综述：液化天然气（LNG）冷能利用的全球现状、典型技术、面临的挑战及未来前景

江边|尹一阳|于波|曹学文|曹恒光

中国湖北省低碳与安全储运油气及新能源重点实验室（长江大学），武汉，430100

摘要

本文综述了液化天然气（LNG）冷能利用的全球现状、主流技术及实施挑战。我们分析了接收终端的空间分布和利用水平，以确定该领域的实际基准，然后整理了成熟的应用案例，包括发电、空气分离、液态二氧化碳和干冰生产、制冷、海水淡化以及食品冷加工等，同时探讨了级联利用、氢能系统集成和冷能储存等新兴途径。在这些应用中，分析指出了三个阻碍规模扩展的系统级瓶颈：设备兼容性和与现有工艺流程的集成度有限、高昂的前期资本支出削弱了项目的可行性，以及传输和分配过程中的冷量损失管理问题。基于这些发现，本文提出了一条以集成为导向的发展路线：（i）设计用于温度梯级匹配和节流驱动的热交换网络；（ii）模块化且可改造的装置，以降低集成风险和成本；（iii）具备储存功能的、多能源互补的系统，将LNG冷能与氢能、空气分离技术及区域性的“冷产业”集群相结合。该综述将分散的案例证据转化为可比较的工程设计和投资决策指导，并强调了能够提升系统效率和碳减排效果的研究与发展重点。

引言

作为全球能源结构的关键组成部分，LNG在接收终端重新气化过程中会释放大量的低温能量（冷能）[1]。随着能源转型的推进，LNG的交易和消费在亚洲、欧洲和美洲地区不断扩大，为能源安全做出了贡献，并推动了向低碳能源系统的逐步转型[2]。

在接近常温条件下重新气化会释放大量低温能量，这种能量通常被称为LNG冷能[3]。利用这一资源可以提高整体能源效率，减少热能浪费，并降低工业过程中的能源消耗和碳排放[4]。成熟和新兴的应用领域包括发电、空气分离集成、液态二氧化碳和干冰生产、制冷和制冰、冷冻海水淡化以及食品冷加工。适当部署这些技术可以提高工艺效率和项目经济效益，同时符合更广泛的可持续发展目标。

尽管具有这些优势，实际应用仍面临三类限制。从技术角度来看，LNG冷能系统需要跨学科的设计和在低温及热工程方面的严格控制，这使得与现有工艺流程的集成变得复杂[5]。从经济角度来看，项目通常需要较高的前期资本支出和较长的投资回收期。由于回收的冷能的经济价值基于传统能源的成本（而传统能源价格受天然气和液化天然气市场价格直接影响），因此盈利能力对液化天然气价格、设备性能和运营成本非常敏感[6]。从系统角度来看，传输和分配过程中的冷量损失限制了其服务半径，影响了远距离输送。

本文总结了LNG接收终端的全球分布情况以及LNG冷能利用的现状，探讨了各应用领域的技术选项，并分析了技术、经济和传输方面的主要障碍。基于这些见解，本文勾勒出了一个未来发展方向，即LNG冷能将用于多能源互补系统和区域性的“冷产业”集群。目的是为工程设计和投资决策提供可比较的指导，并为研究人员、政策制定者和行业利益相关者提供参考。

章节摘录

LNG接收终端的全球分布

在全球能源转型背景下，LNG作为一种相对清洁高效的燃料日益受到重视。作为供应链中的关键节点，LNG接收终端的选址和密度反映了区域能源需求和基础设施的成熟度。全球范围内，LNG进口终端主要集中在东亚和欧洲部分地区等高需求区域。相比之下，在美国，LNG基础设施越来越多地向以出口为导向的终端发展

发电

LNG冷能发电利用环境热源与低温LNG之间的巨大温差，通常通过朗肯循环或布雷顿循环将这种温差转化为有用的功[14]、[15]。实践中，有机朗肯循环（ORC）配置被广泛采用：环境热量或低品位热量使工作流体蒸发，而LNG流在冷凝器侧提供深度冷却，从而降低背压并提高循环效率[16]。图2展示了典型的

技术复杂性

实际应用面临显著的技术复杂性，要求对低温温度、质量流量和系统稳定性进行精确控制[67]、[68]。不同终端用途的多样化需求带来了复杂的设计和控制挑战。例如，LNG辅助发电必须严格控制工作流体的蒸发温度和压力，以维持循环效率，这对组件尺寸选择、启动/关闭顺序以及实时控制提出了更高要求

结合 boil-off gas (BOG) 燃烧发电

在LNG接收终端，储存过程中会持续产生BOG（ boil-off gas）。通过将BOG燃烧与LNG冷能服务相结合，可以通过分配热流和冷流的不同功能来提高系统效率[69]。在这种安排下，LNG冷能减少了处理BOG所需的制冷和压缩工作，同时BOG的化学能通过燃烧发电装置转化为电能[76]。图11展示了典型的

迈向综合能源枢纽：克服障碍并展望未来系统

尽管有多种LNG冷能利用技术，但其广泛应用仍面临多重相互关联的障碍。由于热损失导致的冷能传输范围有限，这些技术的应用具有很强的地域性，这限制了其经济可行性，使其主要局限于LNG终端附近的地区，而这种共址安排常常受到土地使用、法规和基础设施限制的影响。此外，各项技术的性能也受到多种因素的影响

结论

总之，在拥有完善接收基础设施的地区，LNG冷能利用仍然是提高系统效率的关键途径，但目前尚未得到充分开发。尽管接收能力已大幅扩展，全球利用率仍仅约为18-25%，这表明仍有很大的提升空间，但这一空间受到服务半径限制和选址条件的制约。在发电、空气分离、二氧化碳液化及干冰生产等应用领域

CRediT作者贡献声明

江边：撰写——初稿，监督，软件开发。尹一阳：撰写——初稿，数据整理，概念构思。于波：正式分析。曹学文：验证，资源协调。曹恒光：审稿与编辑，撰写——初稿，调查研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52572397）的支持。