液化天然气冷能利用的原理及方法

LNG的用途很广,可用于民用负荷调峰、发电、工业用户和商业用户LNG的关键技术在于深度冷冻液化,其储罐和专用运输巨轮就象超级低温冰箱,这些过程都要消耗巨大的能源,但按能量守恒规律,此冷能在释放时可充分利用,以降低成本。

2 LNG冷能的评价

利用LNG冷能主要是依靠LNG与周围环境之间存在的温度和压力差,通过LNG变化到与外界平衡时,回收储存在LNG中的能量。为了估计从LNG中可以回收的能量,首先应从理论上对能回收的冷能进行评价。

图1 冷能的概念
H-焓(kJ);S-熵(kJ/K);T-绝对温度(K);
Q-热量(kJ);W-功(kJ)

对LNG冷能的评价采用是较方便的，由于把外界环境条件考虑在内,能合理地对进出体系的热量与环境之间的关系作出评价,所以它可以很好地对LNG冷能的质进行定量表示。所谓,其定义为体系与外界达到平衡时所得到的最大功,冷能的概念如图1。

图中为微小区间的流动体系,并假设流动体系的变化是可逆的,流入假想卡诺循环的热量为从外界输入的热量,假想循环排出的热量为流向低温稳定流动系统的热量Q,则可得的功W是流动体系所作功W₁和卡诺循环所作功W₂之和,根据稳定流动体系的能量平衡可按图1求出冷能的定义式:

ΔA=-W=ΔH-T₀ΔS=Δ(H-T₀S) (1)

式中:A- (kJ);

T₀ -外界温度(K)

是状态参数焓H和熵S的函数,只要状态一确定,则就是一个确定的状态参数,冷能变化也可用下式表示:

(2)

图2 冷能和热利用线图(△A是放出的)

的变化也可在热利用线图上表示,即在纵坐标为卡诺效率(1-T₀/T),横坐标为被观测得到的热量的线图上,用曲线和横坐标所包围的面积来表示, 在低温稳定流动系统从状态1到状态2的升温过程中,随着吸收热量而放出的,可用图2所示的曲线和横坐标所围成的面积来表示。

和能量不同,不存在守恒定律,实际的工艺过程必定是不可逆的,这时,存在损失,因为等于可得到的最大功,所以损失始终相当于不可得到的功,取某系统范围内的平衡,根据它与能量平衡的差,可得损失直接与系统内熵的变化量的关系:

L=T₀S (3)

式中:L-损失(kJ)。

冷能又可分为压力和温度, 压力Ap表示LNG由温度To、全压P的状态达到与外界平衡时所作的功,可用下式表示:

(4)

式中:A_p-压力(kJ*m^-3);

R-气体常数;

T₀-外界温度(K);

P₀-外界全压(Pa)。

温度表示LNG由温度T、全压P₀状态变化到与外界平衡时所作的功,即LNG的温度At可用下式表示:

(5)

式中：At-温度(kJ*kg^-1);

T-LNG的温度(K)。

实际上,它也可从图3所示的LNG的T-i线图中求得,LNG组分变化,T-i线图不同,其温度也不同。从图3可以看出,以甲烷为主要成分的LNG在一个大气压下,从-160℃极低温度升高到25℃,LNG吸收920(kJ*kg^-1)的热焓,如果这些冷能能以100%效率转换成电力,则1吨LNG相当于250kWh,所以LNG具有相当大的能量。现代化大型的LNG接收站,由于LNG负荷很大, 潜能可达到100MWh。所以有效地回收利用冷能可以节约大量的能量。如果气化压力Po变化的话,温度也变化,其变化如图4,从图中可看出,随着压力P₀的上升,可得到温度却减少,对于P₀为7.0MPa、最高温度可达273K的系统,从LNG可得的温度为290kJ*kg^-1左右。

图3 LNG温度的计算

图4 由于气化压力Po变化而引起温度的变化

通常,作远距离输送气体及化工工艺原料所用时,LNG的气体压力较高(2.0～10.0MPa), 压力可有效地使用,而温度较小。供给*近LNG基地的发电用的液化天然气,气化压力较低(0.5～1.0 MPa),可用于发电的温度也大。

3 利用LNG冷能的注意事项

3.1 利用过程的温度要求

图5显示了低温和产生低温所需要动力的关系,当温度越低时,要求的功将快速增加,机械效率将很低,而且, 温度越低,工厂的造价将很高,因此,选择利用LNG冷能的工艺过程应充分利用其-160 ℃的低温, 工艺过程温度越低越好。

3.2 用量的限制

由于LNG基本上被使用于城市燃气和发电厂,白天和晚上的负荷变化很大,因此必须考虑某一时间的小时负荷,为了充分利用LNG冷能,必须使用一个能容易调节的系统,随着LNG负荷的变化而调节系统的负荷。因此必须在LNG冷能利用和燃气供应之间对燃气控制系统进行足够的考虑。

图5 低温和产生低温所需要动力

3.3 工厂位置的限制

通常LNG是通过液体管道系统输送,因为必须使用高质量的材料,管道的成本很高,而且输送压力损失大,吸热也会造成冷能损失。这决定了冷能利用工厂必须尽可能靠近LNG终端接收站,但是LNG冷能利用工厂为了使他们的产品流通并为了购买原材料方便,希望工厂位于交通便利的地方,诸多情况下,决定这二方面的利益是困难的。

3.4 安全限制

由于LNG是易燃的,处理它时,必须进行足够的安全性研究,考虑充分利用LNG冷能,直接用LNG冷却是最好的,但在许多情况下,应避免直接和物质进行热交换,例如空气,它可能和泄漏的LNG形成爆炸性气体,而使用某种冷媒,例如氟利昂,将使系统复杂和昂贵。

3.5 间接利用的限制

间接利用是指利用LNG冷能制成液化氮和液化氧,这些产品要求LNG冷能和电力来生产它们,成本很高,有些工艺过程可以实现,但许多情况下,被证明是不经济的。

4 利用LNG冷能的方法

利用LNG冷能的过程可分为两类:直接利用和间接利用。前者包括:发电、空气液化分离、冷冻仓库、制造液化二氧化碳、海水淡化、空调和低温养殖、栽培等。后者包括:低温破碎、水和污染物处理及冷冻食品等。

4.1 直接利用法

4.1.1 冷能发电　冷能发电以电能的形式回收LNG冷能,发电方式有:

(1)中间介质郎肯循环方式,每吨LNG的发电量约为20kWh左右。

(2)直接膨胀方式。

(3)上述两种方式的组合形式,发电量为45kWh/吨(LNG)左右。

4.1.2 空气分离　传统方式生产1 m³的液化空气大约需要650 Kcal的冷却能,利用LNG的低温特性不但可用减少建设费用,而且每生产1 m³的液化氧气需要的电力消耗也从1.2 kWh减少到0.5 kWh,由于能减少大量的电力消耗,利用LNG冷能的空气分离得到充分的应用。

4.1.3 冷冻仓库　这种仓库利用LNG与氟利昂R-12进行热交换,并以氟利昂为冷却介质在仓库内循环冷却,这种冷却方式与传统方式相比,不用大型冷冻机,建设费用减少,电力消耗大幅度下降,节能效果显著。

4.1.4 制造液态二氧化碳　利用LNG冷能来制造液态CO₂可满足焊接、铸造、软饮料产业对液态CO₂的需求,利用这种方法制造的液态CO₂纯度可达99.99%,电力消耗为每立方米液态CO₂为0.203 kWh,与传统方法相比,它可以节约10%的建设费和50%的电力消耗。

4.2 间接利用开发

间接利用主要是利用用LNG冷能产生的液态氮和液态氧。

4.2.1 低温破碎　利用液态氮可以在低温下破碎一些在常温下难以破碎的物质,与常温破碎相比,它能把物质破碎成极小的微粒,这些微粒可以被分离,这种方法不存在微粒爆炸和气味污染,通过选择不同的低温可以有选择性地破碎具有复杂成分的混合物。因此这种方法在资源回收、物质分离、精细破碎等方面有着极好的前景。

4.2.2 污水处理　因为利用液态氧可得到高纯度的臭氧,被处理污水对臭氧的吸收率很高,这种方法与传统的过程相比可以减少大约三分之一的电力消耗,而且对污水的处理效果极好。

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