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(lái)，隨著人類綠色意識(shí)的覺(jué)醮環(huán)境保護(hù)意識(shí)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(guó)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(huì)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(wèn)題很多，從2003年起，國(guó)際燃?xì)饴?lián)盟(IGU)成立了LNG問(wèn)題的計(jì)劃委員會(huì)(PGCD)，并將與其他國(guó)際組織[如世界LNG會(huì)議，美國(guó)燃?xì)夤に囇芯吭?IGT)和國(guó)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(guó)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(guó)中，我國(guó)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(kāi)發(fā)的實(shí)質(zhì)就是在西部大開(kāi)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(guó)內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢(shì)

    1941年在美國(guó)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(kāi)始，LNGS]Z業(yè)得到了迅猛發(fā)展，規(guī)模越來(lái)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(guó)投產(chǎn)的LNG裝置已達(dá)160多套，LNG出口總量己超過(guò)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(jiǎn)稱，它是天然氣經(jīng)過(guò)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(guó)外研究現(xiàn)狀

    國(guó)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(jiǎn)單、無(wú)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(guó)Axens公司與法國(guó)石油研究所(IFP)合作，共同開(kāi)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L(zhǎng)NG市場(chǎng)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(guó)、歐洲、亞洲等幾個(gè)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(kāi)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(huì)授予的“工程優(yōu)秀獎(jiǎng)”。

    美國(guó)德克薩斯大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)站，開(kāi)發(fā)了一種新型天然氣液化的技術(shù)——GTL技術(shù)已申請(qǐng)專利。該技術(shù)比目前開(kāi)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(jiǎn)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

    早在60年代，國(guó)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(guó)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(guó)外情況不同的是，國(guó)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(guó)內(nèi)現(xiàn)有的天然氣液化裝置工藝作簡(jiǎn)單介紹。

    (1)四川液化天然氣裝置

    由中國(guó)科學(xué)院北京科陽(yáng)氣體液化技術(shù)聯(lián)合公司與四川簡(jiǎn)陽(yáng)市科陽(yáng)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L(zhǎng)NG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(guó)石油天然氣總公司和中科院低溫中心聯(lián)合開(kāi)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(gè)裝置由10個(gè)撬塊組成，全部設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

    該裝置采用氣體軸承透平膨脹機(jī)；國(guó)產(chǎn)分子篩深度脫除天然氣中的水和c0。，工藝流程簡(jiǎn)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(méi)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(guó)LNG工業(yè)的先導(dǎo)工程，也是我國(guó)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(dòng)力源，利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)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(guó)產(chǎn)化。裝置的成功投運(yùn)為我國(guó)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(guó)****的LNG裝置，原料氣規(guī)模為26.65×10⁴m³／d、液化能力

  為10×10⁴m³／d、儲(chǔ)存能力為1200m³、液化率為37.5％。目前，在充分吸取國(guó)外先進(jìn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)、國(guó)外有關(guān)設(shè)備的情況，主要針對(duì)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(duì)獨(dú)立，可靠性、靈活性好。但是工藝相對(duì)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(shì)、市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)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(duì)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(gè)步驟。裝置采用單級(jí)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(jí)混合制冷劑工藝操作簡(jiǎn)便、效率高，適用于小型LNG裝置。

    壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)可用燃?xì)廨啓C(jī)或電動(dòng)馬達(dá)。電價(jià)低的地區(qū)可優(yōu)先考慮電動(dòng)馬達(dá)(成本低、維修簡(jiǎn)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(píng)估結(jié)果表明，采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的液化裝置，投資費(fèi)要比選用電動(dòng)馬達(dá)高出200萬(wàn)～400萬(wàn)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(kāi)發(fā)了天然氣液化工藝軟件。天然氣壓縮機(jī)的動(dòng)力采用天然氣發(fā)動(dòng)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(wú)電或電力緊張的難題。由于邊遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)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(guó)內(nèi)沒(méi)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(guò)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(dòng)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(chǔ)存及天然氣的氣化和輸出等。經(jīng)過(guò)處理的天然氣通過(guò)一個(gè)多級(jí)單混冷凝過(guò)程被液化，制冷壓縮機(jī)是由天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。LNG儲(chǔ)罐為一個(gè)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(dòng)，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(rùn)滑式特殊設(shè)計(jì)，以避免天然氣被潤(rùn)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(jí)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(wèn)隙。

    三、液化天然氣(LNG)的應(yīng)用前景

    1．國(guó)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(zhǎng)率為10．1％，達(dá)到1369億 m。(^1997年956億m。)，占國(guó)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(lái)西亞、澳大利亞、阿爾及利亞、文萊等地，消費(fèi)國(guó)主要是日本、法國(guó)、西班牙、美國(guó)、韓國(guó)等。LNG自60年代開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，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(zhēng)等因素影響，LNG每年以6％～8％的速度遞增，這個(gè)速度仍高于同期其他能源的增長(zhǎng)速度。印尼是全球****的LNG出口國(guó)，占世界出口總量的26％，而日本則是世界****的LNG進(jìn)口國(guó)，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(zhǎng)，而LNG主要進(jìn)口地區(qū)則在亞洲。

    2．國(guó)內(nèi)LNG的應(yīng)用現(xiàn)狀

    與世界LNG的應(yīng)用相比，我國(guó)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)狻Ｅc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(guò)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(chǔ)存起來(lái)，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(guó)“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(gè)系統(tǒng)工程，從上游的LNGI廠建設(shè)到下游市場(chǎng)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(gè)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(gè)系統(tǒng)工程建設(shè)，從目前建設(shè)情況來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(chǔ)量達(dá)10.3萬(wàn)億m。，占全國(guó)陸上天然氣資源總量的34％，已累計(jì)探明的儲(chǔ)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(guó)年產(chǎn)天然氣200多億Nm³，天然氣資源量超過(guò)38萬(wàn)億m³，探明儲(chǔ)量只有4.3％，而世界平均為37％，這說(shuō)明我國(guó)天然氣工業(yè)較落后，同時(shí)說(shuō) 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(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，我國(guó)也將  I迅速成為L(zhǎng)NG進(jìn)口國(guó)，并將以極快的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。因此，發(fā)展LNG是目前世界發(fā)展的潮流，而我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展必須以LNG的可持續(xù)開(kāi)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(kāi)發(fā)利用。  

    通過(guò)各種措施的實(shí)施，與社會(huì)各方面的共同努力，我國(guó)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(huì)也必將早日到來(lái)。  

    最后，天然氣作為“低消耗、高收益、低污染、高效益”的“無(wú)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�(jiàn)，發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)，對(duì)西部大開(kāi)發(fā)及可持  I續(xù)發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。