文：中原工学院能源与环境学院王芳、付轶科、范晓伟、朱彩霞
天然气作为清洁、高效的能源，其利用对我国大气污染防治具有重要意义。近年来，我国天然气消费量快速增长。液化天然气（LNG）作为天然气的液态形态，是天然气经净化、降温至162℃后形成的液体，其体积变为原来的1/600。它的存在增加了天然气储运和利用的灵活性，扩大了天然气的应用范围。生产1吨液化天然气所需设施及动力电耗约，而LNG汽化时释放大量冷能，其值约为830-860kJ/kg。LNG汽化过程伴随大量可利用冷能的释放，1吨LNG经换热汽化后理论上可利用冷能约。 但一般情况下这部分冷能通常会被丢弃在LNG气化器中，不仅造成大量的能源浪费，而且会造成环境污染。回收这部分冷能不仅有效利用了能源，而且可以减少大量机械制冷的电耗，具有可观的经济效益和社会效益。为此LNG冷能的利用受到了国内外学者的广泛关注。
1.LNG冷能利用技术应用
1.1 LNG冷能主要利用方式
LNG冷能利用一般分为直接利用和间接利用两种方式。其中直接利用主要集中在低温发电、空气分离、干冰制造、轻烃分离、超低温冷冻、海水淡化、汽车空调、低温养殖、栽培等方面。间接利用主要是通过LNG冷能生产液氮或液氧，再利用液氮、液氧进行低温粉碎、低温生物工程、污水处理等工艺。其利用方式及利用温度见表1。
1.2 LNG冷能利用前景
随着天然气消费需求的增加，我国天然气进口量也呈现增长趋势，2007年至2012年，天然气净进口量年均增长率约为94.2%。其中，LNG进口量占据了相当大的比重，2012年我国LNG进口量为1496万吨，约占同期天然气进口量的48.2%。预计2020年，我国天然气市场供需缺口将达到1415万吨。为了弥补这一缺口，可以预见，我国LNG进口量将进一步增加，由此产生的LNG冷能利用技术将大有可为。
目前，LNG冷能回收技术已得到世界各国政府和企业的广泛重视，全球大型LNG接收站数量逐步增多，LNG进入快速发展阶段，为LNG冷能利用技术的快速发展提供了可能。日本的LNG冷能利用技术走在世界前列，其低温发电、空分、液态二氧化碳及干冰制造、低温冷库技术等均达到国际先进水平，LNG冷能利用率约为20%~30%。我国LNG冷能利用技术起步较晚，尚不成熟，总体利用率较低。作为我国LNG冷能利用的龙头企业，中国海洋石油总公司在冷能空分、冷冻胶粉、丁基橡胶等多个技术领域取得了重大进展，冷能空分装置已投入商业运行，冷冻胶粉、丁基橡胶等项目也已进入产业应用的实质性推广阶段。 具有丰富的冷能项目建设运营经验，在国际同类企业中具有一定的竞争力。中国石油天然气集团公司、中国石化集团公司也在加紧LNG冷能利用技术研发，具有一定的后发优势。未来几十年，LNG冷能利用技术的发展对我国能源综合利用具有重要意义。我国LNG冷能利用相关项目见表2。
1.3 冷能利用方式比较
表3总结了LNG冷能利用的几种主要方式，并分析了各自的优缺点及冷能需求，为因地制宜选择冷能利用方式提供帮助。
2 国内外LNG冷能利用研究进展
无论是直接还是间接利用LNG冷能，回收LNG冷能的方式都是单一的。从热力学角度看，单一方式不能充分利用LNG冷能且损失较大。目前，不少行业专家建议应采用多种回收方式联合使用，以提高LNG冷能的利用率。
2.1 LNG冰蓄冷技术
陈秋雄等开发了LNG冷能与冰蓄冷系统制冷相结合的技术。将LNG气化释放的冷能以冰蓄冷的形式储存起来，再通过热交换提供给空调循环水，起到“削峰填谷”的作用，平衡电力负荷，大大节省用户电费。图1为冰蓄冷空调工艺流程。林源针对LNG冷能用于冰蓄冷空调确定了两级制冷剂冷能传递工艺设计方案。分别采用R404a和30%乙二醇溶液作为第一级和第二级制冷剂，两级换热器的效率分别为30.88%和43.86%。经过分析可知，造成损失的主要原因是换热过程中温差过大。笔者从降低换热温差的角度进一步优化了工艺方案。
2.2 LNG空分冷能
夏红燕等提出将LNG冷能用于空分设备，主要是利用液化天然气的冷量替代膨胀机制制冷循环，利用LNG低温冷量液化高压氮气，LNG常温冷量提供给乙二醇冷却水系统。LNG冷能空分设备比常规空分设备节能50%，配套循环冷却水系统节电、节水效果明显。图2为LNG冷能回收系统示意图。魏林瑞等提出利用液氮制冷剂补充冷却维持空分装置连续运行的方案，解决了LNG空分装置因用户不同时期、不同季节用气量波动导致冷量中断而频繁被迫停车的问题，并从经济角度对利用液氮补充冷却维持空分装置连续运行和直接停车后再开冷的方案进行了对比分析。
2.3LNG冷能应用于冷库
杨春等提出了一种利用液化天然气（LNG）冷能进行蓄冷及冷水制备的橇装装置，该装置包括LNG气化系统、制冷剂循环系统和冷水制备系统三个系统。
LNG通过气化系统将冷能传递给制冷剂，制冷剂在冷库中利用冷能，通过冷水生产系统将冷能传递给冷水。制冷剂解决了LNG气化与应用在时间和空间上不同步的问题。肖芳等改进了LNG冷能用于冷库制冷技术的工艺流程，解决了天然气用户需求量较小时，LNG冷能供应不足、制冷剂制冷量不足的问题。并将LNG冷能制冷工艺与传统冷库电压缩制冷工艺进行了比较，得出前者节省更多的电费、工艺效率更高、投资回收期更短、运行成本更低。图3为LNG冷能用于冷库的工艺流程图。研究了利用LNG冷能对超市农产品进行深度冷冻并能进行空气调节的工业设施，并从概念设计、热力学分析和经济性等方面分析了其可行性、适用性和盈利能力，为LNG冷能的高效利用提供了新思路。
2.4 LNG冷能用于船舶燃料
杜灵光将LNG冷能用于远洋货物冷藏，将冷藏技术与冷冻冷藏技术完美结合，减少了船舶制冷系统的初期投资，回收了LNG冷能，降低了远洋货物冷藏成本。田昆等根据LNG冷能利用“温度匹配、梯级利用”原则，设计开发了航运LNG冷能综合利用方案，将LNG冷能用于冷藏和冷水空调，并根据发电机和内燃机的启动情况选择冷凝法或直接输出法进行BOG处理。可充分利用LNG气化产生的冷能，减少船上制冷所需燃料，并大幅降低压缩制冷设备所需运行功耗。
2.5 LNG冷能发电
陈丽琼等总结了目前已应用的6类冷能发电技术，包括直接膨胀法、二次介质法、联合法、混合介质发电法、布雷顿循环法和燃气轮机利用法。指出布雷顿循环法发电效率最高，可达55%，但对冷却器温度有要求。何蕾等提出了将LNG冷能朗肯循环发电与空调制冷相结合的工艺。通过采用分级回收的方式，将高品位冷能用于冷能发电，将低品位冷能用于空调制冷，实现了LNG冷能的梯级利用，有效提高了冷能利用效率。图4为LNG冷能发电制冷联合梯级利用示意图。
2.6LNG海水淡化冷能
黄美斌等将LNG冷能与制冷海水淡化相结合，根据系统内制冷剂是否发生相变提出了相变过程和相变过程。研究结果表明：相变过程设备简单，控制方便，但制冷剂质量流量较大；非相变过程制冷剂质量流量较小，但工艺、设备及控制相对复杂，且气相体积流量大，使得气相管道口径较大，相应的换热器尺寸也会较大。图5为间接制冷海水淡化示意图。姜克忠等对目前海水淡化的三大主要技术，即膜法、蒸馏法和制冷法进行了综合分析。 指出采用混合淡化工艺，即LNG冷能制冷与低温蒸馏膜法相结合或LNG冷能制冷法与其他膜法相结合是利用LNG冷能进行海水淡化的新技术发展方向。CAO研究了利用LNG冷能进行间接接触制冷海水淡化的工艺，选择了合适的中间冷却剂传冷并提供最合适的海水结晶温度。结果表明，1kg LNG冷能可获得2kg冰融水，且在此过程中，LNG与海水的混合过程几乎不消耗任何能量。
2.7 LNG冷能用于丁基橡胶
韩君石对丁基橡胶行业使用LNG冷能的可行性进行了分析，提出了LNG与丙烯二次制冷、LNG直接制冷两种方案。该方案与常规采用乙烯、丙烯联合制冷的方案进行对比分析后得出：LNG与丙烯联合制冷吨胶可节电，投资成本可降低10%～20%；LNG直接制冷更为节能，吨胶节能可达10%以上。图6为LNG与丙烯联合制冷流程。陈茂春等对LNG、乙烯、丙烯联合制冷、LNG与丙烯联合制冷两种方案进行了对比分析。 对于5万吨/年常规丁基橡胶装置而言，后者具有LNG汽化压力低、制冷设备设计压力低、装置占地面积小等优点，与传统制冷工艺相比，制冷流程大大简化，具有工艺设备大大减少、投资少、公用工程消耗减少等优点。
2.8LNG冷能应用于重卡空调
王芳等设计了一种重型卡车用LNG冷能与空调制冷相结合的联合装置，包括LNG气瓶、气化器、空调、制冷机、发动机、控制器等。LNG在气化器中与制冷剂进行逆流热交换，释放出冷能后，成为常温燃料，气化进入发动机供重型卡车使用。制冷剂获得LNG释放的冷能后，温度下降，冷能积聚。从气化器出来的低温制冷剂经泵加压后，进入空调蒸发器，再由风机将冷能输送到驾驶室，达到调节室温的目的。在此过程中，制冷剂只发生温度变化，不发生相变。本实用新型装置节省了驱动压缩机的燃料，回收了LNG气化过程中的冷能，对制冷剂的品质影响很大。
达到了节能、降耗、降低成本的效果，且工艺简单，易于推广使用。
3 展望
提高LNG冷能利用率是综合利用能源、缓解紧张的能源压力、响应国家节能减排号召、提高经济效益和社会效益的关键。但目前LNG冷能利用效率普遍较低、利用方式单一、项目进展缓慢、实施滞后严重等问题。针对此，提出以下建议。
（1）根据LNG接收站规模、当地经济状况和市场需求，合理选择冷能利用项目。
（2）开发LNG冷能梯级利用专项工艺技术，从单项高效利用和综合梯级利用两个角度提高LNG冷能利用率。
（3）发展蓄冷、储存冷能装置，使制冷剂系统充分贯彻“温度匹配、梯级利用”原则，利用制冷剂将冷能回收和冷能利用分为两个过程，通过制冷剂输送管道将冷能供应给各类冷能用户。
（4）加大蓄冷介质研发力度。目前，市场上与LNG换热时不发生相变的制冷剂非常少，因此，加紧研发不发生相变的制冷剂是当务之急。
此外，积极探索冷能利用新途径也是仍需努力的方向。总之，在LNG冷能利用过程中，要贯彻循环经济理念，积极探索LNG冷能利用技术，实现LNG冷能的充分利用，形成健康的产业网络体系。
