中国及世界LNG冷能利用市场发展现状及前景分析

天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分，它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。LNG是指液态天然气，近年来，中国LNG已经形成了较完整的产业链，LNG冷能利用是该产业链上重要的一个环节。
一、LNG冷能利用现状
所谓冷能，是指在常温环境中，自然存在的低温差低温热能，实际上指的是在自然条件下，可以利用一定温差所得到的能量。根据工程热力学原理，利用这种温差就可以获得有用的能量，这种能量称之为冷能。
为便于大量储存和输运，天然气开采出来后通常要去除杂质，在低温下液化，变成LNG以提高运输和储存的效率。当使用时，LNG仍需转化为常温气体，其中大量的可用冷能释放出来。
国外已对LNG冷能的应用展开了广泛、深入的研究，并在冷能发电、冷冻食品、空气液化，制取干冰以及低温粉碎方面获得应用，经济效益和社会效益非常明显。LNG冷能利用已相当成熟，世界上多个国家都采用了LNG冷能利用技术，像日本就已经利用LNG冷能进行空气分离、发电、干冰制造和冷库冷藏，其利用LNG发电已有30余年的历史。空气分离在LNG冷能技术中应用最为广泛，韩国蔚山大学运用LNG冷能实现轻烃分离。美国、俄罗斯、欧盟国家和地区的LNG冷能利用发展都到了应用阶段。
我国LNG冷能利用潜力巨大。已经进行的莆田LNG冷能利用项目是中海油第一个LNG冷能利用项目，它分为空气分离、发电、轻烃分离、橡胶轮胎粉碎、冷库、海水淡化和干冰制造7个项目，设计日耗冷能100×104GJ/d，日产液氧250t/d、液氮340t/d、液氨10t/d。
国内多家大专院校和研究机构积极开展了相关研究，先后开发和深化了LNG冷能利用的各项技术。上海交通大学进行了系统的LNG冷能利用研究，取得了一系列成果，清华大学联合中海油进行了实际的冷能利用项目开发，同济大学很早进行了冷能利用原理及方法的探索，华南理工大学进行了冷能优化集成利用等方面的研究，西安交通大学进行了冷能评价分析及在汽车工艺上的技术研发。
二、LNG冷能利用
按利用LNG冷能的过程可分为直接和间接两类利用方式。直接利用包括：发电、低温空分、冷冻仓库、制造液化CO2、海水淡化、空调和低温养殖、栽培等。间接利用包括：用空分后的液氮、液氧、液氢来低温破碎，冷冻干燥、低温干燥、水和污染物处理及冷冻食品等。
下面，就LNG蓄冷利用举例分析LNG冷能的应用。
2.1 LNG蓄冷原理
LNG主要用于发电和城市燃气，LNG的气化负荷随时间和季节发生波动。对天然气的需求是白天和冬季多，所以LNG气化所提供的冷能也多。反之，在夜晚和夏季，可以利用的LNG冷能也随之减少。LNG冷能的波动，将会对冷能利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视。蓄冷装置是利用相变物质的潜热存储LNG冷能。原理如下：白天LNG冷能充裕时，相变物质吸收冷量而凝固；夜间LNG冷能供应不足时，相变物质溶解，释放出冷量供给冷能利用设备。
2.2 量化分析
根据LNG蓄冷原理，针对某实际LNG气化站进行分析。
气化站供气规模为5921×104m3/a，气化压力为0.6MPa，天然气中甲烷摩尔分数为78.48%，环境温度为300K。
冷库设计为低温冻结库，库温为-25℃。用中间冷介质来降低传热温差，并采用蓄冷槽以解决LNG气化站气化冷量不均匀的问题。确定冷介质为乙二醇体积分数为60%的乙二醇水溶液，LNG通过与乙二醇水溶液传热气化成气态天然气，释放冷量通过乙二醇水溶液的循环传递给蓄冷槽储存，最后通过氨液的循环为冷库提供冷量。换热器统一选用板翅式换热器。考虑实际生产过程的需要，对进库产品进行预冷，预冷间温度为10℃。
2.2.1 能量分析
该气化站日均气化量为16.2×104m3/d，计算该规模气化站产生的冷量为10.73×104MJ/d。该冷库系统的冷量回收率经计算为32.6%，因此可回收冷量为3.5×104MJ/d。按24 h平均折算为405.54kw，即该LNG气化站可提供有效冷负荷为4kw左右。而一座库长为30m、宽为20m、高为5m的低温冷库总耗冷量为252.28kw。可见该LNC气化站产生的冷量可用于建造一定规模的冷库。
通过计算可知，LNG冷能回收量完全可以满足该冷库的耗冷量，不需再采用其他制冷设备。还可考虑把其余的冷量充分利用起来，如用于气化站、冷库办公室的空调系统中，以免浪费。
2.2.2 经济分析
在能量分析的基础上，对该系统进行经济分析。冷量价格按0.056元/MJ 计算，根据该气化站可回收冷量，年冷量收益可达71.54×104元/a。冷能回收系统造价包括换热器、蓄冷槽及其他附属设备的造价，约32.4l×104元，年折旧费用为1.02×104元/年。，计算投资回收期为0.487年。
投资回收期之所以这么短，是因为计算时并未考虑人工费用、系统能源消耗等运行费用。即使把上述因素都考虑进去，系统的投资回收期也会保证在1年左右。可见利用LNG冷能作为冷库冷源是一种十分理想的利用方式。
三、LNG冷能应用分析
3.1 作为冷库的冷源
利用LNG冷能作为冷源的冷库，将载冷剂冷却到一定温度后经管道进入冷冻、冷藏库，通过冷却盘管释放冷能，实现对物品的冷冻、冷藏。另外，还可按LNG不同温级，采用不同的载冷剂进行换冷后分别送人对温度要求不同的冷间，这样LNG冷能的利用率将大幅提高。虽然冷库使LNG的冷能几乎无浪费地利用，且不用制冷机，降低了系统造价及运行费，但一般的冷库只需维持在-50～-65℃即可，而将-162℃的LNC冷能全部用于冷库制冷是不必要的。为有效利用天然气冷能，可将低温冻结库或低温冻结装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等按不同的温度带串联。这种方式按LNG的不同温度带，采用不同的载冷剂进行换冷后依次送人低温冻结库或低温冻结装置（温度为-60℃）、冷冻库（温度为-35℃）、冷藏库（温度为0℃以下）、预冷装置（温度为0一10℃）。 　　3.2 液化气船中的运用
液化气船在载货航行期间，必须进行货物状态控制，即保持货物数量，控制不必要的货物排放；保持液货舱的蒸汽压力在压力释放阀的调定值压力之下；根据需要保持或改变货物温度。在航行过程中，由于液货摇晃产生的热量和外界传给液货的热量会使液货温度不断升高，若不对其及时冷却，蒸汽压力不断升高，船舶的安全航行受到威胁，因此必须用相当于整船造价5%的再液化装置液化货物蒸汽，将液货温度和蒸汽压力降到安全范围内或通过安全阀向外界大量排放蒸汽。对于大型液化气船，再液化装置的制冷量有限，往往需要数天才能把液货温度降低0.5℃左右，能耗巨大。而利用贮藏的LNG冷能，即使船舶在海况恶劣的环境下航行，船舶的液货舱仍能得到实时监控释放的冷量的冷却，控制过程平稳，航行安全可靠，经济性突出。
3.3 LNG汽车及冷藏车车的运用
随着LNG汽车的不断发展，LNG用作汽车清洁燃料的同时，可将其冷能回收用于汽车空调或汽车冷藏车。这样就无需给汽车单独配备机械式制冷机，既降低了造价，又消除了机械制冷的噪声污染，具有节能和环保的双重意义，是一种真正的绿色汽车，尤其适用于有噪声限制的地区。
五、结语
随着LNG用量的迅速增长以及全球性能源供应紧张形势的加剧，合理利用LNG冷能显得尤为重要，研究如何对LNC冷能进行梯级利用将成为LNG产业的一个重要课题。该技术能节约更多的能源、降低成本，有利于我国LNG产业的发展。在冷能利用中，无论用于空气分离装置、发电、制取液态二氧化碳还是冷库，进行不同的温度级别、各种方法组合优化，以达到充分利用LNG冷能的目的，是今后该领域研究的发展方向。邹盛兰（1981-），重庆燃气集团，工程师，本科，从事燃气工程设计工作）