“双碳”背景下LNG冷能利用技术前景分析

梁威,姚辉超

(中海石油气电集团有限责任公司,北京 100028)

LNG(Liquefied Natural Gas)冷能利用主要是依靠LNG与周围环境(如空气、海水)之间存在的温度和压力差,将高压低温的LNG 变为常压常温的天然气时,回收储存在LNG中的能量。LNG蒸发可产生830 kJ/kg的制冷量,最低可利用-162 ℃的冷能,每t LNG蕴含270 kWh冷能,最大利用率可达90%;年进口100万t,相当于捎带约2亿kWh,经济价值可观。2022年10月12日,中国已建成24个液化天然气终端,年产能1.095 7亿t,储存量1 398万m3。2022年国家发展改革委国家能源局印发了《“十四五”现代能源体系规划》,规划中将LNG接收站列入能源安全保障重点工程,并在能源加工运输环节提效降碳,推广LNG冷能等余能综合利用技术。在当前我国加速推进和实现“2030碳达峰、2060碳中和”减碳目标的宏观背景下,每年如此巨量的冷能必然会被全方位推进利用。

1 国内外LNG冷能利用现状

世界各国都非常看重LNG 冷能的再使用,其中,以中国和日本等国家领先开展了详尽深化地探究。将LNG冷能成熟应用于冷冻冷藏、制取干冰、粉碎和发电等各个方面。LNG冷能在回收使用产业上都获得了各国各方面的鼎力相助,取得了显著收效。

整体而言,日本和韩国等依赖国际能源市场的岛国和半岛国家在LNG冷能利用的推广和工业实践上处于世界前列。日本对LNG冷能的再使用走在世界前列,研究已有30多年的时间。目前全球范围内日本LNG冷能的利用是项目最广泛、技术最先进的。不仅包括传统占比重较高的发电和空分等方式,还包括新兴的冷冻冷藏、液态CO2及干冰的制造等。日本是第一个使用LNG作为冷却能源的国家,如今普遍用于发电。低温冷却和冷冻、发电、空气分离以及液态二氧化碳和干冰生产厂等行业都集中在东京湾的液化天然气接收站区域,冷能利用率可达50%。

在低碳经济发展的背景下,我国LNG冷能产业的推广和工业实践逐渐走在世界前列。在政府大刀阔斧的推进下,LNG冷能在中国发展迅速,空气分离、冷能生产和水产品冷链等项目已经投入使用。

LNG作为冷能在世界范围内的广泛推广还有障碍。首先,工业设施位于LNG接收站附近是一个障碍,所以目前还主要是单项利用;其次,LNG气化过程中产生的冷能不能和需冷用户的步调保持协调一致。

2 冷能利用技术分析

根据不同低温能源类别所对应的相对温度范围,LNG低温能源的应用可以分为深、中、浅三个应用温区。深冷段-162和-100 ℃,冷能利用方式适合冷能发电、空气分离、液态空气储能、轻烃分离、液态氢生产以及乙烯工业的低温分离;中冷段-100～-50 ℃,冷能利用方式包括低温吸附碳捕集、制取液态二氧化碳和干冰、低温粉碎废旧橡胶、冷链物流和冷冻冷藏;浅冷段-50～0 ℃左右,冷能利用方式包括数据中心、海水淡化、污水处理和冷水养殖。

2.1 LNG深冷段冷能利用

2.1.1 冷能发电

如表1所示,LNG有五种不同的使用方式,可以在-162～-60 ℃的温度下发电。

表1 LNG冷能发电方式

目前大部分LNG接收站因考虑冷能发电技术不成熟,项目收益率的原因,在气化器实际运行时将LNG气化后直接外输,并不会对LNG冷能进行回收。随着对冷能发电投入的不断增加,推动了LNG冷能发电在生产上的应用。节省空间、推行容易、短流程,可作为应用首选。上海液化天然气项目可使接收站的用电量减少四分之一,平均每月减少标准煤消耗约583 t,每月减少二氧化碳排放约1 558 t。浙江LNG冷能利用(发电)项目,预计年净回收电能约2 000万kWh,所发电能折标煤约6 500 t/a,减少碳排放约1.63万t/a。

2.1.2 冷能空分

冷能空分历史悠久,随着其能源消耗的逐步减少,目前已可大范围低压开展生产应用。空分工艺适用温度为-162～-80 ℃左右,该流程由空气过滤、压缩、冷却、纯化系统等组成。现代空气分离技术是一种以低温蒸馏为基础的脱氮除氧方法,不仅技术先进、使用方便、安全可控,而且经济优势明显,应用广泛。通常情况下,需在低于-150 ℃的温度下进行,这是一个能源密集型的过程。然而,通过利用LNG冷能,可以大大减少能源消耗,从而节约成本,提高效率。冷能空分流程示意图见图1。

图1 冷能空分流程示意图

鉴于空分技术安全、稳定且匹配度的优势,已被世界多个国家广泛应用,成为LNG冷能使用中最普遍的方式方法。目前我国已建成的中海油福建LNG冷能空分装置运行电耗可较传统空分装置降低约50%,耗水降低90%,大大降低能耗和运营成本。在其13年的运营过程中,福建冷能空分公司总共使用了约500万t LNG,减少了约65万t的碳排放。

2.1.3 液态空气储能

液态空气储能适用温度为-160～-80 ℃左右,分为释储能两部分。释能阶段是对液态空气做功,将储能阶段储存的电能等释放出来进行生活生产的过程。储能阶段主要用来调峰和应急响应等情况下使用。对剩余风能、光能和电能产生的电进行利用,通过压缩周围空气,对空气进行液化降温,从而转化成以电能和热能的形式保存能量。其具有较大的机载容量和较长的存储周期、系统效率高、规模经济效应明显等优点。它通常可以在40～50年内储存和释放数万倍的能量,与水力发电一样,是最有希望的大规模储能技术之一。液态空气储能工艺示意图见图2。

图2 液态空气储能工艺示意图

2.1.4 轻烃分离

轻烃分离适用温度为-160～-100 ℃左右,LNG中有不同程度的C2+以上的组分。通过LNG的冷能液化分离出的天然气,降低外输轻烃产品温度,从而降低成本。轻烃回收成功后,乙烷和丙烷的回收率很高,液相温度为-100 ℃,其原因是成本低、能耗低、投资少,能带来非常可观的经济效益。当前,意大利和西班牙的液化天然气接收终端安装有轻烃类装置。在中国,青岛LNG是第一个采用两级LNG增压和单级不可压缩加速汽化的轻烃分离装置已经投入运行。这项技术每月可以从17万t LNG中分离出约3.3万t C2+/C3+成分。

2.1.5 LNG制液氢

将液化天然气转化为液态氢的适宜温度为-162～-110 ℃。氢气工业的快速发展为天然气转化为氢气和液化天然气创造了机会。美国空气产品公司提出在LNG接收站附近建设天然气制氢工程,LNG冷能降低氢气温度产生液态氢气,制氢过程中产生的热量,转化为氢、气、冷、热的能源系统。来自液化天然气的低温能源,其液化温度为-253 ℃,可用于降低氢气液化的成本,提高氢气产品生产的经济规模。此方案从技术上讲是基本可行的,大中型天然气制氢技术和氢气液化技术均能从市场获得,但经济性需要因地制宜结合具体项目周边热量和氢气需求后才能判断。韩国天然气公司与GS Caltex 建立战略伙伴关系,计划建设一个年产1万t的液化氢超级工厂,该工厂计划于2024年12月完工,生产和供应液化氢。韩国将成为首个利用LNG冷能生产液氢的国家,生产液氢成本将降为原来的七成。

2.1.6 乙烯工业中的深冷分离

乙烯的生产温度在-145～0 ℃。LNG被用作冷却和制冷源,可减少融资和成本。中国石化天津南港乙烯项目正在建设中,这是国内首次开发的乙烯装置间接法回收LNG冷量技术,采用甲醇作为循环冷媒,由工艺物料直接高效利用了冷媒的冷量。LNG冷量间接回收技术可使乙烯装置标油能耗降低30 kg/t,综合能耗低至497 kg/t。

2.2 LNG中冷段冷能利用

2.2.1 低温吸附碳捕集

冷吸附法捕获碳的相对温度约为-90～-30 ℃。二氧化碳的低温分离分为低温凝结和低温凝华。对于废气的冷却,液化天然气被用作制冷剂,以防止海水腐蚀造成的管道损坏并节约能源。

2.2.2 制取液态二氧化碳和干冰

液体二氧化碳和干冰适用温度为-80～-50 ℃左右,在建筑、工业、冷藏、餐饮、服务、教育、烟草和医疗行业有着广泛的用途。建筑和工业可减缓材料使用寿命,提高精细度和质量;冷冻冷藏食品及活体细胞组织;烟丝膨胀;医疗冷冻等行业。该系统利用液化天然气蒸汽提供冷,用于生产液态二氧化碳,然后冷却成干冰。该系统的缺点是,生产所需的温度介于冷和热之间,使得该系统的使用效率低下,并需依赖于二氧化碳排放量高的邻近行业。

2.2.3 低温粉碎废旧橡胶

低温粉碎废旧橡胶适用温度为-90～-40 ℃左右,LNG冷能产生的液氮,用来销毁橡胶,粉末更细微,且安全无污染。主要工艺流程如图3所示。

图3 低温粉碎流程图

2.2.4 和冷链物流融合

冷链物流适用温度为-80～-30 ℃左右,LNG多产业冷能资源,联合冷链物流,扩宽冷能使用范围,甚至还可以考虑探索与罐箱点供的冷能利用相结合,为LNG冷能利用开辟新路径。

2.2.5 冷冻冷藏

冷冻冷藏适用温度为-80～-20 ℃左右,目前,LNG接收站都位于港口码头区域,大型冷藏库为了便于生鲜进口及水产品的加工处理也大多选择码头港口不远处建厂,这就为LNG冷能的利用提供了更为便利的条件。LNG冷能直接为冷库降温,会导致冷库内空气温度过低,影响冷库循环系统,带来安全隐患和经济损失。因此需选用一种中间介质使空气降温,进而对冷库制冷。

2.3 LNG浅冷段冷能利用

2.3.1 数据中心

数据中心适用温度为-50～-5 ℃左右。跨进数字时代,大数据中心的建设也蒸蒸日上,机房作为用冷大户,对冷能的消耗将与日俱增,迫切需要可靠、稳定、节能的降温方式。用LNG气化产生的低温冷能给数据中心降温,可有效降低碳排放,提升能源利用水平,打造高科技绿色产业。

2.3.2 海水淡化

海水淡化的温度约为-30 ℃。在淡水资源非常有限的国家,特别是当干旱威胁到农业、林业和畜牧业生产时,海水淡化是解决干旱的首选方案。海水淡化利用来自液化天然气的冷能将海水冻结成海水晶体,然后将其提取并加工成淡水。

2.3.3 污水处理

废水处理的温度范围是-30～-10 ℃。用液化天然气冷冻废水是一种新兴的废水处理方法,并且高效能,可以冷冻和减少污染物。传统的冷冻方法是昂贵和能源密集型的。利用LNG冷能进行冷冻,这不仅减少了能源损失,而且还大大改善了经济性。目前该技术仅在研究阶段,尚无实施案例。

3 结论与建议

随着信息化的发展,科技的不断创新,在工业范畴内应用冷能,不仅可以节约能源、对环境进行保护,同时也延伸了LNG的产业链,减少可观的能源流失。但现阶段LNG冷能利用项目受制于应用场景限制,经济性不理想。促进目前各阶段LNG冷能利用项目开展,最大限度地实现能量再利用,从技术和产业双轮驱动,共同攻克。

加速推进冷能利用技术攻关,重点开展深冷段技术研发,提高已有的发电、空分等冷能利用技术效率,加快液态空气储能、液氢等新技术尽快攻关研发;将中冷段和浅冷段冷量采用梯级综合利用有机组合的方式;探索冷水养殖、污水处理等技术,尽快取得重大技术突破和标志性科技成果,开拓新的应用场景,实现核心技术示范应用。

在双碳背景下充分抓住世界LNG冷能利用产业蓬勃发展的契机,积极推动我国LNG冷能利用产业事业,可通过探索LNG冷能利用项目碳减排量核算方法,获得碳减排贡献计算值、折算标准、碳减排收益,确定LNG冷能利用产生的碳资产收益的评估标准。