制冷与低温工程

炼焦气----中国的特色资源之二
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炼焦气----焦炭生产过程产生的尾气（约320Nm3/吨焦炭） 主要成份：氢（50-60%）、甲烷（20-30%）、CO（7-10%）
我国每年产生近800亿Nm3，其中约560亿Nm3直接 放空（约2.5亿吨焦炭，30%气体回炉）造成了严重的资源 浪费，同时也带来严重的环境问题。 如仅将氢回收（甲烷和一氧化碳回炉），每年将可回收 约450亿Nm3的氢气，这将有效地推动氢能时代的进程。 炼焦气资源的回收利用不仅可以在一定程度上解决能源 和环境问题，而且非常有助于我国氢能经济的形成！！
同样需要分离技术！！
我国特色的气体能源
能源领域与制冷与低温工程相关的二个物质： 甲烷（天然气等）和氢
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甲烷：天然气、煤层气、化工尾气、天然水合物… 氢气：炼焦气、其它化工尾气…
煤层气和炼焦气在我国是量大、特色鲜明的待开发重 要资源！！ 目前二者相加每年的产生量已相当于约5倍的西气东 输能力！！
273K
233K 120K
工 业 气 体 分 离 氧 氮 氩
30K
10K 超 高 真 空
1.8K 1K
20K 液 氢 燃 料
制冷与低温的应用领域
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航天及空间应用(推进剂，卫星遥感遥测，低温风洞) 国防和军事(红外制导，预警，夜视，光学系统、潜艇 动 力装置，等) 科研(低温液体、加速器，大科学工程中的低温系统等) 生命科学(超导MRI，SQUID，器官保存，低温外科) 工业(氧炼钢，低温泵，气体液化分离，LNG) 信息产业(低温电子学，半导体器件、红外器件冷却等) 交通(磁悬浮，LNG，LH2汽车) 能源(超导储能，限流器，LNG，超导强电装置) 环境(大气，地质，资源探测，环境检测，空调、冰箱) 小结：低温制冷对现代科学、国防、国民经济 及环保等各方面起到支撑作用，不可替代。
可见单机混合制冷循环优于其它制冷循环！！
新型混合工质液化分离循环优势
z 高效混合物工质 z 低压制冷循环----常规单级压缩机工况 z 新的液化分离流程和冷箱技术 z 制冷负荷接近冷却热负荷 z 系统简单、造价低 z 操控性好 z 技术发展较成熟 z 系统布置、整机规模调整灵活
我国天然气低温液化分离的技术积累
解决我国能源问题的主要途径： ¾节流----节能（特别在普冷温区潜力大） ¾开源----开发新的资源
制冷与低温工程技术均可发挥重要作用！！
煤层气资源----中国的特色资源之一
煤层气属于非常规天然气，指的是煤层吸附气，即 煤在形成和演化过程中生存的、没有经过运移、以吸附状 态存在煤层内的天然气，主要贮藏在地表以下的煤层中。 我国的煤层气资源相当丰富，总贮藏量估算值为（3035）×1012 m3，其中60%以上集中在华北地区，与常规天然 气的资源量测算值（38×1012m3）相当。 ¾浅层煤层中可供利用的甲烷量：平均约14Nm3/吨煤 ¾煤层越深含气率越高
煤层气分类、开采方式和组成
与常规天然气不同的是煤层气以吸附形式存在于煤层中，必须通 过在煤层中打井/孔（地面/采煤工作面）用抽吸的方式开采。按开采方 式不同，煤层气可分为二种：
¾由地面向煤层打井 ----地表煤层气：含甲烷90%以上的低压天然气 组分 变化范围 平均值 CH4(%) 92-98 95 N2(%) 1--6 4.7 O2(%) 0.3—0.6 0.5 CO2 (%) 0.01—0.06 0.04 C2H6(%) 0.1—0.3 0.2
¾ 每年由煤炭生产直接排放的甲烷 约270亿Nm3 ¾ 近年每年由于瓦斯爆突死亡人数 超过6000人 ¾ 煤层气直接排放 严重影响环境和我国“京都协定”的执行
是我国迫切需要解决的重大问题！！
主要原因和解决途径
煤层气（开发和利用）特点 z分散、量不稳定、含空气…… z缺乏经济、可行和成熟的回收利用技术 煤层气开采后混入大量空气，因此有效 分离其中有效成分（甲烷）和空气成为一 个重要技术问题。 在开采上是否可以先采气后采煤----加大 地表煤层气的开发力度。
各种形式的混合工质MRC循环
复叠循环
1950 1960
N2膨胀等其他循环形式
1970 1980 1990 2000
新型复叠循环
2010 年代
一种三级复叠液化循环
T
Q
三级复叠循环（9个温度级） 三级复叠液化循环Q－T图
一种混合工质内复叠液化循环
T
液化负荷曲线
制冷曲线
Q 混合工质内复叠循环 混合工质内复叠液化循环Q-T图
各温区目前的制冷技术
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极低温温区
氦减压、稀释制冷、磁制冷……
低温温区
各类低温气体制冷……
深冷温区
深冷混合工质节流制冷、各类气体制冷……
普冷温区
蒸汽压缩节流制冷、吸收制冷……
能源需求背景
2004年 消耗量 煤炭 石油 20亿吨 3.5亿吨 占比例 ＞67% 17% 2% 2020年 消耗量 23-24亿吨 4.5-5.2亿吨 2-2.2千亿米3 占比例 60% 25% 8%
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低温技术在能源领域可能开辟的课题（二）
z 接近零蒸发的储液装置的研究和开发 z 超级活性炭使用和开发 z 焦炉气中氢的回收 z 冷能利用 z 能源是使用中的废弃物的处理（CO2处理） z 等等
谢 谢！！
ห้องสมุดไป่ตู้
3 415 亿米 天然气
天然气比重将会迅速增加！！ （目前国际平均比例约24%）
我国的能源问题
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我国的能源问题极为紧迫----将是制约我国经济发展的瓶颈 能源形势----今后相当长一段时间里化石能源（煤炭、石 油、天然气）仍将是一次能源的主体
煤炭----洁净利用和派生资源（煤层气、炼焦气）的利用 石油----国内挖潜、国外进口 天然气----会有快速发展
煤层气资源的分布
从资源地域分布上看，煤层气与天然气资源有良好的互 补性，我国天然气资源主要分布在西部地区，而煤层气资 源则分布在中部地区和天然气缺乏的东部地区，其中华北 地区煤层气约占总资源量的62%。随着我国能源结构的进 一步优化，到2020 年，常规天然气将有～220 亿m3供需 缺口，煤层气资源的开发和利用可以成为天然气的战略补 充能源。
一种N2膨胀液化循环
T
液化负荷曲线
制冷曲线
Q N2膨胀液化循环 N2膨胀液化循环Q-T图
现有液化循环的技术经济特征比较
循环 效率 技术复杂程度 及可靠性 系统十分复 杂，可靠性低 系统简单，可 靠性高 流程较简单， 但是膨胀机可 靠性较差 一次投资 成本 高，系统 部件多 低 较高
复叠循环 随着温度级数增 （Cascade） 加，效率增加 混合工质循环 高，优化混合物 MRC 浓度 N2膨胀循环 效率低，随着增 加膨胀级数，效 率有所提高
单级N2膨胀循环同单级纯工质节流循环一样不适合分布温度热负荷的冷却！！ 除非采用多级膨胀方式，如同多级复叠节流循环一样。
各种循环的最佳结果比较
方式 比液化器 （升/度） 串联型 4.73 混合型 4.6 氮预冷 膨胀机 4.27 单机混 合制冷 5.62
计算条件 天然气组分： N2/CO2/C1/C2/C3/C4/C5 摩尔组成（%）：1.5/2.2/85.1/6.5/3.0/1.2/0.5 环境温度：300K 初始气压温度 ：298K 初始气压力：6.0MPa
一种煤层气分离液化装置示意图
原料气 空气
冷量回收
LNG
制冷机组 z 复叠循环 z N膨胀预冷循环 z 新型复叠循环 z 高压节流循环
天然气液化循环及发展趋势
国际上目前采用最多的循环是混合工质液化循环MRC， 其中不同公司采取不同的流程布置形式。但是核心是丙烷预 冷的MRC循环。
循 环 占 有 量
制冷与低温工程 在能源领域的应用及其发展
周 远
中国科学院理化技术研究所 2005年11月
制冷与低温工程的温度范围
水 沸点 水 三相点
～230 ～180
甲烷 沸点
111.7
氮 沸点
77.4
氢 沸点
20.4
氦 沸点
4.2
373.15 273.15
深冷 普冷 室温 单级蒸汽 双级复叠下限 压缩下限
低温
极低温
涉及杂质固相析出，堵塞低温通道，相关研究 积累很少。
z 煤层气液化分离中的安全问题
低温下，甲烷等可燃物系的安全浓度范围及安 全措施研究。
低温技术在能源领域可能开辟的课题（一）
作为储能的选择之一 氢的高效储存、运输和使用中的安全问题 z 作为能源之一的天然气的储存、运输 大型液化天然气储槽设计、制造、运行中的科 学和技术问题 z 高效液化天然气、氢的新方法 磁制冷 新的磁制冷循识、工质 热声制冷 热声发动机配合单级制冷机已达到30K z 未来的核聚变装置
制冷与低温技术的应用
K
天 然 气 液 化 100K 高 低 温 医 疗 空 调 、 冰 箱 红 外 器 件 高 温 超 导 器 件 冷 却
K
大 型 科 学 仪 器 （ 核 聚 变 、 加 速 器 冷 中 子 源 ） 低 温 超 导 （ MRI、 强 磁 场 ）
低 温 极 端 条 件
深 冷 冰 箱 、 生 物 保 存
高真空冷阱 环境试验没备
混合工质节流制冷技术 (核心技术)
真空冷干机
工业尾气分离回收
已完成研发的工作 正在中试的工作 正在研发的工作
低温分离技术尚存在的科学问题
z 复杂多元混合物系多相流动和传热特性
大沸程混合物系的两相传热和流动问题是一个 工程热物理学科中的基础问题，也是一个难题。
z 复杂混合物系气、液、固相平衡特性
现有分离技术比较
低温分离 效率 适用规模 技术成熟程 度 初投入 安全问题 经济性 优缺点 高 大、中、 小（从数百 万-数十米3/小时） 高 中 较安全 很好 产品可以是液或气 可同时解决分离和贮运 产品仅可是 气 产品仅可是 气 膜分离 低 小 低 高 变压吸附 低 中、 小（万米3/ 小时以下） 中 低 脱附过程可能 存在安全性屏障
¾由采煤工作面打预抽孔 ----井下煤层气，俗称瓦斯气：甲烷平均含量约为50% 组分 变化范围 平均值 CH4(%) 30--70 50 N2(%) 15--45 35 O2(%) 4--11 9 0.5 1 H2(%) CO2(%)
开采和利用状况
一直未得到有效地开发和利用
我国的煤层气资源并未得到有效地开发和利用，这 不仅是能源问题，而且关系到作为我国第一大能源---煤炭生产的安全和环境问题。
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中国科学院理化技术研究所
数十年研究，积累了较强的技术和经验。 深冷混合工质制冷技术及相关基础研究和应用 技术研发全面进入国际前列。
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其他单位
上海交通大学 哈尔滨工业大学
等等
理化所深冷混合工质节流制冷技术的应用
超低温冰箱 速冻低温冰箱 天然气液化
煤层气液化、分离 炼焦气分离回收氢 大型化工装置（乙 烯、合成橡胶等）