LNG冷能用于氣體直接接觸法制取冰漿研究

王凌士 張學軍 王曉蕾 王 煒

(浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引 言

液化天然氣(LNG)是天然氣經過脫酸脫水處理，通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫(－162℃)液體混合物。由于LNG具有便于遠距離運輸、儲運成本低、熱值高、清潔、環(huán)保等特點［1］，近些年來LNG工業(yè)迅速發(fā)展。中國從2006年開始大量進口LNG，目前已在中國廣州前灣、福建莆田、浙江寧波等地建有LNG接收站，未來沿海地區(qū)將規(guī)劃建設十幾個LNG接收站，每年將進口上千萬噸LNG［2］。由于LNG使用時需在汽化器內進行汽化，汽化時放出大量的冷量，該冷量包括液態(tài)天然氣的汽化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲存溫度升溫到環(huán)境溫度的顯熱，約為830 kJ/kg。目前的工藝中該部分冷能通常隨海水或空氣被舍棄，造成能源的極大浪費。通過特定工藝技術合理利用LNG冷能，可以達到節(jié)省能源、提高經濟效益的目的［3］。目前LNG冷能利用包括:深冷空氣分離、冷能發(fā)電、低溫粉碎、冷凍倉庫、制造干冰、汽車冷藏、汽車空調、海水淡化、空調制冷等方面［4］。

LNG基地大都設在港口附近，而為了方便遠洋捕獲的魚類的冷凍加工，大型的冷庫基本也都設在港口附近。在魚類的冷凍加工中，相對于傳統(tǒng)的冰塊，冰漿接觸換熱面更大，并且可減少對冷凍物的壓損，因此冰漿越來越廣泛的應用于漁業(yè)和食品冷凍領域。如今，全世界有超過700個冰漿系統(tǒng)用于漁業(yè)領域，是冰漿技術最大市場之一［5］。利用LNG冷能來制取冰漿，則是LNG冷能的一個新的應用。

冰漿是指冰晶粒子與水的混合物，冰漿中冰晶粒子的直徑通常為幾十微米到幾百微米［6］。冰漿具有良好的流動性，可用泵輸送，釋冷速率快。冰的潛熱為335 kJ/kg，遠大于水的比熱容4.2 kJ/kg，因此冰漿蓄冷和載冷能力很強［7］，輸送相同的冷載荷時，含冰率30%的冰漿可減少80%的冷凍水體積［8］。

冰漿制取方法有壁面刮削法、過冷水法、流化床法、真空法和直接接觸法等。目前已實用的裝置主要采用壁面刮削法和過冷水法［9］。直接接觸法由于換熱效率高，并且避免了靜態(tài)冰蓄冷的冰層厚度增長和熱阻增加的問題，逐漸受到人們的重視。直接接觸式制冰采用不溶于水的低溫冷媒噴射進入水溶液中，冷媒與水直接接觸換熱，水溫下降生成冰晶。傳統(tǒng)的低溫冷媒為制冷劑，制冷劑消耗量較大，且不容易與水分離，容易腐蝕制冰管壁。氣體直接接觸法是一種用載冷氣體代替兩相制冷劑來制取冰漿的方法。這種方法載冷氣體與制冰溶液直接接觸換熱，湍流狀態(tài)下的換熱效率高，并且氣體易與溶液分離，無腐蝕性。Thongwik S等［10］采用CO2作載冷氣體進行了制取冰漿實驗，研究了氣體質量流量、氣體進口溫度和溶液高度等對體積傳熱系數的影響，并得到了冰漿制取溶液合適的混合比例。用氮氣代替二氧化碳，張學軍等［11］分析了氣體流量、噴嘴直徑、初始溫度等因素對系統(tǒng)換熱性能和冰堵的影響。目前冰漿制取方法基本采用傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)作為冷源，電耗很大。本文通過搭建的氣體雙直接接觸式冰漿制取系統(tǒng)實驗結果作為參考，將LNG代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷系統(tǒng)作為冷源，進行了改進設計，并從角度進行了計算分析。

2 冷能的梯級利用原理

LNG從儲罐內飽和液態(tài)汽化升溫時釋放的冷量為:

式中:m為LNG的消耗量，kg;r為汽化潛熱，kJ/kg;cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K);Tk為LNG汽化后的溫度，K;Ts為儲罐內LNG的飽和溫度，K。

故:

其中:T0，p0分別為環(huán)境的溫度和壓力，K，Pa;ps為儲罐內LNG的飽和壓力，Pa;R為摩爾氣體常數，J/(mol·K);Q0為單位質量LNG汽化的顯熱吸熱量，kJ/kg。在LNG儲罐壓力不高的情況下，壓力比較小，通常可忽略不計。

采用微元分析法，設TL為LNG(冷源)的溫度，TH為熱源的溫度(TH＜T0)，δQ為LNG的微元吸熱量。則LNG與熱源換熱過程引起的損失為:

圖1 LNG冷能梯級利用流程圖Fig.1 Process chart of cascade utilization of LNG cold energy

由于空氣分離須在－150℃至－191℃條件下進行，與LNG的汽化溫度很接近，所以LNG從儲罐引出后第一級冷能可用于空分裝置。換熱后LNG溫度升高到－100℃左右，此時冷能可用于干冰的制取(干冰凝固溫度為－78℃)。之后LNG溫度變?yōu)椋?5℃左右，由于冷庫的凍結和冷藏溫度處于－30℃—16℃的范圍，所以第三級冷能可用于冷凍冷藏庫。通過LNG的三級冷能利用，LNG溫度已基本接近用戶供氣溫度，再進行供氣前的一些處理工藝，就可以對天然氣用戶進行供氣。

3 實驗裝置介紹

圖2是利用LNG冷能作為冷源的冰漿制取實驗臺示意圖。將LNG代替制冷系統(tǒng)作為冷源，LNG在汽化器中與低溫液體冷媒發(fā)生間壁式換熱。實驗采用空氣作為載冷氣體。首先由風機將空氣送入第一直接接觸換熱器(汽化器)內的低溫液體冷媒中吸收冷量?？諝饨浝鋮s后由第二直接接觸換熱器(冰漿生成器)底部噴頭噴射進入制冰溶液中，制冰溶液吸收冷量溫度下降直至冰點，開始形成冰漿?？諝鈩t由冰漿生成器上部排出，重新進入風機入口，開始下一循環(huán)。風機風量可由變頻器調節(jié)。噴頭處鋪設電加熱線以解決結冰后冰堵問題。由于氣體的鼓泡作用，使得汽化器、冰漿生成器換熱效率大幅提高。汽化后的LNG溫度仍然低于環(huán)境溫度，可通過回熱器將這部分冷量用于改善風機出口處的散熱狀況，使天然氣升溫至供氣溫度范圍，同時也能進一步提高系統(tǒng)的能效系數η(冰漿生成器溶液與氣泡單位時間換熱量同系統(tǒng)總輸入功率之比)。

圖2 LNG冷能用于冰漿制取系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ice slurry production experiment apparatus using of LNG cold energy

4 結果與分析

4.1 制取冰漿

實驗采用體積分數為10%的乙二醇水溶液制取到冰漿。圖3是取出的冰漿樣品照片。經測試，制取到的冰漿細膩疏松，具有很好的流動性。圖4表示10%乙二醇水溶液達到冰點后的制冰速率。開始產冰時，氣體流量為200 m3/h，制冰速率為84 g/min。未使用噴頭加熱裝置時，制冰速率不斷下降。這是因為氣體噴頭處出現了冰堵，從而導致氣體流量下降，制冰速率降低。運行噴頭加熱裝置(加熱功率50 W)后，制冰速率基本保持平穩(wěn)。所以加熱裝置可有效解決噴頭冰堵問題。

4.2 LNG冷能利用分析

為了綜合考察系統(tǒng)的運行特性、能耗狀況，實驗選取一年中兩種典型的運行工況:冬季工況(環(huán)境溫度5℃)，夏季工況(環(huán)境溫度30℃)，分別進行實驗研究并進行了對比。圖5表示采用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)做冷源時冬夏兩季系統(tǒng)能效系數對比情況。以10%乙二醇溶液為例，隨著制冰溶液的溫度下降，夏季系統(tǒng)能效系數下降幅度比較大，平穩(wěn)后低于冬季。系統(tǒng)能效系數整體偏低，且夏季時低于冬季。由于冰漿主要在夏季時用于各工業(yè)和生活領域，所以夏季工況更具有參考意義。系統(tǒng)能效系數較低的主要原因是制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較低(－10℃至－15℃)，使得制冷系統(tǒng)COP比較低，從而導致整個冰漿制取系統(tǒng)的能效偏低。系統(tǒng)運行時，制冷系統(tǒng)與風機總的輸入功率為6 kW左右，其中風機的額定輸入功率為2.2 kW。故可以看出制冷系統(tǒng)耗能占大部分。若將LNG代替制冷系統(tǒng)作為冷源，使輸入功率減小，則系統(tǒng)的能效系數將會得到大幅提高。

圖5 系統(tǒng)能效系數冬夏對比Fig.5 Energy efficiency coefficients of system in summer and winter

對LNG冷能作為冷源的冰漿制取系統(tǒng)的性能進行計算分析。為使計算結果具有可比性，令系統(tǒng)單位時間獲得的LNG冷量等于原來制冷系統(tǒng)提供的冷量。結合以往實驗經驗，將汽化器出口處的天然氣溫度設置為－10℃。圖6是梯級利用LNG時，LNG不同初始溫度下的冷量損失和所需質量流量變化曲線圖?？梢钥闯?，損失隨初始溫度的升高而近似線性下降。而所需的LNG質量流量則隨初始溫度的升高呈現“J”字型增長趨勢。所以提高LNG的初始利用溫度(即減少溫差)，在損的減少的同時也伴隨著LNG所需流量的大幅增加。

取LNG兩種初始參數:(1)初始溫度為－162℃的常壓液體;(2)參照LNG冷能梯級利用流程圖，將制取干冰后－55℃的常壓天然氣溫度作為初始溫度。計算兩種情況下的所需LNG流量，冷量損失，系統(tǒng)能效系數提高比例。計算結果見表1。

圖6 損和所需LNG質量流量變化曲線Fig.6 Curves of exergy loss rate and LNG flow rate

表1 兩種LNG冷能利用方式效果對比Table 1 Comparison of two methods for using LNG cold energy

5 結 論

隨著中國LNG工業(yè)的迅速發(fā)展，合理利用LNG汽化冷能顯得越來越重要。使用傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的冰漿制取方式，系統(tǒng)的能效系數偏低?？捎肔NG代替原來的制冷系統(tǒng)作為冷源，進行實驗裝置的改進設計。LNG冷能不同利用方式計算表明，LNG直接利用時冷量損失大于LNG梯級利用。減少LNG換熱溫差，在損的減少的同時也伴隨著LNG所需流量的大幅增加。對于小型LNG裝置，可將LNG冷能直接用于氣體直接接觸法制取冰漿。通過利用LNG冷量可將系統(tǒng)的能效系數提高到原來3倍左右。

1 燕 娜，厲彥忠.采用液化天然氣冷量的空分系統(tǒng)新流程［J］.化學工程，2007，35(9):58-61.

2 張 亮，江 欣，王若思，等.冷能利用技術在LNG儲配輸送中的應用［J］.石油與化工設備，2011，14(5):13-16.

3 金 滔，胡建軍，陳國邦，等.利用液化天然氣冷能的新型空分流程及其性能［J］.浙江大學學報(工學版)，2007，41(5):836-839.

4 余黎明，江克忠，張 磊.我國液化天熱氣冷能利用技術綜述［J］.化學工業(yè)，2008，26(3):9-18.

5 Kauffeld M，Wang M J，Goldstein V，et al.Ice slurry applications［J］.International Journal of Refrigeration，2010，33(8):1491-1505.

6 何國庚，王忠衡.冰漿流體流動與換熱研究綜述［J］.制冷學報，2005，26(4):1-5.

7 劉劍寧，章學來，葛軼群，等.直接接觸噴射式冰漿制備裝置［J］.能源技術，2007，28(3):157-159.

8 Wang M J，Kusumoto N.Ice slurry based thermal storage in multifunctional buildings［J］.Heat and Mass Transfer，2001，37:597-604.

9 何國庚，吳 銳，柳 飛.冰漿生成技術研究進展及實驗初探［J］.建筑熱能通風空調，2006，25(4):22-27.

10 Thongwik S，Vorayos N，Kiatsiriroat T，et al.Thermal analysis of slurry ice production system using direct contact heat transfer of carbon dioxide and water mixture［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，2008，35:756-761.

11 張學軍，田新建，鄭克晴，等.氣體直接接觸式制取冰漿實驗研究［J］.工程熱物理學報，2010，31(12):1997-2000.

12 Kim C W，Chang S D，Ro S T.Analysis of the power utilizing the cold energy of LNG［J］.International Journal of Energy Research，1995(11):741-749.

13 王 坤，魯雪生，顧安忠.液化天然氣冷能利用發(fā)電技術淺析［J］.低溫工程，2005(1):53-58.

14 葛軼群，章學來，趙 蘭，等.LNG冷能的梯級利用［J］.制冷技術，2006(3):14-16.