液化天然气再气化时会放出很大的冷量，其值大约为830kJ/kg（包括液态天然气的气化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热）。通常这部分冷能在气化器中随海水或空气而散失，造成极大的能源浪费。为此，通过特定的工艺技术可以回收冷能，从而达到节约能源、提高经济效益的目的。国外对LNG冷能的利用已经展开了深入细致的研究，并在低温发电、冷冻食品与空气液化等方面已达到实用程度。
图1 液化天然气的冷能利用系统示意图
天然气作为液体状态存在时有利于其储存和运输，但天然气最终被利用时的状态必须是气态，因此，液化天然气在被利用之前必须先经过汽化。
表1世界主要国家或地区LNG冷能利用情况
国家或地区
LNG冷能利用率/%
LNG冷能利用方式
日本
东京湾根岸
43
冷能空分，冷能发电，液体二氧化碳和干冰，深冷仓库
北九州
20
冷能空分
韩国
＜20
冷能空分，食品冷冻
中国台湾
＜20
冷能空分，筹建国际低温物流中心
表2中国进口LNG项目规划的冷能利用内容
接收站
一期规模（t/a）
LNG气化量(t/h)
冷能利用规划
福建莆田
260×104
325
空分、轮胎粉碎、冷（粮）库
广东大鹏
370×104
462.5
分离轻烃、空分、发电、燃机进气冷却、制冰、空调等
上海
300×104
375
空分、发电、轮胎粉碎、冷库、煤、IGCC气化合成氨、干冰、海水淡化、
浙江
300×104
375
空分（600t/d 液态产品）
江苏
300×104
375
空分（600t/d 液态产品）
大连
200×104
250
空分、冷库
唐山
600×104
750
大规模空分、煤气化、伴生气轻烃分离、冷媒循环产业链
利用LNG冷能的过程可分为两类：直接利用和间接利用。
1LNG冷能的直接利用
1.冷能发电
冷能发电以电能的形式回收LNG冷能，发电方式主要有：
直接膨胀法
二次媒体法
联合法
(1)直接膨胀法
利用高压天然气直接膨胀发电的基本循环包括从LNG贮槽来的LNG经泵加压后，在蒸发器加热气化成高压天然气，经透平膨胀成低压气体，同时对外输出动力发电。
图2 天然气直接膨胀法发电工艺流程
（2）二次媒体法
利用中间载热体的朗肯循环冷能发电，将低温的液化天然气作为冷凝液，通过冷凝器把冷量转化到某一冷媒上，利用液化天然气与环境之间的温差，推动冷媒进行蒸汽动力循环，从而对外做功。
图3 利用中间载热体的郎肯循环LNG冷能发电基本流程
在二次媒体法中，工作媒体的选择非常重要。工作媒体有甲烷，乙烷，丙烷等单组分，或者采用它们的混合物。液化天然气是多组分混合物，沸程很宽，要提高效率，使液化天然气的气化曲线与工作媒体的凝结曲线尽可能保持一致是十分必要的。因此，使用混合媒体更有利。这种方法冷能回收效率也必然受到限制大约为36%。
（3）联合法。
其综合了直接膨胀法与二次媒体法。低温的液化天然气首先被压缩提高压力，然后通过冷凝器带动二次媒体的蒸汽动能循环对外做功，最后天然气再通过气体透平膨胀做功。
图4 联合法LNG冷能发电流程
（4）方法选取
1、在LNG气化压力较高（2-5MPa）情况下，采用朗肯(Rankin)循环发电，LNG冷量的40%-55% 可转化为压力能供发电用。
2、在LNG气化压力较低（0.5-1.5Mpa）情况下，则采用直接膨胀和朗肯循环组合的方式发电。
综上所述，LNG冷能发电，虽然不失为一种节能的好方法，但它只考虑到对LNG冷能的回收利用，并未注意到对LNG冷能品位的利用。这种方法对冷能的回收效率是非常低的。所以在发电装置中利用LNG冷能虽然是最可能大规模实现的方式，但却不是利用LNG冷能最科学的方式。
2.空气分离
由于空分装置所需达到的温度比LNG温度还低，因此，LNG的冷量能得到最佳的利用。
采用LNG冷能进行空气分离不但降低了能耗，而且简化了空分流程，减少了建设费用，同时也降低LNG气化的费用。
图5 大阪煤气利用LNG冷能的空气分离系统
上图为大阪煤气公司利用LNG冷能的空气分离装置流程图。其特点是：由于液化天然气的可燃性，故用氮气作为与其传热的工质，利用液化天然气的冷能来冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮。
3.海水淡化
我国淡水资源缺乏，海水淡化尤为重要。利用LNG 冷能进行海水淡化属于冷冻法的范畴。即使海水在结冰时，盐分被排除在冰晶以外，将冰晶洗涤、分离、融化后即可得到淡水。分为直接冷冻法和间接冷冻法。间接冷冻法结构简单，控制方便，但传热效率没有直接冷冻法高，需要较大的传热面积。
（1）直接冷冻法
直接冷冻法是冷冻剂或冷媒与海水直接接触而使海水结冰。其具体流程是：以不溶于水、沸点接近于海水冰点的冷媒（异丁烷）为冷冻剂，与预冷后的海水混合进入结晶器中；异丁烷气化吸热，海水冷冻结冰，交换的基本上是潜热；产生的冰盐水输送到连续对流洗涤塔的底部，从而分离出冰晶和浓海水；异丁烷蒸气从结晶器的顶部出去后进入LNG换热器降温液化，经泵加压后喷到结晶器的海水中循环使用。
图7 冷媒直接接触法海水淡化的流程图
（2）间接冷冻法
间接冷冻海水淡化法是中间冷媒与海水以非直接接触的方式来传递冷量，使海水结晶的方法。
图8 间接冷冻法海水淡化示意图
4.轻烃分离
LNG冷能用于C2+分离和裂解制乙烯装置中的裂解产物是LNG冷能利用的极佳途径之一。LNG冷能用于轻烃分离的主要产品C2+（主要为乙烷、丙烷和少量丁烷）既可以进一步分离，作为丙烷和LPG（主要成分是丙烷和丁烷）分别出售，又可将其作为制取乙烯的工业原料，并可用作乙烯裂解装置中C2+的分离及乙烷与乙烯的分离，降低其生产成本，其市场前景都非常乐观。
1，4－LNG 泵；2－甲烷液体储罐；3，5，10－换热器；6－压缩机；7－C2+液体储罐；8－闪蒸塔；9－脱甲烷塔；11－再沸器
图9 LNG冷量利用与轻烃分离相集成优化工艺流程
5.冷库
传统的冷库电耗很大。如果采用LNG的冷量作为冷库的冷源，将载冷剂氟利昂冷却到-65℃,再通过氟利昂制冷循环冷却冷库，使冷库温度维持在-50～-55℃，电耗降低65%。目前LNG基地和大型的冷库基本都设在港口附近，因此回收LNG冷能供给冷库是很方便的冷能利用方式具有广阔的市场前景。
A—冻结库;B—冷冻库;C—冷藏库;E4—E6—换热器
图10 低温冷库流程图
6.蓄冷装置
LNG主要用于发电和城市燃气，LNG的气化负荷将随时间和季节发生波动。LNG的冷量也随之波动，这会对冷量利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视。LNG蓄冷装置是利用相变物质的潜热储存LNG冷量。其原理为：白天LNG冷量充裕时，相变物质吸收冷量而凝固，夜间LNG冷量供应不足时相变物质熔解，释放冷量供给冷量利用设备。相变物质的选择是LNG蓄冷装置研究的关键，要充分考虑相变物质的熔点、沸点及安全性等问题。
7.在LNG汽车及汽车冷藏车中的应用
随着LNG汽车的不断发展，LNG用作汽车清洁燃料的同时，可将其冷能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，既降低了造价，又消除了机械制冷的噪声污染，具有节能和环保的双重意义，是一种真正的绿色汽车，尤其适用于有噪声限制的地区。车用LNG的冷能利用有两种方式：动力利用和制冷利用。动力利用方式就是将LNG加压升温气化，推动叶轮对外做功，热源是空气或内燃机的余热。制冷利用方式是利用LNG的冷能来液化一些低温气体，或提供汽车车厢使用的冷能。
8.制取液态二氧化碳和干冰
利用LNG冷能来制造液态CO2可满足焊接、铸造、软饮料产业对液态CO2的需求，利用这种方法制造的液态CO2纯度可达99.99%，电力消耗为每立方米液态CO2为0.203 kWh，与传统方法相比，它可以节约10%的建设费和50%的电力消耗。日本利用LNG冷量所生产的液态CO2占总产量的20%。
液态CO2是CO2气体经压缩、提纯，最终液化得到的。传统的液化工艺将CO2压缩至2.5～3.0MPa，再利用制冷设备冷却和液化。而利用LNG的冷量，则很容易获得冷却和液化CO2所需的低温，从而将液化装置的工作压力降至0.9MPa左右。但需指出，CO2的液化温度为-70℃，如若直接采用-162℃的LNG换冷，则仍不符合相同品位利用的原则。
2LNG冷能的间接利用
间接利用主要是利用LNG冷能产生的液态氮和液态氧。
1.超低温破碎
大多数物质在一定温度下会失去延展性，突然变得很脆弱。目前低温工艺的进展可以利用物质的低温脆性，采用低温进行破碎和粉碎。低温破碎和粉碎具有以下特点：①室温下具有延展性和弹性的物质，在低温下变得很脆，可以很容易被粉碎。
②低温粉碎后的微粒有极佳的尺寸分布和流动特性。
利用LNG冷量对固体进行超低温破碎，可以不损坏食品、香料等物质的固有质量，不会使粉料发热氧化而变质，且破碎粒度匀细。
表3 几种固体物的低温破碎
固体
破碎温度
制品粒度
尼龙12
聚脂
聚乙烯
海带
-100°C
-100°C
-120°C
-100°C
150m 90%
150m 90%
150m 90%
75m 90%
2.污水处理
因为利用液态氧可得到高纯度的臭氧，被处理污水对臭氧的吸收率很高，这种方法与传统的过程相比可以减少大约1/3的电力消耗，而且对污水的处理效果极好。
3.LNG冷能的梯级利用
上述种种利用方法主要是只考虑了冷能的回收，而没有考虑品位的利用，造成大量损耗，从能量有效利用的角度来看是不合理的。而对LNG冷能进行梯级利用是很好的解决办法。
图11 LNG冷能梯级利用流程
来源：标准天然气
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