①
王 强 厉彦忠 张朝昌
(西安交通大学制冷低温研究所 西安 710049) 摘 要 LNG 存储在110K 的低温下，蕴藏着大量的冷能。将LNG 冷能回收可用于空分、发电、制造干冰、低温冷库以及汽车冷藏、汽车空调等领域。这不仅有效回收、利用了能源，而且减少了机械制冷造成的大量电能消耗，具有可观的经济效益和社会效益。主题词 LNG 冷能回收及利用
全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染，使得污染小、燃烧性能好、储量丰富的天然气的应用越来越广泛。为了便于天然气的储藏运输，通常在低温下(110K 以下)将天然气液化成液态(LNG )，因而，在LNG 汽化成常温气体供给用户的过程中将释放出大量的冷能。如果能将该冷能进行有效地回收利用，如用于空分、发电、制造干冰、低温冷库、汽车冷藏、汽车空调等领域，则可以节省大量的电能。LNG 工业近几年的迅速发展(世界LNG 的生产应用以年均20%的速度增长，年运输与贸易额达6000多万吨，占到了总贸易额的24%，预计2010年LNG 年产量将达到2400亿立方米)，为LNG 冷能的回收利用奠定了良好的基础。
1 L NG 冷能分析
LNG 冷能主要是利用LNG 与周围环境(如空气、海水)的温差以及压力差，在趋于平衡态过程中进行回收的。详细地分析LNG 蕴藏的冷能，对提高LNG 冷能回收率以及合理利用LNG 冷能，具有非常重要的意义。火用分析法不但能从能量的数量上反映能量种类的转换，更重要的是能从质上清楚地揭示内部不可逆性造成的能量品质的贬值情况，以及造成热力学损失的原因和部位。由卡诺循环可知：在热源T 1冷源T 2之间进行的一切热力循环，冷源从热源吸收热量q 后，其可能得到的最大循环净功，即最大可用能为
W max =q (1-T 2T 1
)=q -T 2Δs 其整个变温过程中的能量分析如图1所示。
工质在吸热的过程中，温度升高，由状态1变化到状态2，对每个微小的吸热过程来说，吸收δq 的热量中的最大可用能为
2002年第4期
烧天然气的汽车低 温 工 程N o 14 2002总第128期CRY OGE NICS Sum N o 1128
①教育部高等学校骨干教师基金资助；西安交通大学博士基金资助。王强(1971—)，男，博士研究生。本文于2002年5月25日收到。
图1 变温过程中的可用能δW max =δq -δq
T 0T 对整个过程1-2积分，则最大可用能W max 为,W max =∫δW max =∫2
1(1-
T 0T )δq 若LNG 从初态(T ,p )经一系列的可逆过程，最终
达到与环境的平衡态(T 0,p 0)，由系统稳定流动能量
方程
δq =d h +δW max 可得:
δW max =δq -d h =T 0d s -d h 此时LNG 完成的最大有用功，即系统工质的火用ex
为
ex =(h -h 0)+T 0(s 0-s )=c p (T -T 0)+T 0∫T 0T δq T -T 0R ∫p 0p δp
p 可以看出,LNG 的冷量火用包括温度火用和压力火用两部分。其中温度火用为
ex T =c p (T -T 0)+c p T 0
∫T 0T δq T =c p (T -T 0)+c p T 0ln T 0T 压力火用为ex p =-T 0
R ∫p 0
p δp p =T 0R ln p
p 0天然气在液化前要进行纯化处理，分离凝析油、重烃，并去除H 2O ,C O 2,H 2S 以及有机碳化物等杂质，因而LNG 的主要成分是甲烷。LNG 从110K 的低温汽化成常温气体时，吸收(860～883)k J/kg 的热量，如果再进行一定的加压处理，依据以上LNG 冷量火用的分析，对于大型的LNG 接受站来说，其蕴含的冷能是相当大的。
图2 L NG 冷能回收联合法发电流程图2 L NG 冷能的回收利用
211 LNG 冷能回收在发电中的应
用
回收LNG 冷能，依靠动力循
环进行发电是目前LNG 冷能回收
利用的重要内容，且技术相对较为
成熟。通常以电能的形式回收LNG
冷量火用的方式有三种：一是利用温
度火用的中间介质朗肯循环方式(每
吨LNG 的发电量在20kWh 左右)；二是利用压力火用的直接膨胀法；三是综合了二者的联合法(每吨LNG 的发电量在45kWh 左右)。日本是利用LNG 冷能发电最多的国家之一，其装机容量一般在(400～9400)kW 之间。目前较为常见的联合法LNG 冷能回收发电流程图如图2所示。
图中左半部分是靠LNG 与海水或空气的温差驱动的二次冷媒动力循环；右半部分是利用LNG 压力火用直接膨胀的动力系统。系统中二次冷媒的选取较为重要，其物性要达到一定的要求：必须在LNG 范围内不凝固，且具有良好的流动和换热性能，临界温度要高于环境温度，比热大，使用安全。通常选丙烷、乙烯等烃类化合物或者R502等氟里昂类工质以及9
2第4期液化天然气(LNG )冷能回收及其利用
轻烃与氟里昂的混合物。为了提高LNG 冷能的回收效率，二次冷媒动力循环系统中通常采用回热或再热循环，这种回收方式的冷能回收率通常保持在50%左右。
212 LNG 冷能回收在空分中的应用
通常的低温环境都是由电力驱动的机械制冷产生的，由制冷原理可知，随着温度的降低其消耗的电能将急剧增加。在一定的低温蒸发范围内，蒸发温度降低1K，能耗要增加10%。利用回收的LNG 冷能和两级压缩式制冷机冷却空气制取液氮、液氧，制冷机很容易实现小型化，电能消耗也可减少50%(原来生产1m 3的液氧电耗为112kWh ，采用LNG 冷量回收的方法可使电耗减小015kWh )，水耗减少30%，这样就会大大降低液氮、液氧的生产成本，具有可观的经济效益。低成本制造的液氮可以使LNG 应用的温度领域扩展到更低
的温度带(-196℃
)，如用于真空冷阱、生产半导体器件、食品速冻、低温破碎回收物料以及金属热处理等。利用制取的液氧还可以得到高纯度的臭氧，在污水处理方面用途很大。
此外,LNG 作为空气分离装置的预冷剂，在生产液氩的空分装置中，利用其冷能冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮，可以省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组，使产品能耗平均降低015Wh/Nm 3，
装置的投资费用也可减少10%左右，生产成本降低20%～30%。213 LNG 冷能回收在冷冻、冷藏中的应用
LNG 基地一般都设在港口附近，一则方便船运，二则通常的汽化都是靠与海水的热交换实现的。而大型的冷库基本设在港口附近，这样方便远洋捕获的的鱼类的冷冻加工。回收LNG 的冷能供给冷库是一种非常好的冷能利用方式。将LNG 与冷媒(如R -12
)在低温换热器中进行热交换，冷却后的冷媒经管道进入冷冻、冷藏库，通过冷却盘管释放冷量实现对物品的冷冻冷藏。这种冷库不仅不用制冷机，节约了大量的初投资和运行费用，还可以节约1/3以上的电力。日本神奈川县根岸基地的金鱼超低温冷库，自1976年开始营业至今效果良好。为有效地利用天然气冷能，可将食品冻结及加工装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等按不同的温度带连成一串，使冷媒、管路系统化。通常，管路行程用串联的方式。这种方式是按液化天然气的不同温度带，用不同
的冷媒进行热交换后分别送入低温冻结库或低温冻结
装置(-60℃)、冷冻库(-35℃)、冷藏库(0℃以下)以及果蔬预冷库(0℃～10℃
)，其流程图如图3所示。这样可以使LNG 的冷量几乎无浪费的得以利用，其冷能的利用效率将大大提高，整个成本较之机械制冷会下降3715%。
图3 L NG 冷能回收进行冷冻、冷藏流程图
214 LNG 冷能回收用于制造干冰
以化工厂的副产品二氧化碳为原料，利用回收LNG 的冷能制造液态二氧化碳或者干冰，可节约50%以上的电能。液态二氧化碳在焊接、铸造以及饮料行业的应用非常广泛，干冰的应用领域更多。利用LNG 冷能制造液态二氧化碳或干冰，不但电耗小(012kWh/m 3)，而
03低 温 工 程2002年
且生产的产品的纯度高(可达99199%)。
215 LNG
冷能回收在汽车空调和汽车冷藏车中的应用
随着液化天然气(LNG )汽车的不断发展,LNG 用作汽车清洁燃料的同时，可以将其冷量回收用于汽车空调或汽车冷藏车。这样就无需给汽车单独配备机械式制冷机组，既节省了投资，又消除了机械制冷带来的噪声污染，具有节能和环保的双重意义，是一种真正意义上的“绿”汽车，尤其适用于设在城市中心地带的商业步行街或其他有噪声污染限制的地区。图4为LNG 冷能回收在汽车冷藏车中的应用示意图。图4 L NG 冷能回收用于汽车冷藏车示意图
11气体发动机;21加热器;31控制阀;41LNG 储液罐;51冷冻货物;61热交换器。在炎热的夏季，货物在冷库经
充分的预冷后装上冷藏车，开始不
需要消耗过多的冷量，此时LNG 液
化后产生的冷量储存在蓄冷板中。
随着运输时间的增加、开门次数的
增多引起的负荷增大,LNG 汽化后
产生的冷量就直接进入车厢，与蓄
冷系统同时供冷，以维持车厢中的
温度。按冷藏车每小时消耗(12～
15)kg LNG，其制冷能力为218kW ，足以提供将预冷后的货物进行中短途的冷藏运输。世界上首台LNG 冷
藏车首先由德国的梅赛尔公司制造完成，并于1997年底在德国REWE 零售连锁店投入使用。这种冷藏车经过98年一个夏天的运输检验，以其稳定的运行工况、良好的冷藏效果以及轻污染的环保优势，得到了科隆地区政府的认可。
3 结论
对LNG 蕴藏的大量的冷能进行了系统地分析，并指出有效地将该冷能进行回收，合理地应用于空分、发电、制造干冰、低温冷库、汽车冷藏、汽车空调等生产、生活的各个领域，可以节约大量的电力资源。
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(下转第42页)
13第4期液化天然气(LNG )冷能回收及其利用
24低 温 工 程2002年
A NEW AIR CON DITIONING SYSTEM OF A CAR
———SING LE2EFFECT LITHIU MBR OMI DE
ABSORPTION H OT2COLD WATER UNIT
X iao Y ouming1) Sun Heng1) Zhu H ongmei1) Xu lie1) Liu Zhenquan2)
(1)Institute of Refrigeration and Cry ogenic Engineering Shanghai Jiaotong Universtiy200030)
(2)C ollege of Petrochem ical T echnology G ansu Univ.of T echn Lanzhou730050)
ABSTRACT In order to reduce the consum ption of oil and im prove the m otivity of the car,the method of the therm odynamics and the heat trans fer is used,and the analysis and the com foaris on of the present car air conditioning system with that of single2effect lithiumbromide abs orption hot2cold unit were made.It is shown that it is possible to use single2effect lithiumbromide abs orption
hot2cold water unit driven by high tem perature cooling fluid of the car engine to replace the present car air conditioning sys2 tem.A w ork principle of single2effect lithiumbromide abs orption hot2cold water unit applied in the car air conditioning system is introduced.
KE YWOR DS single2effect lithiumbromide abs orption hot2cold water unit,car air conditioning; exhausted heat utilization,car engine
(上接第31页)
RECOVER Y AN D UTI LIZATION OF L NG
(LIQUEFIED NATURAL GAS)COLD ENERG Y
Wang Qiang Li Y anzhong Zhang Chaochang
(Institute of Refrigeration and Cry ogenics Engineering,X i′an Jiaotong University,X i′an710049)
ABSTRACT LNG(Liquefied Natural G as)has plenty of cold energy when stored at low tem pera2 ture(110K).The energy will be used efficiently if the cold energy is recovered and utilized in such areas as air separating,power generating,making of s olid C O2,low tem perature cold storage,auto a
ir-condi2 tioning and cold storage auto.It has both great economy and s ocial benefit to greatly decrease the electric power consuming.
KE YWOR DS LNG;cold energy recovery;utilization
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