天然气液化流程的发展

摘要：天然气液化是一个低温过程。原料天然气经预处理后，进入换热器进行低温冷冻循环，冷却至-160℃左右就会液化。迄今已成熟的天然气液化工艺有：节流制冷循环、膨胀机制冷循环、阶式制冷循环、混合冷剂制冷循环和带预冷的混合冷剂制冷循环。目前国外也有一些新型的天然气液化流程。

关键词：天然气液化 流程 分类 引言

液化天然气(LNG)工业是天然气加工业的重要组成部分。它主要包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用五个系统。一般生产工艺过程是，将含甲烷 90%以上的天然气，经过三脱(即脱水、脱烃、脱酸性气体等)净化处理后，采取先进的制冷工艺，使天然气在-162℃变为液体，其体积仅为原来气态的 l／625，成为优质的化工原料以及工业和民用燃料。

1 液化流程的分类

液化天然气的液化流程有不同的形式，以制冷方式分，可分为一下三种方式：1、级联式液化流程；2、混合制冷剂液化流程；3、带膨胀机的液化流程。需要指出的是，这样的划分并不是严格的，通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。

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。基本负荷型天然气液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置。对于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。20世纪60年代最早建设的天然气液化装置，采用当时技术成熟的级联式液化流程。到20世纪70年代又转而采用流程大为简化的混合制冷剂液化流程。20世纪80年代后新建与扩建的基本负荷型液化天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程。 1.1 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。通过九个换热器的冷却，天然气的温度逐步降低直至液化。

丙烷预冷循环中，丙烷经压缩机压缩后，用水冷却后节流、降压、降温，一部分丙烷进换热器吸收乙烯、甲烷和天然气的热量后汽化，进入丙烷第三级压缩机的入口。余下的液态丙烷再经过节流、降温、降压，一部分丙烷进换热器吸收乙烯、甲烷和天然气的热量后汽化，进入丙烷第二级压缩机的入口。余下的液态丙烷再节流、降温、降压，全部进换热器吸收乙烯、甲烷和天然气的热量后汽化，进入丙烷第一级压缩机的入口。

乙烯制冷循环与丙烷制冷循环的不同之处，就是经压缩机压缩并水冷后，先流经丙烷的三个换热器进行预冷，再进行节流降温为甲烷和天然气提供冷量。在级联式液化流程中，乙烷可代替乙烯作为第二级制冷循环的制冷剂。

甲烷制冷循环中，甲烷压缩并水冷后，先流经丙烷和乙烯的六个换热器进行预冷，再进行节流、降温，为天然气提供冷量。

天然气经过个个换热器后的出口温度一般为：第一个丙烷换热器出口273K；第二个丙烷换热器出口253K；第三个丙烷换热器出口233K；第一个乙烯换热器出口213K；第二个乙烯换热器出口193K；第三个乙烯换热器出口173K；第一个甲烷换热器出口153K；第二个甲烷换热器出口133K；第三个甲烷换热器出口113K。

级联式液化流程的优点：1、能耗低；2、制冷剂为纯物质，无配比问题；3、技术成熟，操作稳定。缺点：1、机组多，流程复杂；2、附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；3、管道与控制系统复杂，维护不便。 1.2 混合制冷剂液化流程

1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程（MRC）的概念。之后，法国Tecknip公司的配雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程。

混合制冷工艺是六十年代末期由阶式制冷工艺演变而来的，多采用烃类混合物(N2 、C1 、C2 、C3 、C4 、C5) 作为制冷剂，代替阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量。又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。 1.2.1 闭式循环

制冷剂循环系统自成一个独立系统。混合制冷剂被制冷压缩机压缩后，经水(空气) 冷却后在不同温度下逐级冷凝分离，节流后进入冷箱(换热器)的不同温

度段，给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”处理后，进入冷箱(换热器) 逐级冷却冷凝、节流、降压后获得液态天然气产品。 1.2.2 开式循环

原料天然气经“三脱”处理后与混合制冷剂混合，依次流经各级换热器及气液分离器，在逐渐冷凝的同时，也把所需的制冷剂组分逐一冷凝分离出来，按制冷剂沸点的高低将分离出的制冷剂组分逐级蒸发，并汇集构成一股低温物流，与原料天然气逆流换热的制冷循环。开式循环系统启动时间较长，且操作较困难，技术尚不完善。

与阶式制冷工艺相比，混合制冷工艺具有流程短、机组少、投资低等优点；其缺点是能耗比阶式高，对混合制冷剂各组分的配比要求严格，设计计算较困难。 1.3 膨胀制冷工艺

膨胀制冷工艺的特点是利用原料天然气的压力能对外做功以提供天然气液化所需的冷量。系统液化率主要取决于膨胀比和膨胀效率，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。优点是能耗低、流程短、投资省、操作灵活；缺点是液化率低。

2 国内天然气液化技术现状 2.1 中原LNG工厂液化工艺

中原油田LNG工厂采用阶式制冷工艺。针对中原油田天然气气源压力高的特点，研究人员提出了丙烷+乙烯+节流的工艺技术方案，并通过与设计经验丰富的法国索菲公司合作，进一步完善和细化了该工艺技术方案，使得该项目的投资少、收率高、成本低。

具体的工艺过程为：120bar/27℃(1bar =105Pa) 的高压原料天然气进装置后，经高压分离罐分液，然后进入以MEA为吸收剂的脱CO2 系统，并采用分子筛脱水；净化后的高压原料气由丙烷预冷至-30℃左右，节流至53bar/-60℃左右；中压天然气分离脱除重烃后，进入脱苯系统脱除微量苯，再经乙烯蒸发器冷凝，节流至10bar/-123℃，分离得中压尾气和中压LN G；中压LN G再经节流到3bar/-145℃左右，得到的低压LNG，低压尾气同中压尾气一起经回收冷量后，分别进入低压和中压管网，低压LNG作为产品储存于储罐内。该工程主要包括高压天然气净化、高压天然气液化、天然气微量苯低温高压脱除、低温液态天然气带压储存等系统。该装置的技术特点如下： (1)采用阶式制冷工艺装置能耗低；

(2)低温液态天然气带压储存有利于装置收率的提高；

(3)天然气微量苯低温高压脱除技术解决了天然气脱苯的技术难题。

2.2 上海浦东LNG工厂工艺

位于上海浦东的LNG装置是我国首座以事故调峰为目的天然气液化装置，该装置处理规模10×104m/d。主要用于海上(东海)天然气开采输送因不可抗因素导致停产时，向下游用户提供可靠的气源供应。该装置的净化工艺与中原LNG工厂净化工艺相同，液化工艺采用整合式级联液化工艺。

该装置液化单元包括制冷机压缩机组、混合制冷剂分离塔、整体式冷箱等核心该设备。技术特点如下：

(1) 装置工艺流程简单、设备数量少；

(2) 采用高效板翅式冷箱,换热效率高,装置占地面积小； (3) 动设备数量少,降低了工程投资和维护费。 2.3 新疆广汇LNG工厂工艺

新疆广汇LNG项目位于吐哈油田鄯善火车站附近，采用混合制冷工艺，装置处理规模150×104m/d，装置由净化、液化、储存运输等几大系统组成，主要以长江中下游经济发达地区为目标市场。

具体的工艺过程为：来自输气管网的15 bar原料天然气经凝液分离、过滤、计量后，进原料天然气增压系统增压至50bar；增压后的原料天然气进入以MEA为吸收剂的脱CO2 和H2S 净化系统；净化后的原料天然气经分子筛干燥器脱水后进入液化单元；天然气经液化单元冷凝冷却至-162℃，经截流降压至常压(1bar)，得到低温液化天然气产品(LNG)；液化后的天然气进入2×104m3 的LNG储罐内储存。该LNG工厂的气源来自吐哈油田，处理单元,液化单元除制冷剂压缩机组与上海浦东LNG工厂有区别外，其他部分工艺原理基本相同。

3 国外新型的小型天然气液化流程

3.1 美国爱达荷州国家实验室设计的小型天然气液化流程

美国爱达荷州国家实验室开发的小型天然气液化装置流程是利用输气管网的压差能量来液化天然气。从输气管网引出的天然气分成处理流和冷却流。冷却流通过透平膨胀机膨胀获得冷量并输出功。膨胀机输出的功驱动压缩机以压缩处理流。压缩的处理流由冷却流冷却，冷却后又分成两部分，一部分膨胀液化，另一部分进一步膨胀制冷并冷却压缩的处理流。其操作费用与大型液化系统相比具有竞争性。该流程的一个显著特点是液化过程与除水，除CO2的过程相互融合，即在液化的过程中同时除去水和CO2。除水时，利用甲醇与水的可溶性，通过向原料气中注入甲醇，在换热过程中途甲醇和水形成液体经分离器后将甲醇/水混合物除去。除CO2 时,利用CO2 的升华特性，在换热过程中途除去CO2 并利用其升华的制冷效应冷却处理流。对与液化天然气混合的少量残余CO2 则通过水力旋流器

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进行分离。该系统建造和操作费用低廉，对未纯化天然气的小规模液化具有显著的优势。它可直接应用于未经水和CO2 预处理的管输天然气场合，节省了水和CO2预处理的费用，并利用了管输天然气的压降能量。它便于移动和布置，可设置在具有天然气气源的社区里或附近具有天然气气源的社区，能方便地为消费者提供LNG燃料。基于该液化流程设计制造的小型天然气液化装置具有以下特点： (1)系统建造成本低，操作费用少；

(2)在两年内可偿还投资成本，预计盈利10美分/加仑； (3)占地面积小可布置在拥挤区域；

(4)系统在工厂模块化定制，可装配在集装箱里，具有很高的便携性； (5)该系统不产生有危险的废物； (6)系统设计操作寿命超过20年。

3.2 ABB Lummus Global公司设计的小型天然气液化流程

为了实现流程的简化和使用标准的工业设备，该流程将标准的制冷系统与透平膨胀技术相结合，其制冷系统由丙烷制冷系统和透平膨胀机制冷系统构成。丙烷制冷系统在较高的温度水平提供制冷量，而透平膨胀循环在相对较低的温度水平制冷。在制冷过程中系统回收了膨胀机输出的膨胀功。作为制冷介质的冷蒸汽循环到单元的前端提供冷量并通过压缩机压缩到入口原料气的压力水平，与入口原料气混合后再在液化过程中循环。该循环对于贫乏的入口气源有利，并可作为内部低水平的制冷气流。该流程的设备都使用标准的工业设备这使得它更高效，并且该流程冷量通过丙烷和过程流获得使其较混合制冷系统成本更低。该流程具有以下特征： (1)流程结构简单；

(2)使用标准设备(压缩机、膨胀机、散热片、容器)； (3)可模块化日产5—100百万标准立方英尺LNG的液化装置； (4)减少了用地要求； (5)操作简单； (6)高可靠性； (7)成本效率高。

3.3 Kryopak公司设计的小型天然气液化流程

Kryopak公司在考虑经济性和可靠性的基础上，对设计小型和中型液化天然气装置提出了三种不同的制冷流程，Kryopak EXP流程Kryopak PCMR流程Kryopak SCMR流程。

3.3.1 Kryopak EXP流程

该流程是一个单循环透平膨胀机制冷循环，采用自蒸发气体作为制冷剂。其

优点是与混合制冷循环相比其在低温下操作的设备少，流程简单，在热启动时可快速达到平衡，且对原料气组分的变化不敏感。其缺点是总能耗较高，较另外两种流程高出15—20%。其操作维护要求也较另外两种流程高。在流量降低时其制冷效率也降低。整个液化装置预制成三个撬块。 3.3.2 Kryopak PCMR流程

该流程是以氨或丙烷预冷，采用氮、甲烷、乙烷、丁烷为制冷剂的混合制冷循环。与Kryopak SCMR 流程相比，该流程的混合制冷剂组分数较少，其钎焊铝制板翅式换热器和冷箱的尺寸较小，但要多耗能2—3%。由于有一种或多种额外的制冷系统，其操作费用更多。该流程对原料气组分的适当改变不敏感，并且装置的产量可降低为装置总生产力的25%。该流程热重启的时间约为12小时，较Kryopak EXP流程长。 3.3.3 Kryopak SCMR 流程

该流程是以氮、甲烷、乙烷(或乙烯) 、丁烷和戊烷为制冷剂的单循环混合制冷循环。该制冷流程不采用制冷剂预冷，能耗较Kryopak PCMR 流程减少2—3%。它对原料气组分的少量变化不敏感，并且装置产量可降低为装置总生产力的25%。与Kryopak PC2MR流程相比需要更大的钎焊铝制板翅式换热器和冷箱。其热重启的时间大于12小时。

3.4 Hamworthy公司设计的小型天然气液化流程

Hamworthy是首先在欧洲提供小型天然气液化装置的厂家之一，其制造的小型天然气液化装置已在挪威运行。其小型天然气液化流程的冷量由封闭的氮膨胀循环提供。氮气通过三级压缩，在中间阶段由空气冷却器冷却，最后通过一个单级膨胀机膨胀降温获得冷量。在整个循环过程中制冷剂都保持气相。基于该种流程设计的小型液化装置，其液化能力可达30—500吨/天，主要由以下部分组成：脱水设备、除CO2 设备、低温冷却回路、主液化器(冷箱) 、LNG储罐和卡车装载 站。 结语

通过天然气液化技术，使天然气在-162℃变为液体，其体积仅为原来气态的 l／625，成为优质的化工原料以及工业和民用燃料，同时方便运输。采用不同的液化流程，优缺点各不相同。这就取决于具体的情况和环境，依据各种外部因素来确定最优的液化流程，使经济效益达到最大。

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