天然气净化和液化（LNG）方法的研究

朱彩平

摘要：天然气净化是天然气输送前的一项重要工艺，由于从地下采出的天然气是含有众多的烃类物质组以及水及水蒸气、二氧化碳、硫化物、氦气等多种杂质的组合物，在长输之前虽然进行了分离和净化处理，但是在长输管线中，仍然有水、二氧化碳、重质气态烃和汞等物质的存在，因此，在液化前必须进行净化处理。而天然气的液化则有效解决了天然气的存储、调峰及偏远地区的运输问题。为此，本文对天然气的精华和液化（LNG）方法进行研究，以便在生产实践中加以应用。

关键词：天然气  净化  液化

天然气作为一种清洁能源，与社会经济的发展及人们的日常生活密切相关，具有不可替代的重要作用。随着天然气长输管线的投入使用，天然气覆盖率越来越高，为了解决天然气的存储、调峰、边远地区及小城镇的运输问题，天然气液化（LNG）的应用范围不断扩大，具有广泛的发展前景。天然气液化是在净化的基础上进行的，天然气液化技术主要包括传热、传质、相变、超低温冷冻等较为复杂的工艺技术及应用设备，本文对此进行分析。

1 天然气净化和液化生产的技术路径

天然气净化及液化生产的技术路径主要包括：

（1）根据天然气的成分构成选择工艺方案，包括对吸附剂和吸收液类型的选择等。

（2）对多组分、多通道两相流换热器的参数进行设计和计算。

（3）对天然气所含成分、设计生产规模等，合理设计工艺流程和生产工艺。

（4）对设计方案和工艺流程进行优化，选择最佳技术方案。

2 天然气净化

天然气是含有多种成分及杂质的组合物质，长输之前已经进行了脱水、脱硫及脱凝析油等净化和组分分离处理，但是长输管线中的天然气，仍然存在着水分、二氧化碳、重质烃类物质，因此在对天然气实施液化处理之前，必须将天然气进行彻底净化，避免在液化冷却过程中产生冷凝及腐蚀作用，对设备的使用寿命及安全生产造成严重影响。通常情况下，液化气的净化方法包括吸附法、吸收法等，通过上述方法，彻底祛除天然气中的杂质，进而对天然气进行液化。

（1）吸附法。吸附法净化天然气的工作原理，就是利用固体干燥剂对天然气进行脱水，是通过干燥塔实现的。常用的固体干燥剂主要包括：氯化钙、活性炭、硅胶、分子筛等，分子筛是下最高效和最常用的脱水剂，尤其抗酸分子筛，可以在天然气不脱酸的前提下进行高效脱水。

分子筛是吸附力极强的天然或人工合成的、结构中具有大量空腔的氯硅酸盐晶体，由于氯硅酸盐具有非常大的表面积（600-1000㎡/g），因此具有十分强大的吸附能力。分子筛吸附水分及杂质的机理较多，通常认为，任何物质的分子直径只要小于分子筛的孔径，则都能够被吸附，进而起到净化作用。而分子筛的最大特点是能够对极性分子及可极性分子具有超强的物理吸附能力，水分子是一种极强性分子，其直径（0.28-0.32nm）小于分子筛的孔径，因此使用分子筛净化天然气的效果比较好。工业生产上通常使用的分子筛型号为3A、4A、5A，脱水净化后的气体水的体积分数可以达到0.1×10-10×10。

基于分子筛的吸附原理和特性，只有分子直径小于分子筛孔径的物资，才能被分子筛所吸附，起到净化和过滤作用。在天然气净化生产中，选择分子筛的型号非常重要，通常情况下，4A型号的分子筛很容易吸附天然气中的水分子以及二氧化碳、硫化氢和氨气等气体，对天然气的净化效果比较好。

（2）吸收法。吸收法是通过溶剂对天然气中的相关物质吸收实现净化天然气工艺技术，在工业生产中，吸收法可分为物理溶剂吸收和化学溶剂吸收两种方法。

物理溶剂吸收是吸收溶剂与天然气中的酸性气体进行选择性的吸收，而并非发生化学反应。研究证明，物理溶剂的吸收能力与被吸收气体的分压呈正比例关系，即被吸收气体的分压越高，物理溶剂的吸收能力也就越强。当前，工业生产中比较常用的和最新的物理吸收法是由醇胺、环丁砜和水所组成的环丁砜吸收法或苏菲诺吸收法。

化学溶剂吸收是吸收溶剂在水中与天然气中的酸性气体发生化学作用并生成“络合物”，待温度升高、压力降低之后，络合物开始分解并将酸性气体组分予以释放实现对天然气净化的目的，吸收溶剂可进行回收和循环使用。目前工业净化天然气生产中，常用的吸收溶剂主要有MEA（一乙醇胺）及DEA（二乙醇胺）方法，又被称之为“胺法”，通过化学溶剂吸收法，二氧化碳的体积分数可以降低到50×10的水平。

3 天然气液化

天然气液化是实现存储、调峰及安全运输的基础，液化天然气（LNG）的体积非常小，仅为同等数量气体天然气提及的1/625，其质量为同等体积水的质量的45%左右，存储运输十分便利，发展前景广阔。

天然气液化就是将气体状态的天然气转化为液态的过程，其液化原理主要是将净化后的天然气通过多级单混冷凝过程实现液化，这一过程由天然气发动机驱动制冷压缩机加以实现。为了保证液化状态天然气的纯度，在热交换器的冷凝及液化过程中，天然气中的重质气态烃类物质被分离后输送到燃气系统，使其成为对天然气加热的燃料进行燃烧，如图1。

液化天然气存储罐是双层隔热金属体，内层和外层分别使用镍钢和碳钢制造，当天然气由液化状态输出是，首先采用浸没式加热器对液化状态的天然气进行加热升温使其转化为气态状态的天然气，加臭后便可向终端用户输气。液化天然气系统要保持在低温下运行，因此要定期对储罐上部空间的气相进行抽取以防止温度和压力升高，对系统的安全运行形成风险。

液化天然气生产中的关键设备是循环气体压缩机，通常采用天然气进行驱动，可有效降低生产成本;为了防止润滑油对天然气造成污染，压缩机应采用费润滑式特殊压缩机。透平是压缩机的重要组成部分，新型的电子速度控制透平的应用使压缩机的运行更加稳定、维护更加方便，对安全生产具有重要的促进作用。

总之，天然气净化和液化生产，是扩大天然气使用范围的重要前提和基础，具有广阔的发展前景，其中最关键的工艺技术低温液化和低温存储运输，同时天然气作为易燃易爆产品，安全生产至关重要。因此，在生产过程中，要严格遵守安全操作规程，强化安全管理和安全教育，实现安全生产和文明生产。在技术设计过程中，依據设计生产能力和工艺技术要求，选择适当的天然气净化和液化技术，对提高天然气净化和液化质量、实现设计和达产能力，推动企业健康和可持续发展，具有重要意义。

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