LNG的物理特性及冷能利用浅析

温慧

摘 要：随着新能源的安全和再利用问题的日益严重，天然气的开发和利用在国内被广泛推广。天然气是一种既环保又清洁的燃料能源，它不仅燃烧热值高，而且燃烧产物低碳环保，在未来的发展过程中将替代石油和煤等一些高成本的燃料。不仅如此，液化天然气技术的飞速发展更加放大了天然气的优点，使得它在更多领域中应用和推广。天然气不但与人们的居家生活密切相关，而且对社会生产带来积极影响和可观利润。文章介绍了液化天然气的基本物理性质以及LNG冷能的几种利用方法，以达到合理利用LNG冷能，节约能源的目的。

关键词：LNG;物理特性;冷能利用;发展趋势

中图分类号： TU24           文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）33-184-2

1  何为液化天然气

液化天然气英文名liquefied natural gas，是以甲烷为主的无色无味、无毒低温混合液体。所谓液化天然气（LNG）就是将气田生产的天然气经过脱水、脱碳、脱酸、脱汞等净化工艺处理后，再利用膨胀或加压节流制冷技术，在零下145℃-160℃变成液态天然气，此时它的体积也约为原来的1/625。

LNG的物理特性如下：

分子量 173   气化温度 -162.3℃   常压 1053bar

临界温度 -82.5℃   爆炸极限  上限 15.77%  下限 4.91%

液相密度 440kg/m3   气相密度 0.6～0.7kg/Nm3

燃点 650℃     热值   8500～9200kca/Nm3

气化潜热 121.87kca/Nm3 燃烧势 45.18cp 华白数 54.23MJ/Nm3

2  液化天然气的优点

①存储效率高、占地面积小、投资少。②有利于调节城市燃气负荷，生产过程中释放出的冷量可以作冷能、冷冻、温差发电等。③便于运输。有专用槽车、火车等运输。④可做优质燃料与汽柴油相比抗爆性好、燃烧完全、排污少，发动机寿命长可以有效降低运输成本。⑤减少城市污染、保护环境，相对密度小、易扩散 ，使用安全。⑥不含硫、粉尘，降低温室效应。⑦价格低，1立方LNG是1升0号柴油市场零售价的60%。

3  液化天然气的冷能利用

生产一吨液化天然气的动力及公用设施耗电量约为850kw·h。在LNG接收站通过气化器复温时会释放出大量的冷能（约为830-860kJ），这部分冷能通常被海水或者空气吸收，不仅造成了冷能的浪费，甚至造成环境污染。如果将这部分冷能回收利用，那么每吨LNG可利用的冷能折合电量约为240kw.h。若一座600万t/a的LNG接收站，每年可利用的冷能约为14.4亿kw.h，而且这种冷能具有很高的利用价值。

3.1 冷能原理

由于液化天然气是常压低温（-162℃）或者高压低温（-148℃，0.35MPa）存储的液体，它同周围环境存在温度差与压力差，液化天然气从液相到气相的转化过程中要释放冷量，吸收热量。就是这种利用温差所得到的能量在工程热力学原理中我们称之为冷能。实际上还是遵循了能量守恒定律。

3.2 LNG冷能应用中的注意事项

选择利用LNG冷能的工艺过程应充分利用其-160～-150℃的低温，工艺过程温度越低越好;冷能利用工厂的位置尽量靠近LNG接收站或者气化站，可以降低管道建设成本和压力、温度损失;LNG冷能利用要保证足够的安全性，避免泄漏形成爆炸性气体，在设计和施工中要考虑防爆性能，保证安全运行。

3.3 LNG冷能利用方式

LNG冷能利用按过程可以分为两类：直接利用和间接利用。直接利用包括发电、低温空分、冷冻仓库、海水淡化、制造液化二氧化碳、轻烃回收、制造冰雪、空调和低温养殖、栽培等;间接利用包括空分后的液氮、液氧、低温干燥、污染处理、冷冻干燥及冷冻食品等。

3.3.1  冷能的直接利用

①LNG冷能发电

据能源利用方式的不同可以分为：a用LNG冷能来改善现有各种发电动力循环系统。针对汽轮机入口空气湿度的不同，整个循环的输出功有不同程度的增加。相对湿度小于30%的系统，其输出功率将会增加8%，而相对湿度是60%的系统，其输出功率将增加6%。b用LNG冷能的相对独立的低温动力循环。LNG冷能将循环的温度范围拓展到低温领域，而一般工业余热或环境温度则成为低温动力循环的高温热源。目前，回收利用LNG冷能来发电系统主要有以下几种方式：

直接膨胀法：参见图一。

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图一

这种方法循环过程简单，所需设备少，但效率不高，发电功率小。

二次冷媒法：这是利用中间载热体的朗肯循环冷能发电。参见图二。

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图二

混合工质朗肯循环系统的工质为碳氢化合物的混合物，整个冷能系统的冷能回收率为36%。

联合法：综合了直接膨胀法与二次冷媒法，它的冷能回收率保持在50%左右，这是目前使用最广泛的一种方法，它大大提高了冷能回收效率。

LNG冷能发电是一项无污染发电方式，但它只考虑到了冷能的回收利用，并不是一种科学的方法。

②低温空分

常用的空气分离法是将空气液化后，通过氟利昂冷冻机、透平膨胀进行空气的液化分离制成液态的N2，O2，Ar等。LNG低温冷能用于空分装置取消了高温和低温膨胀机，是一种非常有效、低能耗的利用途径。空气经过压缩机纯化后先分离，再通过循环N2冷却，然后参与精馏得到液氧、液氮、液氩等产品。

③制造液化CO2及干冰

传统的二氧化碳液化的工业液化方法大多是把常压常温的二氧化碳加压至2.5.～3.0MPa，-20℃左右，再与制冷机组换热降低温度而液化，其过程能耗很大导致二氧化碳液化成本增加。而利用回收的LNG冷能就能很容易的将二氧化碳冷却至所需要的低温。它的工艺原理为：以LNG作为制冷工质，当储气罐里的常温CO2与低温LNG在换热器里换热，LNG吸收热量气化，CO2则释放热量温度降低，部分液态的CO2直接变成固态。气化后的LNG经过压缩机加压再次变成液态进一步与换热后的中低温液态CO2在干冰机中凝固制得干冰，送入干冰储罐供用户使用，部分液态二氧化碳吸热气化进入循环回路。

④冷冻仓库

冷冻或者冷藏仓库利用LNG与蓄热或者换热介质进行热交换，利用冷却介质在仓库内循环冷却。这种方式与传统冷却方式比，不用大型冷冻机械，建设费用小，电力消耗大幅度减小，节约能源。虽然这种方式降低了造价和运行费用，但是一般的冷冻温度只需-65℃～-50℃即可，而将LNG低温用于冷冻也有浪费冷能的不足之处。为了有效利用天然气的冷能，可将低温冻结库、冷冻库、冷藏库及预冷装置按照不同的温度带串联，采用不同的载冷剂进行换热后一次送入低温冻结库、冷冻库、冷藏库、预冷装置，这样将大幅度提高冷能利用率，运行成本较机械制冷提高37.5%。

3.3.2  LNG冷能的间接利用

①低温破碎

低温破碎是利用物料在某一低温时变脆的性能对一些在常温下难以破碎的固体废物进行有效破碎的过程，也可以利用不同废物脆化温度的差异在低温下进行选择性破碎。比如：橡胶、塑料、金属等具有低温脆性的物质。破碎后的产物颗粒微小可分离，且不易产生粉尘形成微粒爆炸。我们可以针对不同成分的混合物的物理特性选择不同的低温。因此这种方法在资源回收、物质分离、精细破碎等方面有极好的前景。几种固体的低温破碎温度如表1。

表 1

[固体＼&    破碎温度＼& 制品粒度＼&尼龙12

聚酯

聚乙烯

海带＼&-100℃

-100℃

-120℃

-100℃＼&150m 90%

150m 90%

150m 90%

75m 90%＼&]

低温破碎还可以用于医疗药品加工与提取、无聊的水油分离、工业电子原料的无杂质加工、垃圾废物的处理、早期强度水泥等领域。

②污水处理

利用液态氧可以得到高纯度的臭氧，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三分之一的电量消耗，并且对污水处理效果很好。

4  LNG在国内的发展现状与展望

目前，我国天然气的发展还没有形成一定规模，消费量实际上就是生产供应量。随着我国人口的迅速增长和经济的持续发展，市场供需缺口越来越大，居民用气所占比例也在逐年上升。加上现在社会对环境保护要求也更为严格，LNG将成为天然气市场的主打品牌。2007年中国LNG进口量是2006年进口量的3倍多。2008年1-11月中国LNG进口总量比2007年同期增长18.14%。根据中国石油和化工协会统计数字表明，2015年我国将进口液化天然气高达4200万吨。 因此LNG产业需加快投资。

虽然近期LNG市场疲软和严重的供应过剩局面，使潜在的LNG项目建设不确定性增加，较低的开工率和价格也降低了项目的盈利能力，投资方对LNG项目的投资将越来越慎重。

2015年，全球只有2 000万吨/年的产能完成投资决策开始建设。相比其他清洁能源，如风能、太阳能等，天然气无论从安全性、可靠性，还是从经济效益来说，都是最为成熟的替代能源。国家政府也已经出台了各项税费减免政策，引导我国能源转型建立“无燃煤区”，为天然气的市场发展提供广阔有利的空间。中国天然气产业发展的关键是液化天然气资源多元化利用。

参 考 文 献

[1] 敬加强.液化天然气技术问答[M].化学工业出版社，2015（03）：122.

[2] 宁平.固体废物处理与处置[M].高等教育出版社，2007（12）：134.

[3] 顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术[M].机械工业出版社，2015（13）：213