液化天然氣的“冷知識”

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣，主要成分是甲烷，是一種清潔的化石能源。LNG大船的儲罐中，不僅儲存著供我們?nèi)∨?、做飯用的天然氣，也儲存著巨大的冷能。什么是冷能呢？LNG儲罐中的液化天然氣溫度在零下162℃，當(dāng)?shù)竭_(dá)沿海的接收站之后，將被約20℃的海水加熱之后恢復(fù)氣態(tài)，在熱交換過程中，由溫度變化和氣化釋放的相變熱稱之為冷能。

理論上，每噸液化天然氣汽化后可以放出83萬千焦的能量，相當(dāng)于231度電。相比于化石能源，冷能釋放的過程中不產(chǎn)生二氧化碳和含硫污染物，是一種清潔的能量儲存形式。2020年，中國LNG接收能力已經(jīng)達(dá)到7742萬噸/年，可以說LNG接收站是一座座能量寶庫，冷熱之間蘊(yùn)含著可觀能量。如何將冷能進(jìn)行綜合利用、提高利用率，是一項重要的課題。

冷能最廣泛的利用方式主要有空氣分離制取液氧和液氮，制取干冰，冷庫制冷等，廣東深圳大鵬灣還建設(shè)了人造滑雪場，給炎熱的廣東帶來冰爽的北國風(fēng)光。然而，“能量寶庫”一旦開啟，LNG大顯身手的場景可不止于低溫制冷。

深圳大鵬灣LNG冷能滑雪場館

LNG冷能發(fā)電技術(shù)

LNG在輸入天然氣管網(wǎng)走進(jìn)千家萬戶前，需要先從液體變成高壓常溫的氣體。海水加熱LNG進(jìn)行汽化的過程中體積膨脹，可以驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是直接膨脹發(fā)電的原理。發(fā)電機(jī)的設(shè)計可以基于朗肯循環(huán)，大大提高了發(fā)電效率。

朗肯循環(huán)中，LNG不直接與海水進(jìn)行熱量交換，而是采用冷媒作為能量的“搬運(yùn)工”。冷媒為氨氣、丙烯、氟利昂等相比于甲烷更易液化、熱容大、熱穩(wěn)定性好的氣體。低壓下，它們的熱量被LNG吸收后凝結(jié)成液體，然后經(jīng)過泵提高壓力、加熱變成高壓蒸氣，接著變成低壓蒸氣同時帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

日本是全球最大LNG接收國家，也是冷能利用率最高的國家，其最主要的用途就是低溫發(fā)電。日本泉北LNG接收基地的LNG冷能發(fā)電站于1979年投運(yùn)，至今仍在運(yùn)行，此外在巖崎、新瀉、知多等地的接收站都建有LNG冷能電站，裝機(jī)容量一般在400～9400千瓦。

小貼士：朗肯循環(huán)，是指以水蒸氣作為工質(zhì)的一種理想循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹以及一個等壓冷凝過程，用于蒸汽裝置動力循環(huán)。朗肯循環(huán)理論的奠基人朗肯(W.J.M. Rankine，1820—1872)是英國科學(xué)家，被后人譽(yù)為那個時代的天才，他在熱力學(xué)、流體力學(xué)及土力學(xué)等領(lǐng)域均有杰出的貢獻(xiàn)。他建立的土壓力理論，至今仍在廣泛應(yīng)用。朗肯計算出的熱力學(xué)循環(huán)(后稱為朗肯循環(huán))的熱效率，被作為蒸汽動力發(fā)電廠性能的對比標(biāo)準(zhǔn)。

LNG冷能海水淡化與制冰

在我們生活的這個藍(lán)色星球上，水孕育著生命，然而淡水資源只占地球總水量的2.53%，其中還包括無法大規(guī)模取用的冰川和高山冰冠中的水。同時氣候變化、人口增長加劇了人們的水資源焦慮，因此如何將近乎無限的海水進(jìn)行淡化和利用，是人類一直以來的夢想。

人類從海水提取淡水的嘗試始于16世紀(jì)末，通過制造蒸餾器具，采用直接蒸發(fā)的方法加熱海水，收集冷凝的水，供船上使用。我國第一座海水淡化裝置于1920年前后建于山東省威海市劉公島，同樣采用了蒸餾這一古老的技術(shù)。

隨著科技的進(jìn)步、新材料的發(fā)明，傳統(tǒng)蒸餾法由于能量消耗大、鍋爐易結(jié)垢、獲得淡水少的弊端已然式微，多級閃蒸、反滲透、電滲析、冷凍法各顯神通，并可使用風(fēng)能、太陽能等清潔能源供能。目前世界上已有160多個國家在運(yùn)用海水淡化技術(shù)獲取淡水，全球有海水淡化廠2萬多座，海水淡化日產(chǎn)量超過12000萬噸，可以解決2億人的用水問題。

冷凍法是將海水凍結(jié)，在液態(tài)海水變成固態(tài)冰的同時將鹽分分離出去。與蒸餾法和膜滲透法相比，冷凍能量消耗更低，對設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢程度輕，更重要的是可以處理高含鹽量的海水，是一種具有潛力的海水淡化法。來到接收站的LNG在汽化過程中釋放巨大冷能，可以供給冷媒凍結(jié)海水直接產(chǎn)出淡水，也可以經(jīng)過初步冷凍淡化后與低溫蒸餾膜、反滲透膜等方法相結(jié)合，獲得高純水。

我國上海洋山港、浙江寧波、深圳大鵬、福建莆田的LNG接收站都分別建成了日產(chǎn)淡水1000噸以上的凈化裝置，提供工業(yè)與民生用水。

LNG冷能低溫粉碎廢舊橡膠

橡膠是我們最為親密的高分子材料朋友之一，它被加工成各種形態(tài)，在人類文明的世界里大顯神通：家中常備的雨鞋、家務(wù)手套、車用輪胎，以及工廠生產(chǎn)線上的傳送帶、醫(yī)院里的外科手套、輸液瓶塞、科學(xué)研究使用的氣象探空氣球、精密密封部件，甚至被帶上宇宙飛船經(jīng)歷太空之旅，都利用了橡膠隔水、絕緣、彈性好，能耐得住冷熱酸堿的優(yōu)良特點。

近年來，全球橡膠年使用量接近3000萬噸，包括天然橡膠與合成橡膠，大量廢棄的橡膠難以自然降解，造成水體和土壤污染，成為比塑料帶來的“白色污染”更令人棘手的“黑色污染”。特別是我國作為世界第一大橡膠消費(fèi)國，每年廢棄的廢舊輪胎等橡膠制品數(shù)量巨大，如何變廢為寶、循環(huán)利用，是一項巨大的挑戰(zhàn)。

由于構(gòu)成橡膠的分子之間通過緊密相連的化學(xué)鍵“手拉手”，并形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此需要通過冷凍與機(jī)械研磨的綜合作用破壞橡膠結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)再生。低溫粉碎裝置需要將橡膠的處理溫度冷卻到零下130℃以下，此時原本柔軟、富有彈性的橡膠會變硬變脆，機(jī)械研磨機(jī)的巨大“磨盤”碾過，橡膠會變成膠粉，膠粉可以被重新加工成橡膠，加入瀝青作為路面材料，或者與其他樹脂、塑料一起加工成復(fù)合材料實現(xiàn)循環(huán)利用。

只要有需要低溫的應(yīng)用場景，就是LNG這座冷量寶庫大顯身手之時。由于LNG氣化站沿海分布、站點廣泛，可以就地建設(shè)廢舊橡膠粉碎處理裝置，節(jié)約廢舊橡膠處理產(chǎn)業(yè)的運(yùn)輸成本。

作者：婁舒潔