液化天然气可持续利用技术研究

陆红玮 马凤云 孟永彪

摘要：液化天然气（ LNG ）已成为绿色能源的主力军，它即是可持续发展的具体实施和实现，又是其它产业可持续发展的典范。本篇参考了国内外有关 LNG 方面大量的技术资料，结合近年来对天然气发展的需求，简要介绍了目前国内外已用于工业生产的比较成熟的液化装置工艺方案以及国内外研究现状。简述了国内外 LNG 产业的发展状况和 LNG 在可持续发展战略中发展的必要性以及发展和应用前景。并介绍了新疆天然气资源的开发状况，包括已探明的储量；以及新建广汇液化工厂的近况。最后指明了西部大开发中 LNG 的开发及可持续发展，具有重大战略意义。

关键词：液化天然气 绿色能源 可持续利用 液化工艺

一、前言

近二三十年以来，随着人类绿色意识的觉醒， 环境保护意识不断加强， 可持续发展观念深入人心 。天然气作为清洁能源，重要化工原料，得到了更为广泛的利用，世界各国把推广利用天然气，提高天然气在一次能源消费中的比重，作为优化能源结构，实现经济、社会和环境协调发展的重要途径，目前天然气消费在世界能源消费结构中的比重已达 35% ，成为仅次于石油的第二大能源 [1] 。由于设计到的技术问题很多，从 2003 年起，国际燃气联盟（ IGU ）成立了 LNG 问题的计划委员会（ PGCD ） , 并将与其它国际组织（如世界 LNG 会议，美国燃气工艺研究院 (IGT) 和国际冷冻组织 (IIR) 等）合作进行工作。追踪并全面研究世界上发展 LNG 的经验[2]。同时，我国能源消费总量占世界能源消费总量的 11.1% ，属世界第二位，在能源消费大国中，我国能源消费总量中煤炭比重最高，是全球平均水平的 2.9 倍，而天然气比重最低（仅占 2.8% ），只 是 全球平均水平的 7.2% 。从可持续发展角度讲，西部大开发的实质就是在西部大开发的同时，要确保西部自然资源的保护和可持续发展，合理处理西部地区经济发展与资源、环境等之间的协调发展，确保西部地区石油天然气等能源的可持续发展。

二、国内外概况及发展趋势

1941 年在美国克利夫兰建成了世界第一套工业规模的 LNG 装置，液化能力为 8500 m³ /d 。从 60 年代开始， LNG 工业得到了迅猛发展，规模越来越大，基本负荷型液化能力在 2. 5 × 10⁴ m³ /d 。据资料[3]介绍，目前各国投产的 LNG 装置已达 160 多套， LNG 出口总量已超过 46.1 8 × 10⁶ t/a 。

天然气的主要成分是甲烷，甲烷的常压沸点是 -16 1 ℃ ，临界温度为 -84 ℃ ，临界压力为 4.1MPa 。 LNG 是液化天然气的简称，它是天然气经过净化（脱水、脱烃、脱酸性气体）后[4]，采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的[5]。

2.1 国外研究现状

国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环，目前有报道又有 C Ⅱ -2 新工艺[6]，该工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。原理流程见图 1 。

法国 Axens 公司与法国石油研究所 (IFP) 合作，共同开发的一种先进的天然气液化新工艺—— Liquefin 首次工业化，该工艺为 LNG 市场奠定了基础。其生产能力较通用的方法高 15%-20% ，生产成本低 25% 。使用 Liquefin 法之后，每单元液化装置产量可达 600 × 10⁴ t/y 以上。采用 Liquefin 工艺生产 LNG 的费用每吨可降低 25% [7] 。该工艺的主要优点是使用了翅片式换热器和热力学优化后的工艺，可建设超大容量的液化装置。 Axens 已经给美国、欧洲、亚洲等几个主要地区提出使用该工艺的建议，并正在进行前期设计和可行性研究。 IFP 和 Axens 开发的 Liquefin 工艺的安全、环保、实用及创新特点最近已被世界认可，该工艺获得了化学工程师学会授予的“工程优秀奖” [8] 。

美国德克萨斯大学工程实验站，开发了一种新型天然气液化的技术—— GTL 技术已申请专利。该技术比目前开发的 GTL 技术更适用于小规模装置，可加工 30.5 × 10⁴ m³ /d 的天然气。该实验站的 GTL 已许可给合成燃料 (Synfuels) 公司。该公司在 A ＆ M 大学校园附近建立了一套 GTL 中试装置，目前正在进行经济性模拟分析。新工艺比现有技术简单的多，不需要合成气，除了发电之外，也不需要使用氧气。其经济性、规模和生产方面都不同于普通的费托 GTL 工艺。第一套工业装置可能在 2004 年上半年建成[9]。

2.2 国内研究现状

早在 60 年代，国家科委就制订了 LNG 发展规划， 60 年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产 He 外，还生产 LNG 。 1991 年该厂为航天部提供 30tLNG 作为火箭试验燃料。与国外情况不同的是，国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标，有关这方面的文献发表较多[10]，以下就国内现有的天然气液化装置工艺作简单介绍。

2.2.1 四川液化天然气装置

由中国科学院北京科阳气体液化技术联合公司与四川简阳市科阳低温设备公司合作研制的 300l/h 天然气液化装置，是用 LNG 作为工业和民用气调峰和以气代油的示范工程。该装置于 1992 年建成，为 LNG 汽车研究提供 LNG 。

该装置充分利用天然气自身的压力，采用气体透平膨胀机制冷使天然气液化，用于民用天然气调峰或生产 LNG ，工艺流程合理，采用气体透平膨胀机，技术较先进。该装置基本不消耗水、电，属节能工程，但液化率很低，约 10% 左右，这是与它的设计原则一致的。

2.2.2 吉林油田液化天然气装置

由吉林油田、中国石油天然气总公司和中科院低温中心联合开发研制的 500l/h 撬装式工业试验装置于 1996 年 12 月整体试车成功，该装置采用以氮气为冷剂的膨胀机循环工艺，整个装置由 10 个撬块组成，全部设备国产化 [11]。

该装置采用气体轴承透平膨胀机；国产分子筛深度脱除天然气中的水和 CO₂ ，工艺流程简单，采用撬装结构，符合小型装置的特点。采用纯氮作为制冷工质，功耗比采用冷剂的膨胀机循环要高。没有充分利用天然气自身压力，将天然气在中压下（ 5.0MPa 左右）液化（较高压力下液化既可提高氮气的制冷温度，又可减少制冷负荷），因此该装置功耗大。

2.2.3 陕北气田液化天然气

1999 年 1 月建成投运的 2 × 10⁴ m³ /d “陕北气田 LNG 示范工程”是发展我国 LNG 工业的先导工程，也是我国第一座小型 LNG 工业化装置。该装置采用天然气膨胀制冷循环，低温甲醇洗和分子筛干燥联合进行原料气净化，气波制冷机和透平膨胀机联合进行低温制冷，燃气机作为循环压缩机的动力源，利用燃气发动机的尾气作为加热分子筛再生气的热源。该装置设备全部国产化。装置的成功投运为我国在边远油气田上利用天然气生产 LNG 提供了经验[12]。

2.2.4 中原油田液化天然气装置

中原油田曾经建设了我国最大的 LNG 装置，原料气规模为 26.6 5 × 10⁴ m³ /d 、液化能力为 1 0 × 10⁴ m³ /d 、储存能力为 1200 m³ 、液化率为 37.5%[13]。目前，在充分吸取国外先进工艺技术的基础上，结合国内、国外有关设备的情况，主要针对自身气源特点，又研究出 LNG 工艺技术方案 [14] 。该工艺流程采用常用的分子筛吸附法脱水，液化工艺选用丙烷预冷 + 乙烯预冷 + 节流。

装置在原料气量 30× 10⁴ m³ /d 时，收率高达 51.4% ，能耗为 0.13 Kwh/Nm³ 。其优点在于各制冷系统相对独立，可靠性、灵活性好。但是工艺相对较复杂，须两种制冷介质和循环，设备投资高。由于该厂充分利用了油田气井天然气的压力能，所以液化成本低。

2.2.5 天津大学的小型液化天然气（ LNG ）装置

小型 LNG 装置与大型装置相比，不仅具有原料优势、市场优势而且投资低、可搬迁、灵活性大[15]。 LNG 装置主要是用胺基溶剂系统对天然气进行预处理，脱除 CO₂ 等杂质；分子筛脱水；液化几个步骤。装置采用单级混合制冷系统；闭合环路制冷循环用压缩机压缩制冷剂。单级混合制冷剂工艺操作简便、效率高，适用于小型 LNG 装置。

压缩机的驱动机可用燃气轮机或电动马达。电价低的地区可优先考虑电动马达（成本低、维修简单）。在燃料气价格低的地区，燃气透平将是更好的选择方案。经济评估结果表明，采用燃气轮机驱动机的液化装置，投资费要比选用电动马达高出 200 万～ 400 万美元。据对一套 15 × 10⁶ft 3 /d 液化装置进行的成本估算，调峰用的 LNG 项目储罐容积为 10 万 m³ ，而用于车用燃料的 LNG 项目仅需 700m³ 储罐，导致最终调峰用的 LNG 成本为 2.03 ～ 2.11 美元 /1000ft3 ，而车用 LNG 成本仅 0.98 ～ 0.99 美元 /1000 ft3 。

2.2.6 西南石油学院液化新工艺

该工艺日处理 3.0 × 10⁴ m³ 天然气，主要由原料气 （ CH₄ : 95.28% ， CO₂ :2.9% ） 脱 CO₂ 、脱水、丙烷预冷、气波制冷机制冷和循环压缩等系统组成。 以 SRK 状态方程作为基础模型，开发了天然气液化工艺软件。 天然气压缩机的动力采用天然气发动机，小负荷电设备用天然气发电机组供电，解决了边远地区无电或电力紧张的难题。由于边远地区无集输管线可利用，将未能液化的天然气循环压缩，以提高整套装置的天然气液化率。

装置采用一乙醇胺法（ MK-4 ）脱除 CO₂ 。由于处理量小，脱二氧化碳的吸收塔和再生塔应采用高效填料塔 [16] 。由于混合制冷剂，国内没有成熟的技术和设计、运行管理经验，仪表控制系统较复杂。同时考虑到原料气中甲烷含量高，有压力能可以利用。故采用天然气直接膨胀制冷作为天然气液化循环工艺[17]。气波制冷属于等熵膨胀过程，气波制冷机是在热分离机的基础上，运用气体波运动的理论研制的。在结构上吸收了热分离机的一些优点，同时增加了微波吸收腔这一关键装置，在原理上与热分离机存在明显不同，更加有效地利用气体的压力，提高了制冷效率。

2.2.7 哈尔滨燃气工程设计研究院与哈尔滨工业大学

LNG 系统主要包括天然气预处理、天然气的低温液化、天然气的低温储存及天然气的气化和输出等[18]。经过处理的天然气通过一个多级单混冷凝过程被液化，制冷压缩机是由天然气发动机驱动。 LNG 储罐为一个双金属壁的绝热罐，内罐和外罐分别是由镍钢和碳钢制成 [19] 。

循环气体压缩机一般采用天然气驱动，可节省运行费用而使投资快速收回。压缩机一般采用非润滑式特殊设计，以避免天然气被润滑油污染[20]。采用装有电子速度控制系统的透平，而且新型透平的最后几级叶片用钻合金制造，改善了机械运转。安装于透平压缩机上的新型离合器是挠性的，它们的可靠性比较高，还可以调整间隙。

三、液化天然气（ LNG ）的应用前景

3.1 国际上的应用前景

LNG 是天然气资源应用的一种重要形式， 2002 年世界 LNG 贸易增长率为 10.1% ，达到 1369 亿 m³ （ 1997 年 956 亿 m³ ），占国际天然气总贸易量的 26% ，占全球天然气消费总量的 5.7%[21]。 LNG 主要产地分布在印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚、阿尔及利亚、文莱等地，消费国主要是日本、法国、西班牙、美国、韩国和我国台湾省等[22]。 LNG 自六十年代开始应用以来，年产量平均以 20% 的速度持续增加，进入 90 年代后，由于供需基本平衡，海湾战争等因素影响， LNG 每年以 6 ～ 8% 的速度递增，这个速度仍高于同期其它能源的增长速度。印尼是全球最大的 LNG 出口国，占世界出口总量的 26% ，而日本则是世界最大的 LNG 进口国，占世界进口总量的 53% ，达 720 多亿 m³ 。中东和非洲的 LNG 出口份额也在不断增长，而 LNG 主要进口地区则在亚洲。

3.2 国内 LNG 的应用现状

与世界 LNG 的应用相比，我国确实是刚刚起步。第一家应用于工业生产并商业化的 LNG 是中原油田的 LNG 工厂。该厂充分利用了油田气井天然气的压力能，故液化成本低。并且用汽车等燃料和居民燃气[23]。与此同时，上海石油天然气总公司在东海气田的天然气通过海底管线输送到上海供工业和民用后，也建设了 LNG 调峰站，把东海天然气经加工深冷成 LNG 储存起来，必要时再汽化为天然气输入城市管网，作为临时气源，确保城市安全平稳供气。

国家计划在 2001 年－2007 年实施几项大的天然气开发项目，即西气东输、进口俄罗斯天然气工程。而比较大的项目是我国广东在 2002 年确定的进口 300 万吨 / 年 LNG 项目，该 LNG 接收站建成后，将能把 LNG 汽化后通过管道输至广州、深圳、佛山、番禺、东莞、惠州等城市，用于发电及作为工业和民用清洁燃料，成为我国第一个真正意义上的 LNG 应用工程。福建、青岛等也都在规划或建设 LNG 接收站，从国外进口 LNG ，用于发电、石油化工、工业、民用燃料。同时，在东北地区以及四川、陕西、山西、江苏、云南、贵州等地相继发现新的天然气储量可供开发利用，因此要充分发挥国家与地方大型天然气开发和小型区域利用相结合。共同开发各种天然气资源，实现天然气多元化，把我国城市天然气利用提高至较高水平。

3.3 新疆 LNG 的应用现状

在我国“西气东输”管道正在建设的同时，新疆比较大规模的 LNG 工厂也已建设投产。新疆 LNG 项目是一个系统工程，从上游的 LNG 工厂建设到下游市场建设，从低温罐式集装箱的生产到铁路运输，都必须同步建设，同步投入运行，每个环节都至关重要，新疆广汇正全力以赴、紧锣密鼓搞好这个系统工程建设，从目前建设情况来看，基本达到预定计划目标。 s

新疆广汇 LNG 工厂目前是国内规模最大的 LNG 生产厂， LNG 的长距离铁路运输，在世界上也属首例（目前世界 LNG 铁路运输最长的日本仅达 400 多 km ） LNG 铁路运输已获得铁路部门的承诺，在一个星期内 LNG 集装箱可以运到全国任意路网覆盖的城市。新疆广汇的 LNG 可根据用户的需要，发往全国各城市。

新疆具有丰富的天然气资源，准噶尔、塔里木、吐哈三大盆地天然气储量达 10.3 万亿 m

³ ，占全国陆上天然气资源总量的 34% ，已累计探明的储量达 8807 亿 m³ 。其中吐哈油田 868 亿 m³ ，准噶尔油田位 1770 亿 m³ 。而“西气东输”只把塔里木盆地作为供气气源，这样吐哈、准噶尔两盆地的天然气为发展 LNG 提供了可靠的资源保证[24]。

我国年产天然气 201 多亿 Nm³ , 天然气资源量超过 38 万亿 m³ ，探明储量只有 4.3% ，而世界平均为 37% ，这说明我国天然气工业较落后，同时说明了我们大力发展天然气工业是有资源保证的，是有潜力的。

总之，随着国民经济高速增长，我国也将迅速成为 LNG 进口国，并将已极快的速度占领市场。因此，发展 LNG 是目前世界发展的潮流，而我国经济社会的可持续发展必须以 LNG 的可持续开发利用为前提，按照可持续发展的要求进行 LNG 的合理开发利用。

通过各种措施的实施，与社会各方面的共同努力，我国能源可持续发展的能力必将得到进一步提高，可持续发展的社会也必将早日到来。

最后，天然气作为“低消耗、高收益、低污染、高效益”的“无烟工业”和战略产业，它强调发展与保护同步、效益与公平同构、因地制宜与综合发展协同，是可持续发展战略的具体体现。可见，发展 LNG 产业，对西部大开发及可持续发展，具有重大战略意义。

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