lng液化装置的现状及发展趋势

lng液化装置的现状及发展趋势

通过勘探、开发和净化后生产的商品气体通常由输气管道供应。目前，世界天然气贸易主要依靠管道供应，但许多国家拥有较高的天然气产量。要在其他国家和地区销售，气候漫长，因此很难建造长距离海上管道。这需要天然气储存（lkg）。LNG的生产是将原料天然气经预处理后,在深冷条件下液化,获得天然气液态产品,其体积仅为气态的1/625。LNG生产厂一般建在海岸边,适合于用远洋船运输和供给用户,我国广东、福建二省正在建设从澳大利亚、印度尼西亚引进LNG工程。为了降低生产成本,目前世界大型LNG生产厂的规模不断扩大,每条生产线的年产量已达420×104t,采用丙烷预冷的混合冷剂(MRC)循环进行液化。小型LNG生产装置在内陆建设,液化产品主要用汽车运输,供给远离天然气管网的小工业、小城镇和汽车燃料使用,此类装置还可用于调峰,装置年产LNG从几千吨到十多万吨。LNG生产装置的预处理是将天然气中硫化物、二氧化碳、水分等进行净化,使原料天然气达到生产LNG的规格要求,大厂和小装置的净化工艺基本是相同的,但小型LNG生产装置的液化工艺与大型厂不同,且有不同的液化工艺,本文主要介绍世界小型LNG生产装置的各种液化工艺。1小型lng生产装置的工艺流程美国Blach&VeathPritchard(BVP)公司设小型LNG生产装置,采用了与大厂类似的冷剂循环工艺,但为了简化工艺和设备,降低建设投资,只使用混合冷剂(MRC)循环进行天然气液化,其工艺流程见图1。经净化后的原料天然气进入主换热器冷却到-45℃～-72℃,去重烃分离器,分出重烃外排,气体回到主换热器,在该器中经换热冷却到-150℃～-159℃,将天然气液化成LNG,在常压下输到LNG储罐,用汽车运输供给用户。混合冷剂是在密闭系统中循环运行,混合冷剂组成为N2、甲烷、乙烷、其它烃类(一般到C5),是气体和液体的混合物,液体冷剂用泵和高压气相冷剂分别进入主换热器,将冷量供给天然气进行液化,低压冷剂经压缩、冷却等工序,循环使用。BVP公司的年产10×104t小型LNG生产装置典型设计,供其它公司建设使用。挪威ABB天然气技术公司也采用MRC工艺,建设了年产2×104tLNG生产装置。2中国近年来中国各地建设了多套小型LNG生产装置,其中二套装置取得了较好的结果。2.1天然气处理流程该装置采用丙烷预冷和乙烯制冷,由于天然气有压力,再进行节流膨胀制冷,获得LNG产品,其液化工艺流程见图2。压力为12MPa的原料天然气经净化后,首先被丙烷二次预冷到-30℃,后被乙烯冷却到-85℃进入天然气换热器,在该器中与中、低压尾气换热后,去节流阀进行第一次节流膨胀产生1MPa气液混合物,进入中压闪蒸罐,顶部中压尾气经天然气换热器后排出,底部产物去另一节流阀进行第二次节流膨胀成0.3MPa气液混合物,进入低压闪蒸罐,顶部低压尾气经天然气换热后排出,底部为LNG产品。原料气处理量30×104m3/d,液化收率50%,年操作时间8000h,年产LNG约3.5×104t。利用中原油田12MPa天然气生产LNG后,排出50%中、低压未液化的天然气,由油田处理,若循环回收原料需建压缩机,装置流程简单,投资较小;中原油田建有天然气凝液(NGL)回收和乙烯生产装置,能供给丙烷和乙烯作冷剂,主要能耗在于丙烷预冷、乙烯循环系统。2.2气波系统预冷该装置采用氨预冷,由于天然气有压力,再进行气波机和透平膨胀机制冷,获得LNG产品,其液化工艺流程见图3。在净化过程中采用了第一氨蒸发器和预冷器,使原料天然气由30℃冷却到-35℃、4.1MPa的净化气进入液化部分的第二氨蒸发器和预冷器,温度降到-55℃,原料气分成二股,一股经节流阀膨胀后进入第三预冷器和深冷换热器,温度降到-90℃,再经节流阀压力降至0.75MPa,温度降至-132℃,其中约50%的气体液化,汽液混合物被送至分离器,底部液体为LNG产品,流入LNG储罐后外输。另一股原料气进入气波机膨胀制冷,压力由4.02MPa降至2.2MPa,温度由-55℃降至-80℃,然后再进入透平膨胀机继续制冷,压力降至0.48MPa,温度降至-130.6℃,与出深冷换热器顶部低压气汇合,经第三、二预冷器冷却原料气,再经第四预冷器去透平膨胀机增压端,气体增压后,再去压缩机继续增压,与进入的净化原料气汇合。本装置2.8×104m3/d,LNG产量16t/d,约0.5×104t/a。以氨蒸发器三次预冷(包括天然气净化时一次),使用大连理工大学气波技术研究所开发的新型气波制冷机和我国油气田较广泛应用的小型透平膨胀机制冷,技术上是较先进的。但与上述中原油田装置相比,工艺流程和设备较复杂一些,LNG产量也小。3流动式压缩天然气cng站俄罗斯是世界天然气第一生产大国,2004年天然气产量6335×108m3,约30%出口,其余70%国内消费,已建成的统一供气系统(ЕСГ),主干线管道遍及俄罗斯欧洲部分,但仍有较多管网不能到达之处,用不上天然气,上世纪80年代开发了流动式压缩天然气(CNG)站,即将CNG储罐装在汽车上,流动供应天然气(二种型号:ПАГЗ-5000-25和ПАГЗ-2800-25),但CNG储罐耗用钢材量比LNG高8倍,CNG减小天然气体积比LNG约低2.5倍。上世纪90年代俄罗斯在列宁格勒州和圣彼得堡市进行小型LNG生产装置建设的试点,由列宁格勒输气公司(ЛЕНТРАСГАЗ)和СИГМА天然气公司协作建设装置,КРИОНОРД公司负责设计,多年来开发了如下液化工艺技术。3.1天然气液化工序在圣彼得堡市内8号CNG加气站建了小型LNG生产装置,该站规模较大,每天可为500辆汽车加气,实际上达不到定额要求,压缩机操作时间只需8h。利用压缩机的空隙时间,将原料天然气压缩后经预冷,再进入装有涡流管(Вихреваятруба)制冷器的液化工序,膨胀制冷后将天然气液化成LNG产品,液化工艺流程见图4。先将CNG加气站原有固体吸附脱水器改造成可脱除CO2、水分及其它杂质,净化原料天然气进入CNG压缩机,加压到18～19MPa,后用丙烷冷剂系统将天然气预冷到-40℃,进入液化工序,主要装有涡流管制冷器等设备,天然气降压膨胀制冷,制成LNG进入储罐,未液化天然气返回原料气。装置LNG产量0.4t/h(约10t/d,3000t/a),天然气液化率>40%。涡流管是一种新型专利设备(专利号РФ2180420),目前广泛用于天然气工业,共有五种型号,包括制冷器、喷射器等。由于使用了CNG加气站的压缩机等设备,又加上流程较简单,投资较小,但丙烷冷剂系统和压缩机能耗较大。3.2涡流管制冷器主干线天然气压力为5.5或7.5MPa,经配气站将天然气减压到0.3、0.6、1.2MPa供用户,原来在配气站上压力差能量是浪费掉的。现在列宁格勒输气公司二个配气站上同时建设了小型LNG生产装置,液化工艺流程见图5。从进入配气站高压天然气取出部分用作小型LNG生产装置的原料气,先由型号为АДОП的净化器进行净化(图上未画出),然后分二股,一股输到换热器I,另一股到涡流管制冷器,在换热器I中与涡流管制冷器冷端流出的气体(-60℃)换热后到换热器Ⅱ,在此器中与节流阀ДР-2膨胀制冷与气体换热后温度为-90℃,最后经节流阀ДР-1膨胀冷却到液化温度,流入LNG分离器,在此器下部输出LNG产品。经换热器热交换后和涡流管制冷器热端流出的低压天然气与配气站工作后出来的低压气汇合后输给用户。装置LNG产量1.6t/h(约40t/d,1.2×104t/a),天然气液化率6%～14%。装置工艺和设备获得专利(专利号PΦ2127855、2135913、2151970)。采用的涡流管制冷器外壳为锥体形,气体从喷咀中流入,体内装有孔板、扩散管,产生气体动力学和热力学作用,在该器一端(称为冷端)进行天然气制冷后流出,另一端(称为热端)装有热流分配结构。在原料气压力波动情况下,涡流管制冷器仍能平稳正常操作,只是天然气液化率要受到影响。以上两种类型的小型LNG生产装置已建成多年,且不断得到了改进,目前正在进行新装置建设,计划几年内在列宁格勒州和圣彼得堡市再建设10～15个新装置,其中在CNG加气站建5～6个,在配气站建8～10个装置,LNG总产量将达到10×104t/a以上。3.3天然气液化工艺流程在CNG加气站上建设小型LNG生产装置,虽能保证液化率达到40%～50%,但要使用丙烷冷剂系统预冷和压缩机,能耗较大;在配气站上建设装置,不需能耗,但液化率较低。为了克服上述缺点,在圣彼得堡一个CNG加气站和一个配气站建成联合试验装置,两站的距离为400m,装置建在CNG加气站上,并由该站人员进行操作和管理,液化工艺流程见图6。由干线进入配气站高压天然气中分出部分气体,经联结两个站管线输到CNG加气站,先由净化设施(在图上未画出)进行净化,再从点9分二股,一股去换热器II,另一股去涡流管制冷器II,其冷端气流在换热器II中冷却原料气,从中流出的气体在8再分二股,一股去换热器I,另一股去涡流管制冷器I,其冷端气流在换热器I中对原料气进一步冷却,高压原料气输入节流阀II膨胀再制冷,低压原料气经换热器Ⅲ后由点0进入压缩机,将气体压力提高到15～20MPa,高压原料气经Ⅲ、Ⅳ换热器,最后再经节流阀I膨胀制冷,达到生产LNG的温度,由点4入LNG分离器,底部流出LNG产品。涡流管制冷器热端流出低压尾气使用喷射器冷却,本装置所有低压尾气流向配气站,与该站降压后天然气汇合供作商品气。装置尚处于试验阶段,预计天然气液化率一定比单独使用配气站压差能量生产LNG要高,与单独利用CNG加气站生产LNG比较,可省去丙烷冷剂系统这道工序,节约了能耗。此液化工艺流程还是比较简单的,主要能耗只是压缩机动力所需的。4结论和建议4.1冷剂蒸发液化工艺目前世界各国正在发展小型LNG生产装置,其液化工艺可分为三个方面:①利用冷剂进行制冷液化;②利用有压力天然气膨胀制冷与冷剂预冷相结合的液化工艺