液化天然氣技術(shù)及其應(yīng)用探析

張毳+張虎林

摘要：天然氣作為清潔環(huán)保能源在我國(guó)得到大范圍推廣，并迅速得到人們認(rèn)可，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著眾多問題，其中最為顯著的就是如何更有效地應(yīng)用LNG技術(shù)。文章以自身經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)闡述了LNG技術(shù)，并分析該技術(shù)在應(yīng)用中需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；預(yù)處理；產(chǎn)品提取；技術(shù)應(yīng)用；LNG技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE646 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0147-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.073

隨著天然氣的廣泛應(yīng)用，LNG憑借著方便運(yùn)輸與存儲(chǔ)的特點(diǎn)成為天然氣企業(yè)開采的首選方式。經(jīng)過一系列操作將氣態(tài)天然氣轉(zhuǎn)為液態(tài)形式，提高運(yùn)輸與存儲(chǔ)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)避免不必要的能源浪費(fèi)。液態(tài)天然氣使用時(shí)，需要將其轉(zhuǎn)為常溫氣體，在這個(gè)轉(zhuǎn)變過程中會(huì)釋放大量的冷能，有效利用這些冷能可以降低能源消耗。本文中筆者以調(diào)峰型LNG工廠為例，展開相關(guān)論述。

1 液化天然氣優(yōu)勢(shì)分析

液化天然氣有著明顯的優(yōu)勢(shì)，筆者從安全環(huán)保、投資效益與冷藏優(yōu)勢(shì)三個(gè)角度進(jìn)行分析。

1.1 安全環(huán)保性

與一般的天然氣相比，液化天然氣是清潔型能源，可以完全燃燒，而且具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以減少對(duì)環(huán)境的污染和破壞，降低對(duì)人們生命健康的危害率，具有很大的安全性。氣態(tài)天然氣的密度比空氣的密度小，一旦泄露，就會(huì)迅速擴(kuò)散，嚴(yán)重威脅著人們生命健康的安全和周圍設(shè)施的穩(wěn)定，具有極大的危險(xiǎn)性。而液化天然氣的溫度非常低，非常容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，安全性極大，是人們可以廣泛使用和信賴的能源。

1.2 投資見效快

在儲(chǔ)存液化天然氣時(shí)，只需要利用溫度較低的槽車就可以，不需要使用大型的儲(chǔ)氣設(shè)備，而且同樣適用于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，大大減少了液化天然氣運(yùn)輸?shù)某杀荆岣吡颂烊粴馄髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。液化天然氣只需依靠氣化站就可以確保規(guī)定范圍內(nèi)的平衡供氣。對(duì)于天然氣企業(yè)和相關(guān)部門來說，液化天然氣的建設(shè)投資不僅有經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的優(yōu)勢(shì)，更重要的是在時(shí)間上也具有優(yōu)勢(shì)。

1.3 冷藏優(yōu)勢(shì)明顯

隨著時(shí)代的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，普通的能源已經(jīng)不適合時(shí)代的發(fā)展需求，人們更加追求環(huán)保、安全的清潔型能源，這種情況下，液化天然氣以其顯著的優(yōu)勢(shì)被迅速應(yīng)用和普及。液化天然氣的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在其自身，而且在發(fā)生物理反應(yīng)的過程中也具有優(yōu)勢(shì)，供人們加以利用。液化天然氣在氣化的過程中會(huì)釋放出大量的冷氣，借助這種釋放出來的冷氣可以進(jìn)行很多活動(dòng)，不同的溫度有不同的優(yōu)勢(shì)，比如進(jìn)行橡膠研磨、建設(shè)速凍冷庫(kù)、夏季供冷等。

2 天然氣預(yù)處理過程分析

天然氣液化由兩部分組成，包括預(yù)處理與液化兩部分，通常預(yù)處理在天然氣進(jìn)入液化裝置與設(shè)備前進(jìn)行。天然氣預(yù)處理指的是脫除天然氣中含有的H2S、CO2、H2O等雜質(zhì)，避免這些雜質(zhì)腐蝕或堵塞設(shè)備情況的出現(xiàn)。除此之外，還需要清除掉其中的惰性氣體，比如氮?dú)獾取＝?jīng)過預(yù)處理的天然氣要比管輸氣更清潔，調(diào)峰型LNG工廠原料基本為凈化過的管輸天然氣，但因?yàn)槠錁?biāo)準(zhǔn)不符合液化標(biāo)準(zhǔn)，還需要再次凈化。一般基本負(fù)荷型LNG工程距離氣源很近，井口氣中含有大量的雜質(zhì)，因此液化前需要對(duì)其中的雜質(zhì)進(jìn)行清理。

2.1 脫水技術(shù)

水氣存在于天然氣中，會(huì)造成輸氣管道輸送能力的下降，降低天然氣的熱值。當(dāng)含有水分的天然氣進(jìn)入到液化裝置后，溫度低于0℃時(shí)水分會(huì)在換熱器與節(jié)流閥工作部分以冰霜凍結(jié)的形式存在。而且天然氣與水形成一種半穩(wěn)定狀態(tài)的天然氣水化物，這種固態(tài)化合物在0℃以上會(huì)以固態(tài)形式存在，進(jìn)而堵塞液化裝置的管線、噴嘴與分離設(shè)備。為了避免這種情況的存在，一般需要在高于水合物形成溫度時(shí)將其中的游離水清除，確保露點(diǎn)在

-100℃以上，目前常見的天然氣脫水方法有很多，這里筆者以吸附脫水方法為例進(jìn)行分析。

現(xiàn)代LNG工程采用的吸附脫水方法基本上為分子篩吸附。天然氣液化或深度冷凍前，將天然氣的露點(diǎn)降至最低，這時(shí)應(yīng)用分子篩脫水最為合適。吸附脫水法對(duì)氣溫、壓力等變化不敏感，但沒有腐蝕或氣泡等情況，其最大問題在于建設(shè)成本過高。

2.2 脫酸性氣體

天然氣中除了水分外，最常見的就是酸性氣體，常見的有H2S、CO2等。一般情況下將這種含有酸性的氣體成為酸性氣體與含硫氣。這種氣體除了影響人體健康外，還會(huì)腐蝕設(shè)備管道，加上本身沸點(diǎn)較高，降溫過程中很容易析出固體，因此必須清除掉。脫酸性氣體方法較多，一般按照其原理分成濕法與干法兩類，其中濕法指的是利用溶液或溶劑作為脫硫劑，常見的有物理吸收法、化學(xué)吸收法、聯(lián)合吸收法與直接轉(zhuǎn)化法；干法指的是采用固定床脫硫的分子篩法與海綿鐵法。

2.3 脫其他雜質(zhì)

除了水分、酸氣外，天然氣中還含有一些雜質(zhì)，比如重?zé)N、汞等物質(zhì)。

2.3.1 脫重?zé)N。重?zé)N一般指的是C5+的烴類。烴類的分子量由小到大，分子量與沸點(diǎn)成正比關(guān)系，后者也是由低到高進(jìn)行變化，因此天然氣冷凝循環(huán)中先被冷卻下來的就是重?zé)N。如果重?zé)N沒有清除干凈，當(dāng)溫度降低后重?zé)N可能凍結(jié)成固體，堵塞冷凝設(shè)備。分子篩與活性氧化物只能脫除部分重?zé)N，但不能有效降低重?zé)N含量，因此需要采用深冷分離法快速脫除余下重?zé)N。

2.3.2 脫除汞。很少的汞含量都會(huì)嚴(yán)重破壞鋁制設(shè)備，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，除此之外，設(shè)備檢修過程中可能會(huì)造成人身危害，因此有必要嚴(yán)格控制汞含量。現(xiàn)代企業(yè)中使用的是可再生的汞吸收劑HgSIV。

2.3.3 脫除氮?dú)馀c氧氣。天然氣中氮含量越高液化難度也越大，造成液化過程能耗變大。氧氣與其液化溫度相近，常壓下均為90K。高溫環(huán)境中氧氣的存在會(huì)造成凈化溶液出現(xiàn)降解。清除氮?dú)鈺r(shí)通常采用閃蒸的方法，從LNG中選擇性地脫除氮?dú)狻．?dāng)天然氣中含有大量的氮?dú)猓夯笥糜谡{(diào)峰時(shí)，一般可以重點(diǎn)考慮氮-甲烷膨脹液化循環(huán)。

3 LNG工藝流程及產(chǎn)品提取

3.1 工藝流程

確定LNG工藝流程路線時(shí)，必須包含工序、輔助設(shè)備及外圍設(shè)備等，與此同時(shí)還需要確定相應(yīng)的技術(shù)裝配要求。現(xiàn)場(chǎng)條件、氣源質(zhì)量及生產(chǎn)技術(shù)決定工序與技術(shù)設(shè)備條件，當(dāng)天然氣氣體進(jìn)入到處理廠與LNG廠時(shí)，首先需要將重?zé)N分離出來，通過儀表計(jì)量，確定運(yùn)行壓力是否在允許范圍內(nèi)，清除其中雜質(zhì)，這點(diǎn)上文中已經(jīng)詳細(xì)闡述，這里不再贅述。在利用冷劑冷卻分離出重?zé)N后，剩下的主要為甲烷、戊烷及重?zé)N氣體等。最后通過深冷換熱器冷卻氣體，通過閃蒸過冷至零下160℃液化。將冷卻分餾得到的乙烷重新注入到LNG中，其中丙烷與丁烷重新注入到氣源中，也可以直接作為L(zhǎng)PG產(chǎn)品直接輸出，其他剩余產(chǎn)品直接作為汽油產(chǎn)品輸出。

3.2 產(chǎn)品提取

上文中講述工藝流程，接下來分析產(chǎn)品提取。煤制合成氨化肥企業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生含有CH4的尾氣，通常這些尾氣通過膜分離提氫裝置送到鍋爐中燃燒掉，能源利用率較低。生產(chǎn)尾氣中的CH4可以通過低溫分離技術(shù)提取出LNG產(chǎn)品，在利用絕熱低溫罐依靠LNG罐車將其推向市場(chǎng)，增加市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，降低環(huán)境污染。一般情況下CH4液化要在4.604MPa、-83℃的條件下達(dá)成，所以想要實(shí)現(xiàn)液化CH4，只有在低溫高壓環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)。提氫尾氣中液化溫度中最高的氬氣與甲烷也存在20℃的差別，所以提氫尾氣中最先液化的氣體就是甲烷，接著通過精餾的方法將其分離出來，提取到所需的LNG產(chǎn)品；生產(chǎn)多種化工產(chǎn)品的原料氣源就有多聯(lián)產(chǎn)煤氣，本身是一種高品位的二次能源。這種將煤熱解作為基礎(chǔ)，主要的成分有CO、H2、CH4、CO2與極少量的烯烴類氣體。一般大型的多聯(lián)產(chǎn)煤氣多用于民用燃?xì)猓部梢酝ㄟ^甲烷化處理得到LNG。

褐煤揮發(fā)分較大，含有大量水分，煤化程度較低，可以通過低溫實(shí)現(xiàn)褐煤熱解。褐煤低溫?zé)峤鈺r(shí)產(chǎn)生大量的有用氣體，包括CH4、H2、CO等。熱解過程中隨著溫度升高熱解氣一氧化碳與二氧化碳增多。一般在350℃時(shí)會(huì)析出CH4與H2，CH4生成量會(huì)隨著解熱溫度上升而逐漸增加，CH4最大生產(chǎn)量峰溫為600℃。當(dāng)溫度在升高時(shí)生成量會(huì)降低。通過液化處理熱解煤氣中的甲烷，最終生成所需的LNG。

煤制天然氣可以通過氣化與后續(xù)的甲烷化實(shí)現(xiàn)天然氣合成，相比于合成氣，天然氣具有高安全性與高熱值。Shell煤氣化有著較多優(yōu)點(diǎn)：煤質(zhì)要求不高、污染小及有效成分高等，有著較高的使用價(jià)值。

4 結(jié)語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科技水平提高，加上市場(chǎng)制度的不斷完善，目前我國(guó)工業(yè)已經(jīng)處于一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中。液化天然氣技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，在一定程度上提高了天然企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此短時(shí)間內(nèi)得到大范圍推廣。相信在這樣的背景下，液化天然氣作為一種清潔型能源在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用，并促進(jìn)人了們生活水平的提高。本文中筆者從液化天然氣優(yōu)點(diǎn)、提取與工藝生產(chǎn)流程展開分析，希望為同行提供一定的理論借鑒。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）