淺析液化天然氣的可持續(xù)利用技術(shù)

    一、前言

    近二三十年以來，隨著人類綠色意識的覺醮環(huán)境保護(hù)意識不斷加強(qiáng)，可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心。天然氣作為清潔能源、重要的化工原料，得到了更為廣泛的利用，世界各國把推廣利用天然氣、提高天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重，作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑，目前天然氣消費(fèi)在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重已達(dá)35％，成為僅次于石油的第二大能源。由于涉及的技術(shù)問題很多，從2003年起，國際燃?xì)饴?lián)盟(IGU)成立了LNG問題的計(jì)劃委員會(PGCD)，并將與其他國際組織[如世界LNG會議，美國燃?xì)夤に囇芯吭?IGT)和國際冷凍組織(IIR)等]合作，追蹤并全面

研究世界上發(fā)展LNG的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，我國能源消費(fèi)總量占世界能源消費(fèi)總量的11．1％，屬世界第二位，在能源消費(fèi)大國中，我國能源消費(fèi)總量中煤炭比重最高，是全球平均水平的2．9倍，·而天然氣比重最低(僅占2．8％)，只是全球平均水平的7．2％。從可持續(xù)發(fā)展角度講，西部大開發(fā)的實(shí)質(zhì)就是在西部大開發(fā)的同時(shí)，要確保西部自然資源的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，合理處理西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、環(huán)境等之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，確保西部地區(qū)石油天然氣等能源的可持續(xù)發(fā)展。

    二、國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢

    1941年在美國克利夫蘭建成了********套工業(yè)規(guī)模的LNG裝置，液化能力為8500m³／d。從60年代開始，LNGS]Z業(yè)得到了迅猛發(fā)展，規(guī)模越來越大，基本負(fù)荷型液化能力在2．5×10。m。／d。據(jù)資料介紹，目前各國投產(chǎn)的LNG裝置已達(dá)160多套，LNG出口總量己超過46．18×10。t／a。

    天然氣的主要成分是甲烷，甲烷的常壓沸點(diǎn)是一161℃，臨界溫度為-84℃，臨界壓力為4．1MPa。LNG是液化天然氣的簡稱，它是天然氣經(jīng)過凈化(脫水、脫烴、脫酸性氣體)后，采用節(jié)流、膨脹和外加冷源制冷的工藝使甲烷變成液體而形成的。

    1．國外研究現(xiàn)狀

    國外的液化裝置規(guī)模大、工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資高，基本都采用階式制冷和混合冷劑制冷工藝，目前兩種類型的裝置都在運(yùn)行，新投產(chǎn)設(shè)計(jì)的主要是混合冷劑制冷工藝；研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工藝從階式制冷改進(jìn)到混合冷劑制冷循環(huán)，目前有報(bào)道又有c II一2新工藝，該工藝既具有純組分循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，如簡單、無相分離和易于控制，又有混合冷劑制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，如天然氣和制冷劑制冷溫位配合較好、功效高、設(shè)備少等優(yōu)點(diǎn)。

    法國Axens公司與法國石油研究所(IFP)合作，共同開發(fā)的一種先進(jìn)的天然氣液化新工藝--~iquefin首次工業(yè)化，該工藝為LNG市場奠定了基礎(chǔ)。其生產(chǎn)能力較通用的方法高15％～20％，生產(chǎn)成本低25％。使用Liquefin法之后，每單元液化裝置產(chǎn)量可達(dá)600×104t／y以上。采用Liquefin工藝生產(chǎn)LNG的費(fèi)用每噸可降低25％。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是使用了翅片式換熱器和熱力學(xué)優(yōu)化后的工藝，可建設(shè)超大容量的液化裝置。Axens已經(jīng)給美國、歐洲、亞洲等幾個主要地區(qū)提出使用該工藝的建議，并正在進(jìn)行前期設(shè)計(jì)和可行性研究。IFP和Axens開發(fā)的Liquefin~E藝的安全、環(huán)保、實(shí)用及創(chuàng)新特點(diǎn)最近已被世界認(rèn)可，該工藝獲得了化學(xué)工程師學(xué)會授予的“工程優(yōu)秀獎”。

    美國德克薩斯大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)站，開發(fā)了一種新型天然氣液化的技術(shù)——GTL技術(shù)已申請專利。該技術(shù)比目前開發(fā)的GTL技術(shù)更適用于小規(guī)模裝置，可加130．5×104m3／d的天然氣。該實(shí)驗(yàn)

站的GTL已許可給合成燃料(Synfuels)公司。該公司在A&M大學(xué)校園附近建立了一套GTL中試裝置，目前正在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性模擬分析。新工藝比現(xiàn)有技術(shù)簡單的多，不需要合成氣，除了發(fā)電之外，也不需要使用氧氣。其經(jīng)濟(jì)性、規(guī)模和生產(chǎn)方面都不同于普通的費(fèi)托GTLI藝。

    2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀

    早在60年代，國家科委就制訂了LNG發(fā)展規(guī)劃，60年代中期完成了工業(yè)性試驗(yàn)，四川石油管理局威遠(yuǎn)化工廠擁有國內(nèi)最早的天然氣深冷分離及液化的工業(yè)生產(chǎn)裝置，除生產(chǎn)He外，還生產(chǎn) LNG。1991年該廠為航天部提供30tLNG作為火箭試驗(yàn)燃料。與國外情況不同的是，國內(nèi)天然氣液化的研究都是以小型液化工藝為目標(biāo)，有關(guān)這方面的文獻(xiàn)發(fā)表較多，以下就國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣液化裝置工藝作簡單介紹。

    (1)四川液化天然氣裝置

    由中國科學(xué)院北京科陽氣體液化技術(shù)聯(lián)合公司與四川簡陽市科陽低溫設(shè)備公司合作研制的3001／h天然氣液化裝置，是用LNG作為工業(yè)和民用氣調(diào)峰和以氣代油的示范工程。該裝置于1992年建成，為LNG汽車研究提供LNG。

    該裝置充分利用天然氣自身的壓力，采用氣體透平膨脹機(jī)制冷使天然氣液化，用于民用天然氣調(diào)峰或生產(chǎn)LNG，工藝流程合理，采用氣體透平膨脹機(jī)，技術(shù)較先進(jìn)。該裝置基本不消耗水、電，屬節(jié)能工程，但液化率很低，約10％左右，這是與它的設(shè)計(jì)原則一致的。

    (2)吉林油田液化天然氣裝置

    由吉林油田、中國石油天然氣總公司和中科院低溫中心聯(lián)合開發(fā)研制的5001／h撬裝式工業(yè)試驗(yàn)裝置于1996年12月整體試車成功，該裝置采用以氮?dú)鉃槔鋭┑呐蛎洐C(jī)循環(huán)工藝，整個裝置由10個撬塊組成，全部設(shè)備國產(chǎn)化。

    該裝置采用氣體軸承透平膨脹機(jī)；國產(chǎn)分子篩深度脫除天然氣中的水和c0。，工藝流程簡單，采用撬裝結(jié)構(gòu)，符合小型裝置的特點(diǎn)。采用純氮作為制冷工質(zhì)，功耗比采用冷劑的膨脹機(jī)循環(huán)要高。沒有充分利用天然氣自身壓力，將天然氣在中壓下(5．OMPa左右)液化(較高壓力下液化既可提高氮?dú)獾闹评錅囟�，又可減少制冷負(fù)荷)，因此該裝置功耗大。

    (3)陜北氣田液化天然氣

    1999年1月建成投運(yùn)的2×10⁴m³／d“陜北氣田  LNG示范工程”是發(fā)展我國LNG工業(yè)的先導(dǎo)工程，也是我國第一座小型LNG工業(yè)化裝置。該裝置采用天然氣膨脹制冷循環(huán)，低溫甲醇洗和分子篩干燥聯(lián)合進(jìn)行原料氣凈化，氣波制冷機(jī)和透平膨脹機(jī)聯(lián)合進(jìn)行低溫制冷，燃?xì)鈾C(jī)作為循環(huán)壓縮機(jī)的動力源，利用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的尾氣作為加熱分子篩再生氣的熱源。該裝置設(shè)備全部國產(chǎn)化。裝置的成功投運(yùn)為我國在邊遠(yuǎn)油氣田土利用天然氣生LNG提供了經(jīng)驗(yàn)。

    (4)中原油田液化天然氣裝置

    中原油田曾經(jīng)建設(shè)了我國****的LNG裝置，原料氣規(guī)模為26.65×10⁴m³／d、液化能力

  為10×10⁴m³／d、儲存能力為1200m³、液化率為37.5％。目前，在充分吸取國外先進(jìn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)、國外有關(guān)設(shè)備的情況，主要針對自身氣源特點(diǎn)，又研究出LNGS工藝技術(shù)方案。該工藝流程采用常用的分子篩吸附法脫水，液化工藝選用丙烷預(yù)冷+乙烯預(yù)冷+節(jié)流。

    裝置在原料氣量30×10⁴m³／d時(shí)，收率高達(dá)51.4％，能耗為0.13kWh／Nm。。其優(yōu)點(diǎn)在于各制冷系統(tǒng)相對獨(dú)立，可靠性、靈活性好。但是工藝相對較復(fù)雜，須兩種制冷介質(zhì)和循環(huán)，設(shè)備投資高。由于該廠充分利用了油田氣井天然氣的壓力能，所以液化成本低。

    (5)天津大學(xué)的小型液化天然氣(LNG)裝置

    小型LNG裝置與大型裝置相比，不僅具有原料優(yōu)勢、市場優(yōu)勢而且投資低、可搬遷、靈活性大。LNG裝置主要是用胺基溶劑系統(tǒng)對天然氣進(jìn)行預(yù)處理，脫除C02等雜質(zhì)；分子篩脫水；液化幾個步驟。裝置采用單級混合制冷系統(tǒng)；閉合環(huán)路制冷循環(huán)用壓縮機(jī)壓縮制冷劑。單級混合制冷劑工藝操作簡便、效率高，適用于小型LNG裝置。

    壓縮機(jī)的驅(qū)動機(jī)可用燃?xì)廨啓C(jī)或電動馬達(dá)。電價(jià)低的地區(qū)可優(yōu)先考慮電動馬達(dá)(成本低、維修簡單)。在燃料氣價(jià)格低的地區(qū)，燃?xì)馔钙綄⑹歉�好的選擇方案。經(jīng)濟(jì)評估結(jié)果表明，采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動機(jī)的液化裝置，投資費(fèi)要比選用電動馬達(dá)高出200萬～400萬美元。

    (6)西南石油學(xué)院液化新工藝

    該工藝日處理3．0×104m3天然氣，主要由原料氣(CH495．28％，C022．9％)脫C02、脫水、丙烷預(yù)冷、氣波制冷機(jī)制冷和循環(huán)壓縮等系統(tǒng)組成。以SRK狀態(tài)方程作為基礎(chǔ)模型，開發(fā)了天然氣液化工藝軟件。天然氣壓縮機(jī)的動力采用天然氣發(fā)動機(jī)，小負(fù)荷電設(shè)備用天然氣發(fā)電機(jī)組供電，解決了邊遠(yuǎn)地區(qū)無電或電力緊張的難題。由于邊遠(yuǎn)地區(qū)無集輸管線可利用，將未能液化的天然氣循環(huán)壓縮，以提高整套裝置的天然氣液化率。

    裝置采用一乙醇胺法(MK一4)脫除C02。由于處理量小，脫二氧化碳的吸收塔和再生塔應(yīng)采用高效填料塔。由于混合制冷劑，國內(nèi)沒有成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，儀表控制系統(tǒng)較復(fù)雜。同時(shí)考慮到原料氣中甲烷含量高，有壓力能可以利用。故采用天然氣直接膨脹制冷作為天然氣液化循環(huán)工藝。氣波制冷屬于等熵膨脹過程，氣波制冷機(jī)是在熱分離機(jī)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用氣體波運(yùn)動的理論研制的。在結(jié)構(gòu)上吸收了熱分離機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了微波吸收腔這一關(guān)鍵裝置，在原理上與熱分離機(jī)存在明顯不同，更加有效地利用氣體的壓力，提高了制冷效率。

    (7)哈爾濱燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究院與哈爾濱工業(yè)大學(xué)

    LNG系統(tǒng)主要包括天然氣預(yù)處理、天然氣的低溫液化、天然氣的低溫儲存及天然氣的氣化和輸出等。經(jīng)過處理的天然氣通過一個多級單混冷凝過程被液化，制冷壓縮機(jī)是由天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動。LNG儲罐為一個雙金屬壁的絕熱罐，內(nèi)罐和外罐分別是由鎳鋼和碳鋼制成。    循環(huán)氣體壓縮機(jī)一般采用天然氣驅(qū)動，可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用而使投資快速收回。壓縮機(jī)一般采用非潤滑式特殊設(shè)計(jì)，以避免天然氣被潤滑油污染。采用裝有電子速度控制系統(tǒng)的透平，而且新型透平的最后幾級葉片用鉆合金制造，改善了機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。安裝于透平壓縮機(jī)上的新型離合器是撓性的，它們的可靠性比較高，還可以調(diào)整問隙。

    三、液化天然氣(LNG)的應(yīng)用前景

    1．國際上的應(yīng)用前景

    LNG是天然氣資源應(yīng)用的一種重要形式，2002年世界LNG貿(mào)易增長率為10．1％，達(dá)到1369億 m。(^1997年956億m。)，占國際天然氣總貿(mào)易量的26％，占全球天然氣消費(fèi)總量的5．7％。LNG主要產(chǎn)地分布在印度尼西亞、馬來西亞、澳大利亞、阿爾及利亞、文萊等地，消費(fèi)國主要是日本、法國、西班牙、美國、韓國等。LNG自60年代開始應(yīng)用以來，年產(chǎn)量平均以20％的速度持續(xù)增加，進(jìn)入90年代后，由于供需基本平衡，海灣戰(zhàn)爭等因素影響，LNG每年以6％～8％的速度遞增，這個速度仍高于同期其他能源的增長速度。印尼是全球****的LNG出口國，占世界出口總量的26％，而日本則是世界****的LNG進(jìn)口國，占世界進(jìn)口總量的53％，達(dá)720多億m。。中東和非洲的LNG出口份額也在不斷增長，而LNG主要進(jìn)口地區(qū)則在亞洲。

    2．國內(nèi)LNG的應(yīng)用現(xiàn)狀

    與世界LNG的應(yīng)用相比，我國確實(shí)是剛剛起步。第一家應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并商業(yè)化的LNG是中原油田的LNG工廠。該廠充分利用了油田氣井天然氣的壓力能，故液化成本低。并且用汽車等燃料和居民燃?xì)�。與此同時(shí)，上海石油天然氣總公司在東海氣田的天然氣通過海底管線輸送到上海供工業(yè)和民用后，也建設(shè)了LNG調(diào)峰站，把東海天然氣經(jīng)加工深冷成LNG儲存起來，必要時(shí)再汽化為天然氣輸入城市管網(wǎng)，作為臨時(shí)氣源，確保城市安全平穩(wěn)供氣。

    3．新疆LNG的應(yīng)用現(xiàn)狀

    在我國“西氣東輸”管道正在建設(shè)的同時(shí)，新疆比較大規(guī)模的LNGI廠也已建設(shè)投產(chǎn)。新疆

LNG項(xiàng)目是一個系統(tǒng)工程，從上游的LNGI廠建設(shè)到下游市場建設(shè)，從低溫罐式集裝箱的生產(chǎn)到鐵路運(yùn)輸，都必須同步建設(shè)，同步投入運(yùn)行，每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，新疆廣匯正全力以赴、緊鑼密鼓搞好這個系統(tǒng)工程建設(shè)，從目前建設(shè)情況來看，基本達(dá)到預(yù)定計(jì)劃目標(biāo)。  

    新疆廣匯LNGI廠目前是************的LNG生產(chǎn)廠，LNG的長距離鐵路運(yùn)輸，在世界上也屬首例(目前世界LNG鐵路運(yùn)輸最長的日本僅達(dá)400多km)。新疆廣匯的LNG可根據(jù)用戶的需要，發(fā) 往全國各城市。   

    新疆具有豐富的天然氣資源，準(zhǔn)噶爾、塔里木、吐哈三大盆地天然氣儲量達(dá)10.3萬億m。，占全國陸上天然氣資源總量的34％，已累計(jì)探明的儲量達(dá)8807億m。。其中吐哈油田868億m³，準(zhǔn)噶爾 油田位1770億m³。而“西氣東輸”只把塔里木盆地作為供氣氣源，這樣吐哈、準(zhǔn)噶爾兩盆地的天 然氣為發(fā)展LNG提供了可靠的資源保證。  

    我國年產(chǎn)天然氣200多億Nm³，天然氣資源量超過38萬億m³，探明儲量只有4.3％，而世界平均為37％，這說明我國天然氣工業(yè)較落后，同時(shí)說 明了我們大力發(fā)展天然氣工業(yè)是有資源保證的，是有潛力的。   

    總之，隨著國民經(jīng)濟(jì)高速增長，我國也將  I迅速成為LNG進(jìn)口國，并將以極快的速度占領(lǐng)市場。因此，發(fā)展LNG是目前世界發(fā)展的潮流，而我國經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展必須以LNG的可持續(xù)開發(fā)利用為前提，按照可持續(xù)發(fā)展的要求進(jìn)行LNG的合理開發(fā)利用。  

    通過各種措施的實(shí)施，與社會各方面的共同努力，我國能源可持續(xù)發(fā)展的能力必將得到進(jìn)一步提高，可持續(xù)發(fā)展的社會也必將早日到來。  

    最后，天然氣作為“低消耗、高收益、低污染、高效益”的“無煙工業(yè)”和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，它強(qiáng)調(diào)發(fā)展與保護(hù)同步、效益與公平同構(gòu)、因地制宜與綜合發(fā)展協(xié)同，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)�？梢�，發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)，對西部大開發(fā)及可持  I續(xù)發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。