现在最新的天然气液化技术是什么？
现在最新的天然气液化技术是什么？
夏明煦
更新时间：2015-05-09 12:00
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液化天然气技术 摘要：天然气是一种优质洁净燃料，在能源、交通等领域具有十分诱人的前景。近二三十年以来，随着人类绿色意识的觉醒， 环境保护意识不断加强， 可持续发展观念深入人心 。它作为清洁能源，重要化工原料，得到了更为广泛的利用，世界各国把推广利用天然气，提高天然气在一次能源消费中的比重，作为优化能源结构，实现经济、社会和环境协调发展的重要途径。我国有丰富的天然气资源，但大规模开发利用天然气，尤其是开发和应用LNG技术起步晚。长期以来，LNG在中国是一个陌生的名词和概念，对LNG工业链既缺乏基础的定量研究，又很少对它的技术内涵有了解。为了适应我国已面临大规模开发利用天然气的新形势，应尽快改变国内在LNG产业上的薄弱状态。 关键词：液化装置 液化工艺 国外研究发展 一、 天然气的液化装置 天然气液化装置可以分为基本负荷型和调峰型两种，随着海上油气田的开发，近年又出现了浮式液化天然气生产储卸装置。天然气液化装置一般由预处理、液化、储存、控制及消防等系统组成 1、基本负荷型天然气液化装置 基本负荷型天然气液化装置主要用于天然气生产地液化后远洋运输，进行国际间的LNG贸易。其液化和储存连续运行，装置的能力一般在106m3/d以上。全部设施由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统、装卸系统和消防系统等组成，是一个庞大复杂的系统工程。 2、调峰型天然气液化装置 调峰型液化装置指为调峰负荷、补充冬季燃料供应或事故调峰用的天然气液化装置，通常将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或者紧急情况下再汽化使用。调峰型天然气液化装置中主要采用以下三种类型的液化流程： (1)、级联式液化流程：阶式制冷的基本负荷天然气液化装置优点是能耗低，各制冷循环及天然气液化系统独立分开，相互牵制少，操作稳定。缺点是流程复杂，机组多，要有生产和储存各种制冷剂的设备，维修不方便。 (2)、混合制冷剂液化流程：混合冷剂制冷的基本负荷天然气液化装置与级联式液化流程相比，该流程具有机组设备少，流程简单，投资少，操作管理方便等优点，缺点是混合冷剂各组分配比要求严格，流程计算困难。丙烷预冷混合冷剂制冷的基本负荷天然气液化装置丙烷预冷混合制冷液化流程结合了阶式液化流程和混合制冷液化流程的优点，流程高效简单。 (3)、膨胀机液化流程：流程简单、调节灵活、工作可靠、易启动、易操作、维护方便，用天然气本身为机制时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用。缺点是送入装置的气流须全部深度干燥，回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大，受低压用户多少的限制。 3、浮式液化天然气生产储卸装置 浮式LNG装置可分为在驳船、油建基础上改装的LNG生产储卸装置和新型混凝土浮式生产储卸装置。整个装置可看做一座浮动的LNG生产接受终端，直接泊于气田上方进行作业，不需要先期进行海底输气管道、LNG工厂和码头的建设，降低的气田的开发成本。同时减少了原料天然气输送的压力损失，可以有效回收天然气资源。
4、液化天然气接收终端 接收海运LNG的终端设施称为LNG接收终端。它接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的液化天然气，将其储存和再汽化后分配给用户。接收终端的再汽化能力很大，储槽容量也很大。它主要由专用码头、卸货装置、LNG输送管道、LNG储槽再汽化装置及送气设备、气体计量和压力控制站、蒸发气体回收装置、控制及安全保护系统、维修保养系统等组成。 二、 天然气的液化工艺 1、阶式制冷液化工艺 阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是利用常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气液化的。阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约-40℃)，把冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温度约-100℃)，使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，使天然气温度降至接近-160℃；经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和残余气。在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气(LNG)。 2、混合冷剂制冷液化工艺 混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝的特点，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。混合冷剂制冷液化流程，主要由两部分构成：密闭的制冷系统和主冷箱。冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的低压组分(即冷剂内的重组分)凝析。低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后凝析为混合冷剂液体，经阀门节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂冷凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝的天然气引出冷箱，经分离分出C5+凝液，气体返回冷箱进一步降温，产生LNG。C5+凝液需经稳定处理，使之符合产品质量要求。 3、带预冷的混合冷剂制冷液化工艺 结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。所以自20世纪70年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。 三、 国内外天然气液化技术研究现状 国内研究现状，早在 60 年代，国家科委就制订了 LNG 发展规划， 60 年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产 He 外，还生产 LNG 。 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料。与国外情况不同的是，国内天然气
液化的研究都是以小型液化工艺为目标。 国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环，该工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。
4、液化天然气接收终端 接收海运LNG的终端设施称为LNG接收终端。它接收用船从基本负荷型天然气液化工厂运来的液化天然气，将其储存和再汽化后分配给用户。接收终端的再汽化能力很大，储槽容量也很大。它主要由专用码头、卸货装置、LNG输送管道、LNG储槽再汽化装置及送气设备、气体计量和压力控制站、蒸发气体回收装置、控制及安全保护系统、维修保养系统等组成。 二、 天然气的液化工艺 1、阶式制冷液化工艺 阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是利用常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气液化的。阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约-40℃)，把冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温度约-100℃)，使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，使天然气温度降至接近-160℃；经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和残余气。在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气(LNG)。 2、混合冷剂制冷液化工艺 混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝的特点，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。混合冷剂制冷液化流程，主要由两部分构成：密闭的制冷系统和主冷箱。冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的低压组分(即冷剂内的重组分)凝析。低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后凝析为混合冷剂液体，经阀门节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂冷凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝的天然气引出冷箱，经分离分出C5+凝液，气体返回冷箱进一步降温，产生LNG。C5+凝液需经稳定处理，使之符合产品质量要求。 3、带预冷的混合冷剂制冷液化工艺 结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单。所以自20世纪70年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用。目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。 三、 国内外天然气液化技术研究现状 国内研究现状，早在 60 年代，国家科委就制订了 LNG 发展规划， 60 年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产 He 外，还生产 LNG 。 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料。与国外情况不同的是，国内天然气
液化的研究都是以小型液化工艺为目标。 国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环，该工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。
gpw111
2015-05-09 12:00
其他2个回答
闪妹最棒
2015-05-09 12:00
最新技术和工程应用，内容包括天然气的热物理特性，液化天然气工业链的各个环节，即天然气的预处理、天然气的低温液化流程和设备、液化天然气的储存和运输、液化天然气的再汽化，冷量回收，以及液化天然气的应用等
谁随隋
2015-05-09 12:00
一、液化天然气(LiquifiedNaturalGas,简称LNG)
主要成分是甲烷,被公认是地球上最干净的能源.无色、无味、无毒且无腐蚀性,其体积约为同量气态天然气体积的1/600,液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右.其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理,经一连串超低温液化后,利用液化天然气船运送.燃烧后对空气污染非常小,而且放出热量大,所以液化天然气好.
它是天然气经压缩、冷却,在-160度下液化而成.其主要成分为甲烷,用专用船或油罐车运输,使用时重新气化.20世纪70年代以来,世界液化天然气产量和贸易量迅速增加,2005年LNG国际贸易量达1888.1亿立方米,最大出口国是印度尼西亚,出口314.6亿立方米；最大进口国是日本763.2亿立方米.
二、国内外概况及发展趋势
1941 年在美国克利夫兰建成了世界第一套工业规模的 LNG 装置,液化能力为 8500 m3 /d .从 60 年代开始, LNG 工业得到了迅猛发展,规模越来越大,基本负荷型液化能力在 2. 5 × 104 m3 /d .据资料[3]介绍,目前各国投产的 LNG 装置已达 160 多套, LNG 出口总量已超过 46.1 8 × 106 t/a .
天然气的主要成分是甲烷,甲烷的常压沸点是 -16 1 ℃ ,临界温度为 -84 ℃ ,临界压力为 4.1MPa . LNG 是液化天然气的简称,它是天然气经过净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)后[4],采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的[5].
2.1 国外研究现状
国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高,基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺,目前两种类型的装置都在运行,新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺,研究的主要目的在于降低液化能耗.制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环,目前有报道又有 C Ⅱ -2 新工艺[6],该工艺既具有纯组分循环的优点,如简单、无相分离和易于控制,又有混合冷剂制冷循环的优点,如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点.
法国 Axens 公司与法国石油研究所 (IFP) 合作,共同开发的一种先进的天然气液化新工艺—— Liquefin 首次工业化,该工艺为 LNG 市场奠定了基础.其生产能力较通用的方法高 15%-20% ,生产成本低 25% .使用 Liquefin 法之后,每单元液化装置产量可达 600 × 104 t/y 以上.采用 Liquefin 工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25% [7] .该工艺的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺,可建设超大容量的液化装置. Axens 已经给美国、欧洲、亚洲等几个主要地区提出使用该工艺的建议,并正在进行前期设计和可行性研究. IFP 和 Axens 开发的 Liquefin 工艺的安全、环保、实用及创新特点最近已被世界认可,该工艺获得了化学工程师学会授予的“工程优秀奖” [8] .
美国德克萨斯大学工程实验站,开发了一种新型天然气液化的技术—— GTL 技术已申请专利.该技术比目前开发的 GTL 技术更适用于小规模装置,可加工 30.5 × 104 m3 /d 的天然气.该实验站的 GTL 已许可给合成燃料 (Synfuels) 公司.该公司在 A ＆ M 大学校园附近建立了一套 GTL 中试装置,目前正在进行经济性模拟分析.新工艺比现有技术简单的多,不需要合成气,除了发电之外,也不需要使用氧气.其经济性、规模和生产方面都不同于普通的费托 GTL 工艺.第一套工业装置可能在 2004 年上半年建成[9].
2.2 国内研究现状
早在 60 年代,国家科委就制订了 LNG 发展规划, 60 年代中期完成了工业性试验,四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置,除生产 He 外,还生产 LNG . 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料.与国外情况不同的是,国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标,有关这方面的文献发表较多[10],以下就国内现有的天然气液化装置工艺作简单介绍.
2.2.1 四川液化天然气装置
由中国科学院装修'>北京科阳气体液化技术联合公司与四川简阳市科阳低温设备公司合作研制的 300l/h 天然气液化装置,是用 LNG 作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程.该装置于 1992 年建成,为 LNG 汽车研究提供 LNG .
该装置充分利用天然气自身的压力,采用气体透平膨胀机制冷使天然气液化,用于民用天然气调峰或生产 LNG ,工艺流程合理,采用气体透平膨胀机,技术较先进.该装置基本不消耗水、电,属节能工程,但液化率很低,约 10% 左右,这是与它的设计原则一致的.
2.2.2 吉林油田液化天然气装置
由吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的 500l/h 撬装式工业试验装置于 1996 年 12 月整体试车成功,该装置采用以氮气为冷剂的膨胀机循环工艺,整个装置由 10 个撬块组成,全部设备国产化 [11].
该装置采用气体轴承透平膨胀机；国产分子筛深度脱除天然气中的水和 CO2 ,工艺流程简单,采用撬装结构,符合小型装置的特点.采用纯氮作为制冷工质,功耗比采用冷剂的膨胀机循环要高.没有充分利用天然气自身压力,将天然气在中压下( 5.0MPa 左右)液化(较高压力下液化既可提高氮气的制冷温度,又可减少制冷负荷),因此该装置功耗大.
2.2.3 陕北气田液化天然气
1999 年 1 月建成投运的 2 × 104 m3 /d “陕北气田 LNG 示范工程”是发展我国 LNG 工业的先导工程,也是我国第一座小型 LNG 工业化装置.该装置采用天然气膨胀制冷循环,低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化,气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷,燃气机作为循环压缩机的动力源,利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源.该装置设备全部国产化.装置的成功投运为我国在边远油气田上利用天然气生产 LNG 提供了经验[12].
2.2.4 中原油田液化天然气装置
中原油田曾经建设了我国最大的 LNG 装置,原料气规模为 26.6 5 × 104 m3 /d 、液化能力为 1 0 × 104 m3 /d 、储存能力为 1200 m3 、液化率为 37.5%[13].目前,在充分吸取国外先进工艺技术的基础上,结合国内、国外有关设备的情况,主要针对自身气源特点,又研究出 LNG 工艺技术方案 [14] .该工艺流程采用常用的分子筛吸附法脱水,液化工艺选用丙烷预冷 + 乙烯预冷 + 节流.
装置在原料气量 30× 104 m3 /d 时,收率高达 51.4% ,能耗为 0.13 Kwh/Nm3 .其优点在于各制冷系统相对独立,可靠性、灵活性好.但是工艺相对较复杂,须两种制冷介质和循环,设备投资高.由于该厂充分利用了油田气井天然气的压力能,所以液化成本低.
2.2.5 天津大学的小型液化天然气( LNG )装置
小型 LNG 装置与大型装置相比,不仅具有原料优势、市场优势而且投资低、可搬迁、灵活性大[15]. LNG 装置主要是用胺基溶剂系统对天然气进行预处理,脱除 CO2 等杂质；分子筛脱水；液化几个步骤.装置采用单级混合制冷系统；闭合环路制冷循环用压缩机压缩制冷剂.单级混合制冷剂工艺操作简便、效率高,适用于小型 LNG 装置.
压缩机的驱动机可用燃气轮机或电动马达.电价低的地区可优先考虑电动马达(成本低、维修简单).在燃料气价格低的地区,燃气透平将是更好的选择方案.经济评估结果表明,采用燃气轮机驱动机的液化装置,投资费要比选用电动马达高出 200 万~ 400 万美元.据对一套 15 × 106ft 3 /d 液化装置进行的成本估算,调峰用的 LNG 项目储罐容积为 10 万 m3 ,而用于车用燃料的 LNG 项目仅需 700m3 储罐,导致最终调峰用的 LNG 成本为 2.03 ~ 2.11 美元 /1000ft3 ,而车用 LNG 成本仅 0.98 ~ 0.99 美元 /1000 ft3 .
2.2.6 西南石油学院液化新工艺
该工艺日处理 3.0 × 104 m3 天然气,主要由原料气 ( CH4 : 95.28% , CO2 :2.9% ) 脱 CO2 、脱水、丙烷预冷、气波制冷机制冷和循环压缩等系统组成. 以 SRK 状态方程作为基础模型,开发了天然气液化工艺软件. 天然气压缩机的动力采用天然气发动机,小负荷电设备用天然气发电机组供电,解决了边远地区无电或电力紧张的难题.由于边远地区无集输管线可利用,将未能液化的天然气循环压缩,以提高整套装置的天然气液化率.
装置采用一乙醇胺法( MK-4 )脱除 CO2 .由于处理量小,脱二氧化碳的吸收塔和再生塔应采用高效填料塔 [16] .由于混合制冷剂,国内没有成熟的技术和设计、运行管理经验,仪表控制系统较复杂.同时考虑到原料气中甲烷含量高,有压力能可以利用.故采用天然气直接膨胀制冷作为天然气液化循环工艺[17].气波制冷属于等熵膨胀过程,气波制冷机是在热分离机的基础上,运用气体波运动的理论研制的.在结构上吸收了热分离机的一些优点,同时增加了微波吸收腔这一关键装置,在原理上与热分离机存在明显不同,更加有效地利用气体的压力,提高了制冷效率.
2.2.7 哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工业大学
LNG 系统主要包括天然气预处理、天然气的低温液化、天然气的低温储存及天然气的气化和输出等[18].经过处理的天然气通过一个多级单混冷凝过程被液化,制冷压缩机是由天然气发动机驱动. LNG 储罐为一个双金属壁的绝热罐,内罐和外罐分别是由镍钢和碳钢制成 [19] .
循环气体压缩机一般采用天然气驱动,可节省运行费用而使投资快速收回.压缩机一般采用非润滑式特殊设计,以避免天然气被润滑油污染[20].采用装有电子速度控制系统的透平,而且新型透平的最后几级叶片用钻合金制造,改善了机械运转.安装于透平压缩机上的新型离合器是挠性的,它们的可靠性比较高,还可以调整间隙.
主要成分是甲烷,被公认是地球上最干净的能源.无色、无味、无毒且无腐蚀性,其体积约为同量气态天然气体积的1/600,液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右.其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理,经一连串超低温液化后,利用液化天然气船运送.燃烧后对空气污染非常小,而且放出热量大,所以液化天然气好.
它是天然气经压缩、冷却,在-160度下液化而成.其主要成分为甲烷,用专用船或油罐车运输,使用时重新气化.20世纪70年代以来,世界液化天然气产量和贸易量迅速增加,2005年LNG国际贸易量达1888.1亿立方米,最大出口国是印度尼西亚,出口314.6亿立方米；最大进口国是日本763.2亿立方米.
二、国内外概况及发展趋势
1941 年在美国克利夫兰建成了世界第一套工业规模的 LNG 装置,液化能力为 8500 m3 /d .从 60 年代开始, LNG 工业得到了迅猛发展,规模越来越大,基本负荷型液化能力在 2. 5 × 104 m3 /d .据资料[3]介绍,目前各国投产的 LNG 装置已达 160 多套, LNG 出口总量已超过 46.1 8 × 106 t/a .
天然气的主要成分是甲烷,甲烷的常压沸点是 -16 1 ℃ ,临界温度为 -84 ℃ ,临界压力为 4.1MPa . LNG 是液化天然气的简称,它是天然气经过净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)后[4],采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的[5].
2.1 国外研究现状
国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高,基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺,目前两种类型的装置都在运行,新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺,研究的主要目的在于降低液化能耗.制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环,目前有报道又有 C Ⅱ -2 新工艺[6],该工艺既具有纯组分循环的优点,如简单、无相分离和易于控制,又有混合冷剂制冷循环的优点,如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点.
法国 Axens 公司与法国石油研究所 (IFP) 合作,共同开发的一种先进的天然气液化新工艺—— Liquefin 首次工业化,该工艺为 LNG 市场奠定了基础.其生产能力较通用的方法高 15%-20% ,生产成本低 25% .使用 Liquefin 法之后,每单元液化装置产量可达 600 × 104 t/y 以上.采用 Liquefin 工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25% [7] .该工艺的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺,可建设超大容量的液化装置. Axens 已经给美国、欧洲、亚洲等几个主要地区提出使用该工艺的建议,并正在进行前期设计和可行性研究. IFP 和 Axens 开发的 Liquefin 工艺的安全、环保、实用及创新特点最近已被世界认可,该工艺获得了化学工程师学会授予的“工程优秀奖” [8] .
美国德克萨斯大学工程实验站,开发了一种新型天然气液化的技术—— GTL 技术已申请专利.该技术比目前开发的 GTL 技术更适用于小规模装置,可加工 30.5 × 104 m3 /d 的天然气.该实验站的 GTL 已许可给合成燃料 (Synfuels) 公司.该公司在 A ＆ M 大学校园附近建立了一套 GTL 中试装置,目前正在进行经济性模拟分析.新工艺比现有技术简单的多,不需要合成气,除了发电之外,也不需要使用氧气.其经济性、规模和生产方面都不同于普通的费托 GTL 工艺.第一套工业装置可能在 2004 年上半年建成[9].
2.2 国内研究现状
早在 60 年代,国家科委就制订了 LNG 发展规划, 60 年代中期完成了工业性试验,四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置,除生产 He 外,还生产 LNG . 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料.与国外情况不同的是,国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标,有关这方面的文献发表较多[10],以下就国内现有的天然气液化装置工艺作简单介绍.
2.2.1 四川液化天然气装置
由中国科学院装修'>北京科阳气体液化技术联合公司与四川简阳市科阳低温设备公司合作研制的 300l/h 天然气液化装置,是用 LNG 作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程.该装置于 1992 年建成,为 LNG 汽车研究提供 LNG .
该装置充分利用天然气自身的压力,采用气体透平膨胀机制冷使天然气液化,用于民用天然气调峰或生产 LNG ,工艺流程合理,采用气体透平膨胀机,技术较先进.该装置基本不消耗水、电,属节能工程,但液化率很低,约 10% 左右,这是与它的设计原则一致的.
2.2.2 吉林油田液化天然气装置
由吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的 500l/h 撬装式工业试验装置于 1996 年 12 月整体试车成功,该装置采用以氮气为冷剂的膨胀机循环工艺,整个装置由 10 个撬块组成,全部设备国产化 [11].
该装置采用气体轴承透平膨胀机；国产分子筛深度脱除天然气中的水和 CO2 ,工艺流程简单,采用撬装结构,符合小型装置的特点.采用纯氮作为制冷工质,功耗比采用冷剂的膨胀机循环要高.没有充分利用天然气自身压力,将天然气在中压下( 5.0MPa 左右)液化(较高压力下液化既可提高氮气的制冷温度,又可减少制冷负荷),因此该装置功耗大.
2.2.3 陕北气田液化天然气
1999 年 1 月建成投运的 2 × 104 m3 /d “陕北气田 LNG 示范工程”是发展我国 LNG 工业的先导工程,也是我国第一座小型 LNG 工业化装置.该装置采用天然气膨胀制冷循环,低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化,气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷,燃气机作为循环压缩机的动力源,利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源.该装置设备全部国产化.装置的成功投运为我国在边远油气田上利用天然气生产 LNG 提供了经验[12].
2.2.4 中原油田液化天然气装置
中原油田曾经建设了我国最大的 LNG 装置,原料气规模为 26.6 5 × 104 m3 /d 、液化能力为 1 0 × 104 m3 /d 、储存能力为 1200 m3 、液化率为 37.5%[13].目前,在充分吸取国外先进工艺技术的基础上,结合国内、国外有关设备的情况,主要针对自身气源特点,又研究出 LNG 工艺技术方案 [14] .该工艺流程采用常用的分子筛吸附法脱水,液化工艺选用丙烷预冷 + 乙烯预冷 + 节流.
装置在原料气量 30× 104 m3 /d 时,收率高达 51.4% ,能耗为 0.13 Kwh/Nm3 .其优点在于各制冷系统相对独立,可靠性、灵活性好.但是工艺相对较复杂,须两种制冷介质和循环,设备投资高.由于该厂充分利用了油田气井天然气的压力能,所以液化成本低.
2.2.5 天津大学的小型液化天然气( LNG )装置
小型 LNG 装置与大型装置相比,不仅具有原料优势、市场优势而且投资低、可搬迁、灵活性大[15]. LNG 装置主要是用胺基溶剂系统对天然气进行预处理,脱除 CO2 等杂质；分子筛脱水；液化几个步骤.装置采用单级混合制冷系统；闭合环路制冷循环用压缩机压缩制冷剂.单级混合制冷剂工艺操作简便、效率高,适用于小型 LNG 装置.
压缩机的驱动机可用燃气轮机或电动马达.电价低的地区可优先考虑电动马达(成本低、维修简单).在燃料气价格低的地区,燃气透平将是更好的选择方案.经济评估结果表明,采用燃气轮机驱动机的液化装置,投资费要比选用电动马达高出 200 万~ 400 万美元.据对一套 15 × 106ft 3 /d 液化装置进行的成本估算,调峰用的 LNG 项目储罐容积为 10 万 m3 ,而用于车用燃料的 LNG 项目仅需 700m3 储罐,导致最终调峰用的 LNG 成本为 2.03 ~ 2.11 美元 /1000ft3 ,而车用 LNG 成本仅 0.98 ~ 0.99 美元 /1000 ft3 .
2.2.6 西南石油学院液化新工艺
该工艺日处理 3.0 × 104 m3 天然气,主要由原料气 ( CH4 : 95.28% , CO2 :2.9% ) 脱 CO2 、脱水、丙烷预冷、气波制冷机制冷和循环压缩等系统组成. 以 SRK 状态方程作为基础模型,开发了天然气液化工艺软件. 天然气压缩机的动力采用天然气发动机,小负荷电设备用天然气发电机组供电,解决了边远地区无电或电力紧张的难题.由于边远地区无集输管线可利用,将未能液化的天然气循环压缩,以提高整套装置的天然气液化率.
装置采用一乙醇胺法( MK-4 )脱除 CO2 .由于处理量小,脱二氧化碳的吸收塔和再生塔应采用高效填料塔 [16] .由于混合制冷剂,国内没有成熟的技术和设计、运行管理经验,仪表控制系统较复杂.同时考虑到原料气中甲烷含量高,有压力能可以利用.故采用天然气直接膨胀制冷作为天然气液化循环工艺[17].气波制冷属于等熵膨胀过程,气波制冷机是在热分离机的基础上,运用气体波运动的理论研制的.在结构上吸收了热分离机的一些优点,同时增加了微波吸收腔这一关键装置,在原理上与热分离机存在明显不同,更加有效地利用气体的压力,提高了制冷效率.
2.2.7 哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工业大学
LNG 系统主要包括天然气预处理、天然气的低温液化、天然气的低温储存及天然气的气化和输出等[18].经过处理的天然气通过一个多级单混冷凝过程被液化,制冷压缩机是由天然气发动机驱动. LNG 储罐为一个双金属壁的绝热罐,内罐和外罐分别是由镍钢和碳钢制成 [19] .
循环气体压缩机一般采用天然气驱动,可节省运行费用而使投资快速收回.压缩机一般采用非润滑式特殊设计,以避免天然气被润滑油污染[20].采用装有电子速度控制系统的透平,而且新型透平的最后几级叶片用钻合金制造,改善了机械运转.安装于透平压缩机上的新型离合器是挠性的,它们的可靠性比较高,还可以调整间隙.
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