冷能利用進階指南：LNG產業鏈的綠色能源新機遇
前言
前言
天然氣是當今世界能源消耗中的重要組成部分，與煤炭、石油并稱為世界能源的三大支柱。其液態形式LNG（液化天然氣）在儲存和運輸中需經歷低溫液化（-162℃）與常溫氣化的過程。這一過程不僅解決了天然氣跨區域輸送的難題，還釋放出巨大的冷能資源。如何高效利用這一“低溫財富”，已成為全球能源行業關注的焦點。
一、冷能的價值與基礎概念
冷能的本質是溫差能，即利用低溫介質與常溫環境之間的溫度差實現能量轉換。LNG在-162℃液態下儲存，氣化時需吸收大量熱量，釋放的冷能可通過熱力學循環轉化為電能或直接用于低溫工業場景。
據統計，每噸LNG在氣化過程中釋放的冷能約為240kWh，能量相當可觀。以240kWh/t的冷能能量計算，2023年我國8029.39萬噸的LNG消費量蘊藏的冷能突破200億kWh。預計到2029年，LNG冷能潛在市場價值量空間將接近250億元。
二、冷能如何轉化為實際應用
冷能利用的核心在于根據溫度梯度和場景需求選擇技術方案，將LNG氣化過程中釋放的低溫能量轉化為工業、農業或民用的實際價值，主要分為直接利用與間接利用兩類。
1、空氣分離：低溫技術的核心場景
空氣分離是目前LNG冷能應用最成熟的領域。低溫空氣分離技術是利用空氣中各組分沸點的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，通過對冷卻液化后的空氣進行精餾和分離獲得液氧和液氮，氧和氮的露點極低（-170℃左右），液化需要大量的低溫冷能。低溫空氣分離裝置由以下幾部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水分、雜質去除；空氣冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產品的冷量回收及壓縮。
在膨脹環節，將機械能轉化為空氣的冷能，在主換熱器中冷卻液化空氣，液化后的空氣進入精餾塔精餾。通過膨脹做功，把空氣冷卻到-170℃以下，需要消耗大量的機械能增壓。因此，利用LNG的優質冷能替換部分機械能，從而降低耗電量。通常的做法是在傳統空分裝置增加冷量回收換熱器，使用空分塔塔頂抽出的高壓純N2，在回收換熱器回收LNG的冷量，將冷能帶入系統內，因而節約了先對空氣進行增壓、再膨脹制冷的增壓機和膨脹機環節。
以福建莆田LNG冷能空分項目為例，該項目利用LNG冷能和少量電能使空氣低溫液化，生產液氮、液氧和液氬等氣體產品。相較于常規生產方式，該技術節能50%、節水70%以上，日產量達600噸，成為國內首個成功實施的LNG冷能利用項目。
2、冷能發電：多路徑能源轉化
目前世界各地LNG接收站多半設有冷能發電系統，例如日本、比利時、韓國、德國等均建有冷能發電裝置。LNG接收站通常使用海水氣化LNG，經過熱交換后的海水流入大海，(830~860)Χ1000 KJ/T冷能隨之浪費，這些能量可以通過適當的工藝，被利用來進行發電。
冷能發電技術通過熱力學循環將溫差能轉化為電能，主要分為四大類：直接膨脹法；蒸汽動力循環（基RANKIN循環）；燃氣動力循環（基本BRAYTON循環）；聯合法（包括：低溫RANKINE循環、低溫BRAYTON循環、復合多級循環、結合回熱的聯合循環）等。
日本在此領域處于領先地位，冷能發電裝置（CPP）由大阪燃氣開發，于1979年在全球首次商業運行，目前全世界約有10套CPP在運行（主要在日本），其中有5套在大阪燃氣的接收站。
3、輕烴分離：高附加值產業鏈的延伸
LNG中除甲烷外，常含少量乙烷、丙烷等輕烴組分。通過低溫精餾技術，這些輕烴可被分離為乙烯原料或液化石油氣（LPG），顯著降低石化行業能耗。在美國，從LNG中分離出 C2+輕烴已成為調節天然氣熱值，使之符合國家標準的重要手段。
上圖是輕烴分離的典型流程，它充分利用了LNG冷量，設備投資和運營成本較低。常壓LNG通過泵提壓后分流成大小兩股，分別通過換熱器進一步預熱，再輸送到脫甲烷塔進行分離。通過脫甲烷塔分離，冷凝液體再進入分離器將氣液分離。氣相甲烷在預熱器中與LNG換熱后通過壓縮機壓縮，在再冷凝器中用分離的液相甲烷冷凝為液體，再加壓氣化外輸。塔釜的液相出料主要為C2+輕烴。
4、冷凍與冷庫：冷能梯級利用
利用LNG冷能作為冷源的冷庫，將載冷劑冷卻到一定溫度后經管道進入冷凍、冷藏庫，通過冷卻盤管釋放冷能，實現對物品的冷凍、冷藏。另外，還可按LNG不同溫級，采用不同的載冷劑進行換冷后分別送人對溫度要求不同的冷間，這樣LNG冷能的利用率將大幅提高。
雖然冷庫使LNG的冷能幾乎無浪費地利用，且不用制冷機，降低了系統造價及運行費，但一般的冷庫只需維持在-50～-65℃即可，而將-162℃的LNC冷能全部用于冷庫制冷是不必要的。為有效利用天然氣冷能，可將低溫凍結庫或低溫凍結裝置、冷凍庫、冷藏庫及預冷裝置等按不同的溫度帶串聯。
5、低溫粉碎：資源回收與環保雙贏
低溫粉碎通常是利用空分的產品液氮提供低溫，可在低溫下破碎常溫難以破碎的物質。與常溫破碎相比，低溫粉碎能把物質破碎成極小的微粒。
隨著汽車工業的迅速發展，廢舊輪胎等工業廢物的處理技術也需要快速提高，否則將會占用大量的環境資源，造成環境污染。幸運的是，LNG冷能為此提供了新的解決方案。
以LNG的冷能作為冷源，以橡膠冷凍和粉碎機低溫粉碎作為用冷對象，通過中間介質進行熱交換，從LNG獲取冷能，使廢舊橡膠溫度降低，并供給粉碎機所需的冷能。
福建LNG項目冷能利用的另一個項目是低溫橡膠粉碎，是國內首條LNG冷能間接利用的示范生產線。該項目采用先進工藝，生產純度高、質量優的二次橡膠綠色產品。項目一期總投資1億元，年處理廢舊輪胎2萬噸，生產精細膠粉1.3萬噸，副產鋼絲5000噸、纖維2000噸，實現資源回收與環保雙贏。
6、海水淡化：冷能驅動的淡水資源
目前海水淡化的工藝方法有：蒸餾法、冷凍法、反滲透法、電滲吸法、水合物法等，成本很高。
冷凍法分為天然冷凍法和人工冷凍法，人工冷凍法又可分為間接冷凍法和直接冷凍法。間接冷凍法是通過低溫冷凍劑與海水進行間接換熱使海水冷凍結冰實現海水淡化；直接冷凍法是通過冷凍劑與海水直接接觸而使海水結冰實現海水淡化。LNG冷能可以通過間接利用方式，為中間冷媒提供冷量，從而節省了壓縮的機械能，實現海水淡化，生產淡水。
我國上海洋山港、浙江寧波、深圳大鵬、福建莆田等地的LNG接收站均已建成日產淡水1000噸以上的凈化裝置，為工業和民生提供穩定的水源。
7、海水養殖：冷能生態創新
冷能在生態領域的應用正逐步拓展，其中海水養殖成為近年來的創新方向，為可持續漁業發展提供了新思路。后續文章將深入探討冷能如何賦能“藍色糧倉”，推動海水養殖產業升級。
2024年1月18日，大鵬LNG啟動冷能利用養殖示范項目，通過冷能調節海水溫度，實現高密度水產養殖，構建“陸地海洋牧場”，年產量預計可達10萬斤。據測算，1立方米海水溫度降低5攝氏度，需要消耗5.8千瓦的能量。養殖示范項目利用的冷能相當于每年為社會節約用電197萬千瓦時、減排二氧化碳1800噸。
三、冷能利用的未來方向
從工業氣體生產到冷鏈物流，從發電到生態養殖，冷能技術已滲透至多個產業環節。日本的經驗表明，冷能利用率可達20%以上，而我國通過莆田、大鵬等項目的實踐，正逐步縮小與國際領先水平的差距。未來，冷能技術將向智能化、模塊化發展，結合物聯網實現冷能供需動態匹配。
隨著全球LNG貿易的增長，冷能利用將成為企業降本增效、踐行社會責任的關鍵路徑。如何通過技術創新與政策引導，釋放這一“隱藏能源”的潛力，將是未來能源領域的重要課題。
