淺析液化天然氣的可持續利用技術

    一、前言

    近二三十年以來，隨著人類綠色意識的覺醮環境保護意識不斷加強，可持續發展觀念深入人心。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中的比重，作為優化能源結構，實現經濟、社會和環境協調發展的重要途徑，目前天然氣消費在世界能源消費結構中的比重已達35％，成為僅次于石油的第二大能源。由于涉及的技術問題很多，從2003年起，國際燃氣聯盟(IGU)成立了LNG問題的計劃委員會(PGCD)，并將與其他國際組織[如世界LNG會議，美國燃氣工藝研究院(IGT)和國際冷凍組織(IIR)等]合作，追蹤并全面

研究世界上發展LNG的經驗。同時，我國能源消費總量占世界能源消費總量的11．1％，屬世界第二位，在能源消費大國中，我國能源消費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％。從可持續發展角度講，西部大開發的實質就是在西部大開發的同時，要確保西部自然資源的保護和可持續發展，合理處理西部地區經濟發展與資源、環境等之間的協調發展，確保西部地區石油天然氣等能源的可持續發展。

    二、國內外概況及發展趨勢

    1941年在美國克利夫蘭建成了********套工業規模的LNG裝置，液化能力為8500m³／d。從60年代開始，LNGS]Z業得到了迅猛發展，規模越來越大，基本負荷型液化能力在2．5×10。m。／d。據資料介紹，目前各國投產的LNG裝置已達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，它是天然氣經過凈化(脫水、脫烴、脫酸性氣體)后，采用節流、膨脹和外加冷源制冷的工藝使甲烷變成液體而形成的。

    1．國外研究現狀

    國外的液化裝置規模大、工藝復雜、設備多、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行，新投產設計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到混合冷劑制冷循環，目前有報道又有c II一2新工藝，該工藝既具有純組分循環的優點，如簡單、無相分離和易于控制，又有混合冷劑制冷循環的優點，如天然氣和制冷劑制冷溫位配合較好、功效高、設備少等優點。

    法國Axens公司與法國石油研究所(IFP)合作，共同開發的一種先進的天然氣液化新工藝--~iquefin首次工業化，該工藝為LNG市場奠定了基礎。其生產能力較通用的方法高15％～20％，生產成本低25％。使用Liquefin法之后，每單元液化裝置產量可達600×104t／y以上。采用Liquefin工藝生產LNG的費用每噸可降低25％。該工藝的主要優點是使用了翅片式換熱器和熱力學優化后的工藝，可建設超大容量的液化裝置。Axens已經給美國、歐洲、亞洲等幾個主要地區提出使用該工藝的建議，并正在進行前期設計和可行性研究。IFP和Axens開發的Liquefin~E藝的安全、環保、實用及創新特點最近已被世界認可，該工藝獲得了化學工程師學會授予的“工程優秀獎”。

    美國德克薩斯大學工程實驗站，開發了一種新型天然氣液化的技術——GTL技術已申請專利。該技術比目前開發的GTL技術更適用于小規模裝置，可加130．5×104m3／d的天然氣。該實驗

站的GTL已許可給合成燃料(Synfuels)公司。該公司在A&M大學校園附近建立了一套GTL中試裝置，目前正在進行經濟性模擬分析。新工藝比現有技術簡單的多，不需要合成氣，除了發電之外，也不需要使用氧氣。其經濟性、規模和生產方面都不同于普通的費托GTLI藝。

    2．國內研究現狀

    早在60年代，國家科委就制訂了LNG發展規劃，60年代中期完成了工業性試驗，四川石油管理局威遠化工廠擁有國內最早的天然氣深冷分離及液化的工業生產裝置，除生產He外，還生產 LNG。1991年該廠為航天部提供30tLNG作為火箭試驗燃料。與國外情況不同的是，國內天然氣液化的研究都是以小型液化工藝為目標，有關這方面的文獻發表較多，以下就國內現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

    由中國科學院北京科陽氣體液化技術聯合公司與四川簡陽市科陽低溫設備公司合作研制的3001／h天然氣液化裝置，是用LNG作為工業和民用氣調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制冷使天然氣液化，用于民用天然氣調峰或生產LNG，工藝流程合理，采用氣體透平膨脹機，技術較先進。該裝置基本不消耗水、電，屬節能工程，但液化率很低，約10％左右，這是與它的設計原則一致的。

    (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合開發研制的5001／h撬裝式工業試驗裝置于1996年12月整體試車成功，該裝置采用以氮氣為冷劑的膨脹機循環工藝，整個裝置由10個撬塊組成，全部設備國產化。

    該裝置采用氣體軸承透平膨脹機；國產分子篩深度脫除天然氣中的水和c0。，工藝流程簡單，采用撬裝結構，符合小型裝置的特點。采用純氮作為制冷工質，功耗比采用冷劑的膨脹機循環要高。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氣的制冷溫度，又可減少制冷負荷)，因此該裝置功耗大。

    (3)陜北氣田液化天然氣

    1999年1月建成投運的2×10⁴m³／d“陜北氣田  LNG示范工程”是發展我國LNG工業的先導工程，也是我國第一座小型LNG工業化裝置。該裝置采用天然氣膨脹制冷循環，低溫甲醇洗和分子篩干燥聯合進行原料氣凈化，氣波制冷機和透平膨脹機聯合進行低溫制冷，燃氣機作為循環壓縮機的動力源，利用燃氣發動機的尾氣作為加熱分子篩再生氣的熱源。該裝置設備全部國產化。裝置的成功投運為我國在邊遠油氣田土利用天然氣生LNG提供了經驗。

    (4)中原油田液化天然氣裝置

    中原油田曾經建設了我國****的LNG裝置，原料氣規模為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工藝技術的基礎上，結合國內、國外有關設備的情況，主要針對自身氣源特點，又研究出LNGS工藝技術方案。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冷+乙烯預冷+節流。

    裝置在原料氣量30×10⁴m³／d時，收率高達51.4％，能耗為0.13kWh／Nm。。其優點在于各制冷系統相對獨立，可靠性、靈活性好。但是工藝相對較復雜，須兩種制冷介質和循環，設備投資高。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，不僅具有原料優勢、市場優勢而且投資低、可搬遷、靈活性大。LNG裝置主要是用胺基溶劑系統對天然氣進行預處理，脫除C02等雜質；分子篩脫水；液化幾個步驟。裝置采用單級混合制冷系統；閉合環路制冷循環用壓縮機壓縮制冷劑。單級混合制冷劑工藝操作簡便、效率高，適用于小型LNG裝置。

    壓縮機的驅動機可用燃氣輪機或電動馬達。電價低的地區可優先考慮電動馬達(成本低、維修簡單)。在燃料氣價格低的地區，燃氣透平將是更好的選擇方案。經濟評估結果表明，采用燃氣輪機驅動機的液化裝置，投資費要比選用電動馬達高出200萬～400萬美元。

    (6)西南石油學院液化新工藝

    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、丙烷預冷、氣波制冷機制冷和循環壓縮等系統組成。以SRK狀態方程作為基礎模型，開發了天然氣液化工藝軟件。天然氣壓縮機的動力采用天然氣發動機，小負荷電設備用天然氣發電機組供電，解決了邊遠地區無電或電力緊張的難題。由于邊遠地區無集輸管線可利用，將未能液化的天然氣循環壓縮，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采用高效填料塔。由于混合制冷劑，國內沒有成熟的技術和設計、運行管理經驗，儀表控制系統較復雜。同時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工藝。氣波制冷屬于等熵膨脹過程，氣波制冷機是在熱分離機的基礎上，運用氣體波運動的理論研制的。在結構上吸收了熱分離機的一些優點，同時增加了微波吸收腔這一關鍵裝置，在原理上與熱分離機存在明顯不同，更加有效地利用氣體的壓力，提高了制冷效率。

    (7)哈爾濱燃氣工程設計研究院與哈爾濱工業大學

    LNG系統主要包括天然氣預處理、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，制冷壓縮機是由天然氣發動機驅動。LNG儲罐為一個雙金屬壁的絕熱罐，內罐和外罐分別是由鎳鋼和碳鋼制成。    循環氣體壓縮機一般采用天然氣驅動，可節省運行費用而使投資快速收回。壓縮機一般采用非潤滑式特殊設計，以避免天然氣被潤滑油污染。采用裝有電子速度控制系統的透平，而且新型透平的最后幾級葉片用鉆合金制造，改善了機械運轉。安裝于透平壓縮機上的新型離合器是撓性的，它們的可靠性比較高，還可以調整問隙。

    三、液化天然氣(LNG)的應用前景

    1．國際上的應用前景

    LNG是天然氣資源應用的一種重要形式，2002年世界LNG貿易增長率為10．1％，達到1369億 m。(^1997年956億m。)，占國際天然氣總貿易量的26％，占全球天然氣消費總量的5．7％。LNG主要產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，消費國主要是日本、法國、西班牙、美國、韓國等。LNG自60年代開始應用以來，年產量平均以20％的速度持續增加，進入90年代后，由于供需基本平衡，海灣戰爭等因素影響，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進口國，占世界進口總量的53％，達720多億m。。中東和非洲的LNG出口份額也在不斷增長，而LNG主要進口地區則在亞洲。

    2．國內LNG的應用現狀

    與世界LNG的應用相比，我國確實是剛剛起步。第一家應用于工業生產并商業化的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氣。與此同時，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和民用后，也建設了LNG調峰站，把東海天然氣經加工深冷成LNG儲存起來，必要時再汽化為天然氣輸入城市管網，作為臨時氣源，確保城市安全平穩供氣。

    3．新疆LNG的應用現狀

    在我國“西氣東輸”管道正在建設的同時，新疆比較大規模的LNGI廠也已建設投產。新疆

LNG項目是一個系統工程，從上游的LNGI廠建設到下游市場建設，從低溫罐式集裝箱的生產到鐵路運輸，都必須同步建設，同步投入運行，每個環節都至關重要，新疆廣匯正全力以赴、緊鑼密鼓搞好這個系統工程建設，從目前建設情況來看，基本達到預定計劃目標。  

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

    新疆具有豐富的天然氣資源，準噶爾、塔里木、吐哈三大盆地天然氣儲量達10.3萬億m。，占全國陸上天然氣資源總量的34％，已累計探明的儲量達8807億m。。其中吐哈油田868億m³，準噶爾 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、準噶爾兩盆地的天 然氣為發展LNG提供了可靠的資源保證。  

    我國年產天然氣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較落后，同時說 明了我們大力發展天然氣工業是有資源保證的，是有潛力的。   

    總之，隨著國民經濟高速增長，我國也將  I迅速成為LNG進口國，并將以極快的速度占領市場。因此，發展LNG是目前世界發展的潮流，而我國經濟社會的可持續發展必須以LNG的可持續開發利用為前提，按照可持續發展的要求進行LNG的合理開發利用。  

    通過各種措施的實施，與社會各方面的共同努力，我國能源可持續發展的能力必將得到進一步提高，可持續發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”和戰略產業，它強調發展與保護同步、效益與公平同構、因地制宜與綜合發展協同，是可持續發展戰略的具體體現�？梢�，發展LNG產業，對西部大開發及可持  I續發展，具有重大戰略意義。