天然氣是一種優(yōu)質(zhì)潔凈的燃料，在能源、交通等領(lǐng)域具有很好的前景，天然氣的液化和儲(chǔ)存是其開(kāi)發(fā)利用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)是高科技的系統(tǒng)工程，已形成了一個(gè)工業(yè)鏈。30年來(lái)，LNG產(chǎn)業(yè)作為世界上一門(mén)新興工業(yè)在飛速發(fā)展，目前仍保持著強(qiáng)勁的勢(shì)頭。我國(guó)有豐富的天然氣資源，但大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用天然氣，尤其是開(kāi)發(fā)和應(yīng)用LNG技術(shù)起步很晚。我國(guó)已進(jìn)入LNG建設(shè)的高峰期，故LNG的工藝設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)可能出現(xiàn)一系列問(wèn)題，需要我們探索和研究[1]。本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)LNG工廠的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。
2 LNG工廠工藝系統(tǒng)及流程
陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)院于2008年初承接了一個(gè)日處理天然氣60×104m3/d的LNG工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該項(xiàng)目完全采用國(guó)內(nèi)設(shè)備和國(guó)內(nèi)技術(shù)，氣源來(lái)自陜京輸氣管道和蘭銀輸氣管道。冬季氣源壓力為2.0～2.5MPa，夏季氣源壓力為3.0～3.5MPa，氣源溫度為5～40℃。氣源的主要組分為甲烷，還含有N2、C02、H2S、烷烴類(lèi)及苯類(lèi)等。
本液化工程項(xiàng)目的主要工藝系統(tǒng)(按工藝流程的先后順序)有：原料氣分配系統(tǒng)、原料氣壓縮系統(tǒng)、脫碳系統(tǒng)、脫水系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、脫汞系統(tǒng)、液化系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)和裝車(chē)系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)有放散系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、PSA制氮及液氮?dú)饣到y(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)。
3 原料氣分配及壓縮系統(tǒng)
原料氣來(lái)自銀川門(mén)站，進(jìn)入工廠后，首先進(jìn)入原料氣分配系統(tǒng)，經(jīng)分配站調(diào)壓計(jì)量后分為兩路，一路進(jìn)入廠區(qū)鍋爐房、制冷站房、加熱爐、廚房；另一路進(jìn)入分離器進(jìn)行氣水分離，再進(jìn)入天然氣壓縮機(jī)，增壓至5.0MPa。
4 脫碳、脫水、純化及脫汞系統(tǒng)
為了滿足低溫工作狀態(tài)的要求，天然氣經(jīng)脫碳系統(tǒng)凈化后C02體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于50×10-6，H2S體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于4×10-6；經(jīng)脫水系統(tǒng)后水體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于1×10-6；經(jīng)純化系統(tǒng)凈化后芳香烴類(lèi)體積分?jǐn)?shù)應(yīng)為1×10-6～10×10-6。
來(lái)自壓縮機(jī)的天然氣經(jīng)氣液分離器和過(guò)濾器后進(jìn)入吸收塔底部，與來(lái)自塔頂?shù)腘-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接觸，C02和H2S被MDEA溶液吸收。凈化后的天然氣在吸收塔上部被洗滌冷卻后，經(jīng)塔頂高效除污器進(jìn)行除污，之后進(jìn)入凈化冷卻器降溫至40℃，再經(jīng)凈化分離器分離水分及雜質(zhì)后進(jìn)入脫水系統(tǒng)[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化劑)脫碳工藝兼有物理吸收和化學(xué)吸收的特點(diǎn)，具有C02回收率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
從脫碳系統(tǒng)出來(lái)的天然氣進(jìn)入分子篩干燥器，采用4A液化天然氣專(zhuān)用分子篩吸附脫除天然氣中的水分，水分體積分?jǐn)?shù)小于1×10-6后，進(jìn)入干粉過(guò)濾器去除粉塵，之后進(jìn)入純化和脫汞系統(tǒng)。
從脫水系統(tǒng)出來(lái)的干燥天然氣進(jìn)入純化器，采用活性炭吸附脫除芳香烴后，經(jīng)過(guò)濾器脫除粉塵。然后，自上而下通過(guò)脫汞吸附器床層，采用浸硫煤基活性炭吸附脫除天然氣中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再經(jīng)過(guò)濾器脫除粉塵后，進(jìn)入液化系統(tǒng)。
5 天然氣液化系統(tǒng)
① 液化原理
液化系統(tǒng)采用氟利昂預(yù)冷和氮-甲烷膨脹液化流程提供天然氣液化需要的冷量，采用低溫工藝將天然氣液化，進(jìn)入LNG子母罐儲(chǔ)存并通過(guò)LNG槽車(chē)外運(yùn)。
氟利昂預(yù)冷和氮-甲烷膨脹液化流程結(jié)合了級(jí)聯(lián)式液化流程和膨脹機(jī)液化流程的優(yōu)點(diǎn)，流程高效簡(jiǎn)單。在此液化流程中，氟利昂預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)冷氮-甲烷和天然氣，而氮-甲烷循環(huán)用于深冷和液化天然氣。
氮-甲烷膨脹液化流程是純氮膨脹制冷循環(huán)的一種改進(jìn)。為了降低能耗，采用氮-甲烷混合氣體代替純N2。氮-甲烷膨脹液化流程具有起動(dòng)時(shí)間短、流程簡(jiǎn)單、控制容易、制冷劑測(cè)定及計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)。由于縮小了冷端換熱溫差，氮-甲烷膨脹液化流程比純氮膨脹液化流程減少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨脹液化工藝克服了階式制冷循環(huán)工藝機(jī)組多、流程復(fù)雜、附屬設(shè)備多、管道與控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，也解決了混合制冷劑工藝能耗較高、混合制冷劑合理配比困難及流程計(jì)算困難等問(wèn)題。故氮-甲烷膨脹液化工藝特別適合中小型的天然氣液化裝置。
② 液化流程[4]
氮-甲烷膨脹液化系統(tǒng)由天然氣液化系統(tǒng)和氮-甲烷制冷系統(tǒng)兩部分組成。
氮-甲烷膨脹液化流程見(jiàn)圖1。在天然氣液化系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)預(yù)處理裝置脫酸、脫水后的天然氣，經(jīng)換熱器2冷卻后，在氣液分離器3中進(jìn)行氣液分離，其中的氣相流入換熱器4冷卻液化，在換熱器5中過(guò)冷，節(jié)流降壓后進(jìn)入儲(chǔ)罐；液相進(jìn)入換熱器2內(nèi)吸熱氣化后再進(jìn)入天然氣管道。在氮-甲烷制冷系統(tǒng)中，制冷劑氮-甲烷經(jīng)循環(huán)壓縮機(jī)10和制動(dòng)壓縮機(jī)7壓縮到工作壓力后，經(jīng)水冷卻器8冷卻，進(jìn)入換熱器2，被冷卻到透平膨脹機(jī)的入口溫度。一部分制冷劑進(jìn)入透平膨脹機(jī)6，膨脹到循環(huán)壓縮機(jī)的入口壓力，與返流制冷劑混合后，作為換熱器4的冷源，回收的膨脹功用于驅(qū)動(dòng)制動(dòng)壓縮機(jī)；另外一部分制冷劑經(jīng)換熱器4和5冷凝和過(guò)冷后，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流、降溫后返流，為換熱器5提供冷量。
6 儲(chǔ)存和裝車(chē)系統(tǒng)
液化后的LNG進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，儲(chǔ)存能力按7d的產(chǎn)量確定，選用有效容積為1750m3的LNG儲(chǔ)罐2座，當(dāng)1座LNG儲(chǔ)罐進(jìn)液時(shí)，另1座LNG儲(chǔ)罐裝車(chē)。
進(jìn)液：來(lái)自液化系統(tǒng)的LNG通過(guò)充裝管道，經(jīng)過(guò)充裝緊急切斷閥、頂部或底部進(jìn)液閥進(jìn)入子罐。在高高液位連鎖或液化單位連鎖的情況下，充裝緊急切斷閥將迅速自動(dòng)關(guān)閉。
出液和裝車(chē)：子罐內(nèi)的LNG通過(guò)低溫泵輸送，經(jīng)過(guò)截止閥和出液緊急切斷閥進(jìn)入槽車(chē)。在火氣關(guān)斷閥連鎖的情況下，出液緊急切斷閥將迅速自動(dòng)關(guān)閉。
該液化裝置的LNG產(chǎn)量為512m3/d，每天裝車(chē)操作按8h計(jì)算，配置80m3/h的外置式離心泵2臺(tái)(1用1備)，LNG裝車(chē)位3個(gè)，可實(shí)現(xiàn)3臺(tái)槽車(chē)同時(shí)裝車(chē)。
7 結(jié)語(yǔ)
本項(xiàng)目從2008年初開(kāi)始設(shè)計(jì)，到2009年6月施工調(diào)試結(jié)束，歷時(shí)1年半。目前該LNG液化工廠已經(jīng)安全投入生產(chǎn)，產(chǎn)量基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：62.
[2] 張朋波，王兆銀，張興興，等.天然氣液化預(yù)處理工藝流程[J].煤氣與熱力，2009，29(9)：B05-B07.
