天然气液化工艺研究

天然气液化工艺研究

王婧妍,高昊飞

陕西液化天然气投资发展有限公司 710000

陕西液化天然气投资发展有限公司 710000

摘要：能源在社会经济中占有重要地位，对社会发展具有非常重要的影响，而液化天然气是一种重要的化石能源，使用量也很大，只有不断加强液化天然气装置净化技术研究，才能为社会提供更多的优质液化天然气。基于此，文章对天然气液化工艺进行研究，阐述了具体的液化天然气装置净化技术，并分析了各种净化技术的原理，介绍了液化工艺技术的选择及发展趋势。

关键词：天然气；净化；液化

前言

近些年，全世界开始发展新能源与清洁能源，其中一个方向就是液化天然气（LNG），其优点在于质量轻且体积小，与其他能量物质形态进行比对，同等质量情况下，体积大小仅为水的45%，而与气态天然气相比更是差异悬殊，仅为前者1/625，但是其能够释放的热量值却极为惊人，数据显示能够高达548108J/t。同时其还具有运输与存储等方面的优势，能够对城市资源供需情况发挥更显著的平衡作用。目前国在天然气液化技术及其大规模市场化应用，即建设相关工厂等方面还有较大不足，相关技术进展较慢，因此针对天然气液化工艺展开深层探讨与开发有助于推动国内能源产业发展。

一、天然气净化技术分析

天然气生产和运输涉及诸多环节与工艺，但起到关键影响的还是液化工艺，其是直到到达消费端之前的主要能耗步骤，因此具有非常高的安全标准。因此各界一直在关注对该工艺的深度研发与优化。其中一个重要方向就是对不同工艺原理进行多视角多层次的研究，同时还颇为重视不同设备运行机制与条件问题，这也是选型和工艺进一步发展与革新的基石。天然气原料通常都具有很多不同类型的杂质，因此在液化压缩前必须利用各种物化手段及原理进行清除或净化。目前提出工艺及过程大多都是依据杂质类型或来源进行划分，基本可以概括为四个类型，即水、酸气、氮气、其他等。

（一）天然气脱酸方法

很多天然气刚开采出来时会富含各种酸性物质，如果不对其进行处理一方面有可能导致金属腐蚀，进而引发外泄及污染事件，另一方面当将这种类型天然气作为化学原来进行使用时，就可能在现场出现催化剂中毒现象，最终波及到产品质量。另外，如果存在二氧化碳超标的情况，也会导致气体热值曲线走低。基于以上因素，必须对天然气酸性物质占比建立严格的标准线，目前脱酸法类型较多，常见的有溶剂法、不再生法、低温分离法等等，这其中又以容积吸收法具有最高的业界认可度，其原理是利用碱性溶液特性，对其中酸性物质进行吸收，其中起到作用的是一种可逆化学反应。

（二）天然气脱水方法 

天然气处理工艺中一个关键问题就是水分，有时在外部条件刺激下能造成严重后果。这是因为水和天然气在一定要素环境下能够形成水合物，造成程度不一的管道阻滞堵塞，对于供气造成严重负面后果。另外在这些游离水分中还会逐渐加入被溶解的CO2和H2S，会逐渐形成酸性物质，对管道造成破坏。同时水分也会加大动能消耗，而其所处的又是天然气液化导致的低温条件，因此很可能结冰冻住管道，因此天然气脱水工艺具有突出重要性。

溶剂吸收脱水处理模式目前较为受到罐组，因为其前期设备投资不高，且运营时持续投入较少，尤其是大规模及高压天然气处理，不足之处在于脱水深度受到较大限制，露点降幅的数据一般都低于45。一般原料气都必须先经过一个脱水工艺环节，且是深度脱水模式，此时一般适用固体吸附法，最终能够让天然气满足下述要求，气体水分测量数据必须要低于1mL/m3，与此同时露点测量数据能够保持在-50℃以下，同时原来温度、流量等方面的数据波动起伏，设备并不具有敏感性，这也就意味着不存在具有影响性的腐蚀或发泡等问题。

（三）天然气脱其他杂质

天然气的汞含量范围为0.1至7000μg/m3（包括元素汞和有机汞化合物）。天然气中的微量汞不仅会造成铝制板翅式换热器的腐蚀和泄漏，还会造成环境污染和对设备维修人员的伤害。因此，必须严格控制LNG装置原料气中的汞含量。 LNG工厂通常要求预处理后的原料气中汞含量低于0.1μg/m3。一些用硫浸过的固体吸附剂可以去除气体中0.001至0.01μg/m3的汞，这就是汞与硫反应形成硫化汞并粘附在吸附剂上的过程。汞去除工艺可分为两种类型：不可再生和可再生。前者使用不可再生的浸硫活性炭、含硫分子筛、金属硫化物等在固定床中脱汞，而后者采用浸硫的Calgon公司的HGR(4x10目)、HGR-P(4mm直径)的活性炭和HgSIV吸附剂脱汞。汞的去除不受供应气体中重烃和水的影响。如果使用不可再生的除汞工艺，则必须以无害的方式处理废吸附剂，以避免污染环境。

二、天然气液化技术分析

根据不同的工艺水平与产能要求，现阶段常见的液化工艺主要分为阶式液化、混合制冷、膨胀机液化等三种，其各自流程工艺与特征分析如下：

（一）阶式制冷循环

所谓的复迭式制冷液化循环，一般也被简称为阶式循环，是由多种不同温度条件下起作用的制冷剂构成的多温阶制冷组合，制冷剂类型包括丙烷，也可以用丙烯、乙烷，也可以用乙烯，甲烷也可以用氮气等构成，蒸发温度分别为-38℃、-85℃、-160℃，从而形成一种三级压缩冷冻，从而在不同温度条件下完成热交换，最终实现天然气液化。

（二）混合制冷剂循环

所谓混合制冷剂循环（MRC），其具体液化流程中，主要采用了两类混合制冷剂，一类是碳氢化合物，另一类则是氮混合物，利用这些混合物中不同成分所具有的不同沸点，形成一个具有高效率制冷效果的成分组合，从冷凝、蒸发、节流和膨胀这一个完整的工艺流程中获得不同温度层次的制冷量，并在过程完成天然气液化处理。

MRC与前面提到的阶式制冷循环有显著区别，其是单一混合方式，制冷剂材料选用的是氮气和烃类混合物，由于其中成分含量较为复杂，因此包含了天然气液化过程中全部温度范围，因此利用MRC，将只需要提供一台压缩机即可，让工艺流程大为简化，降低设备投入，并且也不要求高标准的制冷剂纯度，虽然其有种种优点，但是能耗却非常大，显著超过阶式循环，为此可以改变单级模式为多级模式，从而控制能耗问题。

（三）膨胀机循环

所谓膨胀机循环，是建立在对透平膨胀机的有效利用之上，通过高压制冷剂再集合这一设备能够实现一个克劳德循环制冷过程，其中核心要点就是膨胀气体的利用，在降温的过程中还需要实现压缩机驱动环节。膨胀机会排出大量的低压冷气流，之后会在循环中进行换热回流，并在换热器中同时实现天然气和循环气的同步制冷。气体继续被压缩。其中制冷剂主要利用的是甲烷或氮气。氮气的作用能够过冷到一定要求从而去除天然气中的闪蒸气体。

在设备优化方面，主要提到了几种有效的解决方案：可靠性、技术要求、安全性和相关的工艺成本。三种常用的技术流程都有各自的应用环境和缺陷。与阶式循环与混合式循环进行对照，氮膨胀循环优势非常突出，易操作，能够实现快速启动，工艺流程涉及要素简单，能够长时间进行满负荷运转，具有非常高的稳健性。当制冷剂仅包含一种成分时，制冷箱设备就能够更简单和紧凑。但是缺点也非常明显，那就是能耗极高，从实际经验来看，比混合式循环能够超出约30%到40%。然而，循环的简单性可以弥补高功耗，特别是在功耗不很重要的小型工厂中。

结论

本文对天然气脱酸工艺进行详细介绍，确定合适的脱酸工艺方案，即醇胺法、砜胺法。这两个方案各有优缺点，需根据原料气具体组分情况进行选择。常用的三种液化工艺流程或多或少均存在其各自的应用环境与不足。选择影响因素涉及装置处理能力、原料气组分、压力及针对性的产品要求等，本研究对国内LNG工厂建设具有一定的参考价值。

参考文献

[1]庄秀娜,顾偲雯,平丽.天然气液化工艺控制结构设计与优化[J].当代化工研究,2022(20):144-147.

[2]高宏宏.液化天然气装置净化与液化工艺关键技术研究[J].化工管理,2022(28):152-154.

[3]吕胜男,王师婧.新型天然气液化装置工艺流程及设备特点分析[J].化工管理,2022(28):155-157.

作者信息：王婧妍（1994.12-）女，汉族，陕西西安人，本科学历，助理工程师，主要研究方向：建筑工程

作者信息：高昊飞（1994.4-）男，汉族，陕西西安人，本科学历，助理工程师，主要研究方向：建筑工程