在全球气候变化的大背景下，以天然气、氢气为代表的清洁能源气体在世界能源格局中的地位愈加重要。然而，气体密度极低，直接将其储存运输比较困难。通过低温制冷系统将能源气体液化后可以大幅提高储存密度。以天然气为例，液化天然气（LNG）的密度是标准状态下气态天然气的625倍，用很小的储存容器就可以储运大量天然气。在众多低温制冷技术中，混合工质节流制冷技术因其效率高、形式灵活多变、适应性好等优势在能源气体液化领域大显身手。

1. 高效气体液化的关键词——匹配

气体的液化过程横跨常温区与低温区；在该过程中常温气体首先被冷却至饱和温度，然后再由低温饱和气体冷凝为低温液体。气体由常温冷却至低温的过程中，被冷却的是气相显热，负荷连续分布在不同的温度下；而由低温饱和气体变为低温液体的冷凝过程中，被冷却的则是液相潜热，集中分布在饱和温度下（混合物则为某一温区）；而对于压力较高的气源，则在超临界状态被冷却，其冷却负荷像气体显热一样连续分布在不同温度下，但呈现出不规则的非线性特征。

图1 不同类型的气体冷却液化负荷

由此可见，气体液化的负荷比较复杂，尤其是存在连续分布在不同温度下的冷却负荷。在早期的研究中，待液化气体被一个低温冷头直接从常温冷却到低温并冷凝。虽然能完成气体液化的任务，但其中很长的一个阶段是用温度极低的冷头来冷却温度并不低的负荷，这样并不合算；毕竟，制冷温度越低，需要付出的功耗越大，制冷量也就越 “昂贵”。就像打牌时对方出3,4,5,6,7，这时4张老K炸弹压上虽然稳赢但是浪费；而出4,5,6,7,8就合适的多。气体液化也是如此，让不同温区的冷能来冷却对应温区的负荷，实现气体冷却负荷与制冷系统的良好匹配，减小因为传热温差造成的㶲损失，提高系统的整体效率。

图2 不同制冷系统与气体冷却液化负荷的匹配情况

2.低温制冷的多面手——混合工质节流制冷技术

混合工质节流制冷技术的一大优势，就是善于用其灵活多变的工质配比来匹配不同形式的气体冷却负荷。对于一个用于气体液化的混合工质节流制冷循环，除了大家耳熟能详的压缩机、冷凝器（后冷却器）、节流阀和蒸发器四大件外，还是有一个极为关键的回热器，作为连接常温区与低温区的桥梁。待液化的气体在回热器中由常温被冷却至低温并冷凝为液体，甚至不需要额外设置传统意义上的蒸发器。而由多种制冷剂混合而成的制冷工质则精诚合作各司其职，在不同的温度下连续释放出与气体液化负荷匹配的制冷量，实现较高的效率。另外，混合工质节流制冷技术的一大优点是可以大量采用普冷领域的货架产品，比如单级油润滑普冷压缩机、管壳式冷凝器（后冷却器）等，可以大大降低液化装置的建造成本。目前，在混合工质节流制冷技术已经广泛应用于低温储存、天然气液化、低温环境模拟等诸多领域，并得到了广泛认可。

图3 一种用于气体液化的混合工质节流制冷循环

3. 天然气液化的主力军——MRC流程

天然气液化技术经过数十年的发展，形成了以级联式流程、氮膨胀流程和混合工质流程（MRC）三种技术路线。其中，级联式流程顾名思义，是多级纯工资制冷循环接力将高压天然气逐步冷却。氮膨胀流程则采用氮气制冷循环，利用冷氮气将天然气冷却液化；然而氮气“直来直去”的冷量释放特性很难与“斗折蛇行”的天然气液化负荷匹配。而MRC流程则因其效率较高，成为现在的主流技术；其高效的关键就是制冷工质与天然气液化负荷的良好匹配，基于该技术衍生出的C3MR、AP-X等液化流程已得到广泛应用。而对于我国储量较大的煤层气、井口气等偏散气源，高效灵活的小型撬装MRC液化装置可以实现就地液化集输，大大降低这类气源的开发成本。

图4 C3MRC天然气液化流程和大型缠绕管式液化冷箱  图源：Air Products & Chemicals, Inc.，Linde Plc.

图5 中科院理化所研制的小型撬装MRC天然气液化装置

4.氢气液化的新宠儿——混合工质预冷技术

随着我国氢能产业的快速发展，为满足氢气输运的需求，大量氢液化项目落地。目前氢气液化主要采用氦膨胀和氢膨胀技术，二者均需要液氮将原料氢和制冷工质预冷。然而，液氮主要在低温下（~-195℃）蒸发集中释放冷量，负荷与冷源之间的温差较大，与氢气的分布式冷却负荷并不匹配，造成了高品位冷能的低效使用。除此之外，对于西部地区及海上的光伏/风电绿氢基地，长途液氮的供应也存在诸多不便；大量废氮气的排放也会造成一定的环境问题。而采用闭式混合工质节流制冷循环代替液氮预冷，混合工质与氢气冷却负荷匹配良好，大幅提高冷能利用效率；同时闭式制冷循环接电即用，免去了液氮供应和废气排放的麻烦，非常适合远离常规液氮供应网点的绿氢产业基地。目前，林德等国际巨头已将混合工质预冷技术列为氢液化技术的未来发展趋势，发展前景光明。

图6 中科院理化所研制的液氢温区低温制冷系统的混合工质预冷装置

混合工质节流制冷技术在能源气体的储运方面有着明显优势，但依然有许多机理性的问题需要探索，在系统高效率运行方面仍有很大的发展潜力。这是一个综合热力学、传热和系统设计的高度耦合问题。国家的需求便是科研人的动力，混合工质节流制冷技术必然会在国家清洁能源体系的建立中做出应有的贡献。

撰稿：中国科学院理化技术研究所项目副研究员王昊成（入选北京市科协2023-2025年度青年人才托举工程）、博士生王云霄

审核：公茂琼

编辑：王晓童