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圖1 液化天然氣的冷能利用系統(tǒng)示意圖 天然氣作為液體狀態(tài)存在時(shí)有利于其儲(chǔ)存和運(yùn)輸，但天然氣最終被利用時(shí)的狀態(tài)必須是氣態(tài)，因此，液化天然氣在被利用之前必須先經(jīng)過汽化。 表1世界主要國家或地區(qū)LNG冷能利用情況
表2中國進(jìn)口LNG項(xiàng)目規(guī)劃的冷能利用內(nèi)容
利用LNG冷能的過程可分為兩類：直接利用和間接利用。 冷能發(fā)電以電能的形式回收LNG冷能，發(fā)電方式主要有： 直接膨脹法 二次媒體法 聯(lián)合法 (1)直接膨脹法 利用高壓天然氣直接膨脹發(fā)電的基本循環(huán)包括從LNG貯槽來的LNG經(jīng)泵加壓后，在蒸發(fā)器加熱氣化成高壓天然氣，經(jīng)透平膨脹成低壓氣體，同時(shí)對(duì)外輸出動(dòng)力發(fā)電。 圖2 天然氣直接膨脹法發(fā)電工藝流程 （2）二次媒體法 利用中間載熱體的朗肯循環(huán)冷能發(fā)電，將低溫的液化天然氣作為冷凝液，通過冷凝器把冷量轉(zhuǎn)化到某一冷媒上，利用液化天然氣與環(huán)境之間的溫差，推動(dòng)冷媒進(jìn)行蒸汽動(dòng)力循環(huán)，從而對(duì)外做功。 圖3 利用中間載熱體的郎肯循環(huán)LNG冷能發(fā)電基本流程 在二次媒體法中，工作媒體的選擇非常重要。工作媒體有甲烷，乙烷，丙烷等單組分，或者采用它們的混合物。液化天然氣是多組分混合物，沸程很寬，要提高效率，使液化天然氣的氣化曲線與工作媒體的凝結(jié)曲線盡可能保持一致是十分必要的。因此，使用混合媒體更有利。這種方法冷能回收效率也必然受到限制大約為36%。 （3）聯(lián)合法。 其綜合了直接膨脹法與二次媒體法。低溫的液化天然氣首先被壓縮提高壓力，然后通過冷凝器帶動(dòng)二次媒體的蒸汽動(dòng)能循環(huán)對(duì)外做功，最后天然氣再通過氣體透平膨脹做功。 圖4 聯(lián)合法LNG冷能發(fā)電流程 （4）方法選取 1、在LNG氣化壓力較高（2-5MPa）情況下，采用朗肯(Rankin)循環(huán)發(fā)電，LNG冷量的40%-55% 可轉(zhuǎn)化為壓力能供發(fā)電用。 2、在LNG氣化壓力較低（0.5-1.5Mpa）情況下，則采用直接膨脹和朗肯循環(huán)組合的方式發(fā)電。 綜上所述，LNG冷能發(fā)電，雖然不失為一種節(jié)能的好方法，但它只考慮到對(duì)LNG冷能的回收利用，并未注意到對(duì)LNG冷能品位的利用。這種方法對(duì)冷能的回收效率是非常低的。所以在發(fā)電裝置中利用LNG冷能雖然是最可能大規(guī)模實(shí)現(xiàn)的方式，但卻不是利用LNG冷能最科學(xué)的方式。 由于空分裝置所需達(dá)到的溫度比LNG溫度還低，因此，LNG的冷量能得到最佳的利用。 采用LNG冷能進(jìn)行空氣分離不但降低了能耗，而且簡化了空分流程，減少了建設(shè)費(fèi)用，同時(shí)也降低LNG氣化的費(fèi)用。 圖5 大阪煤氣利用LNG冷能的空氣分離系統(tǒng) 上圖為大阪煤氣公司利用LNG冷能的空氣分離裝置流程圖。其特點(diǎn)是：由于液化天然氣的可燃性，故用氮?dú)庾鳛榕c其傳熱的工質(zhì)，利用液化天然氣的冷能來冷卻和液化由下塔抽出經(jīng)過復(fù)熱的循環(huán)氮。 我國淡水資源缺乏，海水淡化尤為重要。利用LNG 冷能進(jìn)行海水淡化屬于冷凍法的范疇。即使海水在結(jié)冰時(shí)，鹽分被排除在冰晶以外，將冰晶洗滌、分離、融化后即可得到淡水。分為直接冷凍法和間接冷凍法。間接冷凍法結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但傳熱效率沒有直接冷凍法高，需要較大的傳熱面積。 （1）直接冷凍法 直接冷凍法是冷凍劑或冷媒與海水直接接觸而使海水結(jié)冰。其具體流程是：以不溶于水、沸點(diǎn)接近于海水冰點(diǎn)的冷媒（異丁烷）為冷凍劑，與預(yù)冷后的海水混合進(jìn)入結(jié)晶器中；異丁烷氣化吸熱，海水冷凍結(jié)冰，交換的基本上是潛熱；產(chǎn)生的冰鹽水輸送到連續(xù)對(duì)流洗滌塔的底部，從而分離出冰晶和濃海水；異丁烷蒸氣從結(jié)晶器的頂部出去后進(jìn)入LNG換熱器降溫液化，經(jīng)泵加壓后噴到結(jié)晶器的海水中循環(huán)使用。 圖7 冷媒直接接觸法海水淡化的流程圖 （2）間接冷凍法 間接冷凍海水淡化法是中間冷媒與海水以非直接接觸的方式來傳遞冷量，使海水結(jié)晶的方法。 圖8 間接冷凍法海水淡化示意圖 LNG冷能用于C2+分離和裂解制乙烯裝置中的裂解產(chǎn)物是LNG冷能利用的極佳途徑之一。LNG冷能用于輕烴分離的主要產(chǎn)品C2+（主要為乙烷、丙烷和少量丁烷）既可以進(jìn)一步分離，作為丙烷和LPG（主要成分是丙烷和丁烷）分別出售，又可將其作為制取乙烯的工業(yè)原料，并可用作乙烯裂解裝置中C2+的分離及乙烷與乙烯的分離，降低其生產(chǎn)成本，其市場前景都非常樂觀。 1，4－LNG 泵；2－甲烷液體儲(chǔ)罐；3，5，10－換熱器；6－壓縮機(jī)；7－C2+液體儲(chǔ)罐；8－閃蒸塔；9－脫甲烷塔；11－再沸器 圖9 LNG冷量利用與輕烴分離相集成優(yōu)化工藝流程 傳統(tǒng)的冷庫電耗很大。如果采用LNG的冷量作為冷庫的冷源，將載冷劑氟利昂冷卻到-65℃,再通過氟利昂制冷循環(huán)冷卻冷庫，使冷庫溫度維持在-50～-55℃，電耗降低65%。目前LNG基地和大型的冷庫基本都設(shè)在港口附近，因此回收LNG冷能供給冷庫是很方便的冷能利用方式具有廣闊的市場前景。 A—凍結(jié)庫;B—冷凍庫;C—冷藏庫;E4—E6—換熱器 圖10 低溫冷庫流程圖 LNG主要用于發(fā)電和城市燃?xì)?，LNG的氣化負(fù)荷將隨時(shí)間和季節(jié)發(fā)生波動(dòng)。LNG的冷量也隨之波動(dòng)，這會(huì)對(duì)冷量利用設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，必須予以重視。LNG蓄冷裝置是利用相變物質(zhì)的潛熱儲(chǔ)存LNG冷量。其原理為：白天LNG冷量充裕時(shí)，相變物質(zhì)吸收冷量而凝固，夜間LNG冷量供應(yīng)不足時(shí)相變物質(zhì)熔解，釋放冷量供給冷量利用設(shè)備。相變物質(zhì)的選擇是LNG蓄冷裝置研究的關(guān)鍵，要充分考慮相變物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)及安全性等問題。 隨著LNG汽車的不斷發(fā)展，LNG用作汽車清潔燃料的同時(shí)，可將其冷能回收用于汽車空調(diào)或汽車?yán)洳剀?。這樣就無需給汽車單獨(dú)配備機(jī)械式制冷機(jī)，既降低了造價(jià)，又消除了機(jī)械制冷的噪聲污染，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重意義，是一種真正的綠色汽車，尤其適用于有噪聲限制的地區(qū)。車用LNG的冷能利用有兩種方式：動(dòng)力利用和制冷利用。動(dòng)力利用方式就是將LNG加壓升溫氣化，推動(dòng)葉輪對(duì)外做功，熱源是空氣或內(nèi)燃機(jī)的余熱。制冷利用方式是利用LNG的冷能來液化一些低溫氣體，或提供汽車車廂使用的冷能。 利用LNG冷能來制造液態(tài)CO2可滿足焊接、鑄造、軟飲料產(chǎn)業(yè)對(duì)液態(tài)CO2的需求，利用這種方法制造的液態(tài)CO2純度可達(dá)99.99%，電力消耗為每立方米液態(tài)CO2為0.203 kWh，與傳統(tǒng)方法相比，它可以節(jié)約10%的建設(shè)費(fèi)和50%的電力消耗。日本利用LNG冷量所生產(chǎn)的液態(tài)CO2占總產(chǎn)量的20%。 液態(tài)CO2是CO2氣體經(jīng)壓縮、提純，最終液化得到的。傳統(tǒng)的液化工藝將CO2壓縮至2.5～3.0MPa，再利用制冷設(shè)備冷卻和液化。而利用LNG的冷量，則很容易獲得冷卻和液化CO2所需的低溫，從而將液化裝置的工作壓力降至0.9MPa左右。但需指出，CO2的液化溫度為-70℃，如若直接采用-162℃的LNG換冷，則仍不符合相同品位利用的原則。 間接利用主要是利用LNG冷能產(chǎn)生的液態(tài)氮和液態(tài)氧。 大多數(shù)物質(zhì)在一定溫度下會(huì)失去延展性，突然變得很脆弱。目前低溫工藝的進(jìn)展可以利用物質(zhì)的低溫脆性，采用低溫進(jìn)行破碎和粉碎。低溫破碎和粉碎具有以下特點(diǎn)：①室溫下具有延展性和彈性的物質(zhì)，在低溫下變得很脆，可以很容易被粉碎。 ②低溫粉碎后的微粒有極佳的尺寸分布和流動(dòng)特性。 利用LNG冷量對(duì)固體進(jìn)行超低溫破碎，可以不損壞食品、香料等物質(zhì)的固有質(zhì)量，不會(huì)使粉料發(fā)熱氧化而變質(zhì)，且破碎粒度勻細(xì)。 表3 幾種固體物的低溫破碎
因?yàn)槔靡簯B(tài)氧可得到高純度的臭氧，被處理污水對(duì)臭氧的吸收率很高，這種方法與傳統(tǒng)的過程相比可以減少大約1/3的電力消耗，而且對(duì)污水的處理效果極好。 上述種種利用方法主要是只考慮了冷能的回收，而沒有考慮品位的利用，造成大量損耗，從能量有效利用的角度來看是不合理的。而對(duì)LNG冷能進(jìn)行梯級(jí)利用是很好的解決辦法。
圖11 LNG冷能梯級(jí)利用流程 來源：標(biāo)準(zhǔn)天然氣 |
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