天然气液化工艺流程分析及其优选

马琳

摘 要：天然气是重要的民生物资，在实际对接市场的过程中往往以液化气的形式而存在。不同的液化装置在效率、能耗等方面存在一定的差异，故而做好其流程分析与优选对后续具体的工作体系构建与相关的工程建设具有积极意义。文章以此为切入点在系统探究流程的基础上对不同工艺的特征进行总结，旨在为具体的优选提供必要基础。

关键词：天然气；液化工艺；流程分析；工艺优选

中图分类号：TE646 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）25-0065-02

天然气是重要的清洁能源物质，对人民的生活与生产具有决定性作用。在实际的运行过程中，往往通过液化技术来做到对天然气的提纯与压缩，进而帮助其更好的参与运输、销售及应用。在实际的工艺流程中，其大致可以分为如下三个环节，即提纯、液化、分装。其中提纯与液化为主要的质量控制过程。而从实践经验来看，不同的工艺选择往往决定于相关液化流程的实际产能、成本规划等，也各自具有不同的特征。根据企业的实际情况进行合规的优选能够有效的形成对生产成本的控制、对生产质量的控制以及对设备效能的提升。本文以此为研究目的，对相关流程工艺进行分析，并探究不同模式下的优劣，旨在为后续的优选提供决策参考。

1 天然气液化工艺优化原则分析

天然气液化工艺是天然气生产与输送的关键，该环节也是运输与销售过程中的主要耗能环节，并对安全生产有着较高的要求。在此基础上，现阶段针对其工艺流程的设计与优化成为了研究的重点。按照现行不同的工艺流程其安全系数、操作难度、设备场地、设备成本、工艺运维均存在较大的不同。探究各类工艺与设备的原理与工况不同是形成有效选择与工艺优化的基础。在实际的设计与应用过程中工艺优化应该本着如下原则来进行：一是需要保障工艺的合规性：所谓的合规性主要是指工艺的设计需要符合相关的科学事实以及现阶段的技术特征。尤其是在天然气液化的过程中由于对生产安全具有较高的要求，更是对其技术的成熟程度有着较高的要求，通过实验工艺以及试运行工艺的方式来确定新型技术的稳定性与参数是一种可行模式，而不能贸然的大范围引入并不成熟的相关技术，以免形成安全生产事故；二是需要保障工艺的适应性：所谓的适应性主要是指不同的天然气液化工艺流程需要根据天然气的原料气特性来进行规划。如在天然气液化预处理之前的杂质去除环节应该充分考量原料气中的杂质种类与浓度，进而形成更为有效的去除效果。同时还需要考虑设备场地的各类环境条件，如湿润地区的防潮处理与水分杂质去除工艺要相对高效；三是需要保障工艺的经济性：在保障上述原则的基础上，我们在优化的过程中要充分对其经济性进行考量，具体分为如下三个方面，即初装成本、运行成本（能耗）以及维护成本等三种。利用成本与产出模型寻求平衡点是一种常见的方式，同时还需要考量场地、预算等经济指标因素。

2 提纯工艺流程及优选

无论何种工艺开采的天然气由于具有多种杂质而仅能够作为原料气进行后续工序。在液化压缩之前需要通过物理及化学的方式对其进行提纯。在具体的提纯过程中按照杂质的不同大致可以分为水、酸气、氮气以及其他杂质等四个方面，具体工艺流程与优选如下：

第一，脱水方面：水分的存在不仅会在后续的低压过程中与烃类物质形成固体物堵塞管道，而且容易形成酸性环境加速管道的腐蚀。在此背景下需要对其进行有效的去除。现行的常见去除方式主要为低温分离、溶剂吸收、固体吸附等三种。其中低温分离是利用节流降温的方式形成-10到-20摄氏度的环境温度，使得水分凝结沉淀。此种方法费用较低，且不引入其他物质对于环境的扰动相对较小。但是也同样存在脱水深度不足、装置占地较大等特征。在溶剂吸附法中主要采用三甘醇溶剂作为吸收剂对其他中的水分进行吸收。该技术由于可以重复利用，故而成本相对较低，但是存在污染环境的风险。在固体吸附方面采用分子筛作为吸附材料对气体进行提纯。除首次投资较高之外，其他环节均存在一定的优势。故而，在实际的水分去除工艺中建议选择溶剂或固体吸附法作为流程技术手段。

第二，脱酸方面：在現行的脱酸技术中主要可以分为干法脱硫与湿法脱硫等两种，而在不同门类下由于所使用的脱硫剂的不同而形成若干二级工艺。其中干法脱硫主要包括了活性炭、氧化铁、氧化锌等；湿法脱硫则主要包括了硫酸钠、氨水等。通过综合对比，湿法脱硫效果整体具有优势，且在吸收溶剂方面建议采用硫酸钠或者醇胺溶液，二者具有价格低、易回收，在形成较好的脱酸效果的基础上形成的生成物能够作为次级化工原料而出售，为企业带来一定的收益。

第三，脱氮气方面：虽然通过液化过程进行一体化脱氮气也可以从工艺技术方面进行实现，但是此种模式能耗较高，不符合经济成本要求。故而，在实际的去除过程中氮气的去除往往采用深冷与变压吸附的方式来进行。此种模式能够有效的去除氮气，并与液化能耗相比节约大量能源。

第四，其他杂质：天然气在开采工艺以及天然气田自身的成因等问题还存在一定的汞、重烃等杂质需要去除。在实际的工艺流程中多采用新型吸附剂或者活性炭的方式来予以吸附去除。

3 液化流程及优选

根据不同的工艺水平与产能要求，现阶段常见的液化工艺主要分为联级式液化、混合制冷、膨胀机液化等三种，其各自流程工艺与特征分析如下：

第一，联级式液化工艺：联级式液化流程由多级独立制冷循环组成，其中较高温度级的制冷循环热量由相邻较低温度级的循环提供。液化流程功耗与所用级数成正比，级数越多，功耗越低，但同时初期投资及运行成本加大，因此，在实际操作中所使用的级数要综合考虑经济性。级联式液化流程的优点是：（1）能耗低；（2）制冷剂为纯组分；（3）技术成熟，操作稳定。缺点是：（1）机组多，流程复杂；（2）管道与控制系统复杂，不利于装置的保养及维修。

第二，混合制冷液化：混合制冷剂液化流程是将多组分烃类混合物作为制冷工质，通过逐级冷凝、节流、膨胀、蒸发步骤逐步冷却和液化天然气。MRC 混合制冷液化流程制冷效率高，系统简单。MRC 液化流程有如下优点：（1）流程设备少、操作简单、投资费用低；（2）管理方便；（3）混合制冷剂补充方便。缺点是：（1）流程能耗较级联式液化流程高 10%-20%；（2）依endprint

据液化需要，合理配比混合制冷剂的难度大；（3）模拟计算需要提供各组分物性参数，计算难度大。

第三，膨胀机液化：膨胀机液化流程的原理是利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德制冷循环，以实现天然气液化的流程。液化流程中膨胀降温时的输出功可用于驅动压缩机运行。膨胀机液化循环工艺流程的优点如下：（1）流程简单、操作灵活可靠、装置开停车迅速、维护方便；（2）天然气本身可以作为制冷工质，减少制冷剂费用。缺点是：（1）通入装置中的气体必须完全深度干燥；（2）换热面积大；（3）受低压用户多少的限制；（4）液化率低。

从上文的分析中我们可以清晰的看到，在设备优选方面主要参考相关流程的稳定性、技术要求、安全性以及成本等几个有效方案。而常用的三种工艺流程或多或少均存在其各自的应用环境与不足。如果场地受限严重，则可以考虑应用混合制冷液化的方式来予以实现。

4 分装流程及技术控制

所谓的分装流程主要是指液化气在液化完毕后的贮存，及其后续销售与运输过程中的分装体系。一般情况下，液化天然气主要以高压罐盛装的方式来予以实现。在部分区域以及部分企业也同时存在低温低压的存放方式。不过与承压相比，低温环境的获得对于能耗的消耗相对较大，已经处于逐步淘汰的趋势之中。而也同时由于其具体的分装技术与流程并不存在较大的技术难点与技术优化空间，故而其流程优化更多的是从管理的角度来进行提出与构建的。具体建议如下：第一，形成明确的分装技术标准，对各类检测指标以及常态化控制指标要以制度的形式来予以确定。通过此种模式能够有效的避免由于人为操作失误而带来的安全隐患；第二，需要定期通过设备维护与检修的方式来保障整体工艺流程的有效性与高效能。通过此种模式来避免设备不遵从而带来的安全隐患；三是需要特别注意液化天然气在后续处置与转移过程中的连接环节。通过上述三个方面的建设相信能够形成更为有效的天然气液化工艺流程优化，为总体生产体系的质量与安全提供必要保障。

5 结束语

天然气液化是现阶段其贮存、运输与应用的基础，而液化流程也是总体耗能与安全的关键。针对这一背景，本文系统对天然气液化的不同流程进行工艺分析，并参考实际应用过程中发现的优缺点对不同工艺流程与技术予以评价。在对比评价的过程中提出总体天然气液化工艺流程的优选方案与选择依据。希望通过本文的研究能够为后续的厂区实际设计与建设应用提供必要的理论基础与实践指导。

参考文献：

[1]司云航.天然气液化工艺流程模拟优化及用能分析[D].西安石油大学，2015.endprint