LNG冷能用于制冰技术开发.doc

LNG冷能用于制冰技术开发
腾云龙，张 辉，安成名，徐文东
（1华南理工大学化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东 广州 510640）
摘 要： 本文提出了一种液化天然气（LNG）冷能用于制冰的撬装化装置，该装置包括三个系统，LNG气化系统、冷媒循环系统和制冰系统。LNG通过气化系统将冷能传给冷媒，冷媒又将冷能通过制冰系统传给水，冷媒解决了LNG气化和应用在时间和空间上不同步的问题。在该装置中0.28kg/s LNG制得冰0.6kg/s，总投资90万元，年节电效益达72万元，每年出售冰可以获得利润260万元。该工艺法的LNG冷能利用率可达95.57％，其冷火用利用率仅10.36％，尚有较大利用空间，还可用于废旧橡胶低温粉碎、CO2液化、冷库等。
关键词：LNG；冷能利用；制冰；撬装化
LNG cryogenic energy technology development for ice
（Key Lab of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education，School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）
Abstract：The project proposes a skid of device used by LNG cold energy for ice. The device consists of three systems, LNG gasification, the refrigerant circulation system and ice production system. LNG cold energy will pass to the refrigerant through the gasification system and the refrigerant will pass to ice through ice system. Meantime, the issue of asynchrony of the LNG gasification and application in time and space will be solved. 0.6 Kg/s ice has been prepared by LNG of 0.28Kg/s in the device, with a total investment of 900 thousand, energy-saving benefits of 720 thousand /year and ice sale benefits of 2.60 million. In the process, the cold energy use ratio of LNG up to 95.57%, cold exergy use ratio up to 10.36%. With a large potential in the utilization of LNG, it can be also used for cryogenic comminution of waste rubber, liquid carbon dioxide preparation cold storage etc.
Key words: LNG; cold energy; ice; skid of the device
1绪论
我国LNG产业的迅猛发展和天然气管网基础建设的相对落后，使得LNG卫星气化站遍地开花。LNG气化过程释放约830 kJ/kg的冷能[1]， 因此LNG卫星站的冷能利用研究倍受关注。2007年9月28日，由中海油基地集团控股投资建设的我国首个利用LNG冷能进行空气分离的生产项目。顺德港华与华南理工大学共同开发的杏坛LNG卫星站冷能用于冷库技术项目尚属国内首个运营的LNG 冷能利用项目，在该领域起到引领示范作用[2]。
目前LNG冷能利用技术研究较多，主要包括于空气分离、发电、轻烃分离、冷冻冷藏、海水淡化、干冰制造[3]等。LNG冷能技术还可以用于制冰行业，随着经济的发展，人民生活水平的提高，中西方文化的融合，中国用冰市场发展潜力巨大。各种人造冰已经广泛应用在商业、农业、工业和医疗等行业，所产生的经济效益和社会效益已经超出了行业的想象。2010年前9个月酒店对制冰机的求购和搜索在酒店用品市场持续占据了前5名的位置。用冰需求的不断增加为制冰行业带来无限机遇的同时，也对制冰技术提出了挑战。但LNG冷能的利用的难度主要在于冷能用户在地点不均匀，造成冷能供需不平衡。类似地，我国的冰需求越来越大，而且冰用户分布不均，连续用冰的需求也不多这样的需求现状与LNG卫星站的冷能利用相吻合，于是制冰行业的发展为冷能充分利用提供了契机。
本文提出了一种LNG冷能用于制冰的撬装化装置[4]，包括LNG气化系统、冷媒循环系统和制冰系统。把LNG与冷媒换热器、冷媒储罐、制冰机以及相应的管路和控制装置集成在一个撬装化系统里面，一方面节约设备成本，另一方面，撬装化设备有利于在不同卫星站之间的灵活利用，减少投资风险，提高了卫星站的冷能利用率，对于实现节能减排的目标具有重大的意义。
2 LNG撬装化装置冷能利用项目技术方案
本文提出的LNG冷能用于制冰的撬装化装置包括三个系统：LNG气化系统、冷媒循环系统和制冰系统，目的在于克服现有技术的不足提高LNG冷能利用率和市场竞争力。LNG冷能利用于制冰的技术方案如图1。

图1 LNG冷能用于制冰工艺流程图
1-LNG储罐；2、8、13-调节阀；3、7、12-离心泵；4-LNG-乙二醇换热器； 5-乙二醇水溶液冷储罐；6、11-液位计；9-制冰机； 10-乙二醇水溶液常温储罐。
具体流程：将LNG分成两股，一股LNG进入气化器气化为常温的天然气，经调压阀调压至0.3MPa-0.35 MPa后，进入城市管网，完成LNG的气化。另一股LNG与冷媒储罐出来的冷媒乙二醇水溶液进行换热后气化升温至常温，再与原LNG气化系统中的天然气混合，最终送入城市管网。同时，冷却后的乙二醇水溶液，经泵输入制冰机用于制冷，完成低压乙二醇水溶液制冷循环。
以0.28kg/s的LNG，2kg/s的乙二醇水溶液为冷媒为例。LNG、乙二醇水溶液和自来水的流程参数如表1。
表1 LNG、乙二醇水溶液和自来水的流程参数

流量/(Kg/s)
进口压力/MPa
出口压力/ MPa
进口温度/℃
出口温度/℃
LNG
0.28
0.1
0.3-0.5
-162
15
乙二醇水溶液
2
0.1
0.3-0.5
1
-35
自来水
0.6
0.1
0.1
20
0

流量1008Kg/h（0.28Kg/s）的LNG，每小时获得冰2吨。按照每吨冰电力消耗约80kWh，一般电价0.8元/kWh和夜间峰谷电价0.45元/kWh（8小时）计算，每天节电效益约2624元，年效益达96万元。按照每吨冰200元左右，每年出售冰可以获得利润350万元。
3冷能利用节电效益及潜力分析
3.1 节电效益分析
参考相关文献[5]，在电制冰流程里面，主要的耗电设备为压缩机。水从20℃结成0℃的冰，需要冷量418kJ/kg水，制1t冰耗电约为80kWh。通过软件模拟，1t LNG气化所放出的冷量用于制冰可制得1.5～1.8t冰。按照1t LNG气化所放出的冷量用于制冰可制得1.5t冰来计，流程上泵耗电按照每生产1.5t冰耗电1.2kWh来计，则1t LNG气化相当于节约电能118.8kWh。
取LNG流量1000kg/h，系统总投资90万左右，预计收益见表2。
表2 预计收益
项目
数值
每吨LNG气化可产出的冰/t
1.5
电制冰1吨所需电量/ kWh
80
工业用电标准/（元/kW h）
一般电价
0.8
夜间峰谷电价
0.45
每天节电效益/元
1968
每年节电效益/万元
72
1吨冰的售价/元
200左右
每年售冰利润/万元
260
可见，LNG冷能用于制冰，可以节约能源并提高LNG的经济效益，还能带动冰价格的下降并取代部分的电制冰量，从而对制冰行业的技术、装置、能耗等方面的发展产生深刻的影响。
3.2冷能利用潜力分析
换热器和制冰机冷热物流温度及其换热温差分布图（见图2和图3）。

图2 换热器冷热物流温度及其换热温差分布
由图2可以看出，当-162℃的LNG与乙二醇水溶液进行热交换时， LNG气化升温至-10 ℃吸收236kw左右的热量，-1℃冷媒乙二醇水溶液降温至-35℃左右，吸收相应的冷量仅降了34℃，说明LNG冷能利用潜力还很大。
图3 制冰机冷热物流温度及其换热温差分布
由图3可得，-35℃的冷媒乙二醇水溶液与20℃的自来水进行热交换时，冷媒乙二醇水溶液由-35℃变为-1℃，吸收237kw左右的热， 20℃的自来水被冷却至0℃并发生相变生成冰，可见其利用价值较为可观。
这里我们引入火用[6]，从火用的角度进行分析。
LNG、C2H6O2水溶液和自来水冷能能级分布如图4。

图4 LNG、C2H6O2水溶液和自来水冷能能级分布
 图4中数据显示，LNG所能提供冷能约254.54kJ/kg，自来水得到冷能约243.25 kJ/kg，则LNG冷能利用率为95.57%。图4中，曲线与横坐标轴所围成的面积就是这种能量所含有的火用值[7-8]， LNG冷能所能提供冷火用约为115.10 kJ/kg，自来水得到冷火用约为11.93kJ/kg，冷火用损失达到103.18 kJ/kg，冷火用利用率为10.36％。
根据制冷原理可知, 要求的工艺温度越低, 常规制冷方式所消耗的能量越多, 在到达一定的低温区时, 蒸发温度每降低1 K, 能耗要增加10%, 此时节能效果也就越明显, 冷火用利用率也越高[9]。
由此可见，将LNG冷能用于制冰，回收了大量LNG高温部分冷能，但LNG低温冷能利用较低，火用损失比例较大，其利用尚有较大发展空间。因此，能源和经济效益会驱动大、小LNG 卫星气化站不断寻找周围潜在的冷能用户、开拓下游市场、售出冷能、降低气化操作成本、提高项目的经济效益。LNG冷能可综合利用于深冷粉碎橡胶[10]、CO2液化、供给冷库、冷水[11]等。
5结论
① 该项目投资少、操作简单，在解决冷污染问题的同时，可创造较高经济效益且不影响天然气的正常使用，只是火用的利用率偏低，其利用率有待提高。
② 该项目系统总投资90万元，节电效益72万元，年均冰销售收入260万元，在整个项目寿命期内有较高的盈利，开发此项目经济价值是相当可观的。
③ 该项目中LNG冷能利用率可达95.57％，但其冷火用利用率仅10.36％，尚有较大利用空间。因此该项目远期规划拟建立冷媒循环系统来回收利用LNG冷能，用于废旧橡胶低温粉碎、CO2液化和供给冷库冷水等项目，高效利用LNG冷能。
参考文献
[1] 朱刚，顾安忠．液化天然气冷能的利用[J]．能源工程，1999，(3)：1- 2．
[2] 刘宗斌，黄建卫，徐文东. LNG卫星站冷能用于冷库技术开发及示范[J]．燃气技术，2010，9（427）：8-10．
[3] 李静，李志红，华贲．LNG冷能利用现状及发展前景[J]．天然气工业，2005，25(5)：103-105．
[4] ZHANG J，JIANG T，CNWANG J，LI F， DENG B，YANG G，NING Y，CHEN C．Liquefied natural gas filling station device，has liquefied natural gas low-temperature storage tank and liquefied natural gas skid mounted pump that are connected by metal flexible pipe, where pump comprises self-pressure-reducing module：CN，201672243-U[P]，2010-12-15.
[5] 钟栋梁，刘道平，邬志敏．制冰原理与技术发展[J]．制冷与空调，2007，7（3）：5-9．
[6] 谷雅秀，吴裕远．火用传递与火用经济分析的研究进展与展望[J]．西安交通大学学报，2005，25（2）：21-25．
[7] 刘宗斌，郑惠平，尚巍，徐文东．LNG卫星站冷能用于项目开发[J]．煤气与热力，2010，30(9)：1-5．
[8] Lin Ri-yi ; Yu Xichong ; Li Jian ; Li Yuxing ; Wang Wuchang.Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring: CDCIEM 2011：Exergy Analysis for LNG Refrigeration Cycle ,Feb 19-20,2011[C].[出版地不详]，2011.
[9] 周廷鹤，彭世尼．LNG冷能利用技术探讨[J]．燃气技术，2008，405(11)：15-18．
[10] Xiong Yong-qiang，Hua Ben，Li Ya-jun，Jia De-min．Integration Analysis of LNG Cold Energy Utilization in Cryogenic Pulverization of Waste Rubber．Journal of South China University of Technology[J]，2009，37(12)：58-63．
[11] 王坤，顾安忠，鲁雪生，石玉美．LNG冷能利用技术及经济分析[J]．天然气工业，2004，24(7)：122-125．