新型天然气液化装置工艺流程及设备特点分析

李迓红，刘胜昔

（1.西安石油大学 化学化工学院，陕西西安 710065；2.中国石油青海油田格尔木炼油厂，青海格尔木 816000）

近年来，随着社会的发展和进步，人们生活水平的提高，需要大量天然气能源促进社会发展，要想使天然气能源满足社会实际发展所需，仅依靠国内的天然气资源已经无法满足实际需求，因此需要从国外引进大量的天然气资源以作补充，由于液化天然气（LNG）体积约为液化前气体体积的1/625，故有利于储存和输送。随着LNG运输船及储罐制造技术的进步，将天然气液化几乎是目前跨越海洋运输天然气的主要方法。LNG生产一般包括天然气预处理、液化及储装三部分，其中液化系统是其核心。

1 液化天然气工厂或装置类型

1）基本负荷型工厂是生产LNG的主要工厂，由原料气预处理、液化、储装等组成。特点是处理量较大，沿海岸设置，生产能力与气源、储装、远洋运输能力等相匹配。

2）调峰型LNG工厂由天然气预处理、液化、储装、再气化等组成，主要作用是对工业和居民用气的不平衡性进行调峰，以及作为应急气源，其特点是液化能力较小，储装和LNG再气化能力较大，其液化系统常采用膨胀机制冷或混合冷剂制冷液化工艺。

3）浮式LNG生产储卸装置集LNG生产、储存与卸载于一体，具有投资低、建设周期短、便于迁移等优点，特别适用于海上气田的开发。该装置目前采用混合冷剂制冷或改进的氮膨胀制冷液化工艺。

4）接收站工厂用于接收由远洋运输船从基本负荷型LNG工厂运来的LNG，将其储存和再气化，然后进入分配系统供应用户。

2 天然气液化装置工艺流程及设备特点分析

2.1 液化天然气脱硫脱碳工艺及设备特点

当原料气中H2S含量低、CO2含量高且需深度脱除CO2时，可选用活化MDEA法。该法在MDEA溶液中加有提高吸收CO2速率的活化剂，可用于脱除大量CO2，也可同时脱除少量的H2S，既保留了MDEA溶液酸气负荷高、溶液浓度高、化学及热稳定性好、腐蚀低、降解少和反应热小等优点，又克服了单纯MDEA溶液在脱除CO2等方面的不足，因而具有能耗、投资和溶剂损失低等优点。因此，我国新建的LNG工厂均普遍采用活化MDEA法。

原料气中不含H2S时，其LNG工厂脱碳系统再生塔顶脱除的酸气（主要组分是CO2，一般在95%左右）可直接引至安全处排放；否则需将酸气中微量H2S脱除后再引至安全处排放。酸气脱硫一般采用干法，例如采用活性炭脱硫。

需要指出的是，活化MDEA法为湿法脱碳，脱碳后的原料气为湿气。

此外，当原料气中H2S和CO2含量很低且处理量较小时，也可考虑采用干法即分子筛脱硫脱碳。例如，苏州华峰调峰型LNG工厂（70×104m3/d）利用西气东输一线管道天然气与城镇燃气管网压差，采用单级膨胀机制冷、部分液化的液化工艺。该厂预处理系统先采用分子筛（4A）和活性炭复合床层脱水脱苯，再采用分子筛（13X）脱硫脱碳。二者均采用三塔流程，即一塔吸附，一塔加热解吸，一塔冷却，然后按周期切换。

2.2 液化天然气脱水工艺及设备特点

LNG工厂规模较大时，经湿法脱碳后的湿原料气可考虑先采用三甘醇吸收法，或先将原料气冷却至20~30℃，脱除大部分水分，再采用分子筛吸附法深度脱水。LNG工厂规模较小时，原料气通常直接采用分子筛脱水两塔工艺流程（一般多选用4A分子筛）。当工厂规模较大时，则可考虑采用三塔或多塔分子筛脱水工艺流程。

在两塔流程中，一台干燥器吸附脱水，另一台干燥器再生（加热和冷却），然后相互切换。在三塔或多塔工艺流程中，干燥器切换程序有所不同。目前我国一些LNG工厂尽管其规模较小，但经综合比较后也采用三塔脱水工艺流程。例如，山西某煤层气液化工厂（50×104m3/d）分子筛脱水装置采用等压再生，再生气来自原料气，其中两个主干燥器A和B，一个预干燥器C。A塔进行吸附（原料气脱水），B塔进行再生，C塔进行预吸附（再生气预脱水），然后按周期切换。

实际上，在采用分子筛脱水的同时也可脱除部分重烃，其脱除程度主要取决于吸附剂的性能和再生方式。

2.3 液化天然气脱重烃工艺及设备特点

天然气中的重烃一般指C5+烃类。其中一些重烃(例如苯和C8、C9等烷烃)的固相在LNG中的溶解度极低，故在液化系统会出现固相堵塞设备和管线，必须在原料气液化之前将其脱除。根据LNG工厂原料气处理量及其重烃（尤其是苯和C8、C9等烷烃）含量不同，脱重烃可以采用重烃洗涤法、低温分离法和吸附法。重烃洗涤法实质上为吸收法，即采用沸点较低的液烃在洗涤塔中吸收原料气中沸点较高的重烃，从而将低温下可能形成固相的重烃脱除。目前国内建设的LNG工厂液化系统的重烃洗涤塔，只采用原料气在液化系统某一低温下部分冷凝后分出的凝液作为吸收剂。重烃洗涤塔为板式塔或填料塔。原料气先在液化系统主换热器中部分冷凝至-43℃左右后进入洗涤塔底部进行气液分离，分出的气体向上流动，与由塔顶向下流动的吸收剂在塔板或填料上逆流接触时使气体中的重烃被吸收剂吸收。脱重烃后的原料气离开洗涤塔顶部再去主换热器进一步部分冷凝至约-70℃，然后返回重烃洗涤塔回流罐进行气液分离。分出的气体去主换热器继续降温直至液化，分出的凝液经回流泵增压后进入重烃洗涤塔顶部吸作为吸收剂。离开重烃洗涤塔塔底的凝液即为脱除的重烃，经复热、稳定后去储罐储存。低温分离法是重烃在液化系统中按照其沸点从高到低相继冷凝，最后在一个或多个分离器（分液罐）中除去。原料气中苯等重烃在低温下出现固相的温度，可根据液化压力和原料气组成由相平衡的热力学模型计算确定。吸附法广泛用于原料气中重烃含量甚少的贫气，其操作压力可以较高甚至高于临界压力。

2.4 液化天然气脱汞脱氮脱氧工艺及设备特点

汞在天然气中的含量为0.1~7 000μg/m3（包括单质汞和有机汞化合物）。天然气中极微量的汞不仅会引起铝质板翅式换热器腐蚀泄漏，还会造成环境污染，以及对设备维修人员的危害。因此，必须严格控制LNG工厂原料气中的汞含量。LNG工厂一般要求预处理后的原料气汞含量小于0.01μg/m3。某些浸硫的固体吸附剂可将气体中的汞脱除至0.001~0.01μg/m3，其原理是汞与硫反应生成硫化汞而附着在吸附剂上。脱汞工艺可分为不可再生式和再生式两种。前者采用不可再生的浸硫活性炭、含硫分子筛、金属硫化物等在固定床中脱汞，后者采用浸硫的Calgon HGR（4×10目）、HGR-P(4mm直径)的活性炭和HgSIV吸附剂脱汞。汞的脱除不受原料气中C5+重烃和水的影响。采用不可再生脱汞工艺时，废弃的吸附剂必须进行无害化处理，以防污染环境。

氮气的液化温度（常压下为-195.8℃）比天然气主要组分甲烷的液化温度（常压下为-161.5℃）低。因此，天然气中的氮含量越多，则其液化温度越低，能耗越高。氧气液化温度与氮气相近（常压下为-182.9℃）。高温下，氧气的存在还会导致脱碳溶液降解变质。

通常，采用最终闪蒸的方法从LNG中选择性地脱氮。对于氮气含量高的原料气需要液化并用于调峰时，可考虑采用氮-甲烷膨胀制冷液化工艺。

如果原料气中氮气、氧气含量较大，则需对其进行分离以提纯甲烷。目前提纯技术有低温分离法、膜分离法、变压吸附法等

2.5 天然气液化流程及设备特点

天然气的液化处理工序既烦琐又复杂，尤其是液化天然气的前期处理需要经过不断的压缩、分离等处理，才可以进入天然气的液化工序。原料气经过预处理后，进入液化系统的换热器中不断降温直至液化。因此，天然气液化过程的核心是制冷系统。

基本负荷型LNG工厂的生产通常由原料气预处理、液化、储装等部分组成。此类工厂通常按其LNG年产量可分为小型（50×104t/a以下）、中型（50×104~250×104t/a）和大型（250×104t/a以上）三类。目前我国已建、在建和拟建的基本负荷型LNG工厂均属中小型。原料气经过预处理后，进入液化系统的低温换热器中不断降温，直至常压下冷却至-162℃左右液化。因此，天然气液化系统的核心是制冷循环。通常，天然气液化系统根据制冷方法不同又可分为：节流制冷循环、膨胀制冷循环、阶式（级联式、复叠式）制冷循环、混合冷剂制冷循环、带预冷的混合冷剂制冷循环等工艺。目前，世界上大中型基本负荷型LNG工厂主要采用后三种液化工艺，我国已建的小型基本负荷型LNG工厂有的也采用膨胀制冷循环液化工艺。在选择液化工艺流程时，必须综合考虑以下因素：①工厂的类型和处理量；②原料气组成、压力，对LNG组成（例如氮含量）要求；③主要设备类型和性能。

选择液化工艺流程时，应对不同流程的可靠性、工艺效率、投资、能耗、消耗指标以及运行灵活性等进行比较，才能确定最佳的液化工艺流程。

2.6 膨胀制冷循环液化工艺及设备

膨胀制冷循环液化工艺是指采用高压气体冷剂通过膨胀机绝热膨胀制冷，实现天然气液化的工艺。该工艺的关键设备是透平膨胀机。目前，我国已建和在建的小型基本负荷型LNG工厂有的也采用膨胀制冷循环液化工艺。根据冷剂不同，膨胀制冷循环工艺又可分为天然气膨胀制冷、氮气膨胀制冷和氮-甲烷膨胀制冷循环液化工艺。

天然气膨胀制冷循环液化工艺是利用高压原料气与低压商品气之间的压差，经透平膨胀机制冷而使天然气液化，其冷剂即为高压原料气。优点是比能耗小，只需对液化的那部分原料气脱除杂质，但不能获得像氮膨胀制冷循环液化工艺那样低的温度，循环气量大，液化率低。此外，膨胀机运行性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高。该工艺特别适用于原料气压力高，外输气压力低的地方，可充分利用高压原料气与低压商品气之间的压差，几乎不需耗电。此外，还具有流程简单、设备少、操作及维护方便等优点，是目前发展很快的一种工艺。在这种液化工艺中，透平膨胀机组是关键设备。天然气膨胀制冷循环液化工艺的液化率主要取决于膨胀比。膨胀比越大，液化率也越高，一般在7%~15%，故比其他制冷循环的液化工艺要低。因此，有的LNG工厂为了提高液化率，采用了两级膨胀机制冷循环液化工艺。

氮气膨胀制冷循环液化工艺是天然气膨胀制冷循环液化工艺的一种变型。在该工艺中，氮气膨胀制冷循环与天然气液化系统分开，氮膨胀制冷循环为天然气液化提供冷量。对于含氮稍多的原料气，只要设置氮-甲烷分离塔，就可制取纯氮以补充氮气膨胀制冷循环中氮气的损耗，并同时副产少量的液氮及纯液甲烷。该工艺的优点是：①膨胀机和压缩机均可采用离心式，体积小，操作方便；②对原料气组成变化有较大的适应性；③整个系统较简单，操作方便。缺点是冷热流间温差和换热面积较大，比能耗较高，约为0.5kW·h/m3，比混合冷剂制冷液化工艺约高40%。

为了降低膨胀机的能耗，还可采用一种改进的氮-甲烷混合气体膨胀制冷液化工艺，其制冷循环采用的工质是氮和甲烷的混合物。与混合冷剂制冷液化工艺比较，氮-甲烷膨胀制冷液化工艺具有流程简单、操作方便、控制容易等优点。由于缩小了冷端温差，比纯氮气膨胀制冷液化工艺能耗节省10%~20%。

2.7 混合冷剂制冷循环液化工艺及设备

混合冷剂制冷循环（MRC）采用N2、C1~C5混合物做冷剂，利用混合物中各组分沸点不同的特点，达到所需的不同制冷温位。主换热器是MRC液化系统的核心，该设备垂直安装，下部为温端，上部为冷端，壳体内布置了许多换热盘管，体内空间提供了一条很长的换热通道，液体在换热通道中与盘管的流体换热以达到制冷的目的。MRC的优点是工艺流程大为简化，投资减少15%~20%，管理方便；缺点是能耗高10%~20%，混合冷剂组分的合理配比较困难。

3 结束语

天然气属于一种非常珍贵的优质清洁能源，通过对天然气进行液化处理不仅可以使其运输过程得以优化，还非常便于存储。主要对于液化天然气的特点进行了详细介绍，并对天然气液化装置工艺以及设备特点进行了深入分析，主要介绍了液化天然气的脱硫脱碳工艺、液化天然气的脱水脱重烃等脱杂质工艺、膨胀制冷循环液化工艺以及混合冷剂制冷循环液化工艺及设备，并通过应用新型的换热器、布置科学合理的管道方式等来最大程度减少能量消耗，从而提高液化天然气的生产效率和质量。