面向码头的LNG冷能利用技术途径与策略研究文献综述

 2023-08-25 06:08
  1. 选题背景和意义：

天然气作为一种清洁、高效的能源，其利用对塑造低碳能源体系有重要的意义，近年来，我国天然气消费增长迅速。液化天然气（liquefied natural gas，LNG）是天然气经过净化处理，降温至-162℃时形成的液体，液化天然气较气态天然气体积缩小为原来的1/600，为天然气存储和运输创造了有利条件。目前，生产一吨液化天然气耗电量约为850kWh，而LNG气化时会放出大量的冷能，其值约为830～860kJ/kg。目前，LNG气化过程主要利用海水加热，LNG冷能被白白浪费。因此，找到一种适合LNG冷能利用的方法尤为重要，该方法要高效经济的利用LNG冷能并与相关产业实现对接，形成规模利用与产业链。

2019年全球LNG需求同比增长12.5%，达3.59亿吨；中国LNG进口量增长了12.2%，达6025万吨。未来一段时间里，LNG需求量预计仍然在保持增长。我国LNG冷能利用起步较晚，发展尚不成熟，总体利用程度不高。本项目以江苏启东已经建有一座10万吨的LNG的码头和二个5五万吨的储罐系统，未来还将建立二期、三期项目等工程实际为基本条件，创造性开展冷能利用与产业链开发。通过提供冷能利用方案和咨询报告，来实现对LNG冷能的利用，节约能源消耗，提升相关产业的经济利益。

  1. 课题关键问题及难点：

LNG冷能利用一般分为直接利用和间接利用两种方式。直接利用包括：低温发电，空气分离，干冰制造，轻烃分离，超低温冷冻，海水淡化，汽车空调等；间接主要是通过LNG冷能生产液氮或液氧，再利用液氮或液氧进行低温粉碎，低温生物工程，污水处理等工艺。不管是直接利用方式还是间接利用方式，都是通过单一途径对LNG冷能利用进行回收，从热力学㶲的角度分析，单一的途径不能实现对LNG冷能的充分利用，㶲损耗较大。目前，很多专家建议应将多种回收方式进行综合利用，以提高LNG冷能的利用率。

结合江苏启东LNG码头站的基本条件，如何将多种回收方式综合利用，并结合工程实际条件，从经济分析的角度出发，找到一种能高效利用LNG冷能且符合工程实际的综合利用方法是其中的关键和难点所在。

3.文献综述（或调研报告）：

  1. LNG冷能概要介绍：LNG（液化天然气）是天然气经过净化、液化而成的低温液体（约-162℃），是一种高效清洁能源。LNG储存温度约-162℃，在汽化为常温气体过程中释放的冷量理论估算约为830kJ/kg，这些冷能可以直接或间接利用，直接利用包括：空气分离、低温发电、冷冻仓库、制造液态CO2及干冰、海水淡化等。间接利用主要包括：低温破碎、BOG回收、污水处理、冷冻食品、低温医疗等。
  2. 国内外研究现状：陈秋熊等[1]提出了一种将LNG冷能与冰蓄冷系统供冷相结合的方式；林苑[2]提出了一套将LNG冷能用于冰蓄冷空调的两级冷媒传递工艺设计方案；夏鸿雁等[3]提出了将LNG冷能用于空分设备，利用LNG冷能取代膨胀机制冷循环；杨春[4]等提出了LNG冷能用于冷库和冷水的撬装化装置；LA ROCCA[5]提出了一种将LNG冷能用于超市中深冷农业产品并能进行空气调节的工艺设施；杜令光[6]将LNG冷能用于远洋货物冷藏；陈利琼等[7]总结了6种冷能发电技术，并指出布雷顿循环效率最高，可到到55%；黄美斌等[8]将LNG冷能与冷冻法海水淡化结合起来的利用方法；韩军仕等[9]分析了LNG冷能用于丁基橡胶产业的可行性，提出了LNG和丙烯联合使用的二级制冷以及直接使用LNG直接制冷的两种方案，均比不利用冷能时提升了效率和效益；王芳[10]等提出了将LNG冷能用于重卡车载冷能利用空调制冷联合装置，节省了驱动压缩机运转的燃料，回收了LNG气化过程的冷能；薛倩等人[11]提出了基于混合工质的LNG冷能分段利用研究，将LNG气化过程分为液相区，气液两相潜热区，气相区，并建立了与之匹配的三级朗肯循环发电工艺；殷平[12]提出了将LNG冷能用于数据中心的方法，并通过工程实例分析了LNG冷能应用到数据中心可以获得的经济利益；刘梅梅等人提出了LNG冷能用于朗肯循环和CO2液化新工艺；
  3. 调研总结：目前针对LNG冷能的利用研究比较多，设计的利用方式也比较全，但是大部分研究是单一的冷能利用方式，尽管与未利用LNG冷能时候相比提升了效益，但LNG冷能利用仍然有较大的提升空间。有少部分研究是对LNG冷能进行分段阶梯级利用，利用方式大都为循环发电。码头的LNG接收站冷能数量庞大，LNG冷能在不同区间时候的能量品质不一样，我们要找到一种分阶段利用LNG冷能的方式，通过理论模型和经济分析来验证面向码头的LNG冷能利用方式和策略的可行性。
  1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
  2. LNG冷能应用于冷库。

LNG基地和大型的冷库基本都建立在码头附近，因此回收LNG冷能给冷库使用是很方便的冷能利用方式。利用LNG冷能作为冷源的冷库，将载冷剂冷却到一定温度后经管道进入冷冻、冷藏库，通过冷却盘释放冷能，实现对物品的冷藏、冷冻。这种方式按LNG不同的温度区间，采用不同的载冷剂进行换冷之后，依次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）、预冷装置（0～10℃），这样LNG冷能利用将大大提升，降低机械制冷的运行成本。故我们将此方案作为利用LNG冷能的第一选择。

  1. 低温粉碎废弃物

轮胎，塑料及其他组分的化合物常温下不易粉碎，但具有低温脆性。传统的低温粉碎工艺采用-196℃的液氮来冷冻橡胶，每生产1kg橡胶需耗用1.0～1.5kg液氮，生产成本较高。利用LNG冷能先冷却液体氮，再利用液体氮冷冻废弃物，可以节省液氮生产过程中的能量消耗。

  1. 空气分离

国内外研究者对LNG冷能空气分离技术开展了广泛研究。Nakaiwa等研究发现采用LNG预冷的空气分离系统耗电量0.333～0.5kW·h/kg，与常规空气分离系统相比，其耗电量降低50%以上。杨勇等借助Aspen Plus 软件，采用三元物系模型，使用p-R方程进行气、液相平衡计算，对大连LNG接收站冷能空气分离的工艺流程进行模拟，得到了LNG 冷能空气分离系统中关键设备的热力参数和工艺参数，根据模拟结果计算得出液氧、液氮的能耗为0.312kW·h/kg，与传统流程能耗相比减少约70%，节能效果显著。

  1. 轻烃分离

按照烃类的组成，LNG可以分为干气和湿气，其中C2 轻烃组分摩尔分数大于10%的为湿气。C2 轻烃是一种可生产高附加值化工产品的原料，如果直接将LNG燃烧仅利用其热值，将造成资源浪费，而利用LNG气化时释放的冷能分离C2 轻烃，可提高资源利用率，减少制冷设备，降低能耗。在气化外输进入天然气管网前，若能充分利用LNG冷能，回收其中高附加值的C2 轻烃作为化工原料，将取得良好的效益。

  1. 冷能发电
    1. 间接发电

　 间接发电主要是利用LNG冷却燃气轮机的入口空气来改善燃气轮机循环的效率，是目前较为成熟有效的LNG冷能利用方式，具有易实现、附加投资少等优点。但该方式受空气湿度影响较大，在中国北纬22°以北的沿海地区，对其输出电功率、效率的提升度不足1%。

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