LNG冷能用于果蔬冷冻干燥的分析

王文化， 张 琳， 王 敏， 杜 洋

(1.淄博绿能燃气工程有限公司，山东淄博255000；2.华南理工大学，广东广州510000)

1 概述

我国是农业大国，水果蔬菜资源丰富，近年来，我国的脱水果蔬加工业得到了迅猛发展，脱水果蔬已成为我国重要的出口农产品之一[1-4]。在LNG气化过程中，大约有830～860 MJ/t的冷量白白浪费掉[5]。果蔬冷冻干燥过程中需要大量冷能[6]，如果能够将LNG气化过程中浪费的冷能利用到果蔬冷冻干燥加工工艺中，那么不仅可以很好地回收冷能，而且对促进LNG产业的绿色健康发展以及推动现代农业和速冻食品产业发展具有积极作用。

本文以某LNG调峰储配站为例，将LNG冷能利用与果蔬冷冻干燥加工工艺相结合，设计出一种LNG冷能用于果蔬冷冻干燥加工工艺的方案，对设计的LNG冷能利用工艺进行模拟分析，进行经济衡算，在提高冷能利用率的同时，降低了果蔬冷冻干燥加工工艺的投入。

2 方案设计

2.1 项目概况

本项目LNG调峰储配站占地29 333 m2，主要包括以下几部分：供气规模为30×104m3/d的LNG气化站(按24 h均匀气化)、加气规模为5×104m3/d的CNG加气站、加气规模为3×104kg/d的LNG加气站、相应的辅助配套设施。本文采用气化站日供气量为30×104m3/d的供气规模进行计算，暂不考虑CNG加气站的冷能利用。LNG气化站的供气量较为稳定，气化外输压力为0.8 MPa，气化外输温度≥0 ℃。本项目的气源接收贫液LNG、富液LNG，本文采用贫液LNG进行模拟计算，其组成见表1。

表1 LNG组成

2.2 冷媒比选

目前LNG冷能利用系统常用的冷媒主要有氯氟烃和碳氢化合物，还有乙二醇水溶液、乙醇、盐水、氨等。针对不同的冷能利用场所，需要选择适合相应工艺的冷媒。以下从温位、经济性两个方面来分析，确定冷媒换热思路，选择适合LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺的冷媒。

果蔬冷冻干燥工艺基本分为两个阶段，即预冷段和真空干燥段[7]，两个阶段所需温位分别在-30～-15 ℃和-60～-40 ℃区间[8-10]。

预冷段温位较浅，与LNG(-162 ℃)温差过大，直接换热可能会发生冻堵。因此，选择进行二级换热，即采用两种冷媒，一级冷媒与LNG换热，再使一级冷媒与二级冷媒换热，通过二级冷媒将冷能传递给预冷段。根据预冷段温位，初步设计二级冷媒温度在-25 ℃左右，进入预冷段内供冷后二级冷媒温度升高至-15 ℃附近。

真空干燥段所需冷量的温位相对较深，约-55 ℃。同时考虑到预冷段需要二级换热，本着冷能回收利用最大化原则，确定冷媒换热思路：一级冷媒与-162 ℃的LNG换热后温度降至-55 ℃，返回一级冷媒储罐，然后分为两股。一股直接进入真空干燥段提供冷量，一级冷媒温度升至-45 ℃左右。另一股一级冷媒与二级冷媒进行换热，一级冷媒温度升至-45 ℃左右，然后与第一股一级冷媒汇合，再与LNG换热。

根据温度要求，乙烷完全满足一级冷媒换热需求，且经济实惠，故一级冷媒采用乙烷较为合适，控制其与LNG换热器的进口温度为-45 ℃，出口温度为-55 ℃。二级冷媒由于与一级冷媒乙烷换热，为了防止冻堵，故采用质量分数为50 %的乙二醇水溶液较为合适，控制其与乙烷换热器的进口温度为-15 ℃，出口温度-25 ℃。

2.3 工艺流程

根据确定的换热思路，设计LNG冷能用于果蔬冷冻干燥的工艺流程，见图1。

图1 LNG冷能用于果蔬冷冻干燥的工艺流程

LNG从调峰储配站原有LNG储罐出来，经LNG泵输送至换冷站，压力为0.8 MPa，温度为-162 ℃，质量流量为9 t/h。LNG在换冷站内的LNG-乙烷换热器内与一级冷媒乙烷换热后气化，变成压力为0.8 MPa、温度为-50 ℃的天然气。然后经换冷站内的空温式换热器加热至温度≥0 ℃，流出换冷站，输送至下游用户。

压力为0.5 MPa、温度为-45 ℃、质量流量为14.5 t/h的气态乙烷进入LNG-乙烷换热器与LNG换热，变成液态乙烷，温度降至-55 ℃。液态乙烷在流出换冷站后进入乙烷储罐，经乙烷泵加压后被分流器分为两股，一股质量流量为9.7 t/h，进入乙烷-乙二醇水溶液换热器，与从预冷箱组来的-15 ℃的乙二醇水溶液换热，变成气态乙烷，温度升至-45 ℃。另一股液态乙烷质量流量为4.8 t/h，直接流向真空干燥箱组对果蔬进行真空冷冻干燥，变成气态乙烷，温度升至-45 ℃。然后两股气态乙烷汇合，回到LNG-乙烷换热器，进入下一循环。

从乙二醇水溶液储罐中出来的乙二醇水溶液，压力为0.101 3 MPa，温度为-15 ℃，质量流量为130 t/h。乙二醇水溶液经乙二醇水溶液泵加压后，进入乙烷-乙二醇水溶液换热器与乙烷换热，温度降至-25 ℃，进入预冷箱组对果蔬进行预冷，温度升至-15 ℃，然后回到乙二醇水溶液储罐，进入下一循环。

2.4 工艺模拟

采用Aspen Plus V11对上述工艺流程进行模拟，LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺的模拟流程(软件截图)见图2。图2中的图标解释见表2，其中的MIX(混合器)表示图1中两路气态乙烷的汇合处。模拟过程的主要输入参数如下： LNG的压力为0.8 MPa，温度为-162 ℃，质量流量为9 t/h；乙烷的压力为0.5 MPa，温度为-45 ℃，质量流量为14.5 t/h；乙二醇水溶液压力为0.101 3 MPa，温度为-15 ℃，质量流量为130 t/h；分流器FS将乙烷分为9.7 t/h与4.8 t/h两股。

图2 LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺的模拟流程(软件截图)

表2 模拟图中的图标解释

LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺的主要物流模拟结果见表3。模拟得到的换热器HX01的换热量-温度图见图3，换热器HX02的换热量-温度图见图4。

表3 LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺的主要物流模拟结果

由图3可以看出，冷流LNG从-162 ℃升温至-50 ℃，在换热器HX01中LNG为系统提供1 836 kW换热量。由图4可以看出，在换热器HX02中，冷媒乙烷共提供给预冷箱组换热量1 224 kW。在所设计的LNG冷能用于果蔬冷冻干燥工艺中，质量流量为9 t/h的LNG供给冻干机组预冷箱组的换热量为1 224 kW，供给冻干机组真空干燥箱组的换热量为612 kW，即LNG提供的总换热量为1 836 kW，折合节电900 kW。

图3 换热器HX01的换热量-温度图

图4 换热器HX02的换热量-温度图

3 经济性分析

LNG冷能回收主要设备造价见表4。

表4 LNG冷能回收主要设备造价

需要说明的是，本项目中,由于LNG泵是调峰储配站必备的设备，无论是用电压缩制冷，还是利用LNG冷能制冷，果蔬冻干机组也是必备的设备，因此，本文LNG泵、果蔬冻干机组不计入LNG冷能回收设备造价中。LNG冷能用于果蔬冷冻干燥加工项目新增冷能回收设备总造价为500×104元。可回收利用换热量1 836 kW，折合节电900 kW，按0.7 元/(kW·h)电价计算，节电效益约500×104元/a。本项目LNG冷能回收设备投资回收期为1 a。

4 结论

以某LNG调峰储配站(日供气量为30×104m3/d)为例，设计了一种LNG冷能用于果蔬冷冻干燥加工工艺的方案，将LNG气化过程中产生的冷能用于果蔬冷冻干燥加工。通过Aspen Plus V11模拟，计算结果表明，质量流量为9 t/h的LNG，可提供给冻干机组预冷箱组的换热量为1 224 kW，提供给冻干机组真空干燥箱组的换热量为612 kW，相当于节电900 kW。项目投资回收期为1 a，经济性效益好。