LNG冷能利用技术

技
国第一个成功工业运行的LNG冷能利用项目,福建LNG冷能低温橡胶粉碎项目 是我国第一个LNG冷能低温胶粉项目.2010年7月,中海油能源发展股份有限公
术
司石化分公司LNG冷能项目组牵头研究的利用LNG冷能进行空气分离方法学
环
在德国波恩召开的联合国方法学审核理事会第44会议上获得批准.这是国际 LNG冷能利用领域第一个获批的方法学,将为LNG冷能利用产业带来可观的二
营和市场销售,拥有冷能利用研发和工业化能力.
产 FOR天然气 业 政 策 环 境
根据国家发改委2012年10月31日颁布的天然气利用政策 （2012年第15号令）,天然气工业下游产业分为优先类、允许 类、限制类和禁止类,相关规定如表14—17所示.天然气利用政 策（2012年第15号令）已于2012年12月1日正式实施,天然气 利用项目管理均适用该政策,所有新建天然气利用项目（包括 优先类）申报核准时必须落实气源,并签订购气合同.其中,对优 先类用气项目,地方各级政府可在规划、用地、融资、收费等 方面出台扶持政策.鼓励天然气利用项目有关技术和装备自主 化,鼓励地方政府出台如财政、收费、热价等具体支持政策,鼓 励发展天然气分布式能源项目.根据我国天然气利用政策的相 关规定,城市燃气和工业燃料是国家鼓励支持的天然气利用方 向,天然气化工则是国家限制和禁止的天然气利用方向.
间接利用：通过 LNG 冷能生产液氮或液氧,再利用液氮、液氧分别进行低温粉碎、低温生 物工程、污水处理等工艺
冷能发电
利用 LNG 冷能发电是较为新颖的能源利用方式,技术相对比较成熟,能够大规模利用 LNG 冷能.利用LNG冷能发电的系统主要有:直接膨胀法、二次冷媒法、联合法等.
直接膨胀法原理为:经低温泵和蒸发器后 LNG 成为高压 常温气体,而后高压气化时物理㶲转
产
能利用技术的推广和工业实践,已在冷能空分、冷冻胶粉、丁 基橡胶等多项技术领域取得了工业化进展,冷能空分装置已进
业
入良好的商业运行阶段,冷冻胶粉和丁基橡胶已进入工业应用
发
的实质性推进阶段,具有丰富的冷能项目建设运行经验,在国 内外冷能产业中具有相当的竞争力.中石油和中石化是我国
展
LNG冷能利用的主要企业,均根据各自沿海LNG接收站的规划 建设进度安排相关冷能项目的规划审批,在冷能产业的技术积
是 L N G在温度不变时由液态转化为气态时释放出来的能量 ; 另
领域里应用 LN G 冷能. 一方面也包括334. 7kJ/ kg 的显热 ,这是 L N G 从 - 162 ℃转变 为0 ℃时释放出来的能量 ,这样 ,L N G一共释放出约为836. 8 kJ/ kg 的能量 (见图 2) .因为 L N G既能够产生大量的冷能 ,又能 够被保存在 - 162 ℃的极低温度下 ,所以 L N G 是一种质量极高 的冷能源 .在利用机械方法制冷时 ,存在一个规律 ,即温度越低 , 机械效率下降得就越快 ,需要的能量就越多 .如果想要通过机械 方法达到LN G - 162 ℃的极低温度 ,就不得不消耗大量的电力能 源 ,并且 ,冷库和其它设备的资金投入会急剧上升 (见图 3) .
约
和时间上的不同步性,国外大多数LNG接收站的冷能利用率在20%~30%之
因
间.
素
所谓冷能 ,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 ,用这种温差就可以获得有用的能量 ,这 种能量称之为冷能.
LN G接收站需要将 LN G 气化后 输送给用户 .L N G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 L N G 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 .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 .
产 FOR冷能利用 业 政 策 环 境
根据关于印发天然气发展十二五规划的通知（发改能 源20123383号）,为引导天然气高效利用,将LNG接收站冷 能利用纳入LNG项目核准评估内容,实现节能减排和提高能 效.2012年3月,国家发展改革委、财政部、国土资源部和国 家能源局联合颁布了页岩气发展规划（2011—2015年）, 规划明确我国要加大LNG冷能利用力度,冷能利用纳入LNG 项目核准评估内容,与接收站同步建设,减少对海水生态环 境的影响,提高能源综合利用效率,实现节能减排和提高能 效.根据石油和化工行业十二五发展指南,国家鼓励LNG冷 能的利用,特别是大型空分设备对LNG冷能的利用.LNG冷 能利用是社会各界关注的问题,十二五期间是我国冷能产业 快速发展的重要时期,相关的产业政策和行业标准将有望逐 步完善,进一步推动我国LNG冷能产业的科学健康持续发展.
联合法将直接膨胀法与二次冷 媒法相结合,可以大大提高冷能 利用率,一般可保持在50%左右. 日本投入实际使用的 LNG冷能
压常温气体,再通过透平机膨胀,带动电机发电,最后经过换热器变成一定压力的常温气 体之后外输.而冷媒被液 化经过泵压缩和回热器变成高压气体,再经泵压缩和换热器成 为高压常温气体,最后通过透平机带动电机发电,出来的冷媒再次循环利用,工艺流程见 图 3.
空气分离
右图为大阪煤气公司利用 LNG冷能的空气分离装置 流程图.其特点是：由于液 化天然气的可燃性,故用氮 气作为与其传热的工质,利 用液化天然气的冷能来冷 却和液化由下塔抽出经过 复热的循环氮.
空气分离
现状
现今工业上所用的氧气和氮气绝大部分是通过分离冷却液化后的空气 获得的,因此LNG可以为空气液化提供冷量,然后通过相应的工艺将液化空 气分离生产液氧、液氮和液氩.
境
氧化碳减排资金支持,是中海油对世界节能减排事业的重要贡献.目前,福建 LNG冷能空分项目的CDM开发交易已向国家发改委申报并获得批准.截至
分
2011年12月31日,中海油冷能利用领域的主要科研成果包括2个发明专利、4
析
个实用新型专利和2个工艺包.目前,中海油初步形成了技术、管理、市场销售 和科研的人才储备梯队,可以独立承担冷能项目申报立项、设计施工、投产运
发
LNG冷能空分装置如表11所示.日本是利用LNG冷能发电最 多的国家之一,冷能发电装置装机容量一般在400~9400kW之
展
间.东京湾LNG接收站区域已成为集中低温仓库、深冷发电装 置,冷冻食品厂,空气分离及液化装置以及液化二氧化碳和干
现
冰生产厂等企业的工业聚集区,其冷能利用率达到43%.韩国
状
LNG冷能主要用于空气液化分离和食品冷冻库两个领 域,LNG冷能利用率约20%~30%.
表 1 和图 2 给出了构成 天然气的各种成分和其 它制冷剂的冷能数据 . 可以看出 ,作为天然气 主要成分的甲烷 ,从温 度水平和其含有的冷能 上 ,都是一种极好的制 冷剂.
根据上述 L N G 冷能的 - 162 ℃、常压下的 LN G 转变为 0 ℃(常压 ) 的气态天然 特点 ,可以在很广泛的 气时释放出来的能量 ,一方面包括 502. 1kJ/ kg 的气化潜热 ,这
现
累和产业规模方面均落后于中海油,具有一定的后发优势.其
状
中,中石油江苏如皋LNG接收站与国内空分企业合作建设冷能 空分项目；中石化LNG冷能利用项目尚处于规划前期阶段 .
中国
产
业
发 青岛
展
福建莆田LNG
现
状
珠海
大连
中海油是我国最早进行LNG冷能综合利用研究和工业化运行的企业,也是
我国LNG冷能综合利用的领军企业.其中,中海油福建LNG冷能空分项目是我
简介;该工厂采用LNG冷能来 辅助气体液化过程,并生产 冷却的乙二醇,与传统工艺 相比可节约约50％的电能, 由此带来巨大的环保和能效 效益.在该空分工厂,过去用 于空气压缩的冷却水被冷却 的乙二醇所取代,从而节约 了水资源.此外,LNG冷能技 术通过减少空气分离装置操 作中所使用的电力能耗,从 而降低了二氧化碳的排放量.
在LNG冷能的回收利用过程中能得到政府在政策、资金
现
等方面的大力支持,从而获得明显的经济效益和社会效
状
益.
日本
日本是世界上LNG冷能利用较多、技术最发达的国家,主
产
要方式有低温发电、空气分离、液态二氧化碳及干冰的制造 和万吨级低温冷库,约20%~30%的LNG冷能被利用.其中,低
业
温发电比重超过70%,空气分离约占20%.日本正在运营的
小组成员：张洪涛 何光胤 焦念伟 马国龙
产
各国政府和企业均十分重视LNG冷能的回收利用, 特别是以日本和中国为代表的东亚国家和地区均对LNG
业
冷能应用展开了广泛深入的研究,在空气液化、冷库、
发
液化二氧化碳和干冰的制取、低温发电和低温破碎等领 域进行了成熟的商业性应用,已积累了丰富的经验,企业
展
化为压力㶲,驱动发电机发电,之后经过加热器将天然气输入管网中.直接膨胀法发电的工艺流程见图 1
直接膨胀法原理简单、投资少,但是 LNG 冷 能利用率很低,只有24%左右.因此,该方法 主要与其他冷 能利用方案综合使用.
冷能发电
二次冷媒法原理为LNG 与经过透平膨胀后的低压冷媒蒸 汽在冷凝器中换热,冷媒凝结成液体;低压冷媒液
国内首个 LNG 冷能空分项目与福建莆田LNG接收站配套,于2010年10 月投产,投资3.1亿.该冷能空分项目每天可以生产液氧300吨、液氮300吨、 液氩10吨.很多其他的LNG接收站也已建成或在建与之配套的冷能空分项 目.
传统空气分离工艺中液化空气所需要的冷能是利用制冷机和组合膨胀 机产生的,而 LNG冷能空分装置可以直接利用 LNG 的冷能,不需要额外的 制冷设备.因此,利用LNG的冷能进行空气分离相比传统工艺,不仅可以减 少投资、简化工艺流程,还可以节省大量电能降低液氮、液氧和液氩的生 产成本.
此类项目在日本成功运营近20年,比传统工艺耗电降低 50%以上,耗水 降低 70%,节能效果显著,被认为是最有效的LNG冷能利用方式.
约
和时间上的不同步性,国外大多数LNG接收站的冷能利用率在20%~30%之
因
间.
素
在世界范围内,LNG冷能多领域利用存在二个制约因素：（1）LNG冷
能利用项目受LNG接收站周边的工业环境的影响较大,国外多为单项利用技
术；（2）天然气管道用户的用气量具有波动特性,LNG接收站需要承担调
制
峰任务（即LNG单位时间气化量波动幅度很大）,LNG接收站气化需求和冷 能用户需求在时间和空间上不同步.鉴于LNG气化和冷能利用之间存在空间
在世界范围内,LNG冷能多领域利用存在二个制约因素：（1）LNG冷
能利用项目受LNG接收站周边的工业环境的影响较大,国外多为单项利用技
术；（2）天然气管道用户的用气量具有波动特性,LNG接收站需要承担调
制
峰任务（即LNG单位时间气化量波动幅度很大）,LNG接收站气化需求和冷 能用户需求在时间和空间上不同步.鉴于LNG气化和冷能利用之间存在空间
发电项目大多采用这种方式.冷
能发电是一种新兴无污染的发
电方式,这种方法对LNG冷能的
回收效率非常低,仅相当于制备
LNG耗用的5%,但是具有流程
短、占地面积少、投资小、易
于实施、无污染等优点,所以在
其他冷能利用方式难以实现的
情况下,可优先考虑冷能发电.
冷能发电
空气分离 2010年空气化工与中海油建首个LNG冷能空分项目
日本
产
业
日 本
发
著 名
LNG
展接Biblioteka 收现站 卫
状
星 图
北海道石狩港LNG 八户LNG
青森县野内宿LNG 东京湾千叶县浦市中袖LNG
日本
产 业 发 展 现 状
依据全球标普普氏能源统计的数据,中国2017年的天然气进口数据为3789万 吨,超越韩国的3651万吨,成为全球第二大LNG进口国.
中国
中海油是我国LNG冷能利用的领军龙头企业,常年致力于冷
体经泵提高压力,加热变成高压蒸汽;高压冷媒蒸汽经透平膨胀成低压蒸 汽,对外输出动力,带动发电机发电,工艺流 程见图 2
应用二次冷媒法进行冷能发电的关键是冷媒的选择.常用的冷媒 主要有甲烷、乙烷、丙烷等单 组分,也可以采用它们的混合物.这种方法对 LNG 冷能的利用效率要优于直接膨胀法.
冷能发电
联合循环法LNG 经压缩后,通过换热器将冷能转移给冷媒,LNG 经过换热器成为高