天然氣液化技術及其應用

劉亮 張睿

摘 要：中國天然氣勘探仍處于早期勘探階段，發現大氣田的幾率很大。中國天然氣產量連年邁上新臺階。但我國天然氣的產量仍遠不能滿足經濟發展的需求。由于天然氣的產地往往不在工業或人口集中地區，長輸干線的建設涉及地理位置和成本的限制，為天然氣的利用帶來一定的制約。液化天然氣，作為天然氣的液態形式，其獨特優勢為天然氣的利用提供了多元化的選擇空間。該文主要討論天然氣液化過程中主要技術，及液化天然氣的利用及安全問題，希望能有同行共勉。

關鍵詞：天然氣 液化技術 液化天然氣（LNG）

中圖分類號： TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-0-02

1 天然氣及液化天然氣

天燃氣是埋設在地下的有機物分解后形成的，其主要成分為甲烷（CH4），常溫常壓下是無色、無味、無毒且無腐蝕性的氣體；天然氣是最潔凈的化石燃料；天然氣比空氣輕，擴散迅速，不會在區域內沉積。天然氣燃燒后所排放的氮氧化物、可吸入懸浮微粒極少，溫室效應氣體低。在世界各地，天然氣已經被廣泛地應用于城市燃氣、公共交通、工業燃料和化工原料等。近年來，更成為日益普及的新一代發電燃料（圖1）。

中國天然氣勘探仍處于早期勘探階段，發現大氣田的幾率很大。中國天然氣產量更是連年邁上新臺階。但我國天然氣的產量仍遠不能滿足經濟發展的需求。由于天然氣的產地往往不在工業或人口集中地區，長輸干線的建設涉及地理位置和成本的限制，為天然氣的利用帶來一定的制約。液化天然氣（LNG），作為天然氣的液態形式，其獨特優勢為天然氣的利用提供了多元化的選擇空間。天然氣的臨界溫度為190.58 K（-84.57 ℃），故在常溫下，無法僅靠加壓將其液化。通常的液化天然氣（LNG）多存儲在112K（-161.15 ℃）、壓力為0.1 MPa左右的低溫儲罐內，其密度為標準狀態下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲存。液化天然氣（LNG）運輸靈活、儲存效率高，用作城市輸配氣系統擴容、調峰等方面，與地下儲氣庫、儲氣柜等其他方式相比更具優勢，并且具有建設投資小、建設周期短、見效快、受外部影響因素小等優點。作為優質的車用燃料，與汽車燃油相比，LNG具有辛烷值高、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發動機壽命長、運行成本低等優點；與壓縮天然氣（CNG）相比，LNG則具有儲存效率高，續駛里程長，儲瓶壓力低、重量輕、數量小，建站不受供氣管網的限制等優點。天然氣的液化、儲存技術已逐步成為一項重大的先進技術。我國的LNG產業正處在蓬勃發展的階段。

2 天然氣液化技術

天然氣液化系統主要包括天然氣的預處理、液化、儲存、運輸、利用這5個子系統。一般生產工藝過程是，將含甲烷90%以上的天然氣，經過脫水、脫烴、脫酸性氣體等“三脫”凈化處理后，采取先進的膨脹制冷工藝或外部冷源，使甲烷變為-162 ℃的低溫液體。

2.1 天然氣預處理

天然氣的預處理是指脫除天然氣中的水分、酸性氣體、重烴和汞等雜質，以免這些雜質腐蝕設備及在低溫下凍結而堵塞設備和管道。脫水的方法有冷卻脫水、吸收脫水、吸附脫水三種方式。 由地層采出的天然氣除通常含有水蒸氣外，往往還含有一些酸性氣體。天然氣最常見的酸性氣體是H2S、CO2和COS。含有酸性氣體的天然氣通常稱為酸性氣或含硫氣。酸性氣體不但對人身有害，對設備管道有腐蝕作用，而且因其沸點較高，在降溫過程中易呈固體析出，故必須脫除。脫酸的方法主要有醇胺法和分子篩吸附。

2.2 天然氣液化及裝置

液化天然氣的液化流程有不同的型式，以制冷方式可分為：①級聯式液化流程；②混合制冷劑液化流程；③帶膨脹機的液化流程。

天然氣液化裝置包括基本負荷型和調峰型兩種。基本負荷型是一種大型液化裝置，供當地使用或外運之用。這種基本負荷型天然氣液化裝置的液化單元常采用級聯式液化流程和混合制冷劑液化流程。20世紀80年代后新建與擴建的基本負荷型天然氣液化裝置，則幾乎無例外地采用丙烷預冷混合制冷劑液化流程。

調峰型液化天然氣裝置，主要作用是為了調峰負荷或補充冬季燃料供應，也就是在低峰負荷時將過剩的天然氣液化儲存，以供高峰時或緊急情況下使用。它對于匹配峰荷和增加供氣的可靠性等方面有著重要作用，也大大提高了管網的經濟性。調峰LNG裝置與基本負荷型LNG裝置相比，屬于小流量的天然氣液化裝置，生產規模小，也不是常年連續運行 。對于調峰型液化天然裝置，其液化部分常采用帶膨脹機的液化流程和混合制冷劑液化流程。

2.3 液化天然氣的運輸

液化后的天然氣，其體積縮小620倍，因此，液化天然氣更加便于經濟安全的運輸。從輸氣經濟性方面來講，陸上3000 km左右運距內，通過管道輸氣在最為經濟，運距超過3500 km后，船運液化天然氣能夠比管道輸氣具有更大的優勢，可節省大量風險性管道投資，大大降低運輸成。

在LNG船的建造發展中，技術進步的一個重要方面是不斷提高LNG液貨運輸效益。它主要反映在日氣化率的降低及蒸發氣的回收和利用上。在目前運營的LNG船上，將蒸發氣直接作為動力燃料消耗掉，而不再回收液化，基本上還沒有再液化裝置。為了船舶的經濟運行，在LNG船上裝備再液化裝置，對此已開始了可行性研究，且已進入研究模擬階段液化天然氣船，是公認的高技術、高附加值、高可靠性要求的“三高船”，單艘造價在1.6億美元左右。每艘可運載約14.7萬m3的液化天然氣。液化天然氣清潔、高效、價廉，是我國能源開發利用的重點目標。目前我國的天然氣在一次能源消費中僅占1.9%左右，遠低于世界25%和亞洲8.8%的平均水平，加之國內已經發現和開發的天然氣資源有限，我國天然氣的供求缺口仍較大。液化天然氣（LNG）船的建造，正是增強進口液化天然氣運輸能力的需要。

運輸液化天然氣的船舶需具備在零下163 ℃運輸液化天然氣的能力，船上貨物操控系統在溫度巨大變化時仍可以處理液貨，此外液化天然氣在海上航行中自然揮發的天然氣應該可以經管路輸送到船舶主機中燃燒，以上技術要求對建造LNG船設置了很高的門檻，在相當長一段時間里世界上只有日本和韓國以及歐洲一些國家能夠建造。作為我國第一個引進LNG項目的試點，廣東LNG項目于1999年12月獲國家批準立項，2003年12月28日由滬東中華造船公司正式開工建設，2006年6月底竣工投產。滬東中華造船公司是國內第一家能夠制造LNG船的造船企業，中國航運業也已經加入到LNG產業鏈中，其在國際航運界的地位也進一步提升。

3 液化天然氣應用

3.1 液化天然氣冷能的利用

LNG具有廣泛的用途。比如在民用負荷調峰、發電、工業用戶和商業用戶等方面都發揮著重要的作用。液化天然氣因為經過深度冷凍液化而蘊藏著巨大的能量.液化天然氣冷能利用原理是：當LNG與常溫常壓環境之間存在的溫度和壓力差時候，LNG由液態變成氣態，蘊藏在其中的巨大冷能會釋放出來，回收利用這些能量就是液化天然氣冷能的利用。在常壓下，每公斤液化天然氣到常溫氣態大約可釋放出879 KJ的能量.利用LNG冷能 利用范圍也十分廣泛，比如發電、空氣液化分離、冷凍倉庫、制造液化二氧化碳，比如低溫破碎、水和污染物處理及冷凍食品等。

3.2 調峰

液化天然氣的運輸和儲存比地下儲氣庫具有更大的優勢： 不受地理條件＼運輸距離和容量的限制，而且經濟便捷。因此，液化天然氣可以用來有效的調劑世界天然氣的供應。它可以使能源短缺的國家得到供氣保證，可以對氣源充沛的國家進行有效調峰，補充天燃氣使用高峰期的不足，可以彌補難以建地下儲氣庫城市的供氣不足。液化天然氣調峰技術在西方國家已經發展的比較成熟。我國也正在引進這項技術。

3.3 發電

天然氣在液化前預處理過程中 脫除了很多氣體雜質，LNG作為燃料燃燒時，S02和NOx等有害氣體釋放量很少，被稱為清潔能源。因此，液化天然氣被廣泛用于發電領域，大大減少了城市污染，促進了經濟與環境的協調發展。

3.4 LNG應用于汽車

天然氣作為清潔的能源，對環境污染小，被視為汽車的優質待用燃料，而被各個國家大力推廣。按照天然氣的儲存方式不同，天然氣汽車大致分為CNGV（壓縮天然氣汽車）、LNGV（液化天然氣汽車）、和ANGV（吸附天然氣汽車）。用LNG作為汽車燃料與傳統的石油類燃料或者CNG和LPG相比都具有明顯的優勢，儲存能量大、壓力低、噪聲低、環保、經濟。我國也大力發展天然氣汽車，但是在LNGV方面的應用仍與國外有很大差距。

3.5 未來應用前景

專家預言，液化天然氣未來將在那些耗氣量大、不可能使用壓縮天然氣的運輸工具，如飛行器、鐵路機車以及船舶上大顯身手。 因此，近年來國際上紛紛大規模展開了低溫飛行器及相關基礎設施（生產、運輸、存儲以及加注等）的科研和試驗設計工作。

液化天然氣不含氧，易燃性低于煤油，儲罐不要求做成防燃防爆型。而且一旦在系統中發生較小的泄漏，可以在還沒形成危險濃度前被監測儀發現，并且會很快蒸發并吹走正在泄露或者燃燒的低溫燃料，從而杜絕了燃燒及爆炸的發生，保證了乘客及飛機的安全。而如果飛機在使用煤油時發生泄漏，只有已經發生燃燒才能被發現，隨著世界能源需求的逐漸上升，各國環保法規的日趨嚴厲，國外有專家預計，2010～2017年歐洲、美國、加拿大、日本等國以及一些海濱療養地、內河湖泊船運水域、繁忙的遠洋運輸線以及大型碼頭將可能限制使用柴油動力船舶，而是更多地采用液化天然氣

船舶。

4 液化天然氣的安全性

4.1 安全隱患

液化天然氣經常出現的安全隱患有：蒸發（boil-off ）、閃蒸（flash）和翻滾現象（rollover）。

當儲罐內的LNG用得差不多時，就需要及時補充。補充的方式有：LNG運輸船；LNG運輸車和制冷設備。由于LNG的密度、蒸汽壓等參數與溫度有關。

當新注入儲罐LNG的密度與儲罐內原有LNG的密度存在差別時，LNG就會暫時分層。在層與層之間傳熱、傳質、逐漸混合的過程中，LNG的蒸發速度也會隨時變化，這種變化在一般情況下是很小的。

但是，在某些特定條件下，蒸發速度會劇增，出現所謂的“翻滾”現象，導致LNG儲罐內的壓力超過設計要求。

LNG的翻滾實際上是一種劇烈蒸發的過程。當儲罐內的LNG出現明顯的分層現象時，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量，無法使下層的LNG及時蒸發，造成下層LNG處于過飽和狀態。當儲罐內上層的LNG密度大于下層時，下層LNG突然上升，導致迅速蒸發，即翻滾現象。如果實際操作中沒有預防措施，將會導致嚴重的事故。

4.2 安全隱患的預防

為了防止LNG分層，當船運LNG注入儲罐時，應盡量通過儲罐頂部布料器等措施，設法使注入LNG的飽和蒸汽壓與原罐內的飽和蒸汽壓達到平衡。如果，LNG通過陸上槽罐車運抵罐區，在灌裝時，不同槽車LNG注入同一的儲罐，可能會形成幾個分層，應監測并及時采取強制混合措施。

另外，對于調峰LNG儲罐，即使可以控制LNG制冷溫度和壓力，如果同時也接受外來LNG，也應注意翻滾現象。而且，如果該調峰儲罐儲有LNG，并持續一段時間未再注入或使用LNG，則由于外界熱量的導入，使LNG蒸發，從而使罐內的LNG密度提高，這時再注入LNG，就有可能形成LNG的分層。

在實際操作過程中，可以采取一些方法防止LNG分層和翻滾：充分攪和所有灌入儲罐的LNG，防止LNG的分層；控制灌入儲罐LNG組分（和密度）的變化范圍；設置安全放散口、放散火炬、回收壓縮系統等，防止LNG蒸發、翻滾造成罐超壓。

5 結語

為了適應經濟的發展和環境保護的要求，液化天然氣技術具有廣闊的發展空間。為了更加有效的利用這一資源，需要我們在天然氣液化與儲運技術方面付出付出更多的努力。

參考文獻

[1] 顧安忠.液化天然氣技術[M].機械工業出版社，2011.

[2] 天然氣液化技術研究[J].蘭州理工大學學報，2004（6）.

[3] 李博洋.天然氣儲存及應用技術論文.2009.