天然氣液化工藝技術的發展路徑研究

李 超

（江蘇省天然氣有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

天然氣是目前世界能源消費的主要組成部分之一,與煤炭和石油并稱為全球能源三大支柱。根據2019年《BP世界能源統計年鑒》統計[1],2018年,世界一次能源消費總量為14 267百萬噸油當量,其中的煤炭、石油和天然氣所占的比重分別為26.4%,32.7%和23.2%。目前,環境污染日益嚴峻,天然氣作為一種清潔能源,受到更多國家的重視,且在能源消費中所占比例呈穩定增長趨勢。2018年,天然氣消費增長1 950億立方米,增幅達5.3%,是1984年以來最快年增幅之一[1]。

近十年來,我國天然氣工業處于高速發展時期且發展速度越來越快,隨著天然氣成藏理論以及勘探技術迅速發展,在未來很長一段時期內,我國天然氣工業仍將保持快速發展的勢態[2]。根據國際能源署（IEA）2012年預測結果,2025年我國天然氣產量將達2.17×1011m3（常溫常壓）,2035年將達3.18×1011m3常溫常壓[2]。

2012年,全球天然氣貿易量約為1.03×1012m3（常溫常壓）,其中管道氣貿易量約占68.3%,LNG貿易量約占31.7%。根據IEA預測,2035年LNG貿易量占天然氣總貿易量的比例將增至50%[3]。LNG產業已經成為深刻影響國際政治經濟格局的重要能源形式。

1964年阿爾及利亞建成世界上第一座大型LNG工廠,并以LNG船海上運輸的方式開始向英國、法國等國家出口,標志著LNG工業作為一種全球性產業的誕生。

經過50年的發展,截至2013年年底,全球LNG生產能力已達290 Mt/a,2013年LNG出口國已達17個。未來幾年LNG產能將快速增長,2018年全球LNG產能達400 Mt/a。

1 傳統LNG液化工藝

液化工藝是LNG液化工業的核心技術。20世紀60年代早期的LNG液化工廠采用不同單一工質制冷劑分級制冷的級聯式液化工藝,但是由于該工藝流程和控制系統復雜,以及裝置建設造價高,最終在70年代被替代,丙烷預冷混合制冷劑液化工藝繼而得到進一步發展,該工藝流程簡單且能耗更低,成為二十世紀八九十年代應用最為廣泛的天然氣液化工藝[3-4]。

1.1 級聯式液化工藝

該液化工藝應用得最早,原理是采用高沸點制冷劑的蒸發來冷凝較低沸點的物質而組成逐級制冷循環,其工藝流程,如圖1所示。級聯式液化工藝主要由三級獨立的制冷循環組成：第一級制冷循環采用丙烷作為制冷劑,為天然氣、乙烯及甲烷提供冷量；第二級制冷循環采用乙烯作為制冷劑,為天然氣和甲烷提供冷量；第三級制冷循環采用甲烷作為制冷劑,為天然氣提供冷量。其中,天然氣在流經各級換熱器的過程中,被冷卻降溫,經歷節流降壓,直至液化。在第一級制冷循環中,制冷劑丙烷經壓縮機壓縮,在與冷卻水換熱后,經歷節流、降壓、降溫等過程,然后依次流過3個換熱器,分別是冷卻乙烯、甲烷以及天然氣。第二級乙烯制冷循環和第三級甲烷制冷循環與第一級丙烷制冷循環類似。

圖1 級聯式天然氣液化工藝流程

級聯式液化工藝能耗低,制冷循環中采用的制冷劑（乙烯除外）可取自液化分離的天然氣,各制冷循環操作穩定,基本不相互影響,相對獨立,但整個工藝流程中至少需要3套壓縮機組,相關附屬設備較多,如貯存各種制冷劑的設備等,且管道和控制系統比較復雜,不便于維修。級聯式液化工藝在LNG液化工廠發展的初期曾被廣泛使用,但在20世紀70年代之后逐漸被其他液化流程替代。

1.2 混合制冷液化工藝

混合制冷劑液化工藝是采用C1～C5的碳氫化合物、N2等多種沸點不同的物質組成混合物作為制冷劑工質,逐步冷卻和液化天然氣。從20世紀70年代至今,混合制冷劑液化已逐漸成為新建天然氣液化工廠普遍選用的工藝流程。

1.2.1 單級混合制冷液化工藝

該液化工藝僅需一臺混合制冷劑壓縮機,解決了級聯式液化工藝設備復雜的問題。其中,混合制冷劑組分經優化后可維持換熱器中的冷卻曲線和加熱曲線間較小的溫差（2～3 ℃）,降低熱力學不可逆性,提高換熱效率。在20世紀70年代后建設的調峰型LNG液化工廠中,約有60%的裝置采用混合制冷液化工藝。

單級混合制冷劑包括甲烷、丙烷、丁烷、異戊烷、乙烯及氮氣等組分,其中各組分的占比依據天然氣的組分,通過對系統進行熱量和物料平衡計算后確定,實際運行過程中可以根據運行工況進行調整。該液化流程中,不同沸點制冷劑依次液化、預冷和節流為相應的換熱器提供相對應的冷量。天然氣在流經各換熱器后,溫度逐漸降低,直至被液化。

該液化工藝的能耗比級聯式液化工藝高25%左右,確定混合制冷劑不同組分的合理配比也較為困難,準確確定和計算混合制冷劑各組分的平衡數據以及物性參數也較為復雜。

1.2.2 丙烷預冷混合制冷液化工藝

丙烷預冷混合制冷液化工藝是在單級混合制冷液化的基礎上增加了一個丙烷預冷循環。丙烷預冷循環中,丙烷流經換熱器,為天然氣以及混合制冷劑提供相對應的冷量。天然氣首先與丙烷換熱,實現預冷,然后再與混合制冷劑換熱,實現進一步冷卻,直至最終被液化。

丙烷預冷混合制冷天然氣液化工藝流程如圖2所示。該工藝既保持了單級混合制冷液化工藝優點,又將能耗降低了約10%,因此,在20世紀八九十年代,基本負荷型天然氣液化工廠廣泛采用丙烷預冷混合制冷天然氣液化工藝。在2003年,全世界范圍內約有85%的液化天然氣產量是采用該類型天然氣液化工藝獲得的。

圖2 丙烷預冷混合制冷天然氣液化工藝流程

1.3 帶膨脹機的制冷液化工藝

在該液化工藝中,高壓制冷劑流經透平膨脹機,經歷帶有絕熱膨脹過程的克勞德循環制冷,以實現天然氣液化。制冷劑在膨脹機中,經歷膨脹制冷,同時可對外輸出功,可用于驅動循環中的壓縮機。該工藝流程簡單、啟停方便、造價較低,適用于要求操作頻繁、調峰響應迅速的小型天然氣液化工廠。根據不同的制冷劑類別,可分為天然氣膨脹制冷、氮氣膨脹制冷和氮氣-甲烷膨脹制冷等。

1.3.1 天然氣膨脹制冷液化工藝

該液化工藝是基于天然氣原料的自身壓力,實現膨脹做功,并為液化天然氣提供相對應的冷量。目前國內長輸管道高壓管網天然氣設計壓力高達10 MPa,城鎮燃氣低壓管網設計壓力多為2.5～4.0 MPa。高壓管網中天然氣經過調壓后向低壓管網供氣,天然氣通過調壓器的過程中產生了大量的能量損失。為了充分利用這部分能量,高壓管網可建設天然氣膨脹制冷的調峰型液化裝置。國內已有LNG液化裝置即采用了天然氣膨脹制冷液化工藝[5]。1.3.2 氮氣膨脹制冷液化工藝

由于氣源條件對天然氣膨脹液化工藝影響較大,

且液化率很低。因此,氮氣膨脹制冷液化工藝流程得到了發展。其中,氮氣制冷循環與天然氣液化系統相互獨立,氮氣經過壓縮機增壓后,進入膨脹機膨脹降溫,同時可為天然氣提供相應的冷量[6]。膨脹做功后的低壓氮氣,重新流入氮氣壓縮機進口,進行下一次制冷循環。

2 新型LNG液化工藝

21世紀以來,在低能耗、低投資以及日益嚴峻的環境要求下,傳統天然氣液化工藝得到進一步發展,在混合制冷液化工藝的基礎上開發了各種改進型液化工藝。Shell公司和IFP-Axens公司分別獨立開發的雙混合制冷劑液化工藝（DMR）[7-8]；Linde公司開發的級聯混合制冷液化工藝（MFPC）[9]；APCI公司在丙烷預冷液化工藝上開發的AP-X液化工藝[10]等。

2.1 雙混合制冷液化工藝

該液化工藝采用混合制冷劑為預冷流程中的制冷劑,主要包括乙烷、丙烷與少量甲烷、丁烷。將天然氣先從常溫狀態預冷至-40 ℃,然后再利用混合制冷劑循環將天然氣進一步冷卻至-160 ℃。雙混合制冷天然氣液化工藝流程,如圖3所示。

圖3 雙混合制冷天然氣液化工藝流程

Shell公司和IFP-Axens公司分別獨立地開發了雙混合制冷工藝流程,該流程用混合工質預冷代替了單一工質的丙烷預冷,進一步提高了換熱效率,使得系統能耗降低了10%。

2.2 級聯混合制冷液化工藝

Linde 公司研發的級聯混合制冷液化工藝,如圖4所示。該工藝包括3套制冷循環,均采用混合制冷劑,熱流和冷流的溫度曲線更加匹配,循環效率以及單條生產線規模均得到了較大幅度的提高。

圖4 級聯混合制冷天然氣液化工藝流程

2.3 AP-X液化工藝

APCI公司在丙烷預冷混合制冷液化工藝的基礎上開發出了AP-X液化工藝,該工藝流程,如圖5所示。其中,制冷系統包括丙烷預冷系統、混合工質制冷系統和氮氣過冷系統,已經在卡塔爾的幾個天然氣液化廠中成功應用。據統計,在2004—2010年間,新工藝得以迅速發展,并得到廣泛地應用。新建的液化天然氣工廠中采用丙烷預冷混合制冷液化工藝的產量降低至50%,新的工藝以其更低的能耗和投資逐漸代替了傳統丙烷預冷混合制冷液化工藝。

圖5 AP-X液化工藝流程

3 我國天然氣液化工藝的發展

我國LNG產業起步較晚,2001年9月我國首座商業化運營的天然氣液化廠建成投產,液化能力為1.5×105m3/d（常溫常壓）,采用索菲公司的級聯式液化工藝。2005年8月,液化能力為1.5×106m3/d（常溫常壓）的天然氣液化廠建成投產,采用林德公司的混合制冷劑工藝。

目前,我國基本實現了引進、消化中小型LNG液化工藝,并陸續實現國產化。2008年至今,我國LNG液化工廠進入快速發展階段,先后有近百座LNG液化工廠建成投產。產能超過2.0×106m3/d（常溫常

壓）的中型LNG裝置主要有湖北黃岡LNG液化工廠、陜西安塞LNG液化工廠、寧夏LNG液化工廠、泰安LNG液化工廠等,這些新建LNG液化工廠均采用了更為先進的液化工藝。其中,湖北黃岡LNG液化工廠采用了三級級聯式液化工藝,基本實現了LNG液化技術和裝備的國產化。

4 結論

本文圍繞天然氣液化工藝,比較了傳統的液化工藝,研究了天然氣液化工藝的新發展和新方向,并對我國LNG工業的發展進行了總結,得到結論如下：

（1）丙烷預冷混合制冷工藝能耗更低,在已建基本負荷型的LNG液化工廠中,該液化工藝得到了廣泛應用。

（2）近年來,更多低能耗、低投資的新型或改進型LNG液化工藝,如DMR,MFCP,AP-X和優化級聯等,在新建LNG液化工廠中得到廣泛應用。

（3）我國LNG工業已進入快速發展階段,以中、小型LNG工廠為主,逐步實現了LNG液化技術與裝備的國產化。