天然氣液化技術(shù)及應(yīng)用探析

張振生

摘 要：液化天然氣（LNG）作為天然氣一種應(yīng)用形式，有明顯的優(yōu)越性，尤其在天然氣運(yùn)輸和存儲方面。本文首先分析液化天然氣特點(diǎn)及作用，然后詳細(xì)闡述了天然氣液化工藝技術(shù)要點(diǎn)，最后說明天然氣液化技術(shù)應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：天然氣液化；技術(shù)應(yīng)用；

中圖分類號：F407.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-02-00-02

一、液化天然氣特點(diǎn)及作用

液化天然氣主要成分是甲烷，是地球上公認(rèn)的最干凈能源。油氣田開采的天然氣經(jīng)脫水、脫酸性氣體及重?zé)N組分，去除一些有價(jià)值的成份，如氦、及一些對下游產(chǎn)業(yè)不利的成分，如水、和一些高分子碳?xì)浠衔铮笤俳?jīng)冷卻降溫操作，獲得天然氣低溫液態(tài)產(chǎn)品。當(dāng)溫度低至零下162攝氏度時(shí)，天然氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)形式，是一種無色無味、無毒的燃料。這就是人們所說的液化天然氣（英文是LiquefiedNaturalGas，簡稱為LNG）。

壓縮天然氣的體積能量密度約為汽油的26%，而液化天然氣（LNG）體積能量密度約為汽油的72%，大大高于壓縮天然氣。天然氣液化后便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)輸，儲存效率高、占地少、投資省，有利于城市負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)。液化天然氣生產(chǎn)過程中釋放出的冷量可回收利用，且低溫液化過程中能分離出各種有價(jià)值的副產(chǎn)品，對環(huán)境保護(hù)而言有非常重大效用，能有效減輕城市污染情況出現(xiàn)。

較為常用的壓縮天然氣一般具有較高的壓力，這給天然氣的運(yùn)輸以及貯存帶來了許多的不安全因素，而液化天然氣則不會有太高的壓力存在，因此更具安全性。另外，在使用中液化天然氣更為清潔，天然氣在液化前一般會經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)凈化，從而，液化天然氣中的雜質(zhì)含量相對較少，使用過程中造成對環(huán)境的污染程度更小。

二、天然氣液化工藝技術(shù)要點(diǎn)

（一）天然氣預(yù)處理

天然氣預(yù)處理是指脫除天然氣中硫化氫、二氧化碳、水分、重?zé)N和汞等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備及在低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道。脫水主要有冷卻、吸收、吸附3種脫水方法，天然氣從地層開出后，常含有水蒸氣，還含COS、C02、H2S及RSH等一些酸性氣體，這種天然氣由于含酸性氣體，常被稱為酸性氣或含硫氣。酸性氣體對人身有害，對設(shè)備管道有腐蝕，由于其沸點(diǎn)較高，降溫過程中易析出固體，因此一定要進(jìn)行脫除，通常采用醇胺法和分子篩吸附進(jìn)行脫酸。

（二）天然氣液化操作工藝

通常天然氣液化工藝操作原理包含以下幾方面內(nèi)容：

1、混合制冷劑液化操作工藝

混合制冷工藝多采用烴類混合物作為制冷劑，代替階式制冷工藝中多個(gè)純組分。其制冷劑組成根據(jù)原料氣組成和壓力而定，利用多組分混合物中重組分先冷凝、輕組分后冷凝特性，將其依次冷凝、分離、節(jié)流、閃蒸得到不同溫度級冷量。另外，據(jù)混合制冷劑是否與原料天然氣相混合，分閉式和開式兩種混合制冷工藝。

2、級聯(lián)式制冷液化操作工藝

級聯(lián)式液化流程中較低溫度級循環(huán)，將熱量轉(zhuǎn)移給相鄰較高溫度級循環(huán)，主要應(yīng)用于基本負(fù)荷型天然氣液化裝置。比如丙烷和甲烷等，透過多個(gè)制冷體系分別和天然氣完成換熱，使天然氣溫度能逐漸降低至液化基本要求。

3、膨脹制冷操作工藝

膨脹制冷工藝，是利用高壓制冷劑通過透平膨脹機(jī)絕熱性能，并使用克勞德循環(huán)制冷技術(shù)完成天然氣液化操作，氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫時(shí)，能輸出功，可用于驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)。據(jù)制冷劑不同，膨脹機(jī)制冷循環(huán)可分氮?dú)馀蛎浺夯鞒?、氮?dú)?甲烷混合膨脹液化流程和天然氣直接膨脹液化流程。這類流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動(dòng)、易操作、維護(hù)方便、投資省，但能耗略高。

（三）天然氣液化裝置

液化裝置通常用基本負(fù)荷型和調(diào)峰型兩種，基本負(fù)荷型是一種大型液化裝置，可用于當(dāng)?shù)厥褂没蛲膺\(yùn)。該裝置液化單元大都使用級聯(lián)式液化或混合制冷劑液化兩種流程。目前新建與擴(kuò)建的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，基本上都使用丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程。調(diào)峰型液化天然氣裝置一般用于調(diào)峰負(fù)荷或補(bǔ)充供應(yīng)冬季燃料，以液化方式儲存在低峰負(fù)荷時(shí)過剩的天然氣，用于高峰或緊急情況。該裝置在匹配峰荷和增加供氣可靠性方面發(fā)揮著重要作用，可極大的提高管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。

調(diào)峰型天然氣液化裝置與基本負(fù)荷型天然氣液化裝置相比，屬于小流量天然氣液化裝置，由于生產(chǎn)規(guī)模相對較小，不適合于連續(xù)運(yùn)行，它的液化部分一般使用帶膨脹劑液化和混合制冷劑液化流程。

（四）運(yùn)輸

當(dāng)天然氣處于液態(tài)時(shí)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)甲烷的625倍。也就是說，1立方的液化天然氣等同于625立方的天然氣。因此，相比于天然氣的氣態(tài)形式，液化后的更方便于運(yùn)輸和貯存。天然氣液化后體積能縮小600多倍，將更便于經(jīng)濟(jì)安全的運(yùn)輸。從輸氣經(jīng)濟(jì)性方面考慮，陸上3000千米左右運(yùn)距內(nèi)，利用管道輸氣比較經(jīng)濟(jì)，當(dāng)超過3500千米后，用船運(yùn)方式優(yōu)勢更為明顯，能夠使大量風(fēng)險(xiǎn)性管道投資有效降低，節(jié)約運(yùn)輸成本。

液化天然氣船建造技術(shù)的不斷發(fā)展提高了液化天然氣的運(yùn)輸效益，主要體現(xiàn)在日氣化率降低及蒸發(fā)氣回收利用上。目前應(yīng)用的液化天然氣船，由于大都沒有再液化裝置，動(dòng)力燃料主要利用消耗蒸發(fā)氣，而不進(jìn)行回收液化。液化天然氣由于具有高效、清潔、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，因此被列入開發(fā)利用的重點(diǎn)能源。液化天然氣船的建造可滿足進(jìn)口液化天然氣運(yùn)輸能力的需要。

三、液化天然氣的應(yīng)用方向

（一）液化天然氣冷能的利用

由于深度的冷凍液化作用，在液化天然氣中蘊(yùn)藏著巨大的能量，可以利用液化天然氣的冷能的原理概括為：當(dāng)液化天然氣使用過程中，與腸胃環(huán)境相比較，二者之間存在著比較大的壓力和溫度差。此時(shí)，液化天然氣從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，在其中蘊(yùn)藏的大量冷能被釋放出來，經(jīng)過合理的回收利用，我們能夠很好的利用這些天然氣冷能。常壓的條件下，每公斤的液化天然氣轉(zhuǎn)化為常溫氣態(tài)可釋放出大約879千焦的能量。這些能量可以利用在諸如：發(fā)電、冷凍倉庫、空氣液化分離、比如低溫破碎、制造液化二氧化碳水以及冷凍食品、污染物處理等方面。

（二）液化天然氣應(yīng)用于調(diào)峰

液化天然氣在貯存和運(yùn)輸方面有著很大的優(yōu)勢，因此，在很大程度上克服了地理?xiàng)l件以及運(yùn)輸距離、容量等的限制，相對來說，應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)。為此，我們可以采用液化天然氣來調(diào)劑天然氣供應(yīng)不均衡的現(xiàn)狀。對于能源短缺國家可以有效保證天然氣供應(yīng)，同時(shí)對于氣源充沛國家可以進(jìn)行有效調(diào)峰。目前，在西方國家，液化天然氣的調(diào)峰技術(shù)發(fā)展的相對比較成熟，我國當(dāng)前在這項(xiàng)技術(shù)方面也在逐漸發(fā)展。

（三）液化天然氣應(yīng)用于發(fā)電

在天然氣進(jìn)行液化處理之前一般要進(jìn)行天然氣的凈化處理，這種技術(shù)處理掉了原始?xì)怏w中的大部分氣體雜質(zhì)。當(dāng)把液化天然氣作為燃料時(shí)，諸如S02等有害氣體的釋放量比較少，因此氣體燃燒產(chǎn)生的污染相對較少。采用液化天然氣進(jìn)行發(fā)電，在很大程度上可以減少環(huán)境污染，使得經(jīng)濟(jì)和環(huán)境得到了共同發(fā)展。

（四）液化天然氣應(yīng)用于汽車

由于天然氣的低污染，它是未來汽車待用的一種優(yōu)質(zhì)燃料。與常用的石油燃料相比，天然氣的儲存能量更大、噪聲低、壓力低、低污染。天然氣汽車在我國也得到了長足的發(fā)展。

（五）未來應(yīng)用前景

專家預(yù)言，液化天然氣未來將在那些耗氣量大、不可能使用壓縮天然氣的運(yùn)輸工具，如飛行器、鐵路機(jī)車以及船舶上大顯身手。因此，近年來國際上紛紛大規(guī)模展開了低溫飛行器及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲以及加注等）的科研和試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作。

四、結(jié)束語

作為新興產(chǎn)業(yè)，液化天然氣不僅面臨較好的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著較多的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，伴隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及對清潔能源的需求增大，天然氣的液化處理不僅有利于能源安全供應(yīng)，對環(huán)境保護(hù)等方面也有著積極作用。

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