LNG冷能利用領(lǐng)域和相關(guān)限制性條件

深圳市規(guī)劃國(guó)土發(fā)展研究中心 張 濤

液化天然氣(LNG)的氣化過(guò)程伴隨大量冷能的釋放，按理論計(jì)算每噸 LNG經(jīng)換熱氣化產(chǎn)生的可利用冷量約為250 kW·h。如果不能有效利用，不僅造成大量能源浪費(fèi)，而且還會(huì)造成環(huán)境污染。

眾所周知，中國(guó) LNG凈進(jìn)口量已位居世界第一，我們?cè)谝M(jìn)LNG的同時(shí)，也應(yīng)將LNG冷能利用技術(shù)順帶引進(jìn)。面對(duì)如此巨大的清潔能量，必須在“雙碳”目標(biāo)的指引下，好好地研究如何高效利用LNG冷能。

1 LNG冷能利用領(lǐng)域

1.1 冷凍倉(cāng)庫(kù)

在我國(guó)，LNG接收站一般建設(shè)在海邊港口附近，一是為了方便船運(yùn)，二是為了利用海水的淺層地?zé)徇M(jìn)行熱交換，將液態(tài)的天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的天然氣。與此同時(shí)，大型冷庫(kù)為了方便魚(yú)類的儲(chǔ)藏、冷凍加工和運(yùn)輸，通常也建設(shè)在港口周邊。因此，回收 LNG冷能供應(yīng)給冷庫(kù)，是一種便捷和互利互贏的冷能利用方式，不僅可以省掉冷庫(kù)制冷機(jī)的安裝費(fèi)用，而且可以獲得 LNG氣化所需要的能量，大大節(jié)省初始投資和運(yùn)行費(fèi)用。

為高效和梯級(jí)利用 LNG冷能，由低到高將不同溫度的 LNG作為相應(yīng)熱交換的冷媒，依次送入低溫凍結(jié)庫(kù)(－60℃)、低溫冷凍庫(kù)(－35℃)、冷藏庫(kù)(0℃以下)和果蔬預(yù)冷庫(kù)(0～10℃)等。

LNG冷能回收進(jìn)行冷凍、冷藏的流程示意如圖1所示。

圖1 LNG冷能回收進(jìn)行冷凍、冷藏流程示意

1.2 汽車空調(diào)和冷藏柜

隨著 LNG汽車的不斷發(fā)展和市場(chǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，LNG不僅可以用作汽車的清潔燃料，也可以將其冷能應(yīng)用于車輛上的空調(diào)和冷藏柜中，以此替代LNG汽車單獨(dú)配置的機(jī)械式制冷機(jī)組系統(tǒng)。此舉在節(jié)省成本的同時(shí)也消除了機(jī)械制冷帶來(lái)的環(huán)境污染，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重價(jià)值。

1.3 制取液態(tài)CO2

液態(tài)CO2在焊接、鑄造和飲料行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。利用LNG冷能制造液態(tài)CO2或干冰，不但電耗小，而且生產(chǎn)的產(chǎn)品純度更高，質(zhì)量更好。與傳統(tǒng)的液態(tài) CO2制造方法相比，利用回收的 LNG冷能制造液態(tài)CO2或干冰，可節(jié)約50%以上的電能消耗和約10%的建設(shè)費(fèi)用。

1.4 LNG冷能發(fā)電

目前國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛的 LNG冷能發(fā)電是利用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平發(fā)電。該工藝遵循布雷敦循環(huán)理論，技術(shù)相對(duì)成熟，具有較好的市場(chǎng)前景。

如圖2所示，利用氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、氮?dú)馔钙?、加熱器、換熱器和蒸發(fā)器等設(shè)備組成。LNG冷能發(fā)電工藝主要使用LNG冷能冷卻壓縮機(jī)進(jìn)口的氣體，降低其溫度，以此達(dá)到壓縮機(jī)在相同增壓比的情況下功耗更低的目的，提升發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。

圖2 氮?dú)忾]式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)示意

1.5 LNG冷能用于空分工藝

LNG冷能運(yùn)用于兩級(jí)壓縮式制冷機(jī)冷卻空氣生產(chǎn)液氮、液氧，可以實(shí)現(xiàn)空分系統(tǒng)的小型化、集成化和模塊化，降低電能消耗約50%，降低水量消耗約70%，在大幅度降低液氮、液氧生產(chǎn)成本的同時(shí)，提升經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

低成本制造的液氮可以將 LNG冷能的使用領(lǐng)域延伸至更低的溫度(－196℃左右)，如用于真空冷阱、生產(chǎn)半導(dǎo)體器件、食品速凍、低溫破碎、金屬熱處理以及生產(chǎn)高純度臭氧運(yùn)用于污水處理等方面。尤其在低溫破碎領(lǐng)域，通過(guò) LNG冷能進(jìn)一步的精細(xì)利用，可以使用不同的低溫有針對(duì)性地破碎不同成分的復(fù)雜混合物，進(jìn)而達(dá)到更加理想的破碎效果。因此，LNG冷能在資源回收、物質(zhì)分離、精細(xì)破碎等方面有著極好的應(yīng)用前景和廣泛市場(chǎng)。

2 LNG冷能經(jīng)濟(jì)分析

如果按照1個(gè)大氣壓、常溫的氣態(tài)工況下1 t LNG釋放約900 MJ的能量計(jì)算，在經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱重新氣化后，1 t LNG可利用的冷能折合電量約為250 kW·h。

根據(jù)初步推算，1座300萬(wàn)t/a的LNG接收站，每年可利用的冷能約為 7.5億 kW·h，相當(dāng)于 15萬(wàn)kW裝機(jī)的年發(fā)電量。2020年我國(guó)進(jìn)口LNG達(dá)到了 6 250萬(wàn) t，1年可以利用的冷能約為 156億kW·h，相當(dāng)于312萬(wàn)kW裝機(jī)的年發(fā)電量。

以上分析是理論計(jì)算，在實(shí)際的 LNG冷能利用過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生工藝上的損耗和運(yùn)輸?shù)哪芰繐p失。即使考慮這部分自耗能量，可有效利用的LNG冷能總量還是非?？捎^的。

3 LNG冷能利用限制性條件

3.1 低溫設(shè)定值的確定較為復(fù)雜

LNG的低溫值和產(chǎn)生LNG低溫所需要的付出成本之間存在一定的曲線邏輯關(guān)系，而非正比例關(guān)系。LNG的溫度值越低，LNG生產(chǎn)廠就必須耗用更多的電能制造LNG，整體的效率將會(huì)逐漸降低，成本則將會(huì)逐步增高；反之亦然。因此，LNG生產(chǎn)廠、LNG運(yùn)輸企業(yè)、LNG運(yùn)營(yíng)企業(yè)和LNG冷能利用企業(yè)之間應(yīng)達(dá)成技術(shù)共識(shí)，設(shè)定合理且實(shí)用的低溫值，以此提升 LNG冷能生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用的全生命周期效率。

3.2 供需平衡較難

在我國(guó)，由于 LNG主要應(yīng)用于天然氣電廠和城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩?，致使白天和晚上的用氣峰谷值較大，導(dǎo)致 LNG的供應(yīng)和冷能的釋放不可避免地呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的曲線狀態(tài)或?qū)α顟B(tài)，因此必須通過(guò)多種技術(shù)手段優(yōu)化天然氣輸配系統(tǒng)，積極緩解供需之間的矛盾。

在天然氣輸配系統(tǒng)中建設(shè)足夠規(guī)模的儲(chǔ)氣設(shè)施，利用高效的智慧化調(diào)度手段預(yù)判 LNG負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸配系統(tǒng)的 LNG供應(yīng)，以此達(dá)到LNG冷能平穩(wěn)輸出的目的，保障城市天然氣輸配系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 安全性要求高

LNG本身具有易燃易爆等特性，在工藝?yán)眠^(guò)程中，需要盡可能避免 LNG與其他設(shè)備直接進(jìn)行熱交換。由此，通常選擇某些安全性和換熱性較好的液體作為中間冷媒進(jìn)行熱傳導(dǎo)。這就導(dǎo)致了冷卻系統(tǒng)工藝的繁雜，同時(shí)也增加了LNG的泄漏風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)營(yíng)管理難度和投資運(yùn)行成本。

3.4 區(qū)域位置選址困難

液體中間冷媒是通過(guò)管道的形式進(jìn)行冷能的傳送，為保障輸送的安全和降低冷耗損失，冷媒管道采用高標(biāo)準(zhǔn)和高質(zhì)量的管材，所以，冷媒管道的投資成本較高，路由選線較難。為了化解上述問(wèn)題，我們?cè)诶涿焦艿赖穆酚蛇x線過(guò)程中，應(yīng)盡可能地考慮縮短冷媒管道的長(zhǎng)度，要求 LNG接收站盡量鄰近冷凍倉(cāng)庫(kù)、低溫破碎工廠、液態(tài)CO2制造工廠、LNG冷能發(fā)電廠和LNG冷能空分廠。然而，LNG接收站和上述利用冷能的工廠均有自身的物流、交通和工藝的不同需求，導(dǎo)致了冷能的供需雙方在場(chǎng)站選址方面的訴求存在一定的沖突。

因此，LNG接收站和利用冷能的工廠在規(guī)劃選址階段，需要相關(guān)專業(yè)人員前期介入城市規(guī)劃的方案編制之中，予以先期的溝通交流，并開(kāi)展實(shí)質(zhì)性的規(guī)劃布局，找尋到各自相對(duì)合理的區(qū)域位置。

4 結(jié)語(yǔ)

從技術(shù)的角度分析，LNG冷能可以應(yīng)用于冷凍倉(cāng)庫(kù)、汽車?yán)洳?、汽車空調(diào)、低溫破碎、干冰制造、冷能發(fā)電和空氣分離等多個(gè)領(lǐng)域。雖然存在某些限制性因素和制約條件，但是 LNG冷能利用的低碳性、清潔性、高效性和經(jīng)濟(jì)性使其受到諸多行業(yè)的關(guān)注和青睞。在我國(guó)確定碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的大背景下，我們相信屬于低碳范疇的LNG冷能利用，必將借助自身的優(yōu)勢(shì)和廣泛的市場(chǎng)需求在我國(guó)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。