新型天然气液化装置工艺流程及设备特点分析

江兆伟

山东中民燃气贸易有限公司 山东省临沂市 276023

摘要：近年来，随着社会的发展和进步，人们生活水平的提高，需要大量天然气能源促进社会发展，要想使天然气能源满足社会实际发展所需，仅依靠国内的天然气资源已经无法满足实际需求，因此需要从国外引进大量的天然气资源以作补充，由于液化天然气（LNG）体积约为液化前气体体积的1/625，故有利于储存和输送。随着 LNG 运输船及储罐制造技术的进步，将天然气液化几乎是目前跨越海洋运输天然气的主要方法。LNG 生产一般包括天然气预处理、液化及储装三部分，其中液化系统是其核心。

关键词：天然气；液化装置；工艺流程；设备特点；分析

1天然气液化装置工艺流程及设备特点分析

1.1 液化天然气脱硫脱碳工艺及设备特点

当原料气中 H₂S 含量低、CO₂含量高且需深度脱除 CO₂时，可选用活化 MDEA 法。该法在 MDEA 溶液中加有提高吸收 CO₂速率的活化剂，可用于脱除大量 CO₂，也可同时脱除少量的 H₂S，既保留了 MDEA溶液酸气负荷高、溶液浓度高、化学及热稳定性好、腐蚀低、降解少和反应热小等优点，又克服了单纯MDEA 溶液在脱除 CO₂等方面的不足，因而具有能耗、投资和溶剂损失低等优点。因此，我国新建的 LNG工厂均普遍采用活化 MDEA 法。原料气中不含 H₂S 时，其 LNG 工厂脱碳系统再生塔顶脱除的酸气（主要组分是 CO₂，一般在95%左右）可直接引至安全处排放 ；否则需将酸气中微量H2S 脱除后再引至安全处排放。酸气脱硫一般采用干法，例如采用活性炭脱硫。需要指出的是，活化 MDEA 法为湿法脱碳，脱碳后的原料气为湿气。此外，当原料气中 H₂S 和 CO₂含量很低且处理量较小时，也可考虑采用干法即分子筛脱硫脱碳。例如，苏州华峰调峰型 LNG 工厂（70×10⁴m³/d）利用西气东输一线管道天然气与城镇燃气管网压差，采用单级膨胀机制冷、部分液化的液化工艺。该厂预处理系统先采用分子筛（4A）和活性炭复合床层脱水脱苯，再采用分子筛（13X）脱硫脱碳。二者均采用三塔流程，即一塔吸附，一塔加热解吸，一塔冷却，然后按周期切换。

1.2 液化天然气脱水工艺及设备特点

LNG 工厂规模较大时，经湿法脱碳后的湿原料气可考虑先采用三甘醇吸收法，或先将原料气冷却至20~30℃，脱除大部分水分，再采用分子筛吸附法深度脱水。LNG 工厂规模较小时，原料气通常直接采用分子筛脱水两塔工艺流程（一般多选用4A 分子筛）。当工厂规模较大时，则可考虑采用三塔或多塔分子筛脱水工艺流程。在两塔流程中，一台干燥器吸附脱水，另一台干燥器再生（加热和冷却），然后相互切换。在三塔或多塔工艺流程中，干燥器切换程序有所不同。目前我国一些 LNG 工厂尽管其规模较小，但经综合比较后也采用三塔脱水工艺流程。例如，山西某煤层气液化工厂（50×10⁴m³/d）分子筛脱水装置采用等压再生，再生气来自原料气，其中两个主干燥器 A 和 B，一个预干燥器 C。A 塔进行吸附（原料气脱水），B 塔进行再生，C 塔进行预吸附（再生气预脱水），然后按周期切换。实际上，在采用分子筛脱水的同时也可脱除部分重烃，其脱除程度主要取决于吸附剂的性能和再生方式。

1.3 液化天然气脱重烃工艺及设备特点

天然气中的重烃一般指 C5+ 烃类。其中一些重烃 ( 例如苯和 C₈、C₉等烷烃 ) 的固相在 LNG 中的溶解度极低，故在液化系统会出现固相堵塞设备和管线，必须在原料气液化之前将其脱除。根据 LNG 工厂原料气处理量及其重烃（尤其是苯和 C₈、C₉等烷烃）含量不同，脱重烃可以采用重烃洗涤法、低温分离法和吸附法。重烃洗涤法实质上为吸收法，即采用沸点较低的液烃在洗涤塔中吸收原料气中沸点较高的重烃，从而将低温下可能形成固相的重烃脱除。目前国内建设的 LNG 工厂液化系统的重烃洗涤塔，只采用原料气在液化系统某一低温下部分冷凝后分出的凝液作为吸收剂。重烃洗涤塔为板式塔或填料塔。原料气先在液化系统主换热器中部分冷凝至 -43℃左右后进入洗涤塔底部进行气液分离，分出的气体向上流动，与由塔顶向下流动的吸收剂在塔板或填料上逆流接触时使气体中的重烃被吸收剂吸收。脱重烃后的原料气离开洗涤塔顶部再去主换热器进一步部分冷凝至约 -70℃，然后返回重烃洗涤塔回流罐进行气液分离。分出的气体去主换热器继续降温直至液化，分出的凝液经回流泵增压后进入重烃洗涤塔顶部吸作为吸收剂。离开重烃洗涤塔塔底的凝液即为脱除的重烃，经复热、稳定后去储罐储存。低温分离法是重烃在液化系统中按照其沸点从高到低相继冷凝，最后在一个或多个分离器（分液罐）中除去。原料气中苯等重烃在低温下出现固相的温度，可根据液化压力和原料气组成由相平衡的热力学模型计算确定。吸附法广泛用于原料气中重烃含量甚少的贫气，其操作压力可以较高甚至高于临界压力。

1.4 液化天然气脱汞脱氮脱氧工艺及设备特点

天然气中汞的含量为0.1 ~ 7000 μg/m3(包括单质汞和有机汞化合物)。天然气中极少量的汞不仅会对镀铝翅片换热器造成腐蚀泄漏，还会对环境造成污染，对设备维修人员造成危害。因此，必须严格控制LNG厂原料气中的汞含量。LNG厂对预处理后的原料气汞含量一般要求小于0.01μg/m3。某些含硫固体吸附剂对汞的吸附量可达0.001~0.01μg/m3。其原理是汞与硫反应形成硫化汞并附着在吸附剂上。除汞工艺可分为不可再生和再生两种。前者采用不可再生的浸渍硫活性炭、含硫分子筛和金属硫化物固定床除汞，后者采用浸渍硫Calgon HGR (4 ×10 mesh)、HGR- p (4mm直径)活性炭和HgSIV吸附剂除汞。脱汞不受原料气中C5+重烃和水的影响。采用不可再生除汞工艺时，废吸附剂必须进行无害化处理，防止对环境造成污染。氮的液化温度(常压-195.8℃)低于甲烷(常压-161.5℃)。因此，天然气中氮含量越高，液化温度越低，能耗越高。氧液化温度与氮液化温度相近(常压-182.9℃)。在高温下，氧的存在也会导致脱碳溶液的降解和恶化。通常，从液化天然气中选择性脱氮是通过最后的闪蒸过程进行的。当含氮量高的原料气需要液化并用于调峰时，可考虑氮气-甲烷膨胀制冷液化工艺。如果原料气中氮、氧含量大，则需要将其分离提纯甲烷。

1.5 天然气液化流程及设备特点

天然气的液化处理工序既烦琐又复杂，尤其是液化天然气的前期处理需要经过不断的压缩、分离等处理，才可以进入天然气的液化工序。质料气经过预处理后，进入液化体系的换热器中不断降温直至液化。因而，天然气液化进程的中心是制冷体系。根本负荷型 LNG 工厂的出产一般由质料气预处理、液化、储装等部分组成。此类工厂一般按其 LNG 年产量可分为小型（50×104t/a 以下）、中型（50×104~250×104t/a）和大型（250×104t/a 以上）三类。现在我国已建、在建和拟建的根本负荷型 LNG 工厂均属中小型。质料气经过预处理后，进入液化体系的低温换热器中不断降温，直至常压下冷却至 -162℃左右液化。因而，天然气液化体系的中心是制冷循环。一般，天然气液化体系依据制冷办法不同又可分为 ：节流制冷循环、胀大制冷循环、阶式（级联式、复叠式）制冷循环、混合冷剂制冷循环、带预冷的混合冷剂制冷循环等工艺。现在，世界上大中型根本负荷型 LNG 工厂首要采用后三种液化工艺，我国已建的小型根本负荷型 LNG 工厂有的也采用胀大制冷循环液化工艺。在挑选液化工艺流程时，有必要综合考虑以下因素 ：①工厂的类型和处理量 ；②质料气组成、压力，对 LNG 组成（例如氮含量）要求 ；③首要设备类型和性能。挑选液化工艺流程时，应对不同流程的可靠性、工艺效率、出资、能耗、耗费目标以及运转灵活性等进行比较，才能确定最佳的液化工艺流程。

1.6混合冷剂制冷循环液化工艺及设备

混合制冷剂制冷循环(MRC)采用N2、C1~C5混合物作为制冷剂，利用混合物中各组分沸点不同的特色，达到所需不同的冷却温度水平。主换热器是MRC液化系统的中心。设备垂直装置，下部为温端，上部为冷端。壳体内设置有多个换热线圈，内部空间供给了一个长长的换热通道，其中液体与盘管中的液体进行换热，达到制冷的意图。MRC的长处是流程大大简化，出资下降15%~20%，办理方便。缺陷是能耗高10%~20%，混合制冷剂组分的合理分配困难。

2结语

天然气属于一种非常珍贵的优质清洁能源，通过对天然气进行液化处理不仅可以使其运输过程得以优化，还非常便于存储。

参考文献

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[2]刘志杰. 新型天然气液化装置工艺流程及设备特点分析[J]. 石化技术,2018,25(04):2.

[3]朱永根. 新型天然气液化装置工艺流程及设备特点分析[J]. 科技创新与应用,2016,(20):150-151.