一、L NG冷能的概念
所谓LNG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 。
天然气的主要成分是甲烷 ,在常压下将甲烷降至 - 162℃(甲烷的沸点 )时 ,甲烷就被液化 ,每立方米的甲烷液化后体积变为0. 002 4 m3 ,约为甲烷0℃常压下体积的1/ 600。甲烷液化后 ,其体积显著变小。L N G接收站就是利用甲烷的这一显著特点 ,在天然气的产地附近将天然气液化 ,然后利用其液化后体积变小、便于运输的特点, 将天然气以L NG (液化天然气)的形式输送至接收站进行储存、气化和外输至用户。LNG接收站需要将LNG气化后输送给用户。LNG风速辅助气化后被还原为初始的气体状态 ,可以作为热力发电的燃料和城市居民用气。在LNG气化过程中,约能产生920. 502 kJ / kg的低温能量。目前,这种冷能大部分被释放到海水中和空气中。如果将这些能量利用起来,就可以节省巨大的能源。因此,从节约能源的角度 ,积极寻求和高效利用冷能量有着重要意义 。 二、LNG冷能应用分类
LNG冷能利用可分为直接和间接利用两种方式。其中，直接利用包括冷能、深冷空气分离、冷冻仓库、制造液态CO2(干冰)、汽车冷藏、汽车空调、海水淡化、空调制冷以及低温养殖和栽培等；间接利用包括低温粉碎、水和污染物处理等。目前LNG冷能主要应用领 域和方式见表1、表2所示。
表1 LNG冷能利用领域 |
| 应用领域与产品 | 用途 |
一 弹性钢 | 液化二氧化碳或干冰 | 冷藏冷冻、碳酸饮料、焊接、烟丝膨松剂、降解塑料等 |
二 | 深度冷冻 | |
1 | 低温冷藏库 | 食品保鲜、水产品冷藏、蓄冷 |
三 | 空气分离 | |
1 | 声纳探鱼器 液氮 | 液化二氧化碳、深度冷库、集中供冷系统、低温粉碎、化工原料 |
2 | 汽水热交换器液氩 | 钢厂、焊接、照明、电子等 |
3 | 液氧 | 侧翻手机臭氧、水处理、军工、医用、钢厂、金属加工、化工原料等 |
4 | 气体纯氮 | 化工 |
四 | 深冷粉碎 | |
| 橡胶胶粉、超细粉体产品 | 工业加工 |
五 | 海水淡化 | |
1 | 淡化水 | 工业及民用 |
六 | 冷能发电 | 作为动力及照明 |
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表2 冷能利用方式
利用项目 | 利用方式 | 冷能温度 | 备注 |
空气分离 | 直接 | -1910C~-1510C | 冷能回收率高，通常仅适用于大型气化站 |
低温粉碎 | 间接 | -1300C~-800C | 用液氮冷冻橡胶制品，处于产业链下游 |
干冰生产 | 直接 | -780C | 技术要求查对不高，但需与下游市场匹配 |
冷能发电 | 直接 | -400C | 技术虽成熟，但很复杂；仅适合大型气化站碱性水机 |
冷冻仓库 | 直接 | -420C~-150C | 技术相对简单，但需与下游市场匹配 |
汽车空调 | 直接 | | 目前正在发展，与L-CNG汽车配套 |
蓄冷装置 | 间接 | | 平衡气化量昼夜波动，大幅提高冷能利用率近 |
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LNG冷能在空气分离、深冷粉碎、冷能发电和深度冷冻等方面已经达到实用化程度，经济效益和社会效益非常明显；小型冷能发电在LNC接收站也有运行，可供应ING接收站部分用电需求；海水淡化等项目尚需要对技术进行进一步的开发和集成。
1、液化分离空气生成液体氧和液体氮
目前,绝大部分工业用氧和氮都是通过对冷却液化后的空气进行精馏和分离获得的 ,因此可以利用L N G的冷能对空气进行液化 ,然后通过相应的工艺生产液氧和液氮 。
大多数分离空气需要的冷能是在氮气循环管道中利用氟利昂制冷机和组合的透平机产生的 ,而利用L N G的冷能分离空气需要的热能直接来源于L NG ,不需要额外的制冷机械 ,可以降低由机械制冷造成的电能消耗。这样 ,利用 L N G 的冷能就比传统的方法节省大量的能量。空气分离的步骤首先是液化空气,待液化的气体通过预先设计的流程 ,即压缩 —换热 —反复压缩 —换热冷却 —隔热膨胀 —再压缩 —换热循环 ,直至液化 。
气体液化后进行冷平衡 ,然后进行空气分离 ,空气分离需要加热液化后的混合液体。加热混合液体时 ,因为氮气 (低沸点成分) 比氧气 (高沸点成分) 更容易蒸发 ,氧气在液体中的浓度会
逐渐升高。当蒸发气与比平衡点氮气含量更高的液体接触时 ,蒸发气与液体之间倾向于发生平衡作用。氮气由液体状态蒸发,氧气从它的气态冷凝出来,与蒸发气达到平衡。这样 ,氮与氧发生分离 (浓缩)。蒸发气通过小孔上升到精馏塔板 ,与从顶部流下来的液体接触 ,其中高压精馏塔进行空气预分离。高压精馏塔精馏出供给低压精馏塔顶端的回流液体氮,同时它也为低压精馏塔的底端提供热量能源,低压精馏塔最终完成空气分离。它在底端精馏出氧气,在顶端精馏出氮气。精馏塔上面部分的原材料释放管道位于其顶端和低端的中间位置 ,精馏塔下面分别是氮气回收塔以及浓缩塔。
这个系统在所有的L NG冷能利用系统中被认为是最有效的 ,这是因为它的节能率高 ,也很少受到地点条件的限制 ,而且LNG巨大的冷能产出的液体氮量和液体氧量都很大。
2、液化二氧化碳并产生干冰
生产干冰的前提是有充足的气态二氧化碳作为原料供液化。一般地,干冰生产厂选择在可以利用化工厂或者排放大量气态二氧化碳的工厂附近。利用LNG冷能取代传统的制冷器来液化二氧化碳节能率比传统方式提高 20 %以上 。
3、制冷以及冷库系统
许多食品加工过程中需要通过低温对食物进行保鲜和冷藏 ,在需要制冷的食品工业中 ,利用LNG冷能是一个最佳选择。LNG冷能可以取代传统的制冷机 ,向各种冷藏存储库和冷冻库提供冷能。在农作物、家禽、鱼类以及加工食品的制造、储备及分销过程中,冷库的温度越低 ,节能的效果就越好 。
由于冷库多选择建在农作物或食物生产区附近 ,因此 ,这种利用方法的前提是L N G附近有农作物储藏需求或冷冻食品加工区或消费区 。
4、低温粉碎废物
在废弃物粉碎领域 ,利用LNG冷能是一种很好的方法 ,可以节约大量用来制冷的能量 ,废弃物冷冻后用较小的动力即可粉碎 ,这样能收到很好的节能效果。利用L N G冷能先冷却液体氮 ,再用液氮冷冻废弃物 ,最后粉碎废弃物。目前,冷能的应用有粉碎轮胎、塑料以及其它成分组成的合成废物 。
橡胶或塑料常温下虽然不易粉碎 ,但都具有低温脆性 ,当温度降低到一定程度时,其冲击强度会降低 ,变得容易破碎。因此 ,用 LNG ( - 162 ℃) 和液体氮 ( - 196 ℃ )来冷冻橡胶或塑料
废弃物 ,就很容易粉碎了 。金属也有着与橡胶或塑料相近的低温脆化特性 ,利用这一低温脆化特性 ,用冷能来粉碎由金属、电子器件、塑料器件和橡胶等构成的废弃汽车 ,然后再对废物进行回收利用 。
粉碎废物后重新加以利用 ,既能减轻环境污染 , 又能回收资源 ,因而将粉碎废物与资源回收利用相结合是一项有意义的工作 。
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