天然氣液化工藝技術(shù)的發(fā)展路徑研究

李 超

（江蘇省天然氣有限公司，江蘇 南京 210008）

0 引言

天然氣是目前世界能源消費(fèi)的主要組成部分之一,與煤炭和石油并稱為全球能源三大支柱。根據(jù)2019年《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)[1],2018年,世界一次能源消費(fèi)總量為14 267百萬噸油當(dāng)量,其中的煤炭、石油和天然氣所占的比重分別為26.4%,32.7%和23.2%。目前,環(huán)境污染日益嚴(yán)峻,天然氣作為一種清潔能源,受到更多國家的重視,且在能源消費(fèi)中所占比例呈穩(wěn)定增長趨勢。2018年,天然氣消費(fèi)增長1 950億立方米,增幅達(dá)5.3%,是1984年以來最快年增幅之一[1]。

近十年來,我國天然氣工業(yè)處于高速發(fā)展時(shí)期且發(fā)展速度越來越快,隨著天然氣成藏理論以及勘探技術(shù)迅速發(fā)展,在未來很長一段時(shí)期內(nèi),我國天然氣工業(yè)仍將保持快速發(fā)展的勢態(tài)[2]。根據(jù)國際能源署（IEA）2012年預(yù)測結(jié)果,2025年我國天然氣產(chǎn)量將達(dá)2.17×1011m3（常溫常壓）,2035年將達(dá)3.18×1011m3常溫常壓[2]。

2012年,全球天然氣貿(mào)易量約為1.03×1012m3（常溫常壓）,其中管道氣貿(mào)易量約占68.3%,LNG貿(mào)易量約占31.7%。根據(jù)IEA預(yù)測,2035年LNG貿(mào)易量占天然氣總貿(mào)易量的比例將增至50%[3]。LNG產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為深刻影響國際政治經(jīng)濟(jì)格局的重要能源形式。

1964年阿爾及利亞建成世界上第一座大型LNG工廠,并以LNG船海上運(yùn)輸?shù)姆绞介_始向英國、法國等國家出口,標(biāo)志著LNG工業(yè)作為一種全球性產(chǎn)業(yè)的誕生。

經(jīng)過50年的發(fā)展,截至2013年年底,全球LNG生產(chǎn)能力已達(dá)290 Mt/a,2013年LNG出口國已達(dá)17個(gè)。未來幾年LNG產(chǎn)能將快速增長,2018年全球LNG產(chǎn)能達(dá)400 Mt/a。

1 傳統(tǒng)LNG液化工藝

液化工藝是LNG液化工業(yè)的核心技術(shù)。20世紀(jì)60年代早期的LNG液化工廠采用不同單一工質(zhì)制冷劑分級制冷的級聯(lián)式液化工藝,但是由于該工藝流程和控制系統(tǒng)復(fù)雜,以及裝置建設(shè)造價(jià)高,最終在70年代被替代,丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝?yán)^而得到進(jìn)一步發(fā)展,該工藝流程簡單且能耗更低,成為二十世紀(jì)八九十年代應(yīng)用最為廣泛的天然氣液化工藝[3-4]。

1.1 級聯(lián)式液化工藝

該液化工藝應(yīng)用得最早,原理是采用高沸點(diǎn)制冷劑的蒸發(fā)來冷凝較低沸點(diǎn)的物質(zhì)而組成逐級制冷循環(huán),其工藝流程,如圖1所示。級聯(lián)式液化工藝主要由三級獨(dú)立的制冷循環(huán)組成：第一級制冷循環(huán)采用丙烷作為制冷劑,為天然氣、乙烯及甲烷提供冷量；第二級制冷循環(huán)采用乙烯作為制冷劑,為天然氣和甲烷提供冷量；第三級制冷循環(huán)采用甲烷作為制冷劑,為天然氣提供冷量。其中,天然氣在流經(jīng)各級換熱器的過程中,被冷卻降溫,經(jīng)歷節(jié)流降壓,直至液化。在第一級制冷循環(huán)中,制冷劑丙烷經(jīng)壓縮機(jī)壓縮,在與冷卻水換熱后,經(jīng)歷節(jié)流、降壓、降溫等過程,然后依次流過3個(gè)換熱器,分別是冷卻乙烯、甲烷以及天然氣。第二級乙烯制冷循環(huán)和第三級甲烷制冷循環(huán)與第一級丙烷制冷循環(huán)類似。

圖1 級聯(lián)式天然氣液化工藝流程

級聯(lián)式液化工藝能耗低,制冷循環(huán)中采用的制冷劑（乙烯除外）可取自液化分離的天然氣,各制冷循環(huán)操作穩(wěn)定,基本不相互影響,相對獨(dú)立,但整個(gè)工藝流程中至少需要3套壓縮機(jī)組,相關(guān)附屬設(shè)備較多,如貯存各種制冷劑的設(shè)備等,且管道和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,不便于維修。級聯(lián)式液化工藝在LNG液化工廠發(fā)展的初期曾被廣泛使用,但在20世紀(jì)70年代之后逐漸被其他液化流程替代。

1.2 混合制冷液化工藝

混合制冷劑液化工藝是采用C1～C5的碳?xì)浠衔?、N2等多種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成混合物作為制冷劑工質(zhì),逐步冷卻和液化天然氣。從20世紀(jì)70年代至今,混合制冷劑液化已逐漸成為新建天然氣液化工廠普遍選用的工藝流程。

1.2.1 單級混合制冷液化工藝

該液化工藝僅需一臺混合制冷劑壓縮機(jī),解決了級聯(lián)式液化工藝設(shè)備復(fù)雜的問題。其中,混合制冷劑組分經(jīng)優(yōu)化后可維持換熱器中的冷卻曲線和加熱曲線間較小的溫差（2～3 ℃）,降低熱力學(xué)不可逆性,提高換熱效率。在20世紀(jì)70年代后建設(shè)的調(diào)峰型LNG液化工廠中,約有60%的裝置采用混合制冷液化工藝。

單級混合制冷劑包括甲烷、丙烷、丁烷、異戊烷、乙烯及氮?dú)獾冉M分,其中各組分的占比依據(jù)天然氣的組分,通過對系統(tǒng)進(jìn)行熱量和物料平衡計(jì)算后確定,實(shí)際運(yùn)行過程中可以根據(jù)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。該液化流程中,不同沸點(diǎn)制冷劑依次液化、預(yù)冷和節(jié)流為相應(yīng)的換熱器提供相對應(yīng)的冷量。天然氣在流經(jīng)各換熱器后,溫度逐漸降低,直至被液化。

該液化工藝的能耗比級聯(lián)式液化工藝高25%左右,確定混合制冷劑不同組分的合理配比也較為困難,準(zhǔn)確確定和計(jì)算混合制冷劑各組分的平衡數(shù)據(jù)以及物性參數(shù)也較為復(fù)雜。

1.2.2 丙烷預(yù)冷混合制冷液化工藝

丙烷預(yù)冷混合制冷液化工藝是在單級混合制冷液化的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)丙烷預(yù)冷循環(huán)。丙烷預(yù)冷循環(huán)中,丙烷流經(jīng)換熱器,為天然氣以及混合制冷劑提供相對應(yīng)的冷量。天然氣首先與丙烷換熱,實(shí)現(xiàn)預(yù)冷,然后再與混合制冷劑換熱,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步冷卻,直至最終被液化。

丙烷預(yù)冷混合制冷天然氣液化工藝流程如圖2所示。該工藝既保持了單級混合制冷液化工藝優(yōu)點(diǎn),又將能耗降低了約10%,因此,在20世紀(jì)八九十年代,基本負(fù)荷型天然氣液化工廠廣泛采用丙烷預(yù)冷混合制冷天然氣液化工藝。在2003年,全世界范圍內(nèi)約有85%的液化天然氣產(chǎn)量是采用該類型天然氣液化工藝獲得的。

圖2 丙烷預(yù)冷混合制冷天然氣液化工藝流程

1.3 帶膨脹機(jī)的制冷液化工藝

在該液化工藝中,高壓制冷劑流經(jīng)透平膨脹機(jī),經(jīng)歷帶有絕熱膨脹過程的克勞德循環(huán)制冷,以實(shí)現(xiàn)天然氣液化。制冷劑在膨脹機(jī)中,經(jīng)歷膨脹制冷,同時(shí)可對外輸出功,可用于驅(qū)動(dòng)循環(huán)中的壓縮機(jī)。該工藝流程簡單、啟停方便、造價(jià)較低,適用于要求操作頻繁、調(diào)峰響應(yīng)迅速的小型天然氣液化工廠。根據(jù)不同的制冷劑類別,可分為天然氣膨脹制冷、氮?dú)馀蛎浿评浜偷獨(dú)?甲烷膨脹制冷等。

1.3.1 天然氣膨脹制冷液化工藝

該液化工藝是基于天然氣原料的自身壓力,實(shí)現(xiàn)膨脹做功,并為液化天然氣提供相對應(yīng)的冷量。目前國內(nèi)長輸管道高壓管網(wǎng)天然氣設(shè)計(jì)壓力高達(dá)10 MPa,城鎮(zhèn)燃?xì)獾蛪汗芫W(wǎng)設(shè)計(jì)壓力多為2.5～4.0 MPa。高壓管網(wǎng)中天然氣經(jīng)過調(diào)壓后向低壓管網(wǎng)供氣,天然氣通過調(diào)壓器的過程中產(chǎn)生了大量的能量損失。為了充分利用這部分能量,高壓管網(wǎng)可建設(shè)天然氣膨脹制冷的調(diào)峰型液化裝置。國內(nèi)已有LNG液化裝置即采用了天然氣膨脹制冷液化工藝[5]。1.3.2 氮?dú)馀蛎浿评湟夯に?/p>

由于氣源條件對天然氣膨脹液化工藝影響較大,

且液化率很低。因此,氮?dú)馀蛎浿评湟夯に嚵鞒痰玫搅税l(fā)展。其中,氮?dú)庵评溲h(huán)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨(dú)立,氮?dú)饨?jīng)過壓縮機(jī)增壓后,進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹降溫,同時(shí)可為天然氣提供相應(yīng)的冷量[6]。膨脹做功后的低壓氮?dú)?重新流入氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口,進(jìn)行下一次制冷循環(huán)。

2 新型LNG液化工藝

21世紀(jì)以來,在低能耗、低投資以及日益嚴(yán)峻的環(huán)境要求下,傳統(tǒng)天然氣液化工藝得到進(jìn)一步發(fā)展,在混合制冷液化工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了各種改進(jìn)型液化工藝。Shell公司和IFP-Axens公司分別獨(dú)立開發(fā)的雙混合制冷劑液化工藝（DMR）[7-8]；Linde公司開發(fā)的級聯(lián)混合制冷液化工藝（MFPC）[9]；APCI公司在丙烷預(yù)冷液化工藝上開發(fā)的AP-X液化工藝[10]等。

2.1 雙混合制冷液化工藝

該液化工藝采用混合制冷劑為預(yù)冷流程中的制冷劑,主要包括乙烷、丙烷與少量甲烷、丁烷。將天然氣先從常溫狀態(tài)預(yù)冷至-40 ℃,然后再利用混合制冷劑循環(huán)將天然氣進(jìn)一步冷卻至-160 ℃。雙混合制冷天然氣液化工藝流程,如圖3所示。

圖3 雙混合制冷天然氣液化工藝流程

Shell公司和IFP-Axens公司分別獨(dú)立地開發(fā)了雙混合制冷工藝流程,該流程用混合工質(zhì)預(yù)冷代替了單一工質(zhì)的丙烷預(yù)冷,進(jìn)一步提高了換熱效率,使得系統(tǒng)能耗降低了10%。

2.2 級聯(lián)混合制冷液化工藝

Linde 公司研發(fā)的級聯(lián)混合制冷液化工藝,如圖4所示。該工藝包括3套制冷循環(huán),均采用混合制冷劑,熱流和冷流的溫度曲線更加匹配,循環(huán)效率以及單條生產(chǎn)線規(guī)模均得到了較大幅度的提高。

圖4 級聯(lián)混合制冷天然氣液化工藝流程

2.3 AP-X液化工藝

APCI公司在丙烷預(yù)冷混合制冷液化工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出了AP-X液化工藝,該工藝流程,如圖5所示。其中,制冷系統(tǒng)包括丙烷預(yù)冷系統(tǒng)、混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)和氮?dú)膺^冷系統(tǒng),已經(jīng)在卡塔爾的幾個(gè)天然氣液化廠中成功應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì),在2004—2010年間,新工藝得以迅速發(fā)展,并得到廣泛地應(yīng)用。新建的液化天然氣工廠中采用丙烷預(yù)冷混合制冷液化工藝的產(chǎn)量降低至50%,新的工藝以其更低的能耗和投資逐漸代替了傳統(tǒng)丙烷預(yù)冷混合制冷液化工藝。

圖5 AP-X液化工藝流程

3 我國天然氣液化工藝的發(fā)展

我國LNG產(chǎn)業(yè)起步較晚,2001年9月我國首座商業(yè)化運(yùn)營的天然氣液化廠建成投產(chǎn),液化能力為1.5×105m3/d（常溫常壓）,采用索菲公司的級聯(lián)式液化工藝。2005年8月,液化能力為1.5×106m3/d（常溫常壓）的天然氣液化廠建成投產(chǎn),采用林德公司的混合制冷劑工藝。

目前,我國基本實(shí)現(xiàn)了引進(jìn)、消化中小型LNG液化工藝,并陸續(xù)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。2008年至今,我國LNG液化工廠進(jìn)入快速發(fā)展階段,先后有近百座LNG液化工廠建成投產(chǎn)。產(chǎn)能超過2.0×106m3/d（常溫常

壓）的中型LNG裝置主要有湖北黃岡LNG液化工廠、陜西安塞LNG液化工廠、寧夏LNG液化工廠、泰安LNG液化工廠等,這些新建LNG液化工廠均采用了更為先進(jìn)的液化工藝。其中,湖北黃岡LNG液化工廠采用了三級級聯(lián)式液化工藝,基本實(shí)現(xiàn)了LNG液化技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化。

4 結(jié)論

本文圍繞天然氣液化工藝,比較了傳統(tǒng)的液化工藝,研究了天然氣液化工藝的新發(fā)展和新方向,并對我國LNG工業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié),得到結(jié)論如下：

（1）丙烷預(yù)冷混合制冷工藝能耗更低,在已建基本負(fù)荷型的LNG液化工廠中,該液化工藝得到了廣泛應(yīng)用。

（2）近年來,更多低能耗、低投資的新型或改進(jìn)型LNG液化工藝,如DMR,MFCP,AP-X和優(yōu)化級聯(lián)等,在新建LNG液化工廠中得到廣泛應(yīng)用。

（3）我國LNG工業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段,以中、小型LNG工廠為主,逐步實(shí)現(xiàn)了LNG液化技術(shù)與裝備的國產(chǎn)化。