1.    引言

现代能源系统仍高度依赖化石燃料，天然气（NG）因氢碳比高、碳排放相对较低，被广泛视为实现能源低碳转型的过渡性能源^[1]。其中，液化天然气（LNG）凭借其运输半径大、贸易灵活性强等优势，在全球天然气贸易中占据日益重要地位。LNG需在–162 °C的超低温下储存，在再气化过程中可释放高达830 kJ/kg的冷能^[2]。然而，当前LNG接收站普遍采用海水开式气化方式，冷能随冷却水排入海洋而被浪费，未得到有效利用^[3]。随着全球LNG消费的持续扩大，开发高效、可持续的LNG冷能回收与利用路径，已成为能源工程与低碳技术领域的重要研究方向^[4]。

2.    LNG应用场景与关键技术

LNG冷能的应用场景正不断拓展，已覆盖低温发电、空气分离、深冷制冷、液态CO₂与干冰制备与废旧橡胶低温粉碎等多个关键工业领域，不同场景对冷能的温度需求各不相同^[5]。其中，低温发电通常利用–162 °C至–20 °C之间的冷能，用于驱动有机朗肯循环（ORC）或直接膨胀系统；空气分离对冷却温度要求更高，一般需在–162 °C至–80 °C范围内进行空气组分液化与精馏，LNG气化初期释放的高品位冷能极为契合；深冷制冷与冷链储运对温度需求相对较低，适用温区为–50 °C至–10°C，可满足食品、药品等货物冷藏运输的需求；液态CO₂与干冰制备则需要–100°C至–60°C的冷能，用于气态CO₂的液化和干冰生产；而在废旧橡胶的低温粉碎中，为增强橡胶脆性便于粉碎，通常需将其冷却至–100°C至–80°C之间，该温区与LNG气化中后段释放的冷能高度匹配。

2.1.     LNG冷能低温发电技术

LNG冷能发电的基本技术路径包括直接膨胀、有机朗肯循环（ORC）、布雷顿循环、卡琳娜循环、联合法以及与燃气轮机循环集成等多种工艺方案^[6]。其中，因系统结构相对简洁、运行效率较高，ORC成为当前应用最为广泛的一种方式，常与直接膨胀相结合，其系统原理图如图1 所示。该系统的基本原理是：LNG与经透平膨胀后的低压工质在换热器中进行热交换，使LNG温度升高气化后进入膨胀机做功，驱动发电机发电，同时工质凝结成液态。随后，低温低压的液态工质经泵加压后被进一步加热并气化为高温蒸汽，进入透平机膨胀做功，驱动发电机发电。LNG冷能发电技术在推动能源系统低碳化转型、提升冷能利用效率以及减少温室气体排放方面具有显著的战略意义。

图1朗肯循环示意图^[6]

2.2. LNG冷能空气分离技术

该技术通过将LNG的再气化过程与空气分离装置（ASU）深度耦合，实现了能源的梯级利用与流程的一体化优化。在LNG由液态转变为气态的过程中，会释放出大量高品位冷能（温度约–162 °C），可直接作为冷源用于驱动深冷空气分离工艺，以生产液氮（LN₂）、液氧（LO₂）等工业气体产品。ASU作为典型的低温分离系统，其基本原理是将空气经过压缩、净化后逐步冷却至–180 °C至–80 °C，使各组分液化并通过精馏实现分离。LNG气化温度与ASU的冷却温度需求高度匹配，在热力学性能上具有良好的耦合条件，为该技术路径的实现提供了理论与工程基础^[7]。耦合系统的运行流程如图2所示：LNG通过换热器（HX6）释放冷能，为ASU循环提供冷源；与此同时，空气在下蒸馏塔（LT）与上蒸馏塔（UT）中依次进行分离，从而获得高纯度的液态氧与液氮。该集成系统具备显著优势。一方面，有效降低了ASU对膨胀机、压缩机制冷等传统制冷设备的依赖，减少系统能耗与运行成本；另一方面，通过冷能的协同回收与利用，显著提升了整体热力效率。此外，该技术还延伸了LNG产业链的附加价值，推动了天然气资源向多元化、高附加值方向的综合开发，具有良好的经济性、环境友好性以及广阔的工业化应用前景。

图2利用LNG冷能的空气分离示意图^[8]

2.3. LNG冷能用于冷藏技术

LNG冷能用于冷藏技术的基本原理是利用LNG在气化过程中释放的低温冷能对载冷剂进行换热降温，将其冷却至设定温度后，通过管道输送至冷库内部，通过冷却盘管向库内空间释放冷能，实现对储存物品的恒温冷藏^[9]。该过程不仅可高效回收LNG气化所释放的高品位冷能，还能降低制冷系统对传统电力制冷设备的依赖，具有显著的节能减排优势，其工艺流程如图3所示。从工程布局角度来看，LNG接收站通常选址于临海港口，具备靠近运输节点、供能稳定的优势。港口区域货物吞吐量大，冷链需求旺盛，特别是在水产品、冷冻食品、生鲜农产品等易腐物品的仓储和流通环节，对冷藏技术提出了更高要求。因此，在LNG接收站周边布局冷库，能够实现LNG气化与冷库供冷的一体化协同，简化能源流动路径，减少中间能量转换损失。

图3 LNG冷能用于冷藏技术的具体原理图^[7]

2.4. LNG冷能用于液态CO₂和干冰制备技术

传统的液态CO₂和干冰制备工艺通常需先对CO₂加压，再通过外部制冷系统冷却使其液化。相比之下，LNG气化过程中释放的大量低温冷能（约–162 °C）可为该过程提供理想的冷源，从而显著降低制冷系统的运行压力与能耗。在该耦合系统中，LNG冷能通过换热器首先传递给制冷剂（如氟利昂），再由制冷剂将冷量转移至CO₂，使其实现从气态到液态的相变^[10]。液化后的CO₂可进一步送入专用设备中制造干冰，其固化温度约为–78.5 °C，正好与LNG冷能的温度范围相匹配。与传统制冷工艺相比，利用LNG冷能进行CO₂液化和干冰制备不仅工艺负载明显减轻，电力消耗也可减少30%–40%，实现节能与减排双重效益。该技术在食品保鲜、工业清洗、冷链运输及人工降雨等领域具有良好的应用前景。其系统流程如图4所示。

图4 利用LNG冷能制取液态CO₂和干冰的示意图^[11]

2.5. LNG冷能在废旧橡胶低温粉碎中的应用

在橡胶粉生产过程中，为获得粒径更小、品质更高的微细橡胶颗粒，常需采用低温粉碎工艺。该工艺流程一般包括：先通过粗碎机将废橡胶破碎为中等尺寸的颗粒，随后分离其中的钢丝和纤维杂质，经筛分和干燥后对橡胶颗粒进行冷冻处理，最后在低温粉碎机中完成深度粉碎。LNG冷能为此类低温粉碎工艺提供了理想的冷源^[12]。利用LNG一级冷能对橡胶颗粒进行快速冷却，可使其脆性增强，更易被高效粉碎成微细颗粒。相较传统液氮冷却方式，LNG冷能不仅显著降低冷却能耗，还可同步实现LNG的再气化利用，提升能源综合效率。该技术在推动废旧橡胶资源化利用、降低环境污染和节能减排方面展现出广阔前景。图5展示了基于LNG冷能的橡胶低温粉碎工艺流程示意图。

图 5利用LNG冷能进行低温粉碎的原理图^[11]

3. 总结

LNG再气化过程中蕴含的高品位冷能，是尚未被广泛开发利用的潜在能源资源。本文系统回顾了LNG冷能在低温发电、空气分离、冷链制冷、液态CO₂与干冰制备、废旧橡胶低温粉碎等领域的典型应用技术与发展现状。研究表明，LNG冷能利用不仅能够显著提升能源系统的综合利用效率，降低工业能耗和碳排放，还可推动多个行业的协同发展，具有突出的环境、经济和社会综合效益。未来，随着多联产集成技术与过程优化理论的发展，LNG冷能将更多地融入工业耦合系统之中，成为构建绿色、智能能源体系的重要支撑力量。

参考文献

[1]   Z. Zhang, G. Hu, X. Mu, L. Kong, From low carbon to carbon neutrality: a bibliometric analysis of the status, evolution and development trend[J], J. Environ. Manage. 322 (2022) 116087.

[2]   J. Ma, X. Song, B. Zhang, N. Mao, T. He, Optimal design of dual-stage combined cycles to recover LNG cold energy and low-temperature waste thermal energy for sustainable power generation[J], Energy Convers. Manage. 269 (2022) 116141.

[3]   D. Li, C. Mao, J. Bai, C. Zhang, Y. Chen, Dynamic operation characteristics of a combined cooling and power system[J], Energy 325 (2025) 136128.

[4]   A. Brenk, J. Kielar, Z. Malecha, Z. Rogala, The effect of geometrical modifications to a shell and tube heat exchanger on performance and freezing risk during LNG regasification[J], Int. J. Heat Mass Transfer 161 (2020) 120247.

[5]   J. Pan, M. Li, R. Li, L. Tang, J. Bai, Design and analysis of LNG cold energy cascade utilization system integrating light hydrocarbon separation, organic rankine cycle and direct cooling[J], Appl. Therm. Eng. 213 (2022) 118672.

[6]   B. Li, H. Xie, L. Sun, T. Gao, E. Xia, B. Liu, J. Wang, X. Long, Advanced exergy analysis and multi-objective optimization of dual-loop ORC utilizing LNG cold energy and geothermal energy[J], Renewable Energy 239 (2025) 122164.

[7]   许文东,彭曦,严万波.LNG冷能利用技术研究进展[J],油气储运与处理 03 (2024) 012.

[8]   X. Zheng, Y. Li, J. Zhang, Z. Zhang, C. Guo, N. Mei, Design and multi-objective optimization of combined air separation and ORC system for harnessing LNG cold energy considering variable regasification rates[J], Int. J. Hydrogen Energy 57 (2024) 210–223.

[9]   Y. Lu, J. Xu, X. Chen, Y. Tian, H. Zhang, Design and thermodynamic analysis of an advanced liquid air energy storage system coupled with LNG cold energy, ORCs and natural resources[J], Energy 275 (2023) 127538.

[10] H. You, Y. Seo, C. Huh, D. Chang, Performance analysis of cold energy recovery from CO₂ injection in ship-based carbon capture and storage (CCS) [J], Energies 7 (2014) 7266–7281.

[11] J Lian, B Xia, Y Yin, G Yang, Y Yang, X Goua, E Wang, L Liu, J Wu, Research on High Efficient Utilization of LNG Cold Energy[J], 4th International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering (ICCMCEE 2015) , DOI:10.2991/iccmcee-15.2015.52.

[12] 张雷.LNG冷能利用方式探讨[J],智慧化工 23 (2021) 64-65.

（作者：彭孝天，南京工业大学 机械与动力工程学院）