根据国家及各级政府的节能减排政策，以及国家能源局对 LNG 建设项目的要求：“深入研究 LNG 冷能利用问题，做好冷能利用规划，同步建设冷能利用项目，提高能源综合利用效率”，在LNG 项目建设的前期设计必须对冷能利用加以研究并力争在工程实施时同步建设。
在 LNG 气化过程中，会释放大量的冷能（单位总冷量约为 900KJ/kg），如果按照项目规模 600 万吨/年 LNG 的规模简单计算，每年约合产生 2.7 万亿 KJ 的冷能，折合约 7.5 亿千瓦时的电量，按照 0.6 元/千瓦时计算，冷能价值约 4.5 亿元。所以，无论从国家产业政策还是经济效益来说，都应该因地制宜的对 LNG 的冷能加以利用。
此外，从环境保护、绿色 GDP、发展循环经济等方面考虑，也应该利用 LNG 冷能。
一、概述
LNG 的冷能温度范围广，可以在很广泛的领域应用，从应用途径的角度讲，可以分为直接利用和间接利用。
直接利用方式是指直接利用 LNG 的冷能来生产工业产品或进行工业生产，包括：
- 空气分离
- 冷能发电
- LNG 中重组分分离
- 冷冻仓库
- 制造液体二氧化碳和干冰
- LNG 冷藏汽车
- 海水淡化
- 蓄冷装置
- 民用冰雪娱乐设施
- 空调制冷
- 低温养殖和栽培等
间接利用方式是对直接利用 LNG 冷能生产的工业产品二次利用方式，主要是空分装置生产的液体产品的二次利用，其中：
- 液氮的应用——低温破碎、集中供冷系统、超导等；
- 液氩的应用——钢厂、焊接、照明、电子等；
- 液氧的应用——臭氧污水处理、军工、医用、钢厂、金属加工等。
- 冷冻低温干燥、食品冷冻保鲜、大容量电缆的冷却等。
各种不同的方法，在不同的温位利用了 LNG 的冷能，所需的冷量的品位和能耗也有所不同，以下介绍一些常用的冷能利用方式。
二、空气分离
目前工业应用最为广泛的是低温空气分离技术。低温空气分离技术是利用空气中各组分沸点的不同，通过一系列的工艺过程，将空气液化，通过对冷却液化后的空气进行精馏和分离获得液氧和液氮，因氧和氮的*点露**极低（-170℃左右），所以要将空气液化需要大量的低温冷能。低温空气分离装置由以下几部分组成：空气压缩、膨胀制冷；空气中水分、杂质去除；空气冷却、液化；空气精馏、分离；低温产品的冷量回收及压缩。目前常规的做法是用高压空气或高压氮气冷却到一定温度后进入增压透平膨胀制冷，来提供液化空气的冷能。这是一个电能转化为机械能，进而转化为冷能的过程，耗电量很大，冷却水消耗量也很大。因此，如果能够利用 LNG 的低温位冷能，将可以节省一大部分机械能，降低电能消耗。
常规的空分装置的工艺流程如下：
图一 常规空气分离流程示意图
其中在膨胀环节，将机械能转化为空气的冷能，在主换热器中冷却液化空气，得到的液空进入精馏塔精馏。膨胀做功要得到能把空气冷却到-170℃以下而液化的冷量，需要消耗大量的机械能增压，即使用压缩-膨胀机组。因此，在有 LNG的优质冷能的情况下，目的就是要利用 LNG 的冷能去替换这部分（或其一部分）机械能，从而节约了耗电量。通常的做法是对传统空分装置增加冷量回收换热器，使用来自空分塔塔顶抽出的一股高压纯 N2，在回收换热器回收 LNG 的冷量，将冷能带入系统内，因而省去了先对空气进行增压、再膨胀制冷的增压机和膨胀机环节，见图二：
图二 冷能空气分离流程示意图
典型的冷能空分的流程如图三所示：
图三 典型利用 LNG 冷能的空气分离流程
LNG 冷能的空分装置利用循环气氮作为介质，实现了回收 LNG 的冷能的目的。利用 LNG 的冷能分离空气，比常规空气分离装置节约电能 50%以上，节约水耗 90%以上。冷能空分利用了 LNG 最低温的冷量，从能量的角度衡量其能量回收效率最高。
三、冷能发电
LNG 中蕴藏的大量冷能若用来发电，每吨液化天然气可回收约 15~20Kwh电力，不但可回收能源，亦可减轻操作费用，所以目前世界各地 LNG 接收站多半设有冷能发电系统，日本、比利时、韩国、德国等均建有冷能发电装置。
目前的接收站通常使用海水气化 LNG，经过热交换后的海水温度降低流入大海，(830~860)Χ103 KJ/T 的冷能随之浪费，这些能量可以通过适当的工艺，被利用来进行发电。
冷能发电装置（CRYOGENIC POWER GENERATION PLANT，简称 CPP）是和 LNG 气化器统合在一起的发电系统。冷能发电装置（CPP）由大阪燃气开发，于 1979 年在全世界首次商业运行，目前全世界约有 10 套 CPP 在运行（主要在日本），其中有 5 套在大阪燃气的接收站。
近年来，因能有效的减少二氧化碳排放，冷能利用吸引了全世界的关注。在诸多的冷能利用选项中，对降低 LNG 接收站的运行成本及减少二氧化碳排放， CPP有其独特的亮点。冷能发电可以分为四大类：直接膨胀法；蒸汽动力循环（基本 RANKINE 循环）；燃气动力循环（基本 BRAYTON 循环）；联合法（包括：低温 RANKINE循环、低温 BRAYTON 循环、复合多级循环、结合回热的联合循环等）。
（一）蒸汽动力循环发电
蒸汽动力循环即朗肯循环，冷凝器采用冷却水作为冷源，循环的最低温度限制为环境温度。将气化 LNG的海水用作冷凝器的冷却水，既可降低冷凝器的冷凝温度，又可提高ORV海水的入口温度，从而利用了LNG的冷能。
图四为利用 LNG 降低朗肯循环冷凝温度的流程示意图。
图四 利用 LNG 降低朗肯循环冷凝温度的流程示意图
如今冷却介质已经由海水换成了效率更高的丙烷或其他冷媒，台湾永安LNG电厂就是用丙烷作为换热介质回收 LNG冷能并通过透平发电。
（二）燃气动力循环发电
利用LNG冷能改善燃气动力循环发电，可以通过冷却燃气轮机的排气、或者降低燃气轮机进口空气温度两种方式。前者虽容易实现，但因温差范围太大，冷能利用率很低，对功率、效率的提高程度贡献不足1%。
目前比较成熟有效的是利用 LNG 冷却燃气轮机的入口空气。燃气轮机的进气温度对燃气机组的运行效率有很大影响，进而影响发电功率。进口空气温度越低，燃气轮机的效率越高。从图五可看出，面积1234就是1kg空气在燃气轮机中完成一次循环后输出的功，显然这个面积越大输出功越多。图五显示了当降低进气温度(T1)时的温熵图，当T1降低时输出功增加。根据经验数据，当入口空气温度从30℃降低到5℃时，输出功率可增加大约 20%，效率相对提高5%左右。
图五 燃气轮机空气温熵示意图
LNG 冷能用于燃气轮机发电机组的进气冷却，可提高机组发电能力15％～20％。由于燃气轮机进气温度愈低，燃气机组发电容量愈高；进气温度变化愈小，发电容量愈稳定；燃气轮机进气冷却后的温度不易过低，否则压气机进口将会结冰而导致燃气轮机不能正常运转。合理设计燃气机组的进气温度对燃气轮机性能非常关键，一般采取4.4~5.5℃，此温度既可以取得燃气机组的高效发电能力，又可以保证压气机的安全稳定运行。
图六给出了 LNG 冷能用于燃气轮机进气冷却的工艺流程示意图。
图六 LNG 冷能用于燃气轮机发电机组的进气冷却流程示意图
（三）直接膨胀发电
根据 LNG 的存储状态，使用低温泵对 LNG 加压，然后利用海水或工业余热使之受热气化，然后进入膨胀机直接膨胀做功，带动发电机组发电。膨胀后再根据要求调整天然气的温度和压力，送至用户。这种方法原理简单但效率不高，发电功率较小，冷能回收效率仅为24％，1吨LNG 的发电量约为20 kWh左右。因此，这种方法一般与其它方法联合使用。
图七显示了LNG冷能用于直接膨胀发电的流程。
图七 直接膨胀发电流程示意图
- 低温 Rankine 循环
低温条件下工作的 Rankine 循环，是采用有机工质为工作介质，来代替水和蒸汽，组成闭式的低温蒸气动力循环，它可以利用LNG的优质低温冷能，以及普遍存在的低品位能（海水或空气、地热能、太阳能、工业余热等）。循环工质采用丙烷、乙烯的居多，也可采用混合工质，以尽量保证传热温差的稳定。
这种方法与直接膨胀法结合，可以大大提高回收率，见图八。
图八 低温 RANKINE 循环
实际工业利用中还采用结合回热的技术，冷能回收率较高，一般可保持在50%左右。日本投入实际使用的大多就是这种方式，一般装机容量在 400~9400kW 之间。
（五）低温 Brayton 循环
燃气轮机做功的基本原理是Brayton 循环。利用 LNG 冷能的低温Brayton 循环，在低温工作条件下以N2为介质，由于压缩机入口 N2可以降到很低（可达-130℃），大大提高了循环效率，一般在 50%以上。由于工作介质没有相变过程，与Rankine循环不同的是，LNG蒸发压力在超临界条件下，提高换热效率。
图九左边是低温工作条件下N2的Brayton循环，右边是 LNG直接膨胀。
图九 低温 BRAYTON循环
Brayton循环的冷能回收率在50％左右，综合造价较低，有利于环境保护，每吨LNG的发电量约为45 kWh左右，其发电的稳定性很好，20多年来，全世界已经投入运行的机组还未发生过因故障导致的停电事故。
四、轻烃分离
进口LNG的成分根据原料地域不同有很大差异，原料气的甲烷含量会从88%~99%不等。一般主要以甲烷为主，有时含5~10mol%左右的C2~C3和极少量的C4。采用LNG轻烃分离技术可以起到调整热值，有利于统一国内各种气源的热值，建立统一的天然气质量标准；同时，C2+轻烃是高附加值的产品，有多种用途，例如：C2+含有大量的C2、C3 烷烃和主要有 C3、C4 构成的凝析油，是乙烯工业的极好原料，较传统的石脑油等重油原料相比，C2+提取物作为乙烯原料可以简化流程，降低能耗30~40%，减少环境污染，降低乙烯成本；C2+中可以提取出大量的LPG供应本地市场。
从 LNG分离出 C2+，需要在分离塔中进行。在美国，从 LNG中分离出 C2+轻烃已成为调节天然气热值使之符合国家标准的重要手段。
图十是轻烃分离的流程，它充分利用了LNG冷量，设备投资和运营成本比较低。常压LNG通过泵提压后分流成大小两股，分别通过换热器进一步预热，再输送到脱甲烷塔进行分离。通过脱甲烷塔分离，冷凝液体再进入分离器将气液分离。气相甲烷在预热器中与LNG换热后通过压缩机压缩，在再冷凝器中用分离的液相甲烷冷凝为液体，再加压气化外输。塔釜的液相出料主要为 C2+轻烃。
图十 LNG 冷能轻烃分离流程
五、食品冷冻装置和冷冻库
冷库是用人工制冷的方式，让储藏空间达到规定的食品、物品等的保存温度的建筑物，被广泛的应用于食品、乳品、药品、化工、果蔬、禽蛋、酒、血站、实验室等领域。传统的冷库多由制冷机制冷，利用气化温度较低的液体（氨或氟利昂）作为制冷剂，通过压缩机将机械能转化为冷能，再释放到冷库。LNG接收站一般在港口附近，大型水产冷库也设在海岸附近，将LNG 的冷能用于冷库，方便远洋捕获鱼类的冷冻加工，也可以直接利用 LNG 的冷能，降低环境污染。
LNG冷能用于冷库的方式，基本上是通过中间介质作为冷库的循环冷剂（通常是氟利昂），将LNG的冷能回收后，在冷库内循环。图十一是利用LNG 冷能建造的超低温冷库的示意图。
图十一 LNG冷能超低温冷库示意图
冷库有时也会分为许多温度级的冷间，食品和药品或其他物质需要的冷藏/冻温度也不尽相同，因此可以建立不同温度的利用流程，如图十二所示。
图十二 不同冷冻级的冷库
五、低温粉碎
利用液态氮可以在低温下破碎常温难以破碎的物质，与常温破碎相比，低温粉碎能把物质破碎成极小的微粒。通过选择不同的低温可以有选择性地破碎具有复杂成分的混合物。因此这种方法在资源回收、物质分离、精细破碎等方面有着较好的前景。
低温粉碎属于间接利用LNG冷能的方式，通常是利用空分的产品液氮提供低温。随着汽车工业的迅速发展，废旧轮胎等工业废物的处理技术也需要很快的提高，否则将会占用大量的环境资源，造成环境污染。
橡胶在粉碎加工时会呈现各种塑性、粘性和弹*行为性**，橡胶低温粉碎的基本原理是利用冷冻使橡胶分子链不能运动而脆化，从而易于粉碎。如轮胎在-80℃时会呈现出脆性，在锤磨机中轮胎的各部分很容易分离。以LNG的冷能作为冷源，以橡胶冷冻和粉碎机低温粉碎作为用冷对象，通过中间介质进行热交换，从LNG获取冷能使废旧橡胶温度降低，并供给粉碎机所需的冷能。LNG冷能用于橡胶低温粉碎工艺流程见图十三。
图十三 LNG 冷能用于橡胶低温粉碎工艺流程
六、海水淡化
在淡水资源日益缺乏的今天，储量接近于无限的海水成为人们梦寐的原材料，然而目前海水淡化的工艺方法有：蒸馏法、冷冻法、反渗透法、电渗吸法、水合物法等，成本非常高。对于中大型的海水淡化装置，采用冷冻法从设备投资、能耗及运行费用等综合考虑，都占有一定的技术和经济优势。
冷冻法分为天然冷冻法和人工冷冻法，其中天然冷冻法是利用冬季温度低这一自然环境条件使海水自然冷却结冰，取冰融化而得到淡水。
人工冷冻法又可分为：间接冷冻法和直接冷冻法。间接冷冻法是通过低温冷冻剂与海水进行间接换热使海水冷冻结冰实现海水淡化；直接冷冻法是通过冷冻剂与海水直接接触而使海水结冰实现海水淡化。
直接冷冻法无法利用 LNG 的冷能。LNG的冷能可以通过间接利用方式，为中间冷媒提供冷量，从而节省了压缩的机械能，实现海水淡化，生产淡水。图十四是LNG冷能人工间接冷冻法生产淡水的流程示意图。
图十四 LNG 冷能间接冷冻法海水淡化流程示意图