综述：用于液化天然气利用的低温冷能储存技术

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Cryogenic cold energy storage for liquefied natural gas utilization

LNG冷能利用中存在单一方法限制、温度范围局限及稳态操作条件不足等问题，导致回收率低。本文系统综述了-160℃至-70℃低温冷能存储技术，分析显热/潜热材料特性、换热器设计挑战及多级集成策略，提出复合相变材料、流体床结构及动态调控方法，为提升LNG冷能综合利用率提供理论框架。

　　随着全球对液化天然气（LNG）需求的持续增长，如何高效利用LNG在气化过程中释放的冷能成为能源领域的重要课题。LNG具有极高的冷能密度，其气化过程释放的冷能可达830至860焦耳每克，但目前的冷能利用方式存在诸多限制，如单一方法、温度范围有限以及运行条件固定等，难以适应冷能供应的波动，导致冷能回收率较低。为了解决这一问题，冷能储存（CES）技术被提出，它能够有效平衡冷能的供需关系，为LNG的冷能利用提供更加灵活和高效的解决方案。

冷能储存技术在LNG利用中的应用，主要集中在?160°C至?70°C的低温区间，这与LNG气化过程的典型温度窗口相吻合。该技术通过不同的储能方式，如显热储能（SHS）、潜热储能（LHS）以及化学储能（TCHS）来实现冷能的高效利用。其中，显热储能材料通常包括固体和液体材料，它们依靠温度差来储存能量，具有成本低、稳定性好等优点，但能量密度相对较低。相比之下，潜热储能材料通过相变过程实现冷能的高效储存，包括有机、无机、共晶以及复合相变材料，具有较高的储能容量，但存在热导率低、液漏和严重过冷等技术难题。化学储能材料则通过可逆化学反应或吸附—脱附过程实现冷能储存，虽然能量密度高、热损失小，但成本高且在低于0°C的环境中稳定性差，限制了其实际应用。

针对潜热储能材料的热导率低、液漏和严重过冷等问题，研究者提出了多种改进策略。例如，通过封装、掺杂和纳米增强等方法，可以有效提高潜热储能材料的热传导性能，同时减少液漏现象。这些策略不仅提升了潜热储能材料的性能，还为LNG冷能储存系统的优化提供了新的思路。此外，对于低温区间内材料的脆性、微裂纹、挥发性和封装降解等挑战，研究者也在不断探索解决方案，以提高材料在极端条件下的稳定性和可靠性。

在实际应用中，LNG冷能储存系统需要与各种冷能利用过程相结合，如氢气预冷、空气分离、低温储能、发电、轻烃回收、制冷、海水淡化和空调等。这些过程通常覆盖不同的温度范围，因此需要采用级联利用的方式，以提高整体的冷能利用效率。例如，级联利用系统可以将不同温度层的冷能分别用于不同的应用，从而实现冷能的高效回收和利用。这种系统不仅能够适应LNG气化过程中冷能供应的波动，还能显著提升冷能回收率，带来良好的经济效益和环境效益。

在LNG冷能储存系统的设计和优化中，热交换器的作用至关重要。热交换器是冷能储存系统与实际应用过程之间的桥梁，直接影响冷能的传递和释放效率。目前，LNG冷能储存系统中常用的热交换器包括填充床热交换器（PBHEs）、壳管式热交换器（STHEs）和板翅式热交换器（PFHEs）。其中，填充床热交换器因其结构简单、成本较低而被广泛使用，但其热传导性能较差，导致冷能储存和释放效率受限。相比之下，板翅式热交换器具有较高的热传导效率和较大的表面积，能够实现更快的热响应和更高的能量密度，但其设计和制造成本较高。因此，针对不同应用场景，需要选择合适的热交换器类型和配置。

此外，研究者也在探索新的热交换器结构，如移动床和流化床结构，以提高冷能储存系统的整体性能。这些结构能够有效缓解冷能储存过程中出现的温度跳跃层效应，从而提升系统的稳定性。同时，通过引入翅片和挡板等热增强技术，可以优化紧凑型热交换器的设计，如板翅式和管翅式热交换器，提高冷能储存和释放的效率。这些技术的应用不仅提升了热交换器的性能，还为LNG冷能储存系统的优化提供了新的可能性。

在实际应用中，LNG冷能储存系统的设计和运行需要考虑多个因素，包括材料的相容性、反应器的结构设计以及过程的模拟与优化。这些因素直接影响冷能储存系统的效率和稳定性，因此需要进行系统的分析和评估。例如，在选择材料时，需要考虑其在低温环境下的性能表现，包括热导率、热膨胀系数以及材料的机械强度等。在反应器设计方面，需要优化热交换器的结构和配置，以提高冷能储存和释放的效率。同时，过程模拟和优化也是提高冷能储存系统性能的重要手段，能够帮助研究人员更好地理解冷能储存系统的运行机制，并为实际应用提供科学依据。

LNG冷能储存技术的发展不仅依赖于材料和反应器设计的优化，还需要在过程集成方面进行深入研究。通过将不同温度层的冷能储存和利用过程进行系统集成，可以实现冷能的高效回收和利用。例如，级联利用系统可以将不同温度层的冷能分别用于不同的应用，从而提高整体的冷能利用效率。这种系统不仅能够适应LNG气化过程中冷能供应的波动，还能显著提升冷能回收率，带来良好的经济效益和环境效益。此外，通过调整关键的操作参数，如气化速率、热交换器的温度梯度以及冷能储存系统的运行模式，可以进一步提高系统的稳定性，使其在复杂工况下依然能够高效运行。

尽管LNG冷能储存技术在近年来取得了显著进展，但仍然面临诸多挑战。首先，材料在低温环境下的性能表现仍然存在局限，如脆性、微裂纹、挥发性和封装降解等问题，需要进一步研究和改进。其次，热交换器的设计和制造仍然存在一定的技术难题，如何在保证热交换效率的同时降低制造成本，是当前研究的重点之一。此外，冷能储存系统的动态控制策略也需要进一步优化，以提高系统的响应速度和稳定性。这些挑战不仅影响LNG冷能储存系统的性能，还制约了其在实际应用中的推广和普及。

为了应对这些挑战，研究者提出了多种改进策略。例如，在材料方面，可以通过纳米增强、复合材料设计以及表面改性等方法，提高材料在低温环境下的性能表现。在热交换器设计方面，可以采用移动床和流化床结构，以缓解温度跳跃层效应，提高系统的热传导效率。此外，还可以通过引入翅片和挡板等热增强技术，优化紧凑型热交换器的设计，提高冷能储存和释放的效率。在动态控制策略方面，可以通过智能控制算法和实时监测技术，提高系统的响应速度和稳定性，使其能够适应复杂的工况变化。

LNG冷能储存技术的发展不仅对能源行业具有重要意义，还对环境保护和可持续发展产生积极影响。通过高效利用LNG气化过程中释放的冷能，可以减少能源浪费，降低碳排放，提高能源利用效率。同时，冷能储存技术的应用还可以促进新能源的发展，如利用冷能进行海水淡化、制冷和空调等，进一步拓展LNG冷能的利用范围。因此，LNG冷能储存技术的研究和应用，不仅需要关注材料和反应器设计的优化，还需要在过程集成和动态控制策略方面进行深入探索，以实现冷能的高效回收和利用。

在未来的研发方向中，材料合成和多级冷能利用技术将成为重点。通过开发新型材料，如高性能的潜热储能材料和稳定的化学储能材料，可以进一步提高冷能储存系统的性能。同时，通过优化多级冷能利用技术，可以实现冷能的高效回收和利用，提高系统的整体效率。此外，还需要加强对冷能储存系统在实际应用中的研究，如在LNG接收终端和下游应用系统中的应用，以验证其可行性并推广其应用。这些研究不仅有助于提高LNG冷能储存系统的性能，还为未来的能源利用提供了新的思路和方向。

总之，LNG冷能储存技术的发展需要多方面的共同努力，包括材料、反应器设计和过程集成的优化。通过系统的分析和研究，可以更好地理解冷能储存系统的运行机制，并为实际应用提供科学依据。同时，还需要不断探索新的技术和方法，以提高冷能储存系统的性能和效率，使其在复杂的工况下依然能够稳定运行。这些努力不仅有助于提高LNG冷能的回收率，还对能源行业的可持续发展具有重要意义。