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1、液化天然气 ( LNG)冷能回收及其利用王 强 厉彦忠 张朝昌( 西安交通大学制冷低温研究所 西安 710049)摘 要 LNG 存储在 110K的低温下, 蕴藏着大量的冷能。将 LNG 冷能回收可 用于空分、 发电 、 制造干冰、 低温冷库以及汽车冷藏 、 汽车空调等领域。这不仅有效回收、 利用了能源 , 而且减少了机械制冷造成的大量电能消耗, 具有可观的经济效益和社会效益 。主题词 LNG 冷能回收及利用全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染 , 使得污染小 、 燃烧性能好、 储量丰富的天然气的应用越来越广泛 。为了便于天然气的储藏运输, 通常在低温下 ( 110K 以下)将 天然气液
2、化成液态 ( LNG) , 因而 , 在 LNG 汽化成常温气体供给用户的过程中将释放出大量的冷能。如果能将该冷能进行有效地回收利用, 如用于空分、 发电、 制造干冰、 低温冷库 、汽车冷藏、 汽车空调等领域 , 则可以节省大量的电能 。LNG 工业近几年的迅速发展 ( 世界 LNG 的生产应用以年均 20% 的速度增长 , 年运输与贸易额达6 000 多万吨 , 占到了总贸易额的24%, 预计2010年 LNG 年产量将达到2 400亿立方米) , 为LNG 冷能的回收利用奠定了良好的基础 。1 LNG冷能分析LNG冷能主要是利用 LNG 与周围环境 ( 如空气、 海水)的温差以及压力差 ,
3、 在趋于平衡态过程中进行回收的。详细地分析 LNG 蕴藏的冷能, 对提高 LNG 冷能回收率以及合理利 用 LNG 冷能 , 具有非常重要的意义 。火用分析法不但能从能量的数量上反映能量种类的转换 ,更重要的是能从质上清楚地揭示内部不可逆性造成的能量品质的贬值情况 , 以及造成热力学损失的原因和部位。由卡诺循环可知:在热源 T1冷源 T2之间进行的一切热力循环 , 冷源从热源吸收热量 q 后 , 其可能得到的最大循环净功 , 即最大可用能为Wmax=q( 1 -T2T1)=q -T2s其整个变温过程中的能量分析如图 1 所示 。工质在吸热的过程中 , 温度升高, 由状态 1 变化到状态 2,
4、对每个微小的吸热过程来说, 吸收 q 的热量中的最大可用能为2002 年第4 期低 温 工 程No. 4 2002 总第 128 期CRYOGENICSSum No. 128教育部高等学校骨干教师基金资助;西安交通大学博士基金资助。王强 ( 1971) , 男, 博士研究生。 本文于2002 年5 月 25 日收到。图 1 变温过程中的可用能 Wmax= q - qT0 T对整个过程 1-2积分, 则最大可用能 Wmax为 ,Wmax= Wmax=21( 1 -T0 T) q若 LNG 从初态 ( T , p)经一系列的可逆过程 , 最终达到与环境的平衡态 ( T0,p0) , 由系统稳定流动
5、能量方程 q = dh + Wmax 可得 : Wmax= q - dh =T0ds- dh此时 LNG 完成的最大有用功 , 即系统工质的火用ex为ex =( h -h0)+T0( s0-s)=cp( T -T0)+T0T0T q T-T0Rp0p p p可以看出, LNG 的冷量火用包括温度火用和压力火用两部分 。其中温度火用为exT=cp( T -T0)+cpT0T0T q T=cp( T -T0)+cpT0lnT0 T压力火用为exp=-T0Rp0p p p=T0Rlnp p0 天然气在液化前要进行纯化处理 , 分离凝析油 、 重烃 , 并去除 H2O , CO2, H2S 以及有 机
6、碳化物等杂质, 因而 LNG 的主要成分是甲烷 。LNG 从110 K 的低温汽化成常温气体时 , 吸收 ( 860 883)kJ/kg 的热量 , 如果再进行一定的加压处理 , 依据以上 LNG 冷量火用的分析 ,对于大型的 LNG 接受站来说, 其蕴含的冷能是相当大的 。图 2 LNG 冷能回收联合法发电流程图2 LNG冷能的回收利用2. 1 LNG 冷能回收在发电中的应用 回收 LNG 冷能 , 依靠动力循环进行发电是目前 LNG 冷能回收利用的重要内容 , 且技术相对较为 成熟 。通常以电能的形式回收 LNG冷量火用的方式有三种:一是利用温度火用的中间介质朗肯循环方式 ( 每吨 LNG
7、 的发电量在 20 kWh 左右) ; 二是利用压力火用的直接膨胀法;三是综合了二者的联合 法 ( 每吨 LNG 的发电量在 45 kWh 左右) 。日本是利用 LNG 冷能发电最多的国家之一 , 其装机容量一般在 ( 400 9 400)kW 之间。目前较为常见的联合法 LNG 冷能回收发电流程图如图2 所示。 图中左半部分是靠 LNG 与海水或空气的温差驱动的二次冷媒动力循环;右半部分是利用LNG 压力火用直接膨胀的动力系统。系统中二次冷媒的选取较为重要, 其物性要达到一定的要求 : 必须在 LNG 范围内不凝固 , 且具有良好的流动和换热性能 , 临界温度要高于环境 温度, 比热大, 使
8、用安全 。通常选丙烷 、 乙烯等烃类化合物或者 R502 等氟里昂类工质以及29第 4期液化天然气 ( LNG)冷能回收及其利用轻烃与氟里昂的混合物。为了提高 LNG 冷能的回收效率 , 二次冷媒动力循环系统中通常采用回热或再热循环, 这种回收方式的冷能回收率通常保持在50%左右 。2. 2 LNG 冷能回收在空分中的应用 通常的低温环境都是由电力驱动的机械制冷产生的, 由制冷原理可知 , 随着温度的降低其消耗的电能将急剧增加 。在一定的低温蒸发范围内 , 蒸发温度降低 1 K, 能耗要增加10%。利用回收的 LNG 冷能和两级压缩式制冷机冷却空气制取液氮、 液氧, 制冷机很容易实现小型化 ,
9、 电能消耗也可减少 50% ( 原来生产 1 m3的液氧电耗为 1. 2 kWh, 采用 LNG 冷 量回收的方法可使电耗减小 0. 5 kWh) , 水耗减少 30%, 这样就会大大降低液氮、 液氧的生产成本 , 具有可观的经济效益 。低成本制造的液氮可以使 LNG 应用的温度领域扩展到更低的温度带 ( - 196 ) , 如用于真空冷阱、 生产半导体器件 、 食品速冻、 低温破碎回收物料 以及金属热处理等。利用制取的液氧还可以得到高纯度的臭氧 , 在污水处理方面用途很大。此外 , LNG 作为空气分离装置的预冷剂 , 在生产液氩的空分装置中 , 利用其冷能冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环
10、氮 , 可以省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组, 使产品能耗平均降低0. 5 Wh/Nm3, 装置的投资费用也可减少 10% 左右, 生产成本降低 20% 30 %。 2. 3 LNG 冷能回收在冷冻、 冷藏中的应用LNG 基地一般都设在港口附近 , 一则方便船运, 二则通常的汽化都是靠与海水的热交换实现的 。而大型的冷库基本设在港口附近, 这样方便远洋捕获的的鱼类的冷冻加工 。回收LNG 的冷能供给冷库是一种非常好的冷能利用方式。将LNG 与冷媒 ( 如 R- 12)在低温换热 器中进行热交换 , 冷却后的冷媒经管道进入冷冻 、 冷藏库 , 通过冷却盘管释放冷量实现对物品的冷冻冷藏。这种冷库
11、不仅不用制冷机, 节约了大量的初投资和运行费用 , 还可以节约1/3 以上的电力 。日本神奈川县根岸基地的金枪鱼超低温冷库, 自 1976 年开始营业至今效果 良好 。为有效地利用天然气冷能, 可将食品冻结及加工装置、 冷冻库、 冷藏库及预冷装置等按不同的温度带连成一串 , 使冷媒 、 管路系统化 。通常, 管路行程用串联的方式。这种方式是按液化天然气的不同温度带 , 用不同的冷媒进行热交换后分别送入低温冻结库或低温冻结装置( - 60 ) 、 冷冻库( - 35 ) 、 冷藏库( 0 以下) 以及果蔬预冷库( 0 10 ) ,其流程图 如图 3 所示 。这样可以使 LNG 的冷量几乎无浪费的
12、得以利用, 其冷能的利用效率将大大提高, 整个成本较之机械制冷会下降 37. 5%。图 3 LNG冷能回收进行冷冻、 冷藏流程图2. 4 LNG 冷能回收用于制造干冰以化工厂的副产品二氧化碳为原料 , 利用回收 LNG 的冷能制造液态二氧化碳或者干冰 ,可节约 50%以上的电能。液态二氧化碳在焊接、 铸造以及饮料行业的应用非常广泛 , 干冰的应用领域更多 。利用 LNG 冷能制造液态二氧化碳或干冰 , 不但电耗小 ( 0. 2 kWh/m3) , 而30低 温 工 程2002 年且生产的产品的纯度高 ( 可达 99. 99% ) 。2. 5 LNG 冷能回收在汽车空调和汽车冷藏车中的应用随着液
13、化天然气 ( LNG)汽车的不断发展 , LNG 用作汽车清洁燃料的同时 , 可以将其冷 量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组, 既节省了投资 , 又消除了机械制冷带来的噪声污染, 具有节能和环保的双重意义, 是一种真正意义上的 “绿色” 汽车 , 尤其适用于设在城市中心地带的商业步行街或其他有噪声污染限制的地区。图4 为 LNG 冷能回收在汽车冷藏车中的应用示意图。图 4 LNG冷能回收用于汽车冷藏车示意图1 .气体发动机; 2.加热器; 3.控制阀;4 . LNG 储液罐; 5.冷冻货物; 6.热交换器。在炎热的夏季 , 货物在冷库经充分的预冷后装上冷藏
14、车, 开始不需要消耗过多的冷量, 此时 LNG 液 化后产生的冷量储存在蓄冷板中 。随着运输时间的增加 、 开门次数的增多引起的负荷增大, LNG 汽化后产生的冷量就直接进入车厢, 与蓄 冷系统同时供冷, 以维持车厢中的温度 。按冷藏车每小时消耗 ( 12 15)kg LNG, 其制冷能力为 2. 8 kW ,足以提供将预冷后的货物进行中短 途的冷藏运输。世界上首台 LNG 冷藏车首先由德国的梅赛尔公司制造完成 , 并于 1997 年底在德国 REWE零售连锁店投入使用 。这种冷藏车经过 98 年一个夏天的运输检验, 以其稳定的运行工况 、 良好的冷藏效果以及轻 污染的环保优势 , 得到了科隆
15、地区政府的认可。3 结论对LNG 蕴藏的大量的冷能进行了系统地分析, 并指出有效地将该冷能进行回收 , 合理 地应用于空分、 发电、 制造干冰 、 低温冷库 、 汽车冷藏 、 汽车空调等生产 、 生活的各个领域, 可以节约大量的电力资源 。参考文献1 Ihlenburg , F.Kesten, M.Lrken, F .Flssiges Erdgas -der zeitgemee Kraftstoff. Gas Aktuell, 2000, 55:36 422 Kleffmann.J. Cryogen- Trans: das leistungsfhige Khlsystem fr Lebensm
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