新型天然氣液化裝置工藝流程及設(shè)備特點分析

李迓紅，劉勝昔

（1.西安石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，陜西西安 710065；2.中國石油青海油田格爾木煉油廠，青海格爾木 816000）

近年來，隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，人們生活水平的提高，需要大量天然氣能源促進(jìn)社會發(fā)展，要想使天然氣能源滿足社會實際發(fā)展所需，僅依靠國內(nèi)的天然氣資源已經(jīng)無法滿足實際需求，因此需要從國外引進(jìn)大量的天然氣資源以作補充，由于液化天然氣（LNG）體積約為液化前氣體體積的1/625，故有利于儲存和輸送。隨著LNG運輸船及儲罐制造技術(shù)的進(jìn)步，將天然氣液化幾乎是目前跨越海洋運輸天然氣的主要方法。LNG生產(chǎn)一般包括天然氣預(yù)處理、液化及儲裝三部分，其中液化系統(tǒng)是其核心。

1 液化天然氣工廠或裝置類型

1）基本負(fù)荷型工廠是生產(chǎn)LNG的主要工廠，由原料氣預(yù)處理、液化、儲裝等組成。特點是處理量較大，沿海岸設(shè)置，生產(chǎn)能力與氣源、儲裝、遠(yuǎn)洋運輸能力等相匹配。

2）調(diào)峰型LNG工廠由天然氣預(yù)處理、液化、儲裝、再氣化等組成，主要作用是對工業(yè)和居民用氣的不平衡性進(jìn)行調(diào)峰，以及作為應(yīng)急氣源，其特點是液化能力較小，儲裝和LNG再氣化能力較大，其液化系統(tǒng)常采用膨脹機制冷或混合冷劑制冷液化工藝。

3）浮式LNG生產(chǎn)儲卸裝置集LNG生產(chǎn)、儲存與卸載于一體，具有投資低、建設(shè)周期短、便于遷移等優(yōu)點，特別適用于海上氣田的開發(fā)。該裝置目前采用混合冷劑制冷或改進(jìn)的氮膨脹制冷液化工藝。

4）接收站工廠用于接收由遠(yuǎn)洋運輸船從基本負(fù)荷型LNG工廠運來的LNG，將其儲存和再氣化，然后進(jìn)入分配系統(tǒng)供應(yīng)用戶。

2 天然氣液化裝置工藝流程及設(shè)備特點分析

2.1 液化天然氣脫硫脫碳工藝及設(shè)備特點

當(dāng)原料氣中H2S含量低、CO2含量高且需深度脫除CO2時，可選用活化MDEA法。該法在MDEA溶液中加有提高吸收CO2速率的活化劑，可用于脫除大量CO2，也可同時脫除少量的H2S，既保留了MDEA溶液酸氣負(fù)荷高、溶液濃度高、化學(xué)及熱穩(wěn)定性好、腐蝕低、降解少和反應(yīng)熱小等優(yōu)點，又克服了單純MDEA溶液在脫除CO2等方面的不足，因而具有能耗、投資和溶劑損失低等優(yōu)點。因此，我國新建的LNG工廠均普遍采用活化MDEA法。

原料氣中不含H2S時，其LNG工廠脫碳系統(tǒng)再生塔頂脫除的酸氣（主要組分是CO2，一般在95%左右）可直接引至安全處排放；否則需將酸氣中微量H2S脫除后再引至安全處排放。酸氣脫硫一般采用干法，例如采用活性炭脫硫。

需要指出的是，活化MDEA法為濕法脫碳，脫碳后的原料氣為濕氣。

此外，當(dāng)原料氣中H2S和CO2含量很低且處理量較小時，也可考慮采用干法即分子篩脫硫脫碳。例如，蘇州華峰調(diào)峰型LNG工廠（70×104m3/d）利用西氣東輸一線管道天然氣與城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)壓差，采用單級膨脹機制冷、部分液化的液化工藝。該廠預(yù)處理系統(tǒng)先采用分子篩（4A）和活性炭復(fù)合床層脫水脫苯，再采用分子篩（13X）脫硫脫碳。二者均采用三塔流程，即一塔吸附，一塔加熱解吸，一塔冷卻，然后按周期切換。

2.2 液化天然氣脫水工藝及設(shè)備特點

LNG工廠規(guī)模較大時，經(jīng)濕法脫碳后的濕原料氣可考慮先采用三甘醇吸收法，或先將原料氣冷卻至20~30℃，脫除大部分水分，再采用分子篩吸附法深度脫水。LNG工廠規(guī)模較小時，原料氣通常直接采用分子篩脫水兩塔工藝流程（一般多選用4A分子篩）。當(dāng)工廠規(guī)模較大時，則可考慮采用三塔或多塔分子篩脫水工藝流程。

在兩塔流程中，一臺干燥器吸附脫水，另一臺干燥器再生（加熱和冷卻），然后相互切換。在三塔或多塔工藝流程中，干燥器切換程序有所不同。目前我國一些LNG工廠盡管其規(guī)模較小，但經(jīng)綜合比較后也采用三塔脫水工藝流程。例如，山西某煤層氣液化工廠（50×104m3/d）分子篩脫水裝置采用等壓再生，再生氣來自原料氣，其中兩個主干燥器A和B，一個預(yù)干燥器C。A塔進(jìn)行吸附（原料氣脫水），B塔進(jìn)行再生，C塔進(jìn)行預(yù)吸附（再生氣預(yù)脫水），然后按周期切換。

實際上，在采用分子篩脫水的同時也可脫除部分重?zé)N，其脫除程度主要取決于吸附劑的性能和再生方式。

2.3 液化天然氣脫重?zé)N工藝及設(shè)備特點

天然氣中的重?zé)N一般指C5+烴類。其中一些重?zé)N(例如苯和C8、C9等烷烴)的固相在LNG中的溶解度極低，故在液化系統(tǒng)會出現(xiàn)固相堵塞設(shè)備和管線，必須在原料氣液化之前將其脫除。根據(jù)LNG工廠原料氣處理量及其重?zé)N（尤其是苯和C8、C9等烷烴）含量不同，脫重?zé)N可以采用重?zé)N洗滌法、低溫分離法和吸附法。重?zé)N洗滌法實質(zhì)上為吸收法，即采用沸點較低的液烴在洗滌塔中吸收原料氣中沸點較高的重?zé)N，從而將低溫下可能形成固相的重?zé)N脫除。目前國內(nèi)建設(shè)的LNG工廠液化系統(tǒng)的重?zé)N洗滌塔，只采用原料氣在液化系統(tǒng)某一低溫下部分冷凝后分出的凝液作為吸收劑。重?zé)N洗滌塔為板式塔或填料塔。原料氣先在液化系統(tǒng)主換熱器中部分冷凝至-43℃左右后進(jìn)入洗滌塔底部進(jìn)行氣液分離，分出的氣體向上流動，與由塔頂向下流動的吸收劑在塔板或填料上逆流接觸時使氣體中的重?zé)N被吸收劑吸收。脫重?zé)N后的原料氣離開洗滌塔頂部再去主換熱器進(jìn)一步部分冷凝至約-70℃，然后返回重?zé)N洗滌塔回流罐進(jìn)行氣液分離。分出的氣體去主換熱器繼續(xù)降溫直至液化，分出的凝液經(jīng)回流泵增壓后進(jìn)入重?zé)N洗滌塔頂部吸作為吸收劑。離開重?zé)N洗滌塔塔底的凝液即為脫除的重?zé)N，經(jīng)復(fù)熱、穩(wěn)定后去儲罐儲存。低溫分離法是重?zé)N在液化系統(tǒng)中按照其沸點從高到低相繼冷凝，最后在一個或多個分離器（分液罐）中除去。原料氣中苯等重?zé)N在低溫下出現(xiàn)固相的溫度，可根據(jù)液化壓力和原料氣組成由相平衡的熱力學(xué)模型計算確定。吸附法廣泛用于原料氣中重?zé)N含量甚少的貧氣，其操作壓力可以較高甚至高于臨界壓力。

2.4 液化天然氣脫汞脫氮脫氧工藝及設(shè)備特點

汞在天然氣中的含量為0.1~7 000μg/m3（包括單質(zhì)汞和有機汞化合物）。天然氣中極微量的汞不僅會引起鋁質(zhì)板翅式換熱器腐蝕泄漏，還會造成環(huán)境污染，以及對設(shè)備維修人員的危害。因此，必須嚴(yán)格控制LNG工廠原料氣中的汞含量。LNG工廠一般要求預(yù)處理后的原料氣汞含量小于0.01μg/m3。某些浸硫的固體吸附劑可將氣體中的汞脫除至0.001~0.01μg/m3，其原理是汞與硫反應(yīng)生成硫化汞而附著在吸附劑上。脫汞工藝可分為不可再生式和再生式兩種。前者采用不可再生的浸硫活性炭、含硫分子篩、金屬硫化物等在固定床中脫汞，后者采用浸硫的Calgon HGR（4×10目）、HGR-P(4mm直徑)的活性炭和HgSIV吸附劑脫汞。汞的脫除不受原料氣中C5+重?zé)N和水的影響。采用不可再生脫汞工藝時，廢棄的吸附劑必須進(jìn)行無害化處理，以防污染環(huán)境。

氮氣的液化溫度（常壓下為-195.8℃）比天然氣主要組分甲烷的液化溫度（常壓下為-161.5℃）低。因此，天然氣中的氮含量越多，則其液化溫度越低，能耗越高。氧氣液化溫度與氮氣相近（常壓下為-182.9℃）。高溫下，氧氣的存在還會導(dǎo)致脫碳溶液降解變質(zhì)。

通常，采用最終閃蒸的方法從LNG中選擇性地脫氮。對于氮氣含量高的原料氣需要液化并用于調(diào)峰時，可考慮采用氮-甲烷膨脹制冷液化工藝。

如果原料氣中氮氣、氧氣含量較大，則需對其進(jìn)行分離以提純甲烷。目前提純技術(shù)有低溫分離法、膜分離法、變壓吸附法等

2.5 天然氣液化流程及設(shè)備特點

天然氣的液化處理工序既煩瑣又復(fù)雜，尤其是液化天然氣的前期處理需要經(jīng)過不斷的壓縮、分離等處理，才可以進(jìn)入天然氣的液化工序。原料氣經(jīng)過預(yù)處理后，進(jìn)入液化系統(tǒng)的換熱器中不斷降溫直至液化。因此，天然氣液化過程的核心是制冷系統(tǒng)。

基本負(fù)荷型LNG工廠的生產(chǎn)通常由原料氣預(yù)處理、液化、儲裝等部分組成。此類工廠通常按其LNG年產(chǎn)量可分為小型（50×104t/a以下）、中型（50×104~250×104t/a）和大型（250×104t/a以上）三類。目前我國已建、在建和擬建的基本負(fù)荷型LNG工廠均屬中小型。原料氣經(jīng)過預(yù)處理后，進(jìn)入液化系統(tǒng)的低溫?fù)Q熱器中不斷降溫，直至常壓下冷卻至-162℃左右液化。因此，天然氣液化系統(tǒng)的核心是制冷循環(huán)。通常，天然氣液化系統(tǒng)根據(jù)制冷方法不同又可分為：節(jié)流制冷循環(huán)、膨脹制冷循環(huán)、階式（級聯(lián)式、復(fù)疊式）制冷循環(huán)、混合冷劑制冷循環(huán)、帶預(yù)冷的混合冷劑制冷循環(huán)等工藝。目前，世界上大中型基本負(fù)荷型LNG工廠主要采用后三種液化工藝，我國已建的小型基本負(fù)荷型LNG工廠有的也采用膨脹制冷循環(huán)液化工藝。在選擇液化工藝流程時，必須綜合考慮以下因素：①工廠的類型和處理量；②原料氣組成、壓力，對LNG組成（例如氮含量）要求；③主要設(shè)備類型和性能。

選擇液化工藝流程時，應(yīng)對不同流程的可靠性、工藝效率、投資、能耗、消耗指標(biāo)以及運行靈活性等進(jìn)行比較，才能確定最佳的液化工藝流程。

2.6 膨脹制冷循環(huán)液化工藝及設(shè)備

膨脹制冷循環(huán)液化工藝是指采用高壓氣體冷劑通過膨脹機絕熱膨脹制冷，實現(xiàn)天然氣液化的工藝。該工藝的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機。目前，我國已建和在建的小型基本負(fù)荷型LNG工廠有的也采用膨脹制冷循環(huán)液化工藝。根據(jù)冷劑不同，膨脹制冷循環(huán)工藝又可分為天然氣膨脹制冷、氮氣膨脹制冷和氮-甲烷膨脹制冷循環(huán)液化工藝。

天然氣膨脹制冷循環(huán)液化工藝是利用高壓原料氣與低壓商品氣之間的壓差，經(jīng)透平膨脹機制冷而使天然氣液化，其冷劑即為高壓原料氣。優(yōu)點是比能耗小，只需對液化的那部分原料氣脫除雜質(zhì)，但不能獲得像氮膨脹制冷循環(huán)液化工藝那樣低的溫度，循環(huán)氣量大，液化率低。此外，膨脹機運行性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大，對系統(tǒng)的安全性要求較高。該工藝特別適用于原料氣壓力高，外輸氣壓力低的地方，可充分利用高壓原料氣與低壓商品氣之間的壓差，幾乎不需耗電。此外，還具有流程簡單、設(shè)備少、操作及維護(hù)方便等優(yōu)點，是目前發(fā)展很快的一種工藝。在這種液化工藝中，透平膨脹機組是關(guān)鍵設(shè)備。天然氣膨脹制冷循環(huán)液化工藝的液化率主要取決于膨脹比。膨脹比越大，液化率也越高，一般在7%~15%，故比其他制冷循環(huán)的液化工藝要低。因此，有的LNG工廠為了提高液化率，采用了兩級膨脹機制冷循環(huán)液化工藝。

氮氣膨脹制冷循環(huán)液化工藝是天然氣膨脹制冷循環(huán)液化工藝的一種變型。在該工藝中，氮氣膨脹制冷循環(huán)與天然氣液化系統(tǒng)分開，氮膨脹制冷循環(huán)為天然氣液化提供冷量。對于含氮稍多的原料氣，只要設(shè)置氮-甲烷分離塔，就可制取純氮以補充氮氣膨脹制冷循環(huán)中氮氣的損耗，并同時副產(chǎn)少量的液氮及純液甲烷。該工藝的優(yōu)點是：①膨脹機和壓縮機均可采用離心式，體積小，操作方便；②對原料氣組成變化有較大的適應(yīng)性；③整個系統(tǒng)較簡單，操作方便。缺點是冷熱流間溫差和換熱面積較大，比能耗較高，約為0.5kW·h/m3，比混合冷劑制冷液化工藝約高40%。

為了降低膨脹機的能耗，還可采用一種改進(jìn)的氮-甲烷混合氣體膨脹制冷液化工藝，其制冷循環(huán)采用的工質(zhì)是氮和甲烷的混合物。與混合冷劑制冷液化工藝比較，氮-甲烷膨脹制冷液化工藝具有流程簡單、操作方便、控制容易等優(yōu)點。由于縮小了冷端溫差，比純氮氣膨脹制冷液化工藝能耗節(jié)省10%~20%。

2.7 混合冷劑制冷循環(huán)液化工藝及設(shè)備

混合冷劑制冷循環(huán)（MRC）采用N2、C1~C5混合物做冷劑，利用混合物中各組分沸點不同的特點，達(dá)到所需的不同制冷溫位。主換熱器是MRC液化系統(tǒng)的核心，該設(shè)備垂直安裝，下部為溫端，上部為冷端，殼體內(nèi)布置了許多換熱盤管，體內(nèi)空間提供了一條很長的換熱通道，液體在換熱通道中與盤管的流體換熱以達(dá)到制冷的目的。MRC的優(yōu)點是工藝流程大為簡化，投資減少15%~20%，管理方便；缺點是能耗高10%~20%，混合冷劑組分的合理配比較困難。

3 結(jié)束語

天然氣屬于一種非常珍貴的優(yōu)質(zhì)清潔能源，通過對天然氣進(jìn)行液化處理不僅可以使其運輸過程得以優(yōu)化，還非常便于存儲。主要對于液化天然氣的特點進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對天然氣液化裝置工藝以及設(shè)備特點進(jìn)行了深入分析，主要介紹了液化天然氣的脫硫脫碳工藝、液化天然氣的脫水脫重?zé)N等脫雜質(zhì)工藝、膨脹制冷循環(huán)液化工藝以及混合冷劑制冷循環(huán)液化工藝及設(shè)備，并通過應(yīng)用新型的換熱器、布置科學(xué)合理的管道方式等來最大程度減少能量消耗，從而提高液化天然氣的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。