【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，材質(zhì)為 0Crl8Ni9。 LNG 管件采用與 LNG 輸送管道相同 (或相匹配 )技術(shù)要求的管件，如法蘭采用不銹鋼材質(zhì)的 0Crl8Ni9，密封墊片采用不銹鋼金屬纏繞墊片。 根據(jù)目前國(guó)內(nèi) LNG 站運(yùn)行的情況，關(guān)鍵閥門(mén)選用日本進(jìn)口低溫閥門(mén)，其余 閥門(mén)一律選用國(guó)產(chǎn)專(zhuān)用低溫閥門(mén)。 LNG 系統(tǒng)在常溫條件下安裝，在低溫條件下運(yùn)行，兩者溫差很大 (～ 180c0)，由此而來(lái)的膨脹及收縮應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)要據(jù)此考慮必要的柔性，以便最大應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。 5. 結(jié)束語(yǔ) 本工程氣化站一期工程投資估算大約為 2720 萬(wàn)元，其中建筑工程費(fèi) 728 萬(wàn)元，安裝工程費(fèi) 182 萬(wàn)元，設(shè)備購(gòu)置費(fèi) 914 萬(wàn)元。 LNG 以其運(yùn)輸靈活、儲(chǔ)存效率高、運(yùn)行成本低 (空溫式氣化幾乎不消耗能源 )等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越多的用戶(hù)青睞，我國(guó) LNG 氣化站目前主要分布在山東、河南、安徽等地，隨著我國(guó)LNG 基地的規(guī)劃 實(shí)施，在目前管道供天然氣無(wú)法幅蓋的城鎮(zhèn)，采用 LNG 氣化站作為主氣源、過(guò)渡氣源、補(bǔ)充或調(diào)峰氣源有廣闊的發(fā)展前景。 天然氣預(yù)處理和液化工藝技術(shù)的研究進(jìn)展 2020 年 06 月 19 日 星期二 14:01 摘 要： 調(diào)研了國(guó)內(nèi)外天然氣預(yù)處理和液化方面的最新文獻(xiàn)，并對(duì)各種工藝技術(shù)進(jìn)行了比較和分析。天然氣預(yù)處理的工藝技術(shù)主要包括：酸性氣體的脫除、水的脫除以及汞及重?zé)N的脫除等；液化工藝流程主要有階式制冷循環(huán)、混合制冷劑制冷循環(huán)、膨脹機(jī)制冷循環(huán)。各種液化方式都有自己的工藝特點(diǎn)。階式制冷循環(huán)能耗最小，是目前天然氣液 化循環(huán)中效率最高的一種；混合制冷劑循環(huán)同階式制冷循環(huán)相比，混合制冷液化循環(huán)具有流程簡(jiǎn)單、機(jī)組少、投資費(fèi)用低、對(duì)制冷劑的純度要求不高等優(yōu)點(diǎn)；膨脹機(jī)循環(huán)能夠較迅速和簡(jiǎn)單地啟動(dòng)和停工，但功耗較大。 關(guān)鍵詞： 天然氣 預(yù)處理 液化 研究現(xiàn)狀 世界天然氣資源豐富，分布廣而不均。一些大的天然氣資源大都蘊(yùn)藏在荒漠地區(qū)，距人門(mén)密集和工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)較遠(yuǎn)，并常常有大面積的海洋和復(fù)雜的地形地貌阻隔。長(zhǎng)距離鋪設(shè)管道，甚至越洋氣態(tài)輸送天然氣，常常要受到成本與技術(shù)問(wèn)題的制約。因此，天然氣遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大都通過(guò)液化天然氣 (LNG)的方式進(jìn)行。天然氣液化是一個(gè)低溫過(guò)程，原料天然氣經(jīng)預(yù)處理和干燥后，進(jìn)入換熱器進(jìn)行低溫冷凍循環(huán)，在常壓下將其深冷到 162℃ 左右，天然氣便會(huì)液化成為 LNG [1] 。當(dāng)代工業(yè)規(guī)模的火然氣液化 (即 LNG的生產(chǎn) )技術(shù)通常包括原料氣預(yù)處理、液化和儲(chǔ)存三個(gè)部分。由于篇幅的限制，本文只簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外在原料氣預(yù)處理和液化方而的工藝技術(shù) [2] 。 1 原料氣預(yù)處理 天然氣液化之前的原料氣凈化是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 表 1 原料氣中雜質(zhì)濃度上限 雜質(zhì) 濃度極限 H 2 0 ＜ 0． 110 6 (ψ) CO 2 (50～ 100)10 6 (ψ) H 2 S 3． 5mg/m 3 COS ＜ 0． 110 6 (ψ) 總 S 含量 10～ 50mg/m 3 Hg ＜ 0． 1μm/m 3 芳香烴類(lèi) (1～ 10)10 6 (ψ) 由于液化氣廠的進(jìn)料氣中含有大量的酸性氣體、重?zé)N、水及汞等雜質(zhì)，易形成水合物，造成設(shè)備腐蝕、管道堵塞。為了保證天然氣的深冷凍液化過(guò)程的穩(wěn)定操作對(duì)其中的 CO 2 、H 2 S、水、汞、重?zé)N類(lèi)等都有嚴(yán)格的要求一般要達(dá)到如表 1所示的指標(biāo)。 頂 處理的主要設(shè)備由吸收塔、再生塔及干燥塔組成 (見(jiàn)圖 1)。 1． 1 酸性氣體的脫除 酸性氣體的脫除通常是采用溶液吸收法。有： ① 胺法； ②Benfeld 法 (以碳酸鉀和二乙醇胺為溶劑 )； ③Sulfinol 法 (這是一種物理化學(xué)吸收法 )。然而這些法中， ③ 中的溶劑同時(shí)也能使包括 CH4在內(nèi)的烴類(lèi)大量溶解，并且這些方法大多數(shù)成本高，能耗大。 近 年來(lái)，一些 LNG公司已采用了一些較先進(jìn)的體預(yù)處理技術(shù)，并且已在 LNG工業(yè)中起著重要作用 [3] 。 對(duì)于含低濃度酸性氣體的原料氣 (分壓小于 350kPa)， Amine Guard FS 流程較為實(shí)用，它是包括一個(gè)以胺液為主體的流程和一種 UCARSOL類(lèi)胺溶劑，該溶劑成本低、有較好的熱的和化學(xué)的穩(wěn)定性、無(wú)腐蝕性、不易起泡，以及該流程除易操作外，與 MEA和 DEA流程相比需較低的再生熱能等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)化了的設(shè)計(jì)是基于 40 多年的氣體凈化經(jīng)驗(yàn)并已得到技術(shù)性雜志的認(rèn)可，世界上已有 550多個(gè)工廠采用該流程。 值 得一提的是 Benfield流程 (見(jiàn)圖 2)。它包括 K 2 CO 3 水溶液、加快質(zhì)傳遞的活化劑及防腐劑，已被世界上幾百個(gè)裝置所采用。 Benfield流程已有 30多年歷史，近年來(lái)人們對(duì)它有所改進(jìn)。較為典型的有： ①Ben field100流程 (如圖 3所示 )，它包括 K2CO3吸收液、分子篩等。 K 2 CO 3 吸收液除去酸性氣體及 COS，分子篩則除去水分及剩余的酸性氣體。產(chǎn)品中有部分氣體回流，用于分子篩的再生，然后再返回原料氣。該流程能較徹底地除去含S化合物、 80％～ 99％ COS、 95％～ 100％甲疏醇及大部分水 分； ② 采用新的活化劑。通?；罨瘎┯糜诩涌?CO 2 的吸收速度，這樣可減少裝置體積并起節(jié)能作用。以往常用二乙醇胺(DEA)、砷、甘氨酸作為活化劑，而現(xiàn)在采用一種新的活化劑 P1，其效用已被美國(guó)三個(gè)合成氨廠所證實(shí)，這些廠每天產(chǎn)氨 1000～ 1500t，需純化 2． 8MPa壓力下含 17％ CO 2 的 17500m 3 氣體。 1． 2水分的脫除 脫 除酸氣后的原料氣，一定要脫水。一是可防止天然氣中的水分析出，在液化時(shí)結(jié)冰，使管道和儀表閥門(mén)出現(xiàn)冰堵，發(fā)生事故；二是因液態(tài)水的存在，使末脫除的酸性組分對(duì)壓力管道和容器的腐蝕加劇，可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。天然氣脫水的方法主要有 3種： ① 冷卻法； ②甘醇吸收法； ③ 固體 (如硅膠、活性氧化鋁、分子篩 )吸附法?，F(xiàn)主要用第 ③ 種，一般采用4A型分子篩。以往的分子篩常包含有小的沸石類(lèi)微粒，吸水性能好，但與此同時(shí)也造成了較大的氣體壓力損失。為解決這個(gè)問(wèn)題，一種新的 TRISlV 吸收系統(tǒng)問(wèn)世，其新的微粒結(jié)構(gòu)增大了與氣體的接觸面積，并縮短了氣 體流程，減小了氣體的壓力損失 [4] 。 1． 3汞及重?zé)N的脫除 由于 Hg對(duì)鋁質(zhì)板翅式換熱器有損害，故也必須去除。過(guò)去均采用不可再生的固定床 (帶S的活性炭、含 S分子篩、金屬硫化物 )。而現(xiàn)在用可再生物質(zhì) HgSIN，它可同時(shí)對(duì)氣體于燥并除去 Hg，該物質(zhì)已投入應(yīng)用兩年多，就 Pacific Rim 的一個(gè) LNG廠而言，它的功效能使He含量從 25μ/m 3 ，降至 0． 01μg ／ m 3 。法國(guó)石油學(xué)會(huì)研究出了一種可用于吸收氣體和液體中金屬 Hg的吸收材料 [5] ，它是在氧化鋁錠片上加一層金屬硫化物，能與汞反應(yīng)生成 HgS。 重?zé)N同樣會(huì)在天然氣液化時(shí)結(jié)冰，使管道和儀表閥門(mén)冰堵，發(fā)生事故。在多級(jí)制冷的工藝中 (如 MRC工藝、復(fù)迭制冷等 )，重?zé)N可通過(guò)分子篩和預(yù)冷后分離而加以脫除。有些工藝過(guò)程用洗滌、蒸餾實(shí)現(xiàn)。 2 天然氣液化工藝流程 天然氣液化過(guò)程根據(jù)原理可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是天然氣通過(guò)壓縮使氣體溫度升高，然后通過(guò)與制冷劑換熱取走熱量，合適的選擇制冷劑，通過(guò)幾個(gè)冷卻級(jí)，即可達(dá)到天然氣的液化；另一類(lèi)同樣是通過(guò)壓縮使氣體溫度升高，用換熱取走氣體的熱量，然后氣體通過(guò)膨脹機(jī)或節(jié)流閥降壓。根據(jù)焦耳一湯姆遜效應(yīng)，使氣 體溫度降低，此低溫氣體與降壓前的氣體換熱，這樣可以使降壓后的氣體達(dá)到液化溫度。目前工業(yè)上采用的天然氣液化過(guò)程，多數(shù)是綜合了以上兩類(lèi)過(guò)程。因此，天然氣的液化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)換熱不斷取走天然氣熱量的過(guò)程。 迄今為止，在天然氣液化技術(shù)領(lǐng)域中成熟的液化工藝有：階式制冷循環(huán)、混合制冷劑制冷循環(huán)、膨脹機(jī)制冷循環(huán) [6] 。各種液化方式都有自己的工藝特點(diǎn)。 2． 1 階式制冷循環(huán) 階式制冷循環(huán)通常由丙烷、乙烯 (或乙烷 )、甲烷三級(jí)獨(dú)立的制冷系統(tǒng)來(lái)提供冷量。典型的階式制冷循環(huán)流程如圖 4所示。 從圖 4可以看 出，凈化后的天然氣首先用丙烷作為第一冷卻級(jí)冷卻至 35℃ 左右，分出 C 5 以上的重?zé)N后進(jìn)入第二冷卻級(jí)。丙烷蒸發(fā)器中蒸發(fā)出來(lái)的體經(jīng)壓縮機(jī)增壓，冷卻水冷卻后重新變?yōu)橐后w回到丙烷蒸發(fā)器 [7] 。 第二冷卻級(jí)用乙烯 (或乙烷 )作為制冷劑，天然氣在這一級(jí)中被冷卻至大約 97℃ 左右，并被液化后進(jìn)入第三冷卻級(jí)。乙烯蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的乙烯氣體經(jīng)增壓，冷卻 水冷卻，通過(guò)丙烷蒸發(fā)器換熱后，用節(jié)流閥降壓降溫成為液體再進(jìn)入到乙烯蒸發(fā)器中。 第三冷卻級(jí)用甲烷作制冷劑提供冷量，第二級(jí)已液化的天然氣在這一級(jí)中繼續(xù)被冷卻到 150℃ 左右，然后通過(guò)節(jié)流閥降溫降壓，溫度降至 162℃ ，壓力降至常壓，用泵將液化天然氣輸送到專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)罐中。 該流程液化循環(huán)能耗最小，是目前天然氣液化循環(huán)中效率最高的一種，所需換熱面積小 (相對(duì)于混合制冷劑循環(huán) )，且制冷循環(huán)與天然氣液化系統(tǒng)各自獨(dú)立，相互影響少、操作穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)成熟。其缺點(diǎn)是流程復(fù)雜、機(jī)組多，至少要有 3臺(tái)壓縮機(jī)，要有 生產(chǎn)和儲(chǔ)存各種制冷劑的設(shè)備，各制冷循環(huán)系統(tǒng)不允許相互滲漏，管線及控制系統(tǒng)復(fù)雜，管理維修不方便，對(duì)制冷劑的純度要求嚴(yán)格。只有在較少的特定情況下，才能顯示出低能耗和小換熱面積、節(jié)省費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)由于多級(jí)獨(dú)立制冷系統(tǒng)增加費(fèi)用和流程復(fù)雜性的缺點(diǎn)，所以，階式循環(huán)最適用于大型裝置。通過(guò)優(yōu)化機(jī)器的選擇，階式循環(huán)可以與在基本負(fù)荷混合制冷劑廠中占主導(dǎo)地位的帶預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)相競(jìng)爭(zhēng)。 近年來(lái)，為了進(jìn)一步降低成本、提高效率、增加產(chǎn)量，科技工作者們對(duì)原有工藝進(jìn)行革新和技術(shù)改進(jìn)。 Phillips 對(duì)階式循環(huán)工藝進(jìn)行了優(yōu) 化，它是通過(guò)優(yōu)化方法、采用窄點(diǎn)分析和工藝模擬研究出來(lái)的一種工藝技術(shù)。 進(jìn)料氣的預(yù)處理采用適合于特定進(jìn)料組分和情況的標(biāo)準(zhǔn)處理工藝。進(jìn)料氣預(yù)處理包括酸性氣體的脫除、脫水和汞的脫除。在脫水器之前進(jìn)行一級(jí)丙烷制冷劑冷卻。處理氣體然后經(jīng)過(guò)其它各級(jí)丙烷冷卻。從最后一級(jí)丙烷冷卻器出來(lái)的進(jìn)料和再循環(huán)液流在乙烯制冷劑冷卻器中進(jìn)行冷卻和冷凝。從乙烯冷卻器出來(lái)的冷凝產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)開(kāi)式制冷劑循環(huán)，此循環(huán)產(chǎn)生的再循環(huán)氣流和 LNG產(chǎn)品被送入儲(chǔ)罐中。從儲(chǔ)罐出來(lái)的 boiloffgas 混入工藝回收的再循環(huán)氣流中。干凈的燃料氣在足夠的壓 力下壓出，這樣就不需要使用獨(dú)立的燃料壓縮機(jī)。 Phillips 的工藝以 “two — trains— in— one” 雙重制冷原理而聞名，此原理使制冷工藝有最大的運(yùn)行靈活性。 由 Trinidad和 Tobago組成的大西洋液化天然氣集團(tuán)在 Trinidad液化天然氣裝置的建設(shè)中選用了這種工藝。此工藝技術(shù)可以簡(jiǎn)化裝置開(kāi)車(chē)，在進(jìn)料量和氣體組成有較大變化的情況下能保持裝置操作穩(wěn)定。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，此工藝技術(shù)在本世紀(jì)將在全世界得到廣泛應(yīng)用 [8] 。 2． 2 混合制冷劑循環(huán) 混合制冷劑循環(huán) (MRC)不像階式循 環(huán)使用多種純制冷劑，它使用單一混合制冷劑。混合物成分是精確規(guī)定的，所以液體制冷劑在與被液化的天然氣相似的溫度范圍內(nèi)氣化。通常采用氮?dú)夂蜔N類(lèi) (C 1 ～ C 5 )的混合物作為制冷劑。采用這種混合物作為制冷劑既包含了天然氣液化所需的全部溫度范圍，又可只用一臺(tái)壓縮機(jī)，這樣使流程大為簡(jiǎn)化。同階式制冷循環(huán)相比混合制冷液化循環(huán)具有流程簡(jiǎn)單、機(jī)組少、投資費(fèi)用低、對(duì)制冷劑的純度要求不高等優(yōu)點(diǎn)。但單級(jí)混合制冷劑循環(huán)的能耗要比階式制冷循環(huán)高。因此，為廠降低能耗，采用多級(jí)混合制冷劑循環(huán)。國(guó)外技術(shù)人員對(duì)多級(jí)循環(huán)特性的評(píng)價(jià)結(jié)果表明， 隨著級(jí)數(shù)的增加能耗將有所降低，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，采用三級(jí)混合制冷劑循環(huán)較為合理，如圖 5所示。 有效的制冷足以使進(jìn)入的液相制冷劑過(guò)冷卻，使進(jìn)入的氣相制冷劑部分冷凝以及使天然氣冷卻或冷凝。進(jìn)入的氣相制冷劑流經(jīng)部分冷凝后，經(jīng)歷相分離。 氣相和液相進(jìn)入與一級(jí)換熱器操作相似的二級(jí)換熱器。用于使液體制冷劑過(guò)冷卻和使氣體制冷劑冷凝的制冷量在總工作量 中占有很大比例。 部分冷凝、分離和膨脹的最佳級(jí)數(shù)取決于資本費(fèi)用、操作復(fù)雜性或靈活性和操作費(fèi)用。級(jí)數(shù)越多，能量效宰越大，但同時(shí)也提高了復(fù)雜性。例如，一個(gè)二級(jí)循環(huán)消耗的功率比一級(jí)循環(huán)小，而且機(jī)器費(fèi)用的減少通常不只是抵消附加的機(jī)器費(fèi)用，還可以減少總的資本費(fèi)用。當(dāng)級(jí)數(shù)增加時(shí)，就要使級(jí)數(shù)的增加對(duì)機(jī)器能量和資金消耗的影響最小，而且只增加設(shè)備的復(fù)雜性和總的資本費(fèi)用 [9] 。 對(duì)混合制冷劑循環(huán)的評(píng)估 (見(jiàn)表 2)，表明了級(jí)數(shù)的增加對(duì)功率消耗的影響。通常，一個(gè)三級(jí)循環(huán)在能量效率和設(shè)備復(fù)雜性之間存在平衡，接近最優(yōu) 化。 表 2 混合制冷劑佰環(huán) [MRC]性能的評(píng)估 級(jí)數(shù) 1 2 3 4 5 相對(duì)于一級(jí)循環(huán)所需的率 (無(wú)因次 ) 1 0． 93 0． 90 0． 88 0． 87 改進(jìn)的多級(jí)混合制冷劑循環(huán) (MRC)已經(jīng)得到了發(fā)展，它使用小型鋁質(zhì)板翅式換熱器以減少功率消耗。多股流板翅式換熱器的溫度驅(qū)動(dòng)力小而且能量高度結(jié)合，所以其熱力學(xué)效率很高，這使熱股