ,从而达到换冷的最优匹配是必要的。 参 考 文 献
1 朱刚,顾安忠. 液化天然气冷能的利用. 能源工程, 1999; (3) 2 石玉美, 汪荣顺,顾安忠. 液化天然气接收终端. 石油与天 然气化工,2003;(1) 3 李亚锋. 液化天然气冷能用特性研究. 能源利用与研究, 1997;(1): 7～ 10 4 黄玉桥, 樊峰鸣. 液化天然气冷能利用初探. 资源节约和 综合利用,2000;(3): 20～ 22 5 王海华, 张同. 液化天然气冷能发电. 公用科技,1998;(1) 6 铃木淳一. 利用液化天然气冷能发电. 国外油田工程, 1996;(5): 18～ 20 7 杨永军, 黄峰. 大型燃气轮机电站对 LNG 接收站冷能的 利用. 中国电力,2001;(7): 5～ 8 8 王坤,顾安忠. LNG 冷能利用技术及经济分析. 天然气工 业,2004;(7) 9 林文胜. 空分装置利用 LNG 冷能的热力学分析. 深冷技 术,2003;(3) 10 张祉佑. 低温技术原理与装置. 北京:机械工业出版社, 1987 11 王强. 液化天然气冷 能分析及回收 利用. 流体机械, 2003;(1) 12 王强. 液化天然气冷能火用的特性及在汽车制冷中的回 收利用. 西安交通大学学报