天然气液化及储运技术一、天然气液化技术液化天然气(LNG)的工艺流程大致分为两部分，即净化过程和液化过程，净化是天然气液化的首要过程。1.天然气净化天然气净化主要是“三脱”过程，即干燥脱水、脱烃类成份以及脱酸性气体。此外，根据地质条件不同，通常还需进行其他一些净化过程，如除去油脂、除去汞、除去CO2等工艺。(1)酸性气体脱除采用溶剂与流程的选择主要根据原料气的组份、压力、对产品的规格要求、总成本与运行费用的估算而定。世界上通用的LNG工厂的酸气吸收工艺主要有三种，即MEA(单乙醇胺法)洗涤吸收过程、BENFIELD(钾碱法)过程和SULFINOL(砜胺法)过程。MEA法：脱酸剂为15%25%的单乙醇胺水溶液。主要是化学吸收过程，操作压力影响较小，当酸气分压较低时用此法较为经济。此法工艺成熟，同时吸收CO2和H2S的能力较强，尤其在CO2浓度比H2S浓度较高时应用，亦可部分脱除有机硫。缺点是须较高再生热、溶液易发泡、与有机硫作用易变质等。BENFIELD法：脱酸剂为20%35%的碳酸钾溶液中加入烷基醇胺和硼酸盐等活化剂。主要是化学吸收过程，在酸气分压较高时用此法较为经济。该方法流程图如图8-2所示，压力对操作影响较大，在CO2浓度比H2S浓度较高时适用，此法所需的再生热较低。SULFINOL法：脱酸剂为环丁砜、二异丙醇胺和甲基二醇胺水溶液，兼有化学和物理吸收作用。天然气中酸气分压较高，在H2S浓度比CO2浓度较高时，此法较经济，净化能力强，能脱除有机硫化物，对设备腐蚀小。缺点是价格较高，能吸收重烷。(2)脱水干燥天然气采用的脱水方法大都是分子筛吸附。因为它具有吸附选择能力强，低水汽分压下的高吸附特点以及同时可以进一步脱除残余酸性气体等优点。当前使用最多的是0.4nm分子筛。这种分子筛是用适当的粘合剂把人造沸石晶体结合成较大颗粒，比如1.63.2mm直径的小球，当天然气通过充满这种分子筛的填料床时，就可以除去水分，得到干燥。(3)去汞处理若天然气中含有汞，即使是极少量的汞成份(包括单质汞、汞离子及有机汞化合物)，都会造成铝合金材料设备的腐蚀，还会引起催化剂中毒，造成环境污染及检修时对人体的危害，而当有水分存在时会增强这种伤害，最好的干燥方法也不能保证100%的去除水分，因而必须把汞减少到尽可能低的程度。目前，LNG工艺生产中，采用的是再生的汞吸收剂法去除汞。2.天然气的液化过程预处理(净化和干燥)后的天然气被送到液化装置液化。天然气液化主要是通过气体深冷凝结实现的，在常压下需深冷至-162制取LNG，在压力下操作深冷温度可稍高一些。此外，也可采用液氮的深低温补冷工艺。在深低温制冷生产LNG工艺中，往往可利用天然气压力经膨胀机实现低温制冷，一般温度可达-80-90，若天然气压力高，可实现更低的温度。由于地质结构不同，天然气的井口压力差异较大，若天然气的压力较低，往往需要压缩机进行气体压缩，实施膨胀制冷。对于膨胀制冷无法达到所需的深低温程度，也可利用液氮实施LNG装置的补冷，使温度达到-162，完成天然气的低温液化。归纳上述天然气的液化过程，可有三种实现低温的技术，即天然气自身压力膨胀制冷、压缩机压缩膨胀制冷和液氮低温制冷。一般要求在LNG的生产工艺中，必需对天然气脱净CO2，防止形成的固体二氧化碳堵塞管道和阀门等。液化的工艺流程装置框图如图8-3所示。在天然气液化生产工艺中，制冷系统通常采用气体膨胀制冷机，一方面可达到深低温制冷，另一方面可利用天然气自身具有较高压力的特点，实现能量的自身转化和简化工艺流程。图8-4和图8-5分别为气体膨胀制冷的原理流程和热力过程循环。气体膨胀制冷是利用气体的状态变化，实现逆向循环来制冷。它属于显热形式制冷，因此效率较低。由于气体比热较小，比容高，所以气缸容积必须很大，机体体积大，制冷量低。但理论上讲，若充分膨胀可便于实现深低温制冷。压缩机及其驱动机是天然气液化的主要设备，压缩机是制冷系统的重要组成部分。气体压缩制冷系统可选用离心式压缩机和轴流式压缩机，在有预冷工艺流程中一般选用离心式压缩机，因离心式压缩机适应于较低的流率和较高的压缩比。但对于大流量制冷系统，轴流式压缩机更为理想，其应用较为灵活，比离心式压缩机热效率高，可靠性强，且容易启动，可以减少旋转机械的数量，增加了可靠性，相应地减少投资。对比同样功率用量的离心式压缩机，轴流式压缩机的LNG产量可提高5%，因而生产每吨LNG的运行成本可大大降低。压缩机的驱动机，在有方便的电力条件时，压缩机采用大功率电动机驱动是最方便可行的。但在大型LNG的生产实际应用中，大多采用蒸气透平和双轴燃气透平驱动制冷压缩机，因它特别适用于与轴流式压缩机匹配，尤其是后者为最好。但由于其功率有限(在国际标准化条件中最大为3.3104kW)，故对LNG生产规模有适当限制，为此可考虑单轴燃气透平驱动机。膨胀机是制冷系统中的又一主要装置，膨胀后压力决定了制冷温度，良好的膨胀机系统是深低温制冷的重要保证。天然气流经换热器降温，实现液化过程。后再经节流阀进一步降压、降温，达到进一步的低温液化。国内在发展液化天然气方面也做了大量工作。北京科阳气体液化技术联合公司和四川省绵阳科阳低温设备公司共同协作，开发了天然气液化小型装置，此装置特点是利用天然气的压力来制冷，省去压缩机的工作过程。利用天然气压能转换成的制冷能力，将天然气制成LNG，供调峰和LNG汽车用，而做功后的余下部分低压天然气作城市民用燃料，这样可减少一道补液氮的工序，LNG的生产成本可得到一定的降低。对于压力较低的天然气，是无法实现该项自身能量转化工艺的，仍然需要压缩机的工作过程。四川石油管理局威远天然气化工厂用新工艺改进了提氦装置，生产LNG。其生产工艺是，原料天然气经脱净CO2和水后，用膨胀机制冷和液氮补冷的深冷法从天然气中提取氦气，利用氦液化温度极低难于液化的特点，使全部甲烷液化，而氦为气态，经低温分馏得粗氦和LNG，故LNG为提氦的副产品。目前LNG经换热器冷却原料天然气后又变为气态天然气，输回管网的下游，如需用LNG作汽车燃料，则冷却原料天然气不采用LNG，而改用液氮，使该站的LNG供汽车使用。吉林油田与中国科学院低温研究中心合作研制的橇装式LNG装置，天然气的制冷也不采用压缩机，采用液氮为冷却原料，生产LNG。二、液化天然气储运技术天然气液化是储存天然气的有效途径。储存效率高、占地少、投资省，便于进行经济可靠的运输。用专门的LNG槽车、轮船，把边远、沙漠、海上油气田以及新区分散的天然气，经液化后进行长距离运输到销售地，减少大量天然气放空造成的损失，它比地下管道输气可节省大量投资，而且方便可靠，风险性小，适应性强。同时，生产过程中释放出的冷量，可回收利用。液化天然气的储存是液化天然气生产及使用过程中的重要环节，目前，液化天然气的储运技术比较成熟，我们以德国泽布勒赫(ZEEBRUGGE)天然气液化厂储运技术装备为例，介绍一下液化天然气储运装备的结构。该厂建有2座5.725104m3的液氮(LN)储罐。建设LN罐是因为原料气中富含氮气，将氮气液化作为冷剂是切实可行的办法。LNG储罐是全厂最重要的设备之一，也是投资最高的单台设备。LNG储罐为双金属罐，外加水泥护墙，罐体保温层厚度为1.2m，保温层为膨胀珍珠岩。水泥护墙与双金属罐外壁之间有67m环形空间，LNG泵就安装在环形空间内。LNG储罐基础为桩式基础。桩基露出地面约1m，罐底是约60cm厚的钢筋混凝土。在罐基础的地面上安装有电加热器，用以在冬季对土壤加热，防止土壤热胀冷缩对罐产生不利影响。当LNG发生泄漏时，也可防止土壤被冻，破坏整个LNG储罐的基础结构。在LNG罐顶部正中央有一个入孔、6个仪表测口、4个气液进出口。仪表检测口是用来测温、测压和测大罐液位的，气液进出口是蒸汽的出口及液相入口，同时设有高位进液管和低位进液管。在环形空间内设有排水系统，即排水沟和排水泵用来排除雨水和喷淋水，泵排量Q=260m3/h，扬程H=35m。每台储罐装有3台外输泵，Q=100m3/h，p=12MPa，LNG泵虽安装在罐内，仍是沉没泵，每台泵分别安装在小立罐内，小罐与LNG罐连通，使泵沉没在LNG液体中，泵在工作时不会发生汽蚀。在立罐顶部有一个排气管与大罐顶部相通，泵运行过程中产生的蒸沸气返回到大罐中，并使立罐始终充满液体。在泵出口设有安全回流阀，保证系统正常工作。当泵需检修时，可关闭立罐进出口阀，将泵取出检修。重新安装时，将泵安好后，首先用氮气置换，再打开立罐进出口阀，泵即可重新使用。泵安装结构见图8-6。大罐保温层采用氮气微正压密封系统。图8-7为保温层氮气密封系统图。液氮经汽化、调节、减压后进入保温层。大罐保温层顶部与底部仅有几百帕的压差，所以顶部氮气进气压力很低。充氮气主要是为保温层干燥，如有微量LNG漏出，用氮气也可将其吹出。为保证LNG储罐的安全，大罐顶部设有喷淋冷却系统，共三圈。内圈干管为DN40，共有4个喷嘴；第二圈干管为DN80，每隔2m装1个喷嘴；第三圈干管为DN100，每隔2.5m装1个喷嘴。在环形水泥墙上设有5个大型泡沫发生器，罐顶放有2个40kg干粉灭火器，在环形空间内也有冷却水喷淋系统和泡沫发生器。除以上措施外，在大罐周围还分别装有测量点(分高位点和地位点)、测雾点、测气体浓度等仪器，用以检测大罐生产情况，发生事故时及时发现，及时解决，保证全厂安全生产。仪表检测点及LNG储罐结构见图8-8。两个储罐相距约45m，在两罐之间设有一斜坡，装有轨道，用于输送检修的设备。储罐距生产装置约40m。距车台40m。控制室距生产装置约30m。罐区内装有5台汽化能力为8104m3/h的汽化炉，工作原理如图8-9所示。其工作压力为8MPa，LNG汽化是在高温高压下进行的，其压力来自LNG泵，经过汽化炉后的LNG(气相)压力8MPa，进入供气干线。全站占地面积为1.2104m2，由储罐区、生产装置、卸车台控制室四部分组成。第 页 共 页