液化天然气的“冷知识”

2022-04-22 10:42:13 来源：科普中国

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气，主要成分是甲烷，是一种清洁的化石能源。LNG大船的储罐中，不仅储存着供我们取暖、做饭用的天然气，也储存着巨大的冷能。什么是冷能呢？LNG储罐中的液化天然气温度在零下162℃，当到达沿海的接收站之后，将被约20℃的海水加热之后恢复气态，在热交换过程中，由温度变化和气化释放的相变热称之为冷能。

理论上，每吨液化天然气汽化后可以放出83万千焦的能量，相当于231度电。相比于化石能源，冷能释放的过程中不产生二氧化碳和含硫污染物，是一种清洁的能量储存形式。2020年，中国LNG接收能力已经达到7742万吨/年，可以说LNG接收站是一座座能量宝库，冷热之间蕴含着可观能量。如何将冷能进行综合利用、提高利用率，是一项重要的课题。

冷能最广泛的利用方式主要有空气分离制取液氧和液氮，制取干冰，冷库制冷等，广东深圳大鹏湾还建设了人造滑雪场，给炎热的广东带来冰爽的北国风光。然而，“能量宝库”一旦开启，LNG大显身手的场景可不止于低温制冷。

深圳大鹏湾LNG冷能滑雪场馆

LNG冷能发电技术

LNG在输入天然气管网走进千家万户前，需要先从液体变成高压常温的气体。海水加热LNG进行汽化的过程中体积膨胀，可以驱动发电机发电，这就是直接膨胀发电的原理。发电机的设计可以基于朗肯循环，大大提高了发电效率。

朗肯循环中，LNG不直接与海水进行热量交换，而是采用冷媒作为能量的“搬运工”。冷媒为氨气、丙烯、氟利昂等相比于甲烷更易液化、热容大、热稳定性好的气体。低压下，它们的热量被LNG吸收后凝结成液体，然后经过泵提高压力、加热变成高压蒸气，接着变成低压蒸气同时带动发电机发电。

日本是全球最大LNG接收国家，也是冷能利用率最高的国家，其最主要的用途就是低温发电。日本泉北LNG接收基地的LNG冷能发电站于1979年投运，至今仍在运行，此外在岩崎、新泻、知多等地的接收站都建有LNG冷能电站，装机容量一般在400～9400千瓦。

小贴士：朗肯循环，是指以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀以及一个等压冷凝过程，用于蒸汽装置动力循环。朗肯循环理论的奠基人朗肯(W.J.M. Rankine，1820—1872)是英国科学家，被后人誉为那个时代的天才，他在热力学、流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献。他建立的土压力理论，至今仍在广泛应用。朗肯计算出的热力学循环(后称为朗肯循环)的热效率，被作为蒸汽动力发电厂性能的对比标准。

LNG冷能海水淡化与制冰

在我们生活的这个蓝色星球上，水孕育着生命，然而淡水资源只占地球总水量的2.53%，其中还包括无法大规模取用的冰川和高山冰冠中的水。同时气候变化、人口增长加剧了人们的水资源焦虑，因此如何将近乎无限的海水进行淡化和利用，是人类一直以来的梦想。

人类从海水提取淡水的尝试始于16世纪末，通过制造蒸馏器具，采用直接蒸发的方法加热海水，收集冷凝的水，供船上使用。我国第一座海水淡化装置于1920年前后建于山东省威海市刘公岛，同样采用了蒸馏这一古老的技术。

随着科技的进步、新材料的发明，传统蒸馏法由于能量消耗大、锅炉易结垢、获得淡水少的弊端已然式微，多级闪蒸、反渗透、电渗析、冷冻法各显神通，并可使用风能、太阳能等清洁能源供能。目前世界上已有160多个国家在运用海水淡化技术获取淡水，全球有海水淡化厂2万多座，海水淡化日产量超过12000万吨，可以解决2亿人的用水问题。

冷冻法是将海水冻结，在液态海水变成固态冰的同时将盐分分离出去。与蒸馏法和膜渗透法相比，冷冻能量消耗更低，对设备的腐蚀和结垢程度轻，更重要的是可以处理高含盐量的海水，是一种具有潜力的海水淡化法。来到接收站的LNG在汽化过程中释放巨大冷能，可以供给冷媒冻结海水直接产出淡水，也可以经过初步冷冻淡化后与低温蒸馏膜、反渗透膜等方法相结合，获得高纯水。

我国上海洋山港、浙江宁波、深圳大鹏、福建莆田的LNG接收站都分别建成了日产淡水1000吨以上的净化装置，提供工业与民生用水。

LNG冷能低温粉碎废旧橡胶

橡胶是我们最为亲密的高分子材料朋友之一，它被加工成各种形态，在人类文明的世界里大显神通：家中常备的雨鞋、家务手套、车用轮胎，以及工厂生产线上的传送带、医院里的外科手套、输液瓶塞、科学研究使用的气象探空气球、精密密封部件，甚至被带上宇宙飞船经历太空之旅，都利用了橡胶隔水、绝缘、弹性好，能耐得住冷热酸碱的优良特点。

近年来，全球橡胶年使用量接近3000万吨，包括天然橡胶与合成橡胶，大量废弃的橡胶难以自然降解，造成水体和土壤污染，成为比塑料带来的“白色污染”更令人棘手的“黑色污染”。特别是我国作为世界第一大橡胶消费国，每年废弃的废旧轮胎等橡胶制品数量巨大，如何变废为宝、循环利用，是一项巨大的挑战。

由于构成橡胶的分子之间通过紧密相连的化学键“手拉手”，并形成交联的网络结构，因此需要通过冷冻与机械研磨的综合作用破坏橡胶结构，实现再生。低温粉碎装置需要将橡胶的处理温度冷却到零下130℃以下，此时原本柔软、富有弹性的橡胶会变硬变脆，机械研磨机的巨大“磨盘”碾过，橡胶会变成胶粉，胶粉可以被重新加工成橡胶，加入沥青作为路面材料，或者与其他树脂、塑料一起加工成复合材料实现循环利用。

只要有需要低温的应用场景，就是LNG这座冷量宝库大显身手之时。由于LNG气化站沿海分布、站点广泛，可以就地建设废旧橡胶粉碎处理装置，节约废旧橡胶处理产业的运输成本。

关键词：海水淡化液化天然气循环利用