液化天然气文献综述详解.docx

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液化天然气文献综述详解

化工与生物技术学院

毕业设计文献综述

天然气预处理与液化工艺

Pretreatmentandliquefactionprocessofnaturalgas

学生学号

10160211

学生姓名

王斌

专业班级

油气1002班

指导教师

屈成亮

助教

联合指导教师

陈明辉

高工

完成日期

2014.3.10

吉林化工学院

JilinInstituteofChemicalTechnology

目　　录

摘要

液化天然气作为一种清洁能源，越来越受到人们的欢迎，而天然气预处理与液化技术也已成为天然气工业中一个极其重要的部分。

该综述总结了几种天然气预处理与液化的工艺流程。

天然气在进入长输管线之前，已经进行了分离、脱凝析油、脱硫、脱水等净化处理。

但长输管线中的天然气仍含有二氧化碳、水及重质气态烃和汞，这些化合物在天然气液化之前都要被分离出来，以免在冷却过程中冷凝及产生腐蚀。

一般的脱除酸气和脱水方法有吸收法、吸附法、转化法等。

从长输管道来的天然气进行脱除CO2和水后,进入液化工序。

目前，天然气液化工业成熟的工艺路线主要有3种类型：

阶式制冷工艺、膨胀制冷工艺和混合冷剂制冷工艺。

关键词:

液化天然气；净化；液化

第1章液化天然气基础知识

1.1液化天然气LNG

LNG是英文LiquefiedNaturalGas的简称，即液化天然气。

液化天然气是一种液态状况下的无色液体，主要由甲烷组成，组分可能含有少量的乙烷、丙烷、氮或通常存在于天然气中的其他组分。

——GB/T19204—2003

LNG是天然气（甲烷CH4）在经净化及超低温状态下（-162℃、一个大气压）冷却液化的产物。

液化后的天然气其体积大大减少，约为0℃、1个大气压时天然气体积的1/600，也就是说1立方米LNG气化后可得600立方米天然气。

1.1.1LNG的基本物理特性

1．甲烷含量高于75%，氮含量低于5%

2．密度：

426~470Kg/m3之间，视其组分而定

3．温度：

大气压下-157~-162℃

4．气态爆炸极限：

5%~15%

5．气液体积比约为620：

1

1.1.2LNG与其他燃料的性质对比

1.1.3LNG的优点

1．能量密度大，便于储存和运输；

2．储运效率高，占地少，相对投资小；

3．储存压力低，更加安全；

4．组分纯净、燃烧完全、排放清洁；

5．机动灵活，不受燃气管网制约。

1.1.4LNG产业链

LNG产业链包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收、应用等环节。

其中天然气的液化、储存、运输和应用是整个产业链的主要组成部分。

图1-1LNG产业链

1.1.5中国的LNG工业发展

中国LNG项目得到了迅猛的发展，并形成了一些发展LNG产业的有利条件。

中国近海油气生产已形成相当规模，随着渤海、东海、南海的天然气登陆，沿海一带的天然气管网已初步形成；液化天然气可与城市燃气系统贯通、与海上天然气登陆衔接，形成两种气源的互补；“西气东输”和“广东大鹏LNG项目”的示范和宣传作用，极大的促进了中国天然气市场的培育；小型LNG液化厂技术的掌握，有利于小气田和边远气田的开发。

1.1.6国内LNG市场定位

1．在我国天然气供求日趋紧张的趋势下，应优先发展：

2．高能耗、用气量较大，包括发展潜力较大的用户；

3．用气量平稳的用户；

4．能够接受较高气价，即附加值较高的用户；

5．环保压力较大的用户。

第2章天然气预处理

天然气液化之前的原料气净化是一个重要环节。

表2-1原料气中杂质浓度上限

由于液化气厂的进料气中含有大量的酸陛气体、重烃、水及汞等杂质，易形成水合物，造成设备腐蚀、管道堵塞。

为了保证天然气的深冷冻液化过程的稳定操作，对其中的C02、H2S、水、汞、重烃类等都有严格的要求。

一般要达到如表2-1所示的指标。

预处理的主要设备由吸收塔、再生塔及干燥塔组成（见图2-1）。

图2-1天然气预处理系统简图

2.1酸性气体的脱除

酸性气体的脱除通常是采用溶液吸收法。

有：

①胺法；②Benfield法（以碳酸钾和二乙醇胺为溶剂）；③Sultlnol法（这是一种物理化学吸收法）。

然而这些方法中，③中的溶剂同时也能使包括CH4在内的烃类大量溶解，并且这些方法大多数成本高，能耗大。

近年来，一些LNG公司已采用了一些较先进的气体预处理技术，并且已在LNG工业中起着重要作用。

对于含低浓度酸性气体的原料气（分压小于350kPa），AmineGuardFS流程较为实用，它是包括一个以胺液为主体的流程和一种UCARSOL类胺溶剂，该溶剂成本低、有较好的热的和化学的稳定性、无腐蚀性、不易起泡，以及该流程除易操作外，与MEA和DEA流程相比需较低的再生热能等优点，其优化了的设计是基于40多年的气体净化经验并已得到技术性杂志的认可，世界上已有 550多个工厂采用该流程。

 值得一提的是Benfield流程（见图2-2）。

它包括K2CO3水溶液、加快质传递的活化剂及防腐剂，已被世界上几百个装置所采用。

Benfield流程已有30多年历史，近年来人们对它有所改进。

较为典型的有：

 ①Ben-field-100流程（如图2-3所示），它包括K2CO3吸收液、分子筛等。

K2CO3吸收液除去酸性气体及COS，分子筛则除去水分及剩余的酸性气体。

产品中有部分气体回流，用于分子筛的再生，然后再返回原料气。

该流程能较彻底地除去含S 化合物、80％～99％COS、95％～100％甲疏醇及大部分水分；②采用新的活化剂。

通常活化剂用于加快CO2的吸收速度，这样可减少装置体积并起节能作用。

以往常用二乙醇胺（DEA）、砷、甘氨酸作为活化剂，而现在采用一种新的活化剂P1，其效用已被美国三个合成氨厂所证实，这些厂每天产氨1000～1500t，需纯化2．8MPa压力下含17％CO 2 的17500m 3 气体。

图2-2Benfield流程

图2-3Ben-field-100流程

2.2水分的脱除

脱除酸气后的原料气，一定要脱水。

一是可防止天然气中的水分析出，在液化时结冰，使管道和仪表阀门出现冰堵，发生事故；二是因液态水的存在，使末脱除的酸性组分对压力管道和容器的腐蚀加剧，可能导致应力腐蚀。

天然气脱水的方法主要有3种：

①冷却法；②甘醇吸收法；③固体（如硅胶、活性氧化铝、分子筛）吸附法。

现主要用第③种，一般采用4A型分子筛。

以往的分子筛常包含有小的沸石类微粒，吸水性能好，但与此同时也造成了较大的气体压力损失。

为解决这个问题，一种新的TRISlV吸收系统问世，其新的微粒结构增大了与气体的接触面积，并缩短了气体流程，减小了气体的压力损失。

2.3汞及重烃的脱除

由于Hg对铝质板翅式换热器有损害，故也必须去除。

过去均采用不可再生的固定床（带S的活性炭、含S分子筛、金属硫化物）。

而现在用可再生物质 HgSIN，它可同时对气体于燥并除去Hg，该物质已投入应用两年多，就Pacific Rim的一个LNG厂而言，它的功效能使He含量从25μg/m3 ，降至0．01μg／m3 。

法国石油学会研究出了一种可用于吸收气体和液体中金属Hg的吸收材料 [5] ，它是在氧化铝锭片上加一层金属硫化物，能与汞反应生成HgS。

 重烃同样会在天然气液化时结冰，使管道和仪表阀门冰堵，发生事故。

在多级制冷的工艺中（如MRC工艺、复迭制冷等），重烃可通过分子筛和预冷后分离而加以脱除。

有些工艺过程用洗涤、蒸馏实现。

第3章天然气液化工艺

天然气液化装置有基本负荷型液化装置和调峰型液化装置。

基本负荷型液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置。

这种天然气液化装置，其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。

调峰型液化装置是指为调峰负荷或补充冬季燃料供应的天然气液化装置，在匹配峰荷和增加供气的可靠性方面发挥着重要作用，可以极大地提高输送管道的经济性。

3.1级联式液化流程

级联式液化流程也被称为阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要应用于基本负荷型天然气液化装置。

级联式液化流程中较低温度级的循环，将热量转移给相邻的较高温度级的循环。

第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。

图3-1为级联式液化流程的示意图。

级联式液化流程的优点是：

能耗低；制冷剂为纯物质，无配比问题；技术成熟，操作稳定。

缺点是：

机组多、流程复杂；附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备，初投资大；管道与控制系统复杂，维护不方便。

图3-1级联式液化流程示意图

3.2混合制冷剂液化流程

混合制冷剂循环（MRC）不像阶式循环使用多种纯制冷剂，它使用单一混合制冷剂。

混合物成分是精确规定的，所以液体制冷剂在与被液化的天然气相似的温度范围内气化。

通常采用氮气和烃类（C 1 ～C 5 ）的混合物作为制冷剂。

采用这种混合物作为制冷剂既包含了天然气液化所需的全部温度范围，又可只用一台压缩机，这样使流程大为简化。

同阶式制冷循环相比混合制冷液化循环具有流程简单、机组少、投资费用低、对制冷剂的纯度要求不高等优点。

但单级混合制冷剂循环的能耗要比阶式制冷循环高。

因此，为厂降低能耗，采用多级混合制冷剂循环。

国外技术人员对多级循环特性的评价结果表明，随着级数的增加能耗将有所降低，通过技术经济优化，采用三级混合制冷剂循环较为合理，如图3-2所示。

 有效的制冷足以使进入的液相制冷剂过冷却，使进入的气相制冷剂部分冷凝以及使天然气冷却或冷凝。

进入的气相制冷剂流经部分冷凝后，经历相分离。

气相和液相进入与一级换热器操作相似的二级换热器。

用于使液体制冷剂过冷却和使气体制冷剂冷凝的制冷量在总工作量中占有很大比例。

  部分冷凝、分离和膨胀的最佳级数取决于资本费用、操作复杂性或灵活性和操作费用。

级数越多，能量效宰越大，但同时也提高了复杂性。

例如，一个二级循环消耗的功率比一级循环小，而且机器费用的减少通常不只是抵消附加的机器费用，还可以减少总的资本费用。

当级数增加时，就要使级数的增加对机器能量和资金消耗的影响最小，而且只增加设备的复杂性和总的资本费用改进的多级混合制冷剂循环（MRC）已经得到了发展，它使用小型铝质板翅式换热器以减少功率消耗。

多股流板翅式换热器的温度驱动力小而且能量高度结合，所以其热力学效率很高，这使热股流和冷股流的曲线匹配得很好。

多级分离与单一混合制冷剂循环相比，其制冷剂流量小，因此功率消耗小，因而，可以达到阶式循环的功率要求，并且机器配置相对简单。

对一个固定驱动器来说，液化天然气产量可以达到最优化，因此，可以以具有竞争力的价格建造中小型工厂。

  近几年来，在MRC工艺基础上经过改进又开发了带预冷的混合制冷剂制冷循环工艺，预冷方式有丙烷预冷、混合工质预冷、利用氨吸收制冷来预冷等。

在大型的 MRC流程中采用带预冷系统，原因是它比用混合制冷来冷却液化前的天然气效率高，而且预冷系统中压缩机设备的费用也较适中。

图3-2典型的三级混合制冷剂循环（MRC）

3.3膨胀制冷流程

以膨胀制冷循环为基础的天然气液化工艺流程是采用透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温目的的过程。

在操作频繁且要求快速启停的调峰型装置中，膨胀流程得到了很好的利用。

根据制冷剂的不同，膨胀制冷循环分为天然气膨胀制冷工艺、氮气膨胀制冷工艺和氮-甲烷膨胀制冷工艺。

图3-3典型的膨胀机循环（单一膨胀机）

天然气膨胀制冷循环是利用原料天然气自身的压力膨胀做功从而提供天然气液化所需要的冷量，该工艺特别适用于天然气输送压力较高、而实际使用压力较低，中间需要降压的气源场合，最适宜于调峰型装置。

该工艺流程简单，也省去专门生产、运输、贮存制冷剂的设备，投资费用少，操作灵活。

采用该工艺的系统液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率，因此该工艺方法不能获得较低的温度、足够的循环气量和液化率，同时膨胀机的工作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。

陕北气田液化天然气示范工程即是采用天然气膨胀制冷循环的装置。

氮气膨胀流程简单、紧凑。

装置启动快，运行灵活，适应性强，易于操作和控制。

但能耗相对较高。

相比N2膨胀流程，氮-甲烷膨胀流程除了具备流程简单、设备投资少等优点，其能耗也要比氮膨胀流程低3%-5%，装置的操作弹性高，对气源的变化有良好的适应性，对国内用户所面临的气源供气量变化范围很大提供了一个好的解决方案，特别有利于装置长期运行的实际单位能耗的控制。

第4章LNG在中国的应用前景

①　城市供气主气源

通过非管道运输将LNG运到用气地区，可以作为过渡气源或永久性气源。

尤其是沿海城市可以充分利用地理优势修建LNG接收站，利用从海外运来的LNG。

我国广东、福建、上海等省市均已经开始大型LNG接收站的建设。

②　城市燃气调峰

LNG调峰和传统的调峰方式相比，具有储存效率高，储运手段比气态天然气更灵活,有较高的机动性。

LNG用作城市调峰气源，其占地少，工期短，维修方便。

随着管道燃气事业的发展，城市调峰气源规模将会越来越大。

③　卫星城镇供气

大中城市的卫星城镇由于远离气源和长输管道，建设输气管道不经济。

LNG运输灵活高效，容器的单位容积储存量大，使用时间长，且小区气化工艺流程简单安全，建设造价省、见效快、方式灵活，价格平稳，是适宜的卫星城镇的供气方式，在发达国家已经广泛应用。

④　清洁车用燃料

与汽油、柴油和LPG、CNG相比,LNG具有辛烷值高、抗爆性好、价格低、一次充装量大、行驶里程长、尾气污染小等优点，不论对于交通工具还是工业生产，都是优质的清洁燃料。

2003年北京已开始了LNG汽车的试运行，并计划改造完成LNG汽车300辆，以后逐步将北京90%的公交车改造完成为LNG汽车。

最近，新疆也已投运LNG汽车，上海LNG城市客车也已经研制成功并通过鉴定。

随着国家清洁汽车行动步伐加快，LNG在汽车燃料中将占据越来越重要的地位。

参考文献

[1]郭揆常.液化天然气（LNG）应用与安全[M].北京:

中国石化出版社，2008.

[2]钱伯章,朱建芳.世界液化天然气的现状及展望[J].天然气与石油,2008.

[3]罗媛媛.袁宗明,谢英等.LNG液化工艺[J].石油化工应用，2007.

[4]顾安忠,鲁雪生,江荣顺等.液化天然气技术[M].北京:

机械工业出版社,2003.

[5]沈惠康.液化天然气工艺与设备[J].煤气与热力,1996.

[6]李佩铭,焦文玲,蒋永明等.我国液化天然气应用与推广[J].煤气与热力,2008.

[7]张林松,杨光,赵万鹏等.天然气液化厂站脱汞的探讨[J].煤气与热力,2008.

[8]敬加强,梁光川,蒋宏业.液化天然气技术问答[M].北京:

化学工业出版社,2006.