LNG冷能梯级利用研究现状及展望

LNG冷能梯级利用研究现状及展望

石雅琳

中国石化青岛液化天然气有限责任公司 山东 青岛 266500

摘要：为了研究目前LNG冷能梯级利用现状以及提出相关措施，本文在前期调研的基础上，分析了不同冷能利用单元对冷能品质的要求以及产品的经济效益，确定了不同单元的冷能利用等级，并依据热力学第二定律㶲效率分析，提出了最优冷能梯级利用方案；并分析了目前冷能利用存在的主要问题，提出了相关的解决措施。

关键词：LNG；冷能；梯级利用；经济

0引言

当前我国在进口大量LNG的同时进口了其所携带的高品质冷能，当LNG在1atm（1.01325×105Pa）压力下气化时，放出230kWh/t左右从-162℃到5℃的冷量。如果直接让液化天然气在环境中蒸发，吸收环境的热量升温，不仅会使LNG携带的冷能白白地浪费掉，而且会对环境造成污染。由于我国在LNG冷能利用方面起步较晚的客观原因，目前在该领域仍然未有过多的成熟先进技术，即使有少数投入实际生产的单元冷能利用工艺，仍存在冷能利用效率低、㶲损大的现象，致使LNG所携带的大部分冷能没有得到合理利用。梯级冷能利用工艺虽然已经被提出，但由于没有对其进行深入的理论分析与合理的工艺设计，其仍然未能够从根本上解决LNG冷能利用效率不高、经济效益低的问题。因此，本文对LNG冷能利用的主要方式、存在的问题以及解决手段进行了系统的阐述，为相关领域的研究提供借鉴。

1冷能梯级利用及㶲效率分析

1.1 梯级利用分类

从LNG冷能利用过程图中发现，当LNG从-162℃气化到常温天然气中时，会有大量的冷能释放，这部分冷能如果直接排放到环境中，不仅会造成环境的污染，还会造成资源的大大浪费，因此在LNG气化流程中的汽化器部分加入了冷能利用过程。

目前国内外在LNG冷能利用成功的方面仅限于单级利用，典型的实施项目如福建LNG项目，福建德化LNG冷能室内滑冰场项目，吉林松叶粉末橡胶制品有限公司的液氮法粉碎橡胶生产线等。

按照LNG冷能利用的过程可分为直接利用和间接利用两种方式。

1.2 㶲效率分析

㶲是指物质或物流由给定状态经过可逆过程变化到与给定的环境基准相平衡所做的最大理论功。LNG冷能主要是因为LNG与周围环境存在温度不平衡引起的温度差以及由于压力不平衡引起的压力差。回收LNG冷能的主要是回收LNG的冷量㶲和压力㶲，即物理㶲。㶲是衡量冷能大小和品质的重要指标，即用于指出某指定状态下所给定能量中能够做出的最大理论功的部分。分析表明两个物体温差越大，㶲损失越大，如果降低㶲损，则应该采取较小的传热温差。也就是说，通过㶲效率分析确定冷能梯级利用方案是非常必要也有意义的。

2冷能梯级利用方案

如上所述，影响LNG冷能利用㶲效率的主要为各个单元之间的温差及对冷能品质的要求，根据相关现场数据和文献资料，LNG冷能利用的温度区间总结如下。

2.1第一等级

（1）轻烃分离：不同于其他工艺单元来说，LNG中包含有部分C2及其以上的轻烃，因此在能量损耗较低的条件下，甚至不需要制冷装置，便能有效地分离出其中的LPG以及高经济效益的乙烷等，LNG作为冷源的同时也作为了原料，并且产生的LNG（高纯度甲烷）可用于下一级的冷源；其对冷能品质要求较高，温度分布约为-150℃~-120℃之间，其独特的优势首选为梯级利用的第一等级。

（2）液化空气分离：在常压下，氮气和氧气的液化温度分别为-196℃和-183℃，甚至需要比LNG（-162℃）更高要求的温度，因此该工艺单元具有较小的㶲损，同时空气分离还可进一步获得价值更高的稀有气体等，具有明显的经济效益。

2.2第二等级

（1）制取液态二氧化碳或干冰：相比于传统工艺来说，其生产的液态二氧化碳或干冰其纯度非常高，并且可节约大量的电能，其温度范围处于-70℃~-80℃之间，因此可用于冷能利用的第二等级。

（2）油田伴生气凝液回收：其温度使用范围一般低于-50℃，甚至有时会达到-100℃，因此也将其设置为第二等级。

（3）低温破碎：如橡胶，在低温-70℃~-80℃即可实现低温破碎，因此将其设置为第二等级。

2.3第三等级

（1）冷能发电：事实上，冷能发电对温度的要求很小，其温度范围可位于-50℃~-150℃之间，但同时该单元对冷能的利用效率很低，并且温差较大，其㶲损失也较大，相对于其他单元来说，电能产生的经济效益要远远小于其他利用方式，因此设置为第三等级，作为补充单元。

（2）海水淡化：其温位要求很低，只要在0℃以下即可，但是考虑到其冷能利用率较高，因此将其设置为第三等级。

（3）冷冻或冷藏仓库：该单元对冷能温位要求不高，从最低温的-60℃到接近常温的预冷装置都可利用LNG冷能进行冷却，因此设置为第三等级。

事实上，从目前来看，LNG接收站大多位于近海区域，并且考虑到其经济性（产品的价值以及建设费用），因此本文从第一等级（轻烃分离、液化空气分离）、第二等级（制取液态二氧化碳或干冰、油田伴生气凝液回收）和第三等级（海水淡化）根据㶲损从而确定最佳的冷能利用方案。

3㶲效率分析

假设LNG的组分为纯甲烷，并且热力学分析中的流动过程是稳定且可逆的，那么其物理㶲可通过相应公式计算。

根据相关文献和现场数据，各等级单元的压力范围如下表1所示：

表1 不同利用单元的压力和温度范围

（1）方案1：轻烃分离-制取液态二氧化碳或干冰-海水淡化

（2）方案2：轻烃分离-油田伴生气凝液回收-海水淡化

（3）方案3：液化空气分离-制取液态二氧化碳或干冰-海水淡化

（4）方案4：液化空气分离-油田伴生气凝液回收-海水淡化

事实上，在计算公式中物理㶲包含两部分：压力㶲和冷量㶲。从上述4个方案可以看出，从常压0.1MPa在冷能利用的过程中总会存在压力㶲的上升，以轻烃分离单元为例计算压力对压力㶲的影响：出口压力为1.4MPa与出口压力为0.5MPa时的压力㶲比值为1.64倍，也就是是，在相同的温度下，出口压力每上升1个单位，其所需要的压力㶲将增大1.82倍；但同时，压力㶲也与此时的温度成正比，因此可以选择在低温时选择较大工作压力，而在高温时选择较小的压力变化。因此，以方案（1）为例计算了不同出口压力下的物理㶲。

（1）出口温度：111K→173K→223K→288K；出口压力：0.1MPa→1.4MPa→0.7MPa→0.5MPa

其物理㶲Eph=533.5kJ/kg。

（2）出口温度：111K→173K→223K→288K；出口压力：0.1MPa→0.5MPa→0.7MPa→0.5MPa

其物理㶲Eph=506.7kJ/kg。

（3）出口温度：111K→173K→223K→288K；出口压力：0.1MPa→1.4MPa→1.2MPa→1.4MPa

其物理㶲Eph=397.5kJ/kg。

工况（1）考虑了在低温下压力㶲损失较小，在高温下可以释放较大的压力㶲的特点；工况（2）考虑了较小压力下的运行特点，不仅能减小相关设备的经济要求，也保证了物理㶲主要体现在冷能品质的要求上；而工况（3）主要考虑了在相对较高压力下的运行特点，着重突出由于高压而带来的压力㶲损的特点。从物理㶲的计算结果可以看出，在工况（1）下具有最大的物理㶲，充分利用在低温下压力㶲损失较小，而在高温下可以释放较大的压力㶲特点；而相对于低压运行工况来说，与压力梯级利用相差不大，但其物理㶲数值远高于高压运行，这也充分体现了在㶲损主要是由于压力㶲引起的。

参考文献：

[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004.