LNG 冷能回收制冰技术的应用实践

孙 雷

（陕西首创天成工程技术有限公司，西安 710016）

LNG 是超低温液态天然气（-162 ℃），蕴含着大量高品位冷能。相关数据显示，2022 年全国LNG 进口量超过6 000 万t，携带的冷能约150 亿kW·h，相当于千万级人口城市1 a 的居民用电量。随着“双碳”目标的提出及国家对天然气能源利用的大力推广和发展，国内LNG 气化站的建成与投产日益增多。当前LNG 气化站的生产模式普遍为利用空温式气化器与空气进行换热，将LNG 加热气化为常温的天然气，在气化过程中约能产生870 kJ/kg 的低温能量，目前，这些冷能大部分被释放到空气中，造成LNG 冷能的浪费。

《天然气发展“十二五”规划》要求，引导天然气高效利用，将LNG 接收站冷能利用纳入LNG 项目核准评估内容，实现节能减排和提高能效。若将LNG 中的冷能进行有效利用，不仅可以带来可观的经济效益，而且在节约能源及保护环境方面具有重大意义，也是能源绿色低碳转型的有效途径。

1 冷能利用方式

LNG 冷能利用是利用LNG 气化时大量释放的冷能，通过新增冷能回收设备将其冷能进行利用，LNG 冷能利用方式主要有冷能发电、冷能空分、制取液态CO2或干冰、冷藏仓库或制冰、轻烃分离、空调、海水淡化和低温粉碎等[1]，LNG 冷能利用方式如图1 所示。

图1 LNG 冷能利用方式

国外已对LNG 冷能的应用展开了广泛、深入的研究，美国、澳大利亚、俄罗斯、日本，以及欧盟国家和地区的LNG 冷能利用发展都进入应用阶段。其中，日本是世界上LNG 冷能利用较多、技术最发达的国家，主要方式有低温发电、空气分离、干冰的制造和低温冷库；韩国主要将LNG 冷能用于空气液化分离及食品冷冻库2 个方面，利用率不足20%；印度冷能利用的主要方式是冷能发电。

我国LNG 产业起步较晚，但LNG 冷能利用潜力巨大。中国海洋石油有限公司是我国LNG 冷能利用的领军龙头企业，已在冷能空分、冷冻胶粉、丁基橡胶等多项技术领域取得了工业化进展。LNG 冷能利用主要集中于大型企业的大型沿海接收站项目，国内大范围存在和发展的冷能利用率极低，积极创新开发应用研究势在必行。

各种利用方式的主要原理不相同：LNG 冷能用于空分，是通过循环氮气的冷却来实现的，省去了氮气透平膨胀机和氟利昂制冷机组，装置实现小型化，电耗、水耗大大降低，降低了液氮、液氧的生产成本。冷库也是利用LNG 较高品位的冷能回收，适用于各种低温环境，可用于农作物储藏或食品冷冻。低温破碎是利用空分后的液氮在低温下破碎一些在常温下难以破碎的物质，如粉碎由金属、电子器件、塑料器件和橡胶等构成的废旧汽车。海水淡化的核心原理是利用冷冻法。冷冻法海水淡化主要是海水实际冷冻过程中，会出现“盐水分离”的现象，温度较低冰体中实际含盐量较低，可有效实现盐水与冰分离，最终形成产物为淡水。轻烃分离是LNG 冷能用于C2+分离和裂解制乙烯装置中的裂解产物深冷分离。冷能发电是利用海水加热LNG 进行汽化的过程中体积膨胀，可以驱动发电机发电。

本文主要分析LNG 冷能制冰技术的应用，方式是将LNG 管路通入制冰机内，制冰机内利用冷能转换器将LNG 内的冷能置换出来，并利用低温冷媒溶液进行储存。当需要制冰时，低温冷媒溶液进入铝板冰模内与水换热进行制冰。制冰完成后，一键切换至太阳能化冰管路，从而完成冰块脱模，进而完成冷能与太阳能的综合应用。

2 LNG 冷能制冰投资及收益分析

本文以某LNG 储配站冷能利用制冰项目为例，分析项目的投资及收益。该项目对已建中压气化LNG 冷能增设回收功能，把原来LNG 气化过程中浪费的冷能，通过新增冷能回收设备和制冰机的形式回收制冰，气化设计规模为8 000 m3/h（标）。冷能制冰包含：1 台换冷设备，1 台蓄冷橇，2 台制冰机，2 台太阳能热水器，制冰机罩棚1 座，配套给排水、电气等公用工程。装置布置的原则是按照工艺流程的顺序布置设备，尽量缩短管线，方便操作维修，便于运冰车辆进出通行。LNG 冷能回收制冰流程如图2 所示。LNG 从储罐出来后，进入换冷设备和乙二醇水溶液（制冷剂）换热，利用换冷设备将LNG内的冷能置换出来，并利用乙二醇水溶液（制冷剂）将冷能储存在蓄冷橇内。蓄冷橇内设置循环泵，将换冷设备的冷量导入，供给制冰机。一个制冰过程需要15～16 h，需要连续供冷。

图2 LNG 冷能回收制冰流程

制冰机制冰状态：蓄冷橇中的制冷剂通过低温泵输送至冰模蒸发器内进行换热制冰，换热后的制冷剂返回至冷能换热器进行低温换热，从而完成制冰闭式循环。

制冰机化冰状态：利用太阳能板将常温罐中的液体进行加热。通过泵输送热流体至冰模蒸发器内进行换热化冰，换热后的低温液体返回至换热器进行升温换热，从而完成化冰闭式循环。

2.1 LNG 冷能回收制冰项目投资

项目总投资245 万元，其中建设投资237 万元，企业自有流动资金8 万元。建设项目总投资构成见表1。

表1 建设项目总投资构成表

2.2 项目收益分析

产量及单价：制冰机日产冰约40 t（8 h），年运营350 d，年产量14 000 t，冰含税售价80 元/t。

成本：①人工成本。新增定员3人，人均年成本8万元。②年水电消耗。用水14 000 t，损耗2%，含税水价4.21元/t；用电23 800 kW·h，含税电价0.75 元/kW·h。③固定资产折旧费用。直线法折旧，固定资产折旧年限20 a，残值率为4%。④修理费。按固定资产折旧费的50%计取。⑤安全生产费用。依据《关于印发〈企业安全生产费用提取和使用管理办法〉的通知》（财资〔2022〕136 号）文件规定，按年营业收入4%计取。⑥其他制造费用。按修理费的10%计取。⑦其他管理费用。按职工工资的30%计取。⑧其他营业费用。按营业收入的0.5%计算。⑨盈余公积金。按税后利润的10%计提。⑩增值税。电、设备及工器具13%，水、建筑、安装服务9%，其他服务6%。⑪附加税及企业所得税。城市维护建设税5%，教育费附加3%，地方教育费附加2%，企业所得税25%。

依据以上测算基础数据计算项目营业收入99.12万元，净利润29.43 万元，主要损益指标汇总表见表2。

表2 主要损益指标汇总表

2.3 项目盈利能力分析

主要测算得出项目所得税前财务内部收益率为21.73%，所得税后财务内部收益率为17.07%，均高于行业基准收益率，项目投资回收期5.52a。主要盈利能力指标见表3。

表3 主要盈利能力指标汇总表

2.4 项目盈亏平衡分析

根据图3 盈亏平衡点可知，产销量只需达到设计规模的56.79%，企业即可保本，项目具备较强的抗风险能力。盈亏平衡点BEP（生产能力利用率）＝年固定成本/（年营业收入－年销售税金－年可变成本）×100%。

图3 盈亏平衡点

2.5 与传统制冰方式比较

传统制冰方式一般采用压缩机制冷直接制冰，或者是通过压缩机制冷与盐水换冷后再用盐水制冰。两种传统制冰方式制冰时需消耗大量的电力能源，消耗的电能为每吨冰70 kW·h 左右，制冰成本较高（约90 元/t），市场售价一般在200 元/t 左右。

3 LNG 冷能制冰社会效益分析

3.1 节能减排

LNG 冷能和太阳能作为新能源被使用，大大降低了对电能的消耗；作为清洁能源，对减少化石燃料的使用具有很大的意义。LNG 理论完全气化可释放的冷量所表现的节能减排情况见表4。本项目利用LNG的冷能制冰，与传统电制冰相比，每年可以节约电能67.2 万kW·h，相当于约268.8 t 标准煤燃烧所发出的电量。传统的气化方式为LNG 直接和空气换热，冷能未利用，造成了冷能的浪费，利用LNG 的冷能制冰，达到了节能减排的目标。

表4 节能减排汇总表

3.2 环境保护

1）气化区冷雾减少，相比较过去更有利于工作人员巡查和操作作业。

2）减轻场站区域冷雾对环境的破坏。

3）LNG 冷能利用制冰机相比较过去直冷式制冰机，不再使用氟利昂作为冷媒，现用乙二醇溶液对环境没有不良影响。

传统制冰机使用氟利昂（R22）作为冷媒，10 t 的制冰机初装量约100 kg，氟利昂破坏臭氧。而LNG 冷能利用的制冰机使用乙二醇水溶液作为冷媒，不会影响环境。

一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。推导的化学结论：1 kg 氟利昂可以捕捉消灭约7 万kg 臭氧。同时，氟利昂也是重要的温室气体之一，一个氟利昂分子增加温室效应的效果相当于10 000 个二氧化碳分子。

一台10 t 传统制冰机的氟利昂（R22）对臭氧的破坏约为700 万kg 臭氧。

3.3 变废为宝

LNG 冷能长期为闲置能源，随着对其进行研究的深入，其有利用途被不断被开发使用。作为清洁能源利用类项目，投资小、效益高、潜在市场巨大，市场前景比较乐观。

LNG 冷能制冰项目将原本浪费的能源充分利用，实现价值，是对能源的节约利用，也是对“碳达峰、碳中和”双碳目标政策做出的实际行动，对节约电能，减少碳排放有很大的贡献。LNG 冷能制冰设备在制冰的同时，减少了冷能排入空气，很大程度缓解了空温式气化器在进行LNG 气化作业时导致的大量雾气问题，无需人工去除冰冻，减少人工受伤的风险，减少了冷能对大气环境和交通出行等人居环境的破坏。

4 应用前景展望

通过以上实际工程实例分析，LNG 冷能回收制冰技术的应用实践社会经济性佳，应全面促进LNG 附加值的开发。LNG 冷能回收制冰技术可应用场景包括：①用于冷藏保鲜，如今渔业捕捞、储存、运输和零售的各环节都需要冰块进行保鲜，对冰的需求量非常大。农贸市场和商超均需要大量冰块来保存果蔬、鱼肉等农副产品，以保证产品质量。冷链物流产业需要大量冰块对生鲜产品、医疗药品等进行冷链运输。②用于产品加工过程的降温，食品加工的过程中，加入冰块以调节肉禽等食品的温度、湿度来保证产品质量和口感。③用于一些工业制成品和化工原料在生产过程中的降温，比如混凝土搅拌会产生热量，搅拌场和施工地距离太远，加入冰块可以延长混凝土凝固时间，控制混凝土品质，在水利水电、核电、建筑工程等混凝土需求量大的行业中都有广泛应用。④用于环境降温。在不适合安装空调或者空调降温费用过高的环境，在高温时节，需要通过冰块来降温以达到适宜的温度。比如养殖场等。⑤冰雪运动产业[2]。近年来兴起的室内冰雪娱乐城、冰雕展览和之前结束的2022 北京冬奥会等冰雪项目，既丰富了市民的文化生活，又增加了项目收入。

LNG 储罐出口温度达-162 ℃，如果仅用于制冰的话，并没有得到全面利用。下一步发展展望是冷能的梯级利用（图4），可以将不同冷能温度对口应用到各阶段，在项目前期，应同步规划相对应的产业链。

图4 LNG 冷能回收梯级利用

5 结论

一是加大政策支持力度。LNG 冷能被利用，既增加了能源利用的类型，也相当于节省了大量电能，而且对环境保护起到很大的积极作用，更重要的是其表现出来的经济效益和社会效益相当可观。通过更多详细扶持政策的出台和行业标准的完善，能够加快推进我国LNG冷能利用产业的发展步伐。二是搭建好下游渠道。如何选择LNG 冷能的利用方式比较容易，难点在于对形成的产品如果外销获取收入效益。这就要求开发利用LNG 冷能的同时还需要同时搭建好下游渠道。三是重视LNG 冷能利用规划。整合周边产业及资源，从产业链角度分析探索LNG 冷能的利用，规划构建冷能利用产业链[3]。四是加强人才培养和国产化攻关。加大关键设备国产化支持力度，推动冷能利用技术集成优化和工程化进程，做好冷能利用专业技术人才培养和储备工作，确保我国LNG 冷能利用可持续发展。