淺析LNG的發展與應用

崔靖梓

摘 要：詳盡闡述LNG產業發展的現狀，討論LNG液化工藝的技術選擇，并對混合冷劑制冷天然氣液化工藝進行描述。

關鍵詞：LNG；發展現狀；工藝技術

天然氣資源作為一種優質、高效、清潔的能源，在能源競爭中逐步確立了優勢。隨著全球天然氣探明儲量及產量的迅速增長，天然氣在能源構成中所占的比例日益提高。2010年全球天然氣消費量為31690億立方米，在一次能源中所占比例約為28.0%，天然氣已成為繼煤炭、原油后的第三大能源。截至2010年底，世界天然氣探明儲量為187.1萬億立方米，平均儲采比為58.6。世界天然氣資源分布極不均衡，主要分布在中東和歐洲地區，2010年兩地區占全球總探明儲量的比例分別為40.5%和33.7%。相比之下，亞太地區天然氣資源較貧乏，探明儲量為16.2萬億立方米，占全球總探明儲量的比例僅為8.7%，該地區的天然氣資源主要集中在澳大利亞、印度尼西亞、馬來西亞等國，液化天然氣主要流向日本、韓國、中國及中國臺灣省。

1 LNG產業的發展現狀

1.1 國際LNG產業發展現狀

目前全球共已建LNG生產線95條，總產能已達2.5億噸/年；在建中的LNG生產線有30條，總產能為1.44億噸/年。全球LNG消費市場主要分布在亞太地區、歐洲及北美。亞太地區由于人口增長較快、經濟保持良性發展、能源多樣化以及環境保護的需要，LNG需求量由2000年994億立方米增至2010年將達1800億立方米，年均增量約6%，而在此期間可供亞太地區的供應量僅增4%。

亞太地區最大的2個LNG進口國日本和韓國需求增長趨緩，歐洲地區需求增長也不大。但北美地區由于現有天然氣田的產量增長緩慢，并有下降的趨勢，所以該地區天然氣供需不平衡的問題日益突出，導致其需求量急劇增加，尤以美國的LNG需求增長最為明顯。未來美國、印度和中國LNG市場需求的迅速增長將使全球LNG供應趨于緊張，而中東及亞太地區將成為向中國供應LNG的主要供應地區。

1.2 國內LNG產業發展現狀

由于中國天然氣地質儲量具有西多東少的特點，天然氣西氣東輸管線覆蓋范圍有限，導致中國東部地區天然氣市場存在巨大缺口，而且LNG可用于城鎮應急調峰儲備、運輸工具的替代燃料、偏遠地區居民生活用氣及工業用氣。因此，在沿海地區建設LNG接收站，在天然氣產地建設LNG加工裝置，可以滿足更大范圍、更多地區目前我國沿海地區已建成和在建的進口LNG接收站項目有12個，分別為廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港、上海五號溝、廣東珠海、廣東揭陽、廣東深圳、浙江寧波、江蘇如東、河北曹妃甸、遼寧大連、山東青島接收站。截至2014年底，國內已建成了30余座天然氣液化工廠，總生產能力為1193萬立方米/天。這些已經建成的LNG裝置中，只有新疆廣匯、鄂爾多斯、四川達州的加工能力超過100萬立方米/天，其余裝置的規模普遍較小。未來三年，中國尚有30余個擬建LNG項目，潛在產能超過3000萬立方米/天，在未來10-20年的時間內，LNG將成為中國天然氣市場的強大生力軍。

2 LNG液化工藝的選擇

液化天然氣的生產工藝過程主要分為凈化、液化及儲存三部分，其中液化工藝是核心，目前成熟的的天然氣液化工藝流程包括復迭式循環流程、膨脹制冷流程及混合冷劑制冷流程。復迭式制冷液化工藝由幾個制冷循環復迭而成，多為丙烷、乙烯及甲烷等數個不同溫度級別的循環系統串聯，每個系統均配有壓縮機組，對各自冷劑進行壓縮、節流、閃蒸等工藝操作，將原料天然氣冷凝、液化及過冷。復迭式制冷液化工藝熱效率高、能耗少，但機組多、控制復雜、開工率偏低、投資成本高，僅僅在少數大型基地型LNG生產設施上應用。

膨脹機制冷液化工藝利用原料天然氣自身的壓力在膨脹機中絕熱膨脹制冷，將天然氣液化，但液化率一般只有7%～15%。而在此工藝技術發展而來間接膨脹機制冷液化工藝利用氮氣或甲烷經壓縮，進入冷箱膨脹制冷將天然氣液化可得到較高的液化率，但受原料氣壓力及組成的變化影響較大，僅適用于產能較小且特殊要求的場所。

混合冷劑制冷流程以多組分混合物作為制冷劑，一般由5～6種組分的混合物組成，利用混合物中重組分先冷凝，輕組分后冷凝的技術特點，依次經節流、蒸發制冷，將天然氣液化。依據冷劑循環數量可分為單循環、雙循環及三循環混合冷劑工藝，單循環冷劑一般由氮氣及烴類組成，混合冷劑經分段壓縮，并在段間分離出重組分，以達到減小二段壓縮功耗的目的。冷劑的低壓返流由壓縮機壓縮至中壓后冷卻并進入閃蒸塔進行分離，塔底重組分進入冷箱上部用以預冷，而塔頂輕組分被進一步壓縮、冷卻、節流以提供冷量。雙循環混合冷劑制冷工藝在單循環工藝基礎上增設一級丙烷預冷，丙烷預冷循環用于預冷混合冷劑及天然氣至-30℃左右，而混合冷劑用于深冷及液化天然氣，該工藝運行效率高，單線生產能力可達250萬噸/年。三循環混合冷劑工藝，產能可達500萬噸/年以上，采用三個串聯的制冷循環，分別用于預冷、冷凝和液化，一般應用于大型和特大型天然氣液化裝置。天然氣液化工藝技術經濟性比較見表1。

表1 天然氣液化工藝技術經濟性比較表

3 混合冷劑制冷工藝

混合冷劑制冷天然氣液化包括原料氣的過濾、酸性氣體脫除、液化、LNG儲存及灌裝等工藝環節，流程簡圖見圖1。

圖1 混合冷劑制冷天然氣液化工藝流程簡圖

天然氣組分較純凈，酸性氣以CO2為主，CO2的摩爾濃度從0.8mol%降至50ppm以下，以防止CO2在天然氣液化過程中以干冰的形式析出，堵塞設備及管道，目前LNG裝置廣泛采用乙醇胺水溶液、環丁砜或二異丙醇胺作為脫酸劑。天然氣液化脫水屬于深度脫水，由于分子篩具有吸附選擇能力強，低水汽分壓下的高吸附特性，通常采用4A分子篩將水含量控制在1ppm以下。同時為防止原料氣中含有的微量汞在低溫時對冷箱等設備造成腐蝕，選擇在液化單元前設置選擇裝有載硫化物大孔氧化鋁脫汞劑的脫汞罐，利用硫和汞的吸附反應脫去汞，使汞含量低于0.01ug/m3。凈化氣體進入冷劑換熱器進行熱交換完成預冷、冷凝及液化，冷劑換熱器由一個包圍在冷箱殼體內的釬焊鋁質芯體組成，殼體內充填珠光砂絕熱材料，原料氣由頂部進入冷箱，向下流動至底部的冷端，冷凝下來的LNG進入低溫液體儲罐。低溫液體儲罐是LNG儲存的核心設備，對于低溫常壓儲罐，地下罐投資非常高、交付周期長，而在地上罐中，雙容罐、全容罐和膜式罐和其他形式儲罐投資偏高，施工周期長，膜式地上罐理論上投資和交付周期較全容罐和地下罐是有優勢的，但膜式罐的制造商很少。

4 結束語

液化天然氣應用前景廣泛，可用于城鎮應急調峰儲備，運輸工具的替代燃料及偏遠地區居民生活用氣等方面，LNG產業在國內外得到快速發展，LNG液化工藝得到長足進步。