新型天然氣液化裝置工藝流程及設(shè)備特點(diǎn)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(shí)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(shí)際需求，因此需要從國外引進(jìn)大量的天然氣資源以作補(bǔ)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(jī)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(diǎn)，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(yùn)輸船從基本負(fù)荷型LNG工廠運(yùn)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(diǎn)分析

2.1 液化天然氣脫硫脫碳工藝及設(shè)備特點(diǎn)

當(dāng)原料氣中H2S含量低、CO2含量高且需深度脫除CO2時(shí)，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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)。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(shí)，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(shí)，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(jī)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(diǎn)

LNG工廠規(guī)模較大時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)主干燥器A和B，一個(gè)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(shí)際上，在采用分子篩脫水的同時(shí)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(diǎn)

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(shí)質(zhì)上為吸收法，即采用沸點(diǎn)較低的液烴在洗滌塔中吸收原料氣中沸點(diǎn)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(shí)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(diǎn)從高到低相繼冷凝，最后在一個(gè)或多個(gè)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(jì)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(diǎn)

汞在天然氣中的含量為0.1~7 000μg/m3（包括單質(zhì)汞和有機(jī)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(shí)，廢棄的吸附劑必須進(jìn)行無害化處理，以防污染環(huán)境。

氮?dú)獾囊夯瘻囟龋ǔ合聻?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?dú)庀嘟ǔ合聻?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?dú)夂扛叩脑蠚庑枰夯⒂糜谡{(diào)峰時(shí)，可考慮采用氮-甲烷膨脹制冷液化工藝。

如果原料氣中氮?dú)?、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(diǎn)

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(shí)，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(shí)，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(yùn)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(jī)絕熱膨脹制冷，實(shí)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(jī)。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?dú)馀蛎浿评浜偷?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(jī)制冷而使天然氣液化，其冷劑即為高壓原料氣。優(yōu)點(diǎn)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(jī)運(yùn)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(diǎn)，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(jī)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(jī)制冷循環(huán)液化工藝。

氮?dú)馀蛎浿评溲h(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?dú)馀蛎浿评溲h(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(bǔ)充氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)中氮?dú)獾膿p耗，并同時(shí)副產(chǎn)少量的液氮及純液甲烷。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：①膨脹機(jī)和壓縮機(jī)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(gè)系統(tǒng)較簡單，操作方便。缺點(diǎn)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(jī)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(diǎn)。由于縮小了冷端溫差，比純氮?dú)馀蛎浿评湟夯に嚹芎墓?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(diǎn)不同的特點(diǎn)，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(diǎn)是工藝流程大為簡化，投資減少15%~20%，管理方便；缺點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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。