天然氣凈化和液化（LNG）方法的研究

朱彩平

摘要：天然氣凈化是天然氣輸送前的一項(xiàng)重要工藝，由于從地下采出的天然氣是含有眾多的烴類物質(zhì)組以及水及水蒸氣、二氧化碳、硫化物、氦氣等多種雜質(zhì)的組合物，在長輸之前雖然進(jìn)行了分離和凈化處理，但是在長輸管線中，仍然有水、二氧化碳、重質(zhì)氣態(tài)烴和汞等物質(zhì)的存在，因此，在液化前必須進(jìn)行凈化處理。而天然氣的液化則有效解決了天然氣的存儲、調(diào)峰及偏遠(yuǎn)地區(qū)的運(yùn)輸問題。為此，本文對天然氣的精華和液化（LNG）方法進(jìn)行研究，以便在生產(chǎn)實(shí)踐中加以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：天然氣 ?凈化 ?液化

天然氣作為一種清潔能源，與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及人們的日常生活密切相關(guān)，具有不可替代的重要作用。隨著天然氣長輸管線的投入使用，天然氣覆蓋率越來越高，為了解決天然氣的存儲、調(diào)峰、邊遠(yuǎn)地區(qū)及小城鎮(zhèn)的運(yùn)輸問題，天然氣液化（LNG）的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，具有廣泛的發(fā)展前景。天然氣液化是在凈化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，天然氣液化技術(shù)主要包括傳熱、傳質(zhì)、相變、超低溫冷凍等較為復(fù)雜的工藝技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備，本文對此進(jìn)行分析。

1 天然氣凈化和液化生產(chǎn)的技術(shù)路徑

天然氣凈化及液化生產(chǎn)的技術(shù)路徑主要包括：

（1）根據(jù)天然氣的成分構(gòu)成選擇工藝方案，包括對吸附劑和吸收液類型的選擇等。

（2）對多組分、多通道兩相流換熱器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

（3）對天然氣所含成分、設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模等，合理設(shè)計(jì)工藝流程和生產(chǎn)工藝。

（4）對設(shè)計(jì)方案和工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，選擇最佳技術(shù)方案。

2 天然氣凈化

天然氣是含有多種成分及雜質(zhì)的組合物質(zhì)，長輸之前已經(jīng)進(jìn)行了脫水、脫硫及脫凝析油等凈化和組分分離處理，但是長輸管線中的天然氣，仍然存在著水分、二氧化碳、重質(zhì)烴類物質(zhì)，因此在對天然氣實(shí)施液化處理之前，必須將天然氣進(jìn)行徹底凈化，避免在液化冷卻過程中產(chǎn)生冷凝及腐蝕作用，對設(shè)備的使用壽命及安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。通常情況下，液化氣的凈化方法包括吸附法、吸收法等，通過上述方法，徹底祛除天然氣中的雜質(zhì)，進(jìn)而對天然氣進(jìn)行液化。

（1）吸附法。吸附法凈化天然氣的工作原理，就是利用固體干燥劑對天然氣進(jìn)行脫水，是通過干燥塔實(shí)現(xiàn)的。常用的固體干燥劑主要包括：氯化鈣、活性炭、硅膠、分子篩等，分子篩是下最高效和最常用的脫水劑，尤其抗酸分子篩，可以在天然氣不脫酸的前提下進(jìn)行高效脫水。

分子篩是吸附力極強(qiáng)的天然或人工合成的、結(jié)構(gòu)中具有大量空腔的氯硅酸鹽晶體，由于氯硅酸鹽具有非常大的表面積（600-1000㎡/g），因此具有十分強(qiáng)大的吸附能力。分子篩吸附水分及雜質(zhì)的機(jī)理較多，通常認(rèn)為，任何物質(zhì)的分子直徑只要小于分子篩的孔徑，則都能夠被吸附，進(jìn)而起到凈化作用。而分子篩的最大特點(diǎn)是能夠?qū)O性分子及可極性分子具有超強(qiáng)的物理吸附能力，水分子是一種極強(qiáng)性分子，其直徑（0.28-0.32nm）小于分子篩的孔徑，因此使用分子篩凈化天然氣的效果比較好。工業(yè)生產(chǎn)上通常使用的分子篩型號為3A、4A、5A，脫水凈化后的氣體水的體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到0.1×10-10×10。

基于分子篩的吸附原理和特性，只有分子直徑小于分子篩孔徑的物資，才能被分子篩所吸附，起到凈化和過濾作用。在天然氣凈化生產(chǎn)中，選擇分子篩的型號非常重要，通常情況下，4A型號的分子篩很容易吸附天然氣中的水分子以及二氧化碳、硫化氫和氨氣等氣體，對天然氣的凈化效果比較好。

（2）吸收法。吸收法是通過溶劑對天然氣中的相關(guān)物質(zhì)吸收實(shí)現(xiàn)凈化天然氣工藝技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中，吸收法可分為物理溶劑吸收和化學(xué)溶劑吸收兩種方法。

物理溶劑吸收是吸收溶劑與天然氣中的酸性氣體進(jìn)行選擇性的吸收，而并非發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。研究證明，物理溶劑的吸收能力與被吸收氣體的分壓呈正比例關(guān)系，即被吸收氣體的分壓越高，物理溶劑的吸收能力也就越強(qiáng)。當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的和最新的物理吸收法是由醇胺、環(huán)丁砜和水所組成的環(huán)丁砜吸收法或蘇菲諾吸收法。

化學(xué)溶劑吸收是吸收溶劑在水中與天然氣中的酸性氣體發(fā)生化學(xué)作用并生成“絡(luò)合物”，待溫度升高、壓力降低之后，絡(luò)合物開始分解并將酸性氣體組分予以釋放實(shí)現(xiàn)對天然氣凈化的目的，吸收溶劑可進(jìn)行回收和循環(huán)使用。目前工業(yè)凈化天然氣生產(chǎn)中，常用的吸收溶劑主要有MEA（一乙醇胺）及DEA（二乙醇胺）方法，又被稱之為“胺法”，通過化學(xué)溶劑吸收法，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)可以降低到50×10的水平。

3 天然氣液化

天然氣液化是實(shí)現(xiàn)存儲、調(diào)峰及安全運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，液化天然氣（LNG）的體積非常小，僅為同等數(shù)量氣體天然氣提及的1/625，其質(zhì)量為同等體積水的質(zhì)量的45%左右，存儲運(yùn)輸十分便利，發(fā)展前景廣闊。

天然氣液化就是將氣體狀態(tài)的天然氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程，其液化原理主要是將凈化后的天然氣通過多級單混冷凝過程實(shí)現(xiàn)液化，這一過程由天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動制冷壓縮機(jī)加以實(shí)現(xiàn)。為了保證液化狀態(tài)天然氣的純度，在熱交換器的冷凝及液化過程中，天然氣中的重質(zhì)氣態(tài)烴類物質(zhì)被分離后輸送到燃?xì)庀到y(tǒng)，使其成為對天然氣加熱的燃料進(jìn)行燃燒，如圖1。

液化天然氣存儲罐是雙層隔熱金屬體，內(nèi)層和外層分別使用鎳鋼和碳鋼制造，當(dāng)天然氣由液化狀態(tài)輸出是，首先采用浸沒式加熱器對液化狀態(tài)的天然氣進(jìn)行加熱升溫使其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)狀態(tài)的天然氣，加臭后便可向終端用戶輸氣。液化天然氣系統(tǒng)要保持在低溫下運(yùn)行，因此要定期對儲罐上部空間的氣相進(jìn)行抽取以防止溫度和壓力升高，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行形成風(fēng)險(xiǎn)。

液化天然氣生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備是循環(huán)氣體壓縮機(jī)，通常采用天然氣進(jìn)行驅(qū)動，可有效降低生產(chǎn)成本;為了防止?jié)櫥蛯μ烊粴庠斐晌廴?，壓縮機(jī)應(yīng)采用費(fèi)潤滑式特殊壓縮機(jī)。透平是壓縮機(jī)的重要組成部分，新型的電子速度控制透平的應(yīng)用使壓縮機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、維護(hù)更加方便，對安全生產(chǎn)具有重要的促進(jìn)作用。

總之，天然氣凈化和液化生產(chǎn)，是擴(kuò)大天然氣使用范圍的重要前提和基礎(chǔ)，具有廣闊的發(fā)展前景，其中最關(guān)鍵的工藝技術(shù)低溫液化和低溫存儲運(yùn)輸，同時(shí)天然氣作為易燃易爆產(chǎn)品，安全生產(chǎn)至關(guān)重要。因此，在生產(chǎn)過程中，要嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，強(qiáng)化安全管理和安全教育，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和文明生產(chǎn)。在技術(shù)設(shè)計(jì)過程中，依據(jù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和工藝技術(shù)要求，選擇適當(dāng)?shù)奶烊粴鈨艋鸵夯夹g(shù)，對提高天然氣凈化和液化質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和達(dá)產(chǎn)能力，推動企業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

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