崔靖梓

摘 要：詳盡闡述LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，討論LNG液化工藝的技術(shù)選擇，并對混合冷劑制冷天然氣液化工藝進(jìn)行描述。

關(guān)鍵詞：LNG；發(fā)展現(xiàn)狀；工藝技術(shù)

天然氣資源作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源，在能源競爭中逐步確立了優(yōu)勢。隨著全球天然氣探明儲量及產(chǎn)量的迅速增長，天然氣在能源構(gòu)成中所占的比例日益提高。2010年全球天然氣消費(fèi)量為31690億立方米，在一次能源中所占比例約為28.0%，天然氣已成為繼煤炭、原油后的第三大能源。截至2010年底，世界天然氣探明儲量為187.1萬億立方米，平均儲采比為58.6。世界天然氣資源分布極不均衡，主要分布在中東和歐洲地區(qū)，2010年兩地區(qū)占全球總探明儲量的比例分別為40.5%和33.7%。相比之下，亞太地區(qū)天然氣資源較貧乏，探明儲量為16.2萬億立方米，占全球總探明儲量的比例僅為8.7%，該地區(qū)的天然氣資源主要集中在澳大利亞、印度尼西亞、馬來西亞等國，液化天然氣主要流向日本、韓國、中國及中國臺灣省。

1 LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國際LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前全球共已建LNG生產(chǎn)線95條，總產(chǎn)能已達(dá)2.5億噸/年；在建中的LNG生產(chǎn)線有30條，總產(chǎn)能為1.44億噸/年。全球LNG消費(fèi)市場主要分布在亞太地區(qū)、歐洲及北美。亞太地區(qū)由于人口增長較快、經(jīng)濟(jì)保持良性發(fā)展、能源多樣化以及環(huán)境保護(hù)的需要，LNG需求量由2000年994億立方米增至2010年將達(dá)1800億立方米，年均增量約6%，而在此期間可供亞太地區(qū)的供應(yīng)量僅增4%。

亞太地區(qū)最大的2個LNG進(jìn)口國日本和韓國需求增長趨緩，歐洲地區(qū)需求增長也不大。但北美地區(qū)由于現(xiàn)有天然氣田的產(chǎn)量增長緩慢，并有下降的趨勢，所以該地區(qū)天然氣供需不平衡的問題日益突出，導(dǎo)致其需求量急劇增加，尤以美國的LNG需求增長最為明顯。未來美國、印度和中國LNG市場需求的迅速增長將使全球LNG供應(yīng)趨于緊張，而中東及亞太地區(qū)將成為向中國供應(yīng)LNG的主要供應(yīng)地區(qū)。

1.2 國內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

由于中國天然氣地質(zhì)儲量具有西多東少的特點(diǎn)，天然氣西氣東輸管線覆蓋范圍有限，導(dǎo)致中國東部地區(qū)天然氣市場存在巨大缺口，而且LNG可用于城鎮(zhèn)應(yīng)急調(diào)峰儲備、運(yùn)輸工具的替代燃料、偏遠(yuǎn)地區(qū)居民生活用氣及工業(yè)用氣。因此，在沿海地區(qū)建設(shè)LNG接收站，在天然氣產(chǎn)地建設(shè)LNG加工裝置，可以滿足更大范圍、更多地區(qū)目前我國沿海地區(qū)已建成和在建的進(jìn)口LNG接收站項(xiàng)目有12個，分別為廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港、上海五號溝、廣東珠海、廣東揭陽、廣東深圳、浙江寧波、江蘇如東、河北曹妃甸、遼寧大連、山東青島接收站。截至2014年底，國內(nèi)已建成了30余座天然氣液化工廠，總生產(chǎn)能力為1193萬立方米/天。這些已經(jīng)建成的LNG裝置中，只有新疆廣匯、鄂爾多斯、四川達(dá)州的加工能力超過100萬立方米/天，其余裝置的規(guī)模普遍較小。未來三年，中國尚有30余個擬建LNG項(xiàng)目，潛在產(chǎn)能超過3000萬立方米/天，在未來10-20年的時間內(nèi)，LNG將成為中國天然氣市場的強(qiáng)大生力軍。

2 LNG液化工藝的選擇

液化天然氣的生產(chǎn)工藝過程主要分為凈化、液化及儲存三部分，其中液化工藝是核心，目前成熟的的天然氣液化工藝流程包括復(fù)迭式循環(huán)流程、膨脹制冷流程及混合冷劑制冷流程。復(fù)迭式制冷液化工藝由幾個制冷循環(huán)復(fù)迭而成，多為丙烷、乙烯及甲烷等數(shù)個不同溫度級別的循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)，每個系統(tǒng)均配有壓縮機(jī)組，對各自冷劑進(jìn)行壓縮、節(jié)流、閃蒸等工藝操作，將原料天然氣冷凝、液化及過冷。復(fù)迭式制冷液化工藝熱效率高、能耗少，但機(jī)組多、控制復(fù)雜、開工率偏低、投資成本高，僅僅在少數(shù)大型基地型LNG生產(chǎn)設(shè)施上應(yīng)用。

膨脹機(jī)制冷液化工藝?yán)迷咸烊粴庾陨淼膲毫υ谂蛎洐C(jī)中絕熱膨脹制冷，將天然氣液化，但液化率一般只有7%～15%。而在此工藝技術(shù)發(fā)展而來間接膨脹機(jī)制冷液化工藝?yán)玫獨(dú)饣蚣淄榻?jīng)壓縮，進(jìn)入冷箱膨脹制冷將天然氣液化可得到較高的液化率，但受原料氣壓力及組成的變化影響較大，僅適用于產(chǎn)能較小且特殊要求的場所。

混合冷劑制冷流程以多組分混合物作為制冷劑，一般由5～6種組分的混合物組成，利用混合物中重組分先冷凝，輕組分后冷凝的技術(shù)特點(diǎn)，依次經(jīng)節(jié)流、蒸發(fā)制冷，將天然氣液化。依據(jù)冷劑循環(huán)數(shù)量可分為單循環(huán)、雙循環(huán)及三循環(huán)混合冷劑工藝，單循環(huán)冷劑一般由氮?dú)饧盁N類組成，混合冷劑經(jīng)分段壓縮，并在段間分離出重組分，以達(dá)到減小二段壓縮功耗的目的。冷劑的低壓返流由壓縮機(jī)壓縮至中壓后冷卻并進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)行分離，塔底重組分進(jìn)入冷箱上部用以預(yù)冷，而塔頂輕組分被進(jìn)一步壓縮、冷卻、節(jié)流以提供冷量。雙循環(huán)混合冷劑制冷工藝在單循環(huán)工藝基礎(chǔ)上增設(shè)一級丙烷預(yù)冷，丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷混合冷劑及天然氣至-30℃左右，而混合冷劑用于深冷及液化天然氣，該工藝運(yùn)行效率高，單線生產(chǎn)能力可達(dá)250萬噸/年。三循環(huán)混合冷劑工藝，產(chǎn)能可達(dá)500萬噸/年以上，采用三個串聯(lián)的制冷循環(huán)，分別用于預(yù)冷、冷凝和液化，一般應(yīng)用于大型和特大型天然氣液化裝置。天然氣液化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表1。

表1 天然氣液化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較表

3 混合冷劑制冷工藝

混合冷劑制冷天然氣液化包括原料氣的過濾、酸性氣體脫除、液化、LNG儲存及灌裝等工藝環(huán)節(jié)，流程簡圖見圖1。

圖1 混合冷劑制冷天然氣液化工藝流程簡圖

天然氣組分較純凈，酸性氣以CO2為主，CO2的摩爾濃度從0.8mol%降至50ppm以下，以防止CO2在天然氣液化過程中以干冰的形式析出，堵塞設(shè)備及管道，目前LNG裝置廣泛采用乙醇胺水溶液、環(huán)丁砜或二異丙醇胺作為脫酸劑。天然氣液化脫水屬于深度脫水，由于分子篩具有吸附選擇能力強(qiáng)，低水汽分壓下的高吸附特性，通常采用4A分子篩將水含量控制在1ppm以下。同時為防止原料氣中含有的微量汞在低溫時對冷箱等設(shè)備造成腐蝕，選擇在液化單元前設(shè)置選擇裝有載硫化物大孔氧化鋁脫汞劑的脫汞罐，利用硫和汞的吸附反應(yīng)脫去汞，使汞含量低于0.01ug/m3。凈化氣體進(jìn)入冷劑換熱器進(jìn)行熱交換完成預(yù)冷、冷凝及液化，冷劑換熱器由一個包圍在冷箱殼體內(nèi)的釬焊鋁質(zhì)芯體組成，殼體內(nèi)充填珠光砂絕熱材料，原料氣由頂部進(jìn)入冷箱，向下流動至底部的冷端，冷凝下來的LNG進(jìn)入低溫液體儲罐。低溫液體儲罐是LNG儲存的核心設(shè)備，對于低溫常壓儲罐，地下罐投資非常高、交付周期長，而在地上罐中，雙容罐、全容罐和膜式罐和其他形式儲罐投資偏高，施工周期長，膜式地上罐理論上投資和交付周期較全容罐和地下罐是有優(yōu)勢的，但膜式罐的制造商很少。

4 結(jié)束語

液化天然氣應(yīng)用前景廣泛，可用于城鎮(zhèn)應(yīng)急調(diào)峰儲備，運(yùn)輸工具的替代燃料及偏遠(yuǎn)地區(qū)居民生活用氣等方面，LNG產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，LNG液化工藝得到長足進(jìn)步。