天然氣氣質對LNG生產的影響

劉醇根

（寧夏哈納斯液化天然氣有限公司，寧夏 銀川 750021）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）產業是目前化工產業最重要的一條生產線，工業用LNG主要用于發電、生產陶瓷和玻璃，生活用LNG主要服務中小城鎮，用作調峰的備用氣源、車用LNG燃料等。近年來，我國LNG儲量持續增加，且生產規模不斷擴大，截至2019年，中國的LNG總出口量已經位居世界首位，不僅反映了世界天然氣格局的變化，也彰顯了我國在化工生產領域的結構性調整。LNG生產最重要的是天然氣氣質，其對生產線的不同環節會產生不同的影響，基于此，指導LNG優化生產與成本控制。

1 天然氣氣質差異分析

1.1 天然氣的應用現狀

天然氣作為一種清潔的新型能源，在工業生產和實際生活領域有著諸多應用，不論是現代城市交通還是天然氣采暖，都已經成為人們必不可少的一種生活方式。在整體能源供不應求的情況下，國內大力開發天然氣資源，而天然氣雖然儲量充足，但氣質的差異會對LNG的生產造成顯著影響，加強對這種影響的分析，可以更合理地利用天然氣資源進行優化生產的控制與配合。

從2016—2020年的數據可以看出，我國的天然氣自給率在不斷提升，從2016年的62.4%提升到2020年的73.7%。由此可見，我國仍然需要進口更多的天然氣，開展LNG產業的控制，以減輕供不應求的壓力。但是，不同來源的天然氣在生產控制上會有較大的差異，如果不對這種差異進行全方面的分析并對其影響進行控制，在實際生產線投產過程中，有可能會出現天然氣互換性的問題，不僅會造成生產產品質量下降，還會給整條生產線的控制造成負面影響[1]。

1.2 天然氣氣質成分的差異

從中國能源總局2020年發布的統計數據可以看出，截至2020年12月，中國共存在3類、9種天然氣，投入生產的天然氣至少有5種，按照《天然氣》（GB 17820—1999）標準對這5種類型的LNG進行劃分，可以按照天然氣的總硫質量濃度分為一類至三類。其中，一類天然氣的總硫質量濃度低于 100 mg/m3，二類天然氣的總硫質量濃度低于200 mg/m3，三類天然氣的總硫質量濃度低于460 mg/m3。同時，這3類LNG產品的硫化氫質量濃度也有顯著的差異，一類產品和三類產品之間的硫化氫數量和體積的比例可以達到1∶3，三類天然氣的硫化氫質量濃度低于460 mg/m3。與此同時，3類產品的熱效應在31.4 MJ/m3以上，可以看出，天然氣的不同氣質對燃燒的效果、燃燒的污染物排放以及綜合燃燒的成本都有非常顯著的影響。國內對于天然氣氣質的要求并沒有發布一個統一的規定，目前市場中三類天然氣的數量較多，但對其應用要求較少，因此實際應用范圍最廣[2]。

2 天然氣氣質對LNG生產的影響以及對應的生產對策

LNG生產需要對天然氣進行預處理、液化和儲存，這3個步驟對于天然氣的氣質均有不同程度的影響。

2.1 天然氣氣質對LNG預處理產生的影響

在天然氣的預處理階段，不同氣質含硫總量以及硫化氫總量都會對天然氣的脫酸、脫水和脫氫產生顯著影響。例如在脫酸階段，如果總硫質量濃度超過100 mg/m3，那么整體的成本就會上升5%，每增加10%的含硫量，整體的生產時間也會有所延長。在利用換熱系統進行整體冷卻的階段，也對天然氣氣質有不同的要求。如果天然氣中的總硫質量濃度超過460 mg/m3，那么在預處理階段就要進行 -162 ℃的天然氣液化冷卻。對于三類天然氣，由于缺乏二氧化碳積分的整體數據，在處理原材料時，需要采取分子篩深度脫水的處理方法。這種處理方法對整體生產流程的要求更高，如果對碳積分處理不徹底，還會在一定程度上提高天然氣中的乙烷含量。在生產線的控制上，只有脫除三類天然氣中過多的二氧化碳，才能實現較好的深度脫水效果。但是經過一級處理之后，三類天然氣中的純氨成分仍然較多，轉化的熱效應較低，還需要在后續的生產步驟中不斷降溫，進一步進行冷凝和分離，以達到較好的生產控制效果。因此，相對于一類天然氣、三類天然氣，只有在二氧化碳的處理上增加20%～30%工藝成本，并經過多道工藝，才能得到以甲烷為主的天然氣。

2.2 天然氣氣質對LNG液化產生的影響

在液化處理階段，不同的天然氣氣質會對整體的生產工藝流程產生不同程度的影響，例如二類天然氣相對于一類天然氣，仍然存在較多的C3+。系統在液化、降溫和加壓的過程中，仍然需要更多的冷凝、分離工序，進而得到精度較高、以甲烷為主的天然氣。在液化存儲的過程中，C3+也會不斷被釋放出來，產生較多的乙烷，因此，需要將乙烷一同液化出售，獲得更高的燃燒熱量。如果原材料為一類天然氣，那么這些步驟的整體成本就會降低，工藝流程也會簡化，對于安全性和技術性的要求也會降低；而采用雜質含量更多的三類天然氣，則熱效應不足，需要添加更多的乙烷來保障天然氣液化之后的燃燒熱效應，增加獨立氮氣制冷循環工藝，使三類天然氣在-144 ℃的條件下液化，而這對整體生產工藝的安全性、保障水平和技術水平要求更高。在加壓處理過程中，天然氣的成分會產生不同程度的變化，甲烷和乙烷的燃燒熱效應在液化處理過程中也會得到充分凝集，完成壓力計算之后，還需要進一步對天然氣的成分進行脫水處理和壓縮處理。例如在脫水環節，三類天然氣產生的低壓脫水就會顯著增加整體的生產成本，通過壓縮機一級的壓力控制，提升整體裝置的熱效應，但是這對前一階段的脫酸和脫水處理工藝質量提出了更高的要求，而當原料天然氣中的水露點達到0 ℃時，脫水裝置整體的負荷也會顯著上升。如果天然氣材料為一類天然氣或二類天然氣，裝置的負荷平均可下降40%～60%，生產能耗可降低10%～15%，在壓縮環節，天然氣中的C3+排放量也會更少，生產流程的環保程度也會顯著提升，且一類天然氣和二類天然氣在冷凝壓縮的過程中，通常不會出現凝析油的波動現象。采用優質的一類天然氣和二類天然氣，不需要升級凝析油排出裝置，可以縮短整體的生產流程，且無需壓縮之后再次進行脫水，可以極好地控制綜合生產成本，提高生產效率[3]。

2.3 基于天然氣氣質的LNG生產路徑

由上述分析可以看出，商品的天然氣性質對于LNG的脫水、液化、冷凝和銷售都會產生不同程度的影響，因此在未來的產品進口和國內的天然氣挖掘上，要針對現有的工藝流程參數和產品性質進行不斷升級，包括預處理階段、液化階段和儲存階段，都要根據主要的天然氣材料進行流程設計和工藝選擇。為了提高流程的整體生產效率，有效地控制成本，在熱換系統安裝和設計過程中，要結合天然氣的不同成分進行有針對性的BIM技術碰撞設計與分析，方便后續產品的儲存和運輸。

以深圳福山油田商品天然氣的生產和應用為例，天然氣的液化能力較強，這種天然氣的產品設計和管道工藝能保障C3+和高熱值被較好地利用，且天然氣中的硫化氫質量濃度可以控制在20 mg/m3以內，乙烷數量和C3+含量也能在冷凝分離之后達到較好的工藝應用標準，充分利用能源，提高生產的經濟效益，將液化后的產品作為一款獨立的產品進行銷售，將乙烷單獨析出，提高綜合生產應用水平，減少資源的浪費。

在“十四五”綜合規劃的背景下，天然氣生產也強調技術升級和產品轉型，挖掘更高質量的一類、二類天然氣，結合天然氣的性質進行產品的整體設計，可以幫助人們更好地實現產業鏈的升級和轉型，匯聚有效的資源和能源，滿足市場的需求。但在此過程中，也要看到不同地區生產的天然氣產品在成分上的天然差異，在具體應用中，仍然要結合環境開展工藝設計和產品匹配，以降低脫水裝置、生產裝置、冷凝裝置的負荷，提高天然氣生產環節的環境保護水平，進一步減少能耗，提高環境友好性。

3 結語

不同類型、不同成分的天然氣氣質會對LNG生產造成復雜的影響，總熱量、總硫含量、硫化氫含量、二氧化碳體積分數、水露點不同的天然氣適用于不同的生產環境和工藝匹配條件，在實際生產和應用中選擇高標準天然氣的同時，也要結合生產環境進行設計，提高資源挖掘的有效性，減少資源浪費，控制整體的技術成本。