液化天然气（LNG）冷量的利用技术

2012-04-13宋翠红

石油化工建设 2012年5期

关键词：冷量梯级冷库

宋翠红

中原石油勘探局勘察设计研究院河南濮阳 457001

液化天然气（LNG）冷量的利用技术

宋翠红

中原石油勘探局勘察设计研究院河南濮阳 457001

进入新世纪以来，在一次性煤、石油、天然气化石燃料消费中，天然气所占的比例逐年增加，与此同时液化天然气（LNG）产业也得到了快速发展，LNG蕴含着极为可观的冷量。随着LNG产销量的迅速增长，以及全球性的能源紧张，LNG冷能的利用尤为重要。目前，LNG冷能已经用于发电、空分、轻烃分离、冷冻仓库、低温粉碎等相关领域，此外，LNG冷能梯级利用技术也逐步趋于成熟。因此，实现LNG产业能源的综合集约利用将会带来巨大的经济效益。

液化天然气冷量梯级利用

随着我国对LNG的需求量日益增加，我国在广东、福建、浙江、江苏、山东等沿海地区陆续兴建了多个LNG接收站。据2011年中国石油化工产业综述的数字表明：截至2011年年底，全国已投产运营5座LNG接收站，年液化天然气接收能力达1580万t，存储能力已上升至世界第六位，预计到2015年，将迅猛增到4200万t。

LNG经过气化后进入输气管网输送给各类用户，作为城市燃气、燃气汽车燃料、燃气空调、工业燃料和化工原料加以利用。在LNG气化过程中，将大约产生830k J/kg的低温能量。通常这部分冷量可以通过天然气气化器被空气、海水、蒸汽、导热油、乙二醇吸收，其中包含的冷量火用未能得到利用，造成巨大的能量浪费。因此，积极寻求和高效利用LNG的冷能具有重要的意义。

1 LNG的冷能利用

LNG冷能利用，可以根据利用过程的不同，分为直接利用和间接利用两种。直接利用包括LNG冷能发电、空气液化分离、制取液态CO2和干冰、冷冻仓库、轻烃分离与切割、海水淡化等，间接利用包括低温粉碎废弃物、冷冻食品、LNG蓄冷等。

1.1 冷能发电

利用LNG冷能发电是以电能的形式回收LNG的冷能，主要是利用LNG的冷能使工质液化，然后工质经受热气化在气轮机中膨胀做功带动发电机发电。依靠动力循环进行发电是目前LNG冷能回收利用较为成熟的技术。LNG冷能在发电方面的利用主要有3种形式。

1.1.1 接膨胀发电

LNG从低温储罐或管道出来，经低温泵加压后，在天然气汽化器气化为高压天然气，直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电，这个过程主要利用LNG的压力能，冷能回收量取决于气轮机进出口气体的压力比。该方法效率不高，发电的功率较少，冷能回收仅为24%，但循环过程简单，所需的设备少。一般情况下与其他LNG冷能利用方法联合使用。

1.1.2 降低蒸汽动力循环的冷凝温度

将低温的液化天然气作为冷凝剂，通过冷凝器，把冷量转移到另一介质上，利用介质与环境温差，推动介质进行蒸汽动力循环，对外做功，带动发电机发电。这种方法冷能的利用效率与所选的低温介质有关，工作介质的选取相当重要。工作介质有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等单组份，或者采用他们的混合物。单工质循环系统的冷能回收率并不高，只有18%；碳氢化合物混合工质循环的冷能给你回收率大大提高，可达到36%。

而目前使用最多的是将以上两种方法联合起来，可以进一步提高冷能回收率。即使天然气的输送压力提高也可以回收相当多的冷能[1]。

1.1.3 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的一种形式。据燃气轮机知识，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。实际应用中，通常利用LNG预冷空气来提高机组的效率，增加发电量。由于LNG气化的温度很低，因此需采用易挥发介质作为中间载冷剂，将冷能传递给空气。但温度必须严格控制在0℃以上，以防止水蒸气在冷却装置上冻结，造成冰堵。

LNG冷能发电是一种新型的无污染发电方式，是一种节能的好方法，但它只考虑到LNG的冷能回收利用，并没有对LNG冷能品位的利用，这种方式对冷能的回收效率是相当低的。现实生产1t的LNG要消耗850kW/h能量，即使LNG拥有的冷能以100%的效率转化为电能，1t LNG的冷能也只相当于240kW/h。所以，利用LNG冷能发电是最可能大规模实现的方式，但不一定是利用LNG冷能最科学的方式。

1.2 液化分离空气

通常的空气分离办法就是将空气液化，通过工质为氟利昂冷冻机、膨胀透平制冷进行空气的液化分离，提取氮气、氧气、氩气等。而LNG冷能分离空气，是通过工质氮气换冷，利用氮气冷却来实现的。

利用LNG的低温特性不但可减少建设费用，而且生产液氮、液氧的单位耗能也大大降低了。由于LNG冷能分离空气能够减少制冷时电力的消耗，此法分离空气得到了充分的应用。回收的LNG冷能和两级压缩式制冷机冷却空气，制取液氧、液氮，制冷剂容易实现小型化，电能消耗相对较低，水消耗也减少30%，液氮、液氧的生产成本显著下降，经济效益相当可观。此外，低成本制造的液氮可以拓展LNG应用的温度领域，达到更低-196℃，可以用于真空冷阱、生产半导体器材、食品速冻等。利用制取的液氧还可以进一步得到高纯度的臭氧，在污水处理方面用处很大。

1.3 制取液态CO2和干冰

工业生产中很多地方都产生大量的CO2，尤其是发电厂、化工厂和油气田生产等，大量的CO2排放引起全球性的气候变暖，温室效应加剧,因此如何处理CO2已经成为一个棘手的难题。方法之一就是将其液化、固化。传统的CO2液化工艺是将CO2压缩至2.5～3.0 MPa再利用制冷设备冷却后液化。利用LNG冷能则很容易获得冷却和液化CO2所需要的低温，从而使制冷设备的工作压力降低到0.9 MPa左右，以化工厂的副产品CO2为原料，利用LNG冷能制造CO2和干冰，不但耗电量减少，而且产品的纯度极高。

1.4 冷冻仓库和低温储粮

LNG接收站和大型的冷库基本都建在港口码头附近，因此，冷库利用LNG回收的冷能就很方便。利用LNG冷能作为冷源的冷库，只需将载冷剂冷却到一定的温度后经管道进入冷库、粮库、冷藏库，通过内部的冷却盘管释放冷能，实现对物品、粮食的冷冻和冷藏。虽然冷库使LNG的冷能几乎无浪费地使用，且不用制冷机，降低了建造费和运行费，但一般的冷库只需维持在-50～-65℃即可，而将-162℃的LNG冷能全部用于冷库制冷是不必要的。为了高效地利用LNG的冷能，可以将LNG分成不同的温度带，采用不同的载冷剂进行换冷，依次进入低温冻结库，低温冻结装置，冷冻库，冷藏室，预冷装置，这样冷能的利用率就大幅度提高了，运行成本较机械制冷下降很多。

目前，我国规划建设的LNG接收站均位于经济发达的东南沿海地区的港口附近，而同样为了便于运输与周转，大型的粮食储备库也均建在交通运输便利的港口附近。例如，福建LNG接收站紧邻中央储备粮莆田直属库[2]，这为粮食储备库按照“温度对口，梯级利用”原则利用LNG冷能进行低温储粮提供了可能。粮食储备库利用LNG冷能进行低温储粮主要有两种方式：即直接利用LNG冷能和利用LNG冷能空分装置副产的污氮气体（区别于纯氮，含氧量在5%以下）。LNG实现低温储粮，不仅可以降低低温储粮的能耗成本，也为LNG冷能的利用提供了新的方法。

1.5 低温粉碎

轮胎、塑料以及其他的化学合成物在常温不易粉碎也不容易降解，回收起来相当困难，但它们基本都具有低温冷脆性，当温度低到一定程度时，其强度大大降低，只需很小的冲击力就能将其粉碎。利用LNG先冷却液体氮，再利用液氮冷冻废弃物，最后将废弃物粉碎以达到回收的目的。

1.6 轻烃分离和切割

天然气生产中通常要回收乙烷及乙烷以上的轻烃，除了使天然气达到商品外输要求外，还可以追求最大的利润。而LNG冷能用于C2+分离切割和裂解制乙烯装置中的裂解产物的深冷切割，这是LNG冷能利用的最佳方式。LNG冷能用于轻烃分离的产品主要是乙烷[3]，丙烷和少量的丁烷，可以进一步的切割，得到丙烷，LPG（丙烷和丁烷），天然汽油（C5+）等商品分别出售，提高天然气处理厂的经济效益[4]；用于乙烯裂解气的分离，可以大大降低乙烯的生产成本。

2 冷能的梯级利用

如果仅仅考虑LNG冷能的回收是不够的，还应考虑LNG冷能品位的利用，这样能量的利用率才有较大的提高。而对LNG冷能进行梯级利用是一个很好的途径。

分离空气的温度范围是-150～-190℃，LNG的气化温度是-162℃，处于空分温度的范围之间，二者相匹配，把空分作为LNG冷能梯级利用的第一级，能够充分利用LNG的低温特性；LNG在第一级换热出来的温度大概在-100℃左右，而CO2的液化温度是-70℃，干冰的生成温度是-78.5℃，因此，制取液化CO2和干冰可以作为LNG冷能梯级利用的第二级。此后，LNG温度与环境温度仍有很大的差距，而冷库的温度范围为-60℃～10℃，此温度范围正适合作为LNG冷能梯级利用的第三级。三级之后，LNG气化的温度差不多就是供气的温度，经供气前处理后供给天然气用户。LNG经低温储罐或管道出来后，经过三级冷能利用设备，温度不断的提高，同时各级换热温度匹配良好，较为充分的利用了LNG的冷能。