【正文】 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，這使熱股流和冷股流的曲線匹配得很好。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。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] 。級(jí)數(shù)越多，能量效宰越大，但同時(shí)也提高了復(fù)雜性。用于使液體制冷劑過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。進(jìn)入的氣相制冷劑流經(jīng)部分冷凝后，經(jīng)歷相分離。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。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。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?；旌衔锍煞质蔷_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。專家預(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] 。 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。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)。從乙烯冷卻器出來的冷凝產(chǎn)品進(jìn)入一個(gè)開式制冷劑循環(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。處理氣體然后經(jīng)過其它各級(jí)丙烷冷卻。進(jìn)料氣預(yù)處理包括酸性氣體的脫除、脫水和汞的脫除。 Phillips 對(duì)階式循環(huán)工藝進(jìn)行了優(yōu) 化，它是通過優(yōu)化方法、采用窄點(diǎn)分析和工藝模擬研究出來的一種工藝技術(shù)。通過優(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)。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。 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門的儲(chǔ)罐中。 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)。 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)。 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)來提供冷量。 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] 。目前工業(yè)上采用的天然氣液化過程，多數(shù)是綜合了以上兩類過程。 2 天然氣液化工藝流程 天然氣液化過程根據(jù)原理可以分為兩類：一類是天然氣通過壓縮使氣體溫度升高，然后通過與制冷劑換熱取走熱量，合適的選擇制冷劑，通過幾個(gè)冷卻級(jí)，即可達(dá)到天然氣的液化；另一類同樣是通過壓縮使氣體溫度升高，用換熱取走氣體的熱量，然后氣體通過膨脹機(jī)或節(jié)流閥降壓。在多級(jí)制冷的工藝中 (如 MRC工藝、復(fù)迭制冷等 )，重?zé)N可通過分子篩和預(yù)冷后分離而加以脫除。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。過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 )。為解決這個(gè)問題，一種新的 TRISlV 吸收系統(tǒng)問世，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] ?，F(xiàn)主要用第 ③ 種，一般采用4A型分子篩。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。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。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。 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。 Benfield流程已有 30多年歷史，近年來人們對(duì)它有所改進(jìn)。 值 得一提的是 Benfield流程 (見圖 2)。 近 年來，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] 。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 )。 頂 處理的主要設(shè)備由吸收塔、再生塔及干燥塔組成 (見圖 1)。 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 (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。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] 。天然氣液化是一個(gè)低溫過程，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] 。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)問題的制約。 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。各種液化方式都有自己的工藝特點(diǎn)。 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。 5. 結(jié)束語 本工程氣化站一期工程投資估算大約為 2720 萬元，其中建筑工程費(fèi) 728 萬元，安裝工程費(fèi) 182 萬元，設(shè)備購(gòu)置費(fèi) 914 萬元。 根據(jù)目前國(guó)內(nèi) LNG 站運(yùn)行的情況，關(guān)鍵閥門選用日本進(jìn)口低溫閥門，其余 閥門一律選用國(guó)產(chǎn)專用低溫閥門。介質(zhì)溫度大于 20℃ 的管道選用碳鋼無縫鋼管，材質(zhì)為20鋼：介質(zhì)溫度小于 20℃ 的管道選用不銹鋼無縫鋼管，材質(zhì)為 0Crl8Ni9。 g)火災(zāi)報(bào)警 卸車臺(tái)、儲(chǔ)罐區(qū)、氣化區(qū)均設(shè)置了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)感煙探頭探測(cè)到的情況報(bào)警或人為手動(dòng)報(bào)警。此外，LNG 儲(chǔ)罐也設(shè)有安全閥，一旦罐內(nèi)壓力超高，安全閥起跳，可將超壓氣體排出，保護(hù)儲(chǔ)罐。此外，還設(shè)有一些溫度、壓力檢測(cè)項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)安全控制。 c)低溫檢測(cè)儀 在儲(chǔ)罐底部等有可能發(fā)生 LNG 泄漏并有可能對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)造成損害的地方，設(shè)置低溫檢測(cè)儀，在檢測(cè)到異常低溫時(shí)報(bào)警。緊急切斷系統(tǒng)可控制 LNG 的連續(xù)釋放產(chǎn)生的危害。最近國(guó)家有關(guān)部門對(duì)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行修改，擬增加液化天然氣一個(gè)章節(jié)，我們期待這個(gè)規(guī)范能夠盡快執(zhí)行。 4． 2 安全考慮 對(duì)于液化天然氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和氣化供氣的各個(gè)環(huán)節(jié)，主要考慮的安全問題就是如何防止天然氣泄漏，與空氣形成可燃的混合氣體，消除引發(fā)爆炸、燃燒的基本條件以及 LNG 設(shè) 備的防火及消防要求；防止 LNG 設(shè)備超壓，引起超壓排放；由于 LNG 的低溫特性，對(duì)材料和設(shè)備制作方面的相關(guān)要求： LNG 系統(tǒng)安裝與運(yùn)行溫差大帶來的相關(guān)要求：及進(jìn)行 LNG操作時(shí)，操作人員的防護(hù)等。 4．安全設(shè)計(jì) 4． 1 危害分析 液化天然氣是天然氣儲(chǔ)存和輸送的一種有效的方法，在實(shí)際應(yīng)州中，用戶使用的是氣化后的天然氣，因此，在考慮 LNG 設(shè)備或工程的安全問題時(shí)，不僅要考慮天然氣所具有的易燃易爆的危險(xiǎn)性，還要考慮液態(tài)的低溫特性和由此引發(fā)的安全問題。因此設(shè)置一臺(tái)空溫式放散氣體加熱器，放散氣體先通過該加熱器，經(jīng)過與空氣換熱后的天然氣比重會(huì)小于空氣，高點(diǎn)放散后將容易擴(kuò)散，從而不易形成爆炸性混合物。儲(chǔ)罐蒸發(fā)的 BOG和槽車卸車的 BOG，通過 1 臺(tái) BOG 加熱器加熱后進(jìn)入 BOG 儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，在冬季使用水浴式NG 加熱器時(shí)， BOG 可作為熱水鍋爐的燃料，夏季可進(jìn)入管網(wǎng)。 3． 3. 2 主要工藝參數(shù) 工作壓力： 0． 6MPa， 設(shè)計(jì)硬度力： 0． 8MPa, 進(jìn)氣溫度； ≮ 30℃ ， 出氣溫度： 5～ 10℃ ， 加熱能力； 5000m3／ h， 加熱用熱水由站內(nèi)自建的鍋爐房供應(yīng)。 3． 3 水浴式 NG 加熱器 當(dāng)環(huán)境溫度較低，空溫式氣化器出口 NG 溫度低于 5℃ 時(shí)，在空溫式氣化器后串聯(lián)水浴式 NG 加熱器，對(duì)氣化后的天然氣進(jìn)行加熱。據(jù)此，一期選用 6 臺(tái) 2020m3／ h 空溫式氣化器，分為 2 組，每組 3 臺(tái)，互相切換：二期增加 4 臺(tái)，每組 5 臺(tái)，互相切換。設(shè)計(jì)上配置兩組，互相切換使用。其主要工藝參數(shù)如下： 工作壓力： 0． 6MPa， 設(shè)計(jì)壓力： 0． 77MPa， 工作溫度： 162℃ ， 設(shè)計(jì)溫度： 196℃ ， 單臺(tái)水 容積： 105m3， 內(nèi)罐直徑 3000mm，內(nèi)罐材質(zhì)： OCrl8Ni9， 外罐直徑 3500mm，外罐材質(zhì)： 16MnR，夾層填充珠光砂并抽真空。 3． 1． 2 儲(chǔ)罐臺(tái)數(shù) 儲(chǔ)罐臺(tái)數(shù)的選擇應(yīng)綜合考慮氣源點(diǎn)的個(gè)數(shù)、氣源檢修時(shí)間、運(yùn)輸周期、用戶用氣波動(dòng)情況等困素，本工程 LNG 來源有可能采用河南中原油田或新疆廣匯兩個(gè)氣源，運(yùn)輸周期最遠(yuǎn)的可達(dá) 5 天，但隨著新疆廣匯氣源的配套工程建成，將在內(nèi)地建設(shè)若干個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站，這將進(jìn)一步縮短運(yùn)輸周期，綜合考慮以上情況，本工程儲(chǔ)存天數(shù)定為計(jì)算月平均日的 5 天。 本工程采用國(guó)內(nèi) LNG 氣化站常用的圓筒形雙金屬真空粉末 LNG 儲(chǔ)罐。 c)高真空多層隔熱。 b)正壓堆積隔熱 采用絕熱材料，夾層通氮?dú)猓^熱層通常較厚，廣泛應(yīng)用于大中型 LNG 儲(chǔ)罐和儲(chǔ)槽。目前最大可做到 200m3，但由于體積較大，運(yùn)輸比較困難，一般較 少采用。真空粉末絕熱儲(chǔ)罐由于其生產(chǎn)技術(shù)與液氧、液氮等儲(chǔ)罐基本一樣，因而目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的制造技術(shù)也很成熟，由于其運(yùn)行維護(hù)相對(duì)方便、靈活，目前使用較多。冬季空浴式氣化器出口氣體溫度達(dá)不到 5℃ 時(shí)，使用水浴式 NG 加熱器加熱，使其出口天然氣溫度達(dá)到 5℃ ～ 1O℃ 。在空溫 式氣化器中， LNG 經(jīng)過與空氣換熱，發(fā)生相變，出口天然氣溫度高于環(huán)境溫度 10℃ 以上，再通過緩沖罐緩沖，之后進(jìn)入摻混裝置，與壓縮空氣進(jìn)行等壓摻混，摻混后的天然氣壓力在 0． 4MPa 左右，分為兩路，一路調(diào)壓、計(jì)量后送入市區(qū)老管網(wǎng)，以中一低壓兩級(jí)管網(wǎng)供氣，出站壓力為 0． 1MPa：另一路計(jì)量后直接以 0． 4MPa 壓力送入新建城市外環(huán)，以中壓?jiǎn)渭?jí)供氣。河南中原油田生產(chǎn)的 LNG 采用槽車運(yùn)輸方式，而新疆廣匯生產(chǎn)的LNG 則采用罐式集裝箱車運(yùn)輸。 2. 2 工藝流程 目前。在設(shè)計(jì)中為解決這個(gè)問題，在汽化斤的流程中增加了一套摻混空氣系統(tǒng)，將 LNG 氣源氣 (低熱值 42． 34MJ／ Nm3)與壓縮空氣進(jìn)行高壓比例式摻混，摻至可與渤海大然氣 (低熱值 35． 11MJ／ Nm3)互換，這樣將來威海市不論是采用渤海天然氣作為最終氣源，還是將來事故情況下用 LNG 作為備用氣源，用戶處均能保證用氣安全、穩(wěn)定，還節(jié)省了大量改造灶具的費(fèi)用。 根據(jù)新疆廣匯提供的 LNG 組分，確定本工程設(shè)計(jì)計(jì)算用天然氣組分如下： 天然氣組分 摩爾分子百分?jǐn)?shù) CH4 C2H6 C3H8 N2 其余 2． 1． 2 理化參數(shù) 經(jīng)過計(jì)算，新疆廣匯 LNG 氣源的理化參數(shù)見下表： 理化參數(shù) 參數(shù)值 高熱值(MJ/Nm3) 低熱值(MJ/Nm3) 液態(tài)密度(MJ/Nm3) 467 氣態(tài)密度(MJ/Nm3) 華白數(shù)(MJ/Nm3) 運(yùn)動(dòng)粘 度(m3/s)(標(biāo)態(tài) ) 106 燃燒勢(shì) 爆炸上限(％ ) 爆炸下限(％ ) 由上表可知， LNG 氣源的華白數(shù)為 57． 196MJ／ Nm3，燃燒勢(shì)為 42． 575；同時(shí)威海市將來也有采用渤海天然氣的可能，而渤海天然氣的華白數(shù)為48． 88MJ/Nm3，燃燒勢(shì)為 45． 18，盡管均符合《城市燃?xì)夥诸悺?(GB／ T1361192)中 12T 類，但新疆廣匯的 LNG 氣源比渤海天然氣氣源華白數(shù)高出近 17％，屆時(shí)灶具如果不加以改造的話，必將導(dǎo)致將來用戶灶具適應(yīng)性差、燃燒不 穩(wěn)定。本工程一次設(shè)計(jì)，分期投產(chǎn)，一期工程供氣 4． 010 4m3／ d，二期工程供氣 10 4m3／ d，用戶為居民、商業(yè)及部分工業(yè)用戶。最后，當(dāng)管道天然氣到來時(shí)， LNG 站可什為調(diào)峰和備用氣源繼