液化天然气(LNG)的制备与储存运输

＊赵 杰

（中国科学院理化技术研究所 北京 100000）

LNG的制备过程是将天然气从气态转化为液态，以便进行大规模存储和运输，研究其净化方法和储运技术具有突出的应用价值。学者刘立平[1]开展了关于新型LNG制备工艺的研究，通过改进分离技术和催化反应，提高了LNG制备的效率。该研究聚焦于降低制备成本和提高生产能力，为我国LNG工业的可持续发展提供了技术支持。学者耿宝磊，李伟迁，李焱等[2]围绕船舶载液舱系统进行深入研究，通过改进船舶结构和加强安全控制系统，提高了LNG运输的安全性和效率。该研究对推动我国LNG船舶技术的创新具有积极作用。

1.液化天然气(LNG)制备工艺

(1)天然气液化工艺选型及主要产品参数

①天然气液化工艺选型。某液化天然气厂主要向京津冀地区供应LNG产品，其天然气设计处理能力为90×104Nm3/d，其中N表示标准状态（温度为0℃，气压为标准大气压），该企业每年可生产LNG产品20万吨，副产品为1000t燃料气。

天然气液化是通过特定的制冷技术将其从气态转化为液态，以便进行大规模的存储、运输和应用。根据制冷方式的差异，其液化工艺主要分为三种，分别为级联式液化、混合制冷剂液化及带膨胀机的液化[3]。

②液化天然气产品参数要求。该企业的LNG存储在低温液体储槽中，要求制备完成的LNG产品达到表1所规定的技术规格，在这一设计规格下，LNG的密度为421.1kg/m3，相对分子质量为16.22，存储压力为0.15MPa。该混合气体的组成包括四个主要成分。首先，氮（N2）占据了相对较小的比例，仅为0.67%。在整个混合气体中，甲烷（CH4）占据了绝大多数，其摩尔质量占比达到了98.68%。此外，乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）的摩尔质量占比相对较小，分别为0.63%和0.02%。这种混合气体的组成反映了其主要成分是甲烷，而其他成分则只占极小的比例。

表1 天然气杂质允许限值

(2)液化天然气制备工艺

①整体工艺流程

液化天然气制备的工艺流程较为复杂，在液化之前需要进行一系列前处理，使其达到较高的纯净度，整体的工艺流程为：原料气计量调压→原料气增压→脱酸及胺液再生→脱水→脱汞及脱粉尘→冷剂压缩与制冷液化→LNG储存→LNG装车（如图1所示）[4]。

图1 液化天然气制备流程图

②天然气预处理

从整体的工艺流程可知，液化之前的脱水、脱酸、脱汞、脱粉尘均为预处理措施，以下结合该企业的实际情况，介绍预处理工艺的技术方法[5]。

A.最大允许杂质含量。从预处理措施可知，原料气中的杂质包括H2O、Hg和多种酸性气体，在天然气净化阶段要求各杂质的含量不得超过表1中的规定。

B.天然气脱酸工艺。原料气中除了CH4以外，还含有一定量的酸性气体，包括H2S、CO2和SO2等。LNG的存储设备由金属材料制成，酸性气体能够加速设备腐蚀，增加了LNG的储运安全风险。因此，在液化之前，必须进行脱酸处理，去除酸性气体。该企业采用MDEA（N-甲基二乙醇胺）脱酸工艺，该物质的脱酸步骤分为两步，第一步为吸收，针对的酸性气体为CO2和H2S，第二步为脱硫，主要去除SO2[6]。

C.天然气脱水工艺。原料气中本身存在一定的水分，其表现形式为气态的水分子或者液态水，经过脱酸处理之后，水的含量会进一步增加。水分在管道内不断积聚，会增加天然气的输送阻力。该企业使用分子筛吸附原料气中的水分，分子筛为人工合成的泡沸石，其化学通式为Mex/n[(AlO2)x(SiO2)y]·mH2O，属于水和铝硅酸晶体物质，其中Me为碱金属阳离子（如Na+、K+）。脱水工艺的技术流程为：原料气经过脱酸处理之后，借助减压阀将压力调整为75kPa，随后进入脱水塔，先后经过水分吸收、冷却和冷吹三道处理工序，从而完成脱水。

D.天然气脱汞工艺。Hg对环境和人体均产生一定的危害，并且还有可能破坏LNG的生产设备，天然气液化之前要求将汞含量控制在0.01mg/m3以下。在制备LNG时，通常采用可再生的汞吸附剂去除气体中的Hg。当前，主流的吸附剂可将汞含量降至0.01～0.001μg/m3。

③混合制冷剂液化工艺

A.单级混合冷剂循环法工艺流程。单级混合冷剂循环法具有简单、可靠、成本低等优势，根据该液化工艺，经过预处理的原料气先进入压缩机，完成加压操作，再由冷凝器、冷却器对加压后的原料气进行降温处理，原料气通过节流阀之后，温度进一步下降，最后在主热交换器中进行冷却，得到混合冷剂。在整个液化工艺中，需要重视温度参数的控制。例如，原料气在冷箱内流动时，将温度控制为-48℃，此时原料气中的重烃组分由气态转化为液态，从而将芳香烃类杂质从原料气中分离出去。在此基础上进一步降低温度至-155℃，最后再经过减压、节流操作，温度下降至-160℃，形成LNG，将其装入产品罐中。

B.天然气液化过程的热力学参数计算。天然气液化过程应该严格控制其热力学参数，一方面保证生产安全；另一方面则是确保能耗控制水平，避免高能耗问题，以下主要介绍热力学参数的计算原理。

液化天然气由多种物质混合而成，将LNG的密度记为ρ，则密度计算方法为：

式中：yi为LNG中组分i的摩尔占比；ρi为组分i的密度；n为LNG中组分的种类。

天然气从气态转化为液态，存在两个重要的临界参数，分别为临界温度和临界压力，温度取最高值，压力取最低值。将临界压力记为Pc，临界温度记为Tc，则相应的计算方法如式（2）所示。

式中：Pci为LNG中组分i的临界压力；Tci为LNG中组分i的临界温度。在液化天然气中，各组分的临界温度和压力，见表2。

表2 LNG中各组分的临界压力和温度

C.液化天然气状态方程。液化天然气是一个热力学问题，可通过状态方程描述液化天然气的相平衡，常用的状态方程为SRK和PR。以SPK方程为例，其数学描述方法如下：

式中：P为相平衡状态时的压力，Pa；R为理想气体常数；T为相平衡状态时的温度，K；V为摩尔体积，m3；a和b均为方程中的两个常数，可通过拟合得到，亦可由经验公式计算得到，参数b=0.0866×RTc/Pc，参数a=0.4274αR2T2c/Pc，参数α为无次因子（与温度相关）。

D.冷剂的补充方法。冷剂在天然气液化过程中发挥着重要的作用，混合冷剂由N2、CH4、C2H4、C3H8及丙烷组成，不同组分的作用各有差异。例如，N2的作用为加强主冷换热器的冷端温差，同时提高制冷剂的气化率，进而满足低温区的能量需求。再如，乙烯的作用为满足主换热器冷端冷量需求，同时提高冷剂的液化量。在整个液化过程中，应根据冷箱的工作负荷、冷却速率逐步补充冷剂，根据不同阶段的特点，冷剂循环系统应梯度补充冷剂，填充率分别为30%、50%、75%及100%。

2.液化天然气(LNG)储运技术及应用

(1)LNG的储运方式

LNG的储存和运输联系紧密，其运输设备兼顾储存功能。天然气液化之后，运输能力将大幅增强，可促进天然气的工业应用。从运输方式来看，LNG可通过船舶、低温槽车及管道进行长距离储运。管道运输具有运量大、成本低、可靠性高等优点，承担了大部分LNG的终端运输任务，在天然气贸易中，大型LNG船舶成为重要的运输方式。

(2)LNG典型储运技术分析

由于LNG具有多种储运方式，限于篇幅，此处重点介绍LNG管道输送技术的应用原理。

①管道类型。LNG输入过程中，应保持-160℃的低温状态，因而对管道的绝热性提出了很高的要求。常用的管道分为非真空绝热管道和真空绝热管道两种，表3为非真空绝热管道的材料性能。从中可知，聚乙烯泡沫的低温耐受力不足，未能达到-160℃，其他几种材料均可用于LNG管道输送。真空绝热管道设计有真空夹层，由钢管和外护套组成，夹层内的压力为1×10-1～1×10-6Pa，通过真空夹层实现绝热，其热传导性为1×10-2～1×10-3（W/(m·K)，显然，其绝热性能优于非真空绝热管道。

表3 常用非真空绝热管道性能表

②LNG管道输送距离的影响因素分析。管道储运方式的输送距离受到多种因素的影响。其中，输送量、入口压力、管道内径和管道内壁热流密度等因素的综合作用，使输送距离存在一定的限度。从输送量来看，当其他条件保持不变时，LNG管道输送的距离随输送量的增加，呈现出先增大后降低的趋势。这说明在入口压力确定之后，应合理设计输送量，使其达到最佳的输送距离。其原因在于当输送量过大时，管道内的流体速度会增加，导致摩擦损失增大，从而降低输送效率。

当输送量等因素保持不变时，提高LNG的入口压力，其管道输送距离与压力呈正相关。这说明提高入口压力有利于延长输送距离，提高入口压力可以增加管道内的流体速度，从而减少摩擦损失，提高输送效率。需要注意的是，入口压力不能过高，否则会导致管道内壁受到过大的压力而损坏。因此，在提高入口压力时，需要根据实际情况进行合理的调整。此外，管道内径和管道内壁热流密度等因素，也会对输送距离产生影响。管道内径的大小直接影响着流体在管道内的流动速度及摩擦损失。通常情况下，管道内径越大，流体速度越慢，摩擦损失越小，有利于延长输送距离。而管道内壁热流密度则与管道材料的导热性能有关。如果管道内壁热流密度过大，会导致管道内壁温度升高，从而影响流体的流动和输送效率。

3.结语

研究过程较为全面地分析了液化天然气的制备工艺，主要包括预处理和液化两个关键阶段，在预处理过程中，需要去除原料气中的杂质，具体为H2O、CO2、H2S、Hg及SO2等，液化过程可采用级联式液化或者混合制冷剂液化工艺。在LNG的储运阶段，以管道运输、船舶运输和低温液体车辆运输为主，文章着重探讨了管道储运技术。