冷能利用進(jìn)階指南：LNG產(chǎn)業(yè)鏈的綠色能源新機(jī)遇
前言
前言
天然氣是當(dāng)今世界能源消耗中的重要組成部分，與煤炭、石油并稱為世界能源的三大支柱。其液態(tài)形式LNG（液化天然氣）在儲存和運(yùn)輸中需經(jīng)歷低溫液化（-162℃）與常溫氣化的過程。這一過程不僅解決了天然氣跨區(qū)域輸送的難題，還釋放出巨大的冷能資源。如何高效利用這一“低溫財(cái)富”，已成為全球能源行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
一、冷能的價(jià)值與基礎(chǔ)概念
冷能的本質(zhì)是溫差能，即利用低溫介質(zhì)與常溫環(huán)境之間的溫度差實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。LNG在-162℃液態(tài)下儲存，氣化時(shí)需吸收大量熱量，釋放的冷能可通過熱力學(xué)循環(huán)轉(zhuǎn)化為電能或直接用于低溫工業(yè)場景。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，每噸LNG在氣化過程中釋放的冷能約為240kWh，能量相當(dāng)可觀。以240kWh/t的冷能能量計(jì)算，2023年我國8029.39萬噸的LNG消費(fèi)量蘊(yùn)藏的冷能突破200億kWh。預(yù)計(jì)到2029年，LNG冷能潛在市場價(jià)值量空間將接近250億元。
二、冷能如何轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用
冷能利用的核心在于根據(jù)溫度梯度和場景需求選擇技術(shù)方案，將LNG氣化過程中釋放的低溫能量轉(zhuǎn)化為工業(yè)、農(nóng)業(yè)或民用的實(shí)際價(jià)值，主要分為直接利用與間接利用兩類。
1、空氣分離：低溫技術(shù)的核心場景
空氣分離是目前LNG冷能應(yīng)用最成熟的領(lǐng)域。低溫空氣分離技術(shù)是利用空氣中各組分沸點(diǎn)的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，通過對冷卻液化后的空氣進(jìn)行精餾和分離獲得液氧和液氮，氧和氮的露點(diǎn)極低（-170℃左右），液化需要大量的低溫冷能。低溫空氣分離裝置由以下幾部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水分、雜質(zhì)去除；空氣冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產(chǎn)品的冷量回收及壓縮。
在膨脹環(huán)節(jié)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為空氣的冷能，在主換熱器中冷卻液化空氣，液化后的空氣進(jìn)入精餾塔精餾。通過膨脹做功，把空氣冷卻到-170℃以下，需要消耗大量的機(jī)械能增壓。因此，利用LNG的優(yōu)質(zhì)冷能替換部分機(jī)械能，從而降低耗電量。通常的做法是在傳統(tǒng)空分裝置增加冷量回收換熱器，使用空分塔塔頂抽出的高壓純N2，在回收換熱器回收LNG的冷量，將冷能帶入系統(tǒng)內(nèi)，因而節(jié)約了先對空氣進(jìn)行增壓、再膨脹制冷的增壓機(jī)和膨脹機(jī)環(huán)節(jié)。
以福建莆田L(fēng)NG冷能空分項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目利用LNG冷能和少量電能使空氣低溫液化，生產(chǎn)液氮、液氧和液氬等氣體產(chǎn)品。相較于常規(guī)生產(chǎn)方式，該技術(shù)節(jié)能50%、節(jié)水70%以上，日產(chǎn)量達(dá)600噸，成為國內(nèi)首個(gè)成功實(shí)施的LNG冷能利用項(xiàng)目。
2、冷能發(fā)電：多路徑能源轉(zhuǎn)化
目前世界各地LNG接收站多半設(shè)有冷能發(fā)電系統(tǒng)，例如日本、比利時(shí)、韓國、德國等均建有冷能發(fā)電裝置。LNG接收站通常使用海水氣化LNG，經(jīng)過熱交換后的海水流入大海，(830~860)Χ1000 KJ/T冷能隨之浪費(fèi)，這些能量可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚕焕脕磉M(jìn)行發(fā)電。
冷能發(fā)電技術(shù)通過熱力學(xué)循環(huán)將溫差能轉(zhuǎn)化為電能，主要分為四大類：直接膨脹法；蒸汽動(dòng)力循環(huán)（基RANKIN循環(huán)）；燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)（基本BRAYTON循環(huán)）；聯(lián)合法（包括：低溫RANKINE循環(huán)、低溫BRAYTON循環(huán)、復(fù)合多級循環(huán)、結(jié)合回?zé)岬穆?lián)合循環(huán)）等。
日本在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，冷能發(fā)電裝置（CPP）由大阪燃?xì)忾_發(fā)，于1979年在全球首次商業(yè)運(yùn)行，目前全世界約有10套CPP在運(yùn)行（主要在日本），其中有5套在大阪燃?xì)獾慕邮照尽?/span>
3、輕烴分離：高附加值產(chǎn)業(yè)鏈的延伸
LNG中除甲烷外，常含少量乙烷、丙烷等輕烴組分。通過低溫精餾技術(shù)，這些輕烴可被分離為乙烯原料或液化石油氣（LPG），顯著降低石化行業(yè)能耗。在美國，從LNG中分離出 C2+輕烴已成為調(diào)節(jié)天然氣熱值，使之符合國家標(biāo)準(zhǔn)的重要手段。
上圖是輕烴分離的典型流程，它充分利用了LNG冷量，設(shè)備投資和運(yùn)營成本較低。常壓LNG通過泵提壓后分流成大小兩股，分別通過換熱器進(jìn)一步預(yù)熱，再輸送到脫甲烷塔進(jìn)行分離。通過脫甲烷塔分離，冷凝液體再進(jìn)入分離器將氣液分離。氣相甲烷在預(yù)熱器中與LNG換熱后通過壓縮機(jī)壓縮，在再冷凝器中用分離的液相甲烷冷凝為液體，再加壓氣化外輸。塔釜的液相出料主要為C2+輕烴。
4、冷凍與冷庫：冷能梯級利用
利用LNG冷能作為冷源的冷庫，將載冷劑冷卻到一定溫度后經(jīng)管道進(jìn)入冷凍、冷藏庫，通過冷卻盤管釋放冷能，實(shí)現(xiàn)對物品的冷凍、冷藏。另外，還可按LNG不同溫級，采用不同的載冷劑進(jìn)行換冷后分別送人對溫度要求不同的冷間，這樣LNG冷能的利用率將大幅提高。
雖然冷庫使LNG的冷能幾乎無浪費(fèi)地利用，且不用制冷機(jī)，降低了系統(tǒng)造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)，但一般的冷庫只需維持在-50～-65℃即可，而將-162℃的LNC冷能全部用于冷庫制冷是不必要的。為有效利用天然氣冷能，可將低溫凍結(jié)庫或低溫凍結(jié)裝置、冷凍庫、冷藏庫及預(yù)冷裝置等按不同的溫度帶串聯(lián)。
5、低溫粉碎：資源回收與環(huán)保雙贏
低溫粉碎通常是利用空分的產(chǎn)品液氮提供低溫，可在低溫下破碎常溫難以破碎的物質(zhì)。與常溫破碎相比，低溫粉碎能把物質(zhì)破碎成極小的微粒。
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，廢舊輪胎等工業(yè)廢物的處理技術(shù)也需要快速提高，否則將會(huì)占用大量的環(huán)境資源，造成環(huán)境污染。幸運(yùn)的是，LNG冷能為此提供了新的解決方案。
以LNG的冷能作為冷源，以橡膠冷凍和粉碎機(jī)低溫粉碎作為用冷對象，通過中間介質(zhì)進(jìn)行熱交換，從LNG獲取冷能，使廢舊橡膠溫度降低，并供給粉碎機(jī)所需的冷能。
福建LNG項(xiàng)目冷能利用的另一個(gè)項(xiàng)目是低溫橡膠粉碎，是國內(nèi)首條LNG冷能間接利用的示范生產(chǎn)線。該項(xiàng)目采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)純度高、質(zhì)量優(yōu)的二次橡膠綠色產(chǎn)品。項(xiàng)目一期總投資1億元，年處理廢舊輪胎2萬噸，生產(chǎn)精細(xì)膠粉1.3萬噸，副產(chǎn)鋼絲5000噸、纖維2000噸，實(shí)現(xiàn)資源回收與環(huán)保雙贏。
6、海水淡化：冷能驅(qū)動(dòng)的淡水資源
目前海水淡化的工藝方法有：蒸餾法、冷凍法、反滲透法、電滲吸法、水合物法等，成本很高。
冷凍法分為天然冷凍法和人工冷凍法，人工冷凍法又可分為間接冷凍法和直接冷凍法。間接冷凍法是通過低溫冷凍劑與海水進(jìn)行間接換熱使海水冷凍結(jié)冰實(shí)現(xiàn)海水淡化；直接冷凍法是通過冷凍劑與海水直接接觸而使海水結(jié)冰實(shí)現(xiàn)海水淡化。LNG冷能可以通過間接利用方式，為中間冷媒提供冷量，從而節(jié)省了壓縮的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)海水淡化，生產(chǎn)淡水。
我國上海洋山港、浙江寧波、深圳大鵬、福建莆田等地的LNG接收站均已建成日產(chǎn)淡水1000噸以上的凈化裝置，為工業(yè)和民生提供穩(wěn)定的水源。
7、海水養(yǎng)殖：冷能生態(tài)創(chuàng)新
冷能在生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步拓展，其中海水養(yǎng)殖成為近年來的創(chuàng)新方向，為可持續(xù)漁業(yè)發(fā)展提供了新思路。后續(xù)文章將深入探討冷能如何賦能“藍(lán)色糧倉”，推動(dòng)海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)升級。
2024年1月18日，大鵬LNG啟動(dòng)冷能利用養(yǎng)殖示范項(xiàng)目，通過冷能調(diào)節(jié)海水溫度，實(shí)現(xiàn)高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖，構(gòu)建“陸地海洋牧場”，年產(chǎn)量預(yù)計(jì)可達(dá)10萬斤。據(jù)測算，1立方米海水溫度降低5攝氏度，需要消耗5.8千瓦的能量。養(yǎng)殖示范項(xiàng)目利用的冷能相當(dāng)于每年為社會(huì)節(jié)約用電197萬千瓦時(shí)、減排二氧化碳1800噸。
三、冷能利用的未來方向
從工業(yè)氣體生產(chǎn)到冷鏈物流，從發(fā)電到生態(tài)養(yǎng)殖，冷能技術(shù)已滲透至多個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)。日本的經(jīng)驗(yàn)表明，冷能利用率可達(dá)20%以上，而我國通過莆田、大鵬等項(xiàng)目的實(shí)踐，正逐步縮小與國際領(lǐng)先水平的差距。未來，冷能技術(shù)將向智能化、模塊化發(fā)展，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)冷能供需動(dòng)態(tài)匹配。
隨著全球LNG貿(mào)易的增長，冷能利用將成為企業(yè)降本增效、踐行社會(huì)責(zé)任的關(guān)鍵路徑。如何通過技術(shù)創(chuàng)新與政策引導(dǎo)，釋放這一“隱藏能源”的潛力，將是未來能源領(lǐng)域的重要課題。
