天然氣液化工藝

1、天然氣液化工藝工業(yè)上， 常使用機械制冷使天然氣獲得液化所必須的低溫。典型的液化制冷工藝大致可以分為三種：階式（Cascade） 制冷、混合冷劑制冷、帶預冷的混合冷劑制冷。一、階式制冷液化工藝階式制冷液化工藝也稱級聯式液化工藝。這是利用常壓沸點不同的冷劑逐級降低制冷溫度實現天然氣液化的。階式制冷常用的冷劑是丙烷、乙烯和甲烷。圖3-51 表示了階式制冷工藝原理。第一級丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量 ; 第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量; 第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量。制冷劑丙烷經壓縮機增壓，在冷凝器內經水冷變成飽和液體，節(jié)流后部分冷劑在蒸發(fā)器內蒸發(fā)（ 溫度約- 40 ） ，

2、把冷量傳給經脫酸、脫水后的天然氣， 部分冷劑在乙烯冷凝器內蒸發(fā)，使增壓后的乙烯過熱蒸氣冷凝為液體或過冷液體，兩股丙烷釋放冷量后匯合進丙烷壓縮機，完成丙烷的一次制冷循環(huán)。冷劑乙烯以與丙烷相同的方式工作，壓縮機出口的乙烯過熱蒸氣由丙烷蒸發(fā)獲取冷量而變?yōu)轱柡突蜻^冷液體，節(jié)流膨脹后在乙烯蒸發(fā)器內蒸發(fā)（ 溫度約- 100 ） ，使天然氣進一步降溫。最后一級的冷劑甲烷也以相同方式工作，使天然氣溫度降至接近- 160 ; 經節(jié)流進一步降溫后進入分離器，分離出凝液和殘余氣。在如此低的溫度下，凝液的主要成分為甲烷，成為液化天然氣（LNG）。階式制冷是20 世紀六七十年代用于生產液化天然氣的主要工藝方法。若僅用丙

3、烷和乙烯（ 乙烷 ） 為冷劑構成階式制冷系統(tǒng)，天然氣溫度可低達近- 100， 也足以使大量乙烷及重于乙烷的組分凝析成為天然氣凝液。階式制冷循環(huán)的特點是蒸發(fā)溫度較高的冷劑除將冷量傳給工藝氣外，還使冷量傳給蒸發(fā)溫度較低的冷劑，使其液化并過冷。分級制冷可減小壓縮功耗和冷凝器負荷， 在不同的溫度等級下為天然氣提供冷量，因而階式制冷的能耗低、氣體液化率高（ 可達90%），但所需設備多、投資多、制冷劑用量多、流程復雜。圖 3-63 為階式制冷液化流程。為了提高冷劑與天然氣的換熱效率，將每2 3 個壓力等級，即有2 3 個冷劑蒸發(fā)溫度，這樣 3 種冷劑共有89 個遞降的蒸發(fā)溫度，冷劑蒸發(fā)曲線的溫度臺階數多，

4、和天然氣溫降曲線較接近，3 76 。 和圖 3-86 。 上述的階式制冷工藝，制冷劑和天然氣各自構成獨冷劑甲烷和天然氣只有熱量和冷量的交換，實際上是閉式甲烷制冷循環(huán)。即原料氣與甲烷冷劑混合構成循環(huán)系統(tǒng)，在低低壓分離器內生成LNG。 這種以直接換熱方式取代常規(guī)換熱器的間壁式換熱，kJ/mol20006000100014001()00 2000 3000 4000 5000 6000 7000-Btu/mol)gooooooo OOOO 000000 8 6 4 2 24 6802 468O24&1A - - - - n 11 11 n 1* 2 2 2 2_ 一 _ _ _7三溫度水平階

5、式循環(huán)的冷卻曲線二、混合冷劑制冷液化工藝混合冷劑制冷循環(huán)（Mixed Refrigerant Cycle ，簡稱MRC是美國空氣產品）20 世紀 60 年代末開發(fā)成功的一項專利技術?；旌侠鋭┯傻⒓?-93（ 即冷劑內的重組分）低壓冷劑液體和高壓冷劑蒸氣混合后進入主冷箱，接受冷量后凝析為混合J-T 閥節(jié)流并在冷箱內蒸發(fā)，為天然氣和高壓冷劑冷凝提供冷量。C5+凝液，氣體返回LNG。 C5+凝液需經穩(wěn)定處理，使之符合產品質量要求。在混合制冷劑液化流程的冷箱換熱可以是多級的，提供冷量的混合工質的液體蒸發(fā)溫度隨組分的不同而不同，在換熱器內的熱交換過程是個變溫過程，通過合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間的換

6、熱溫差保持比較低的水平。與階式液化流程相比，其優(yōu)點是：機組設備少、流程簡單、投資省，投資費用比經典階式液化流程約低15% 20%： 管理方便; 混合制冷劑組分可以部分或全部從天然氣本身提取與補充。缺點是：能耗較高，比階式液化流程高10% 20%左右; 混合制冷劑的合理配比較為困難; 流程計算須提供各組分可靠的平衡數據與物性參數，計算困難。三、帶預冷的混合冷劑制冷液化工藝丙烷預冷混合制冷劑液化流程(C3/MRC： Propane-Mixed RefrigerantCycle) ， 結合了階式液化流程和混合制冷劑液化流程的優(yōu)點，流程既高效又簡單。所以自 20 世紀 70 年代以來，這類液化流程在基

7、本負荷型天然氣液化裝置中得到了廣泛的應用。目前世界上80%以上的基本負荷型天然氣液化裝置中，采用了丙烷預冷混合制冷劑液化流程。圖 3-103 。是丙烷預冷混合制冷劑循環(huán)液化天然氣流程圖。流程由三部分組成： 混合制冷劑循環(huán); 丙烷預冷循環(huán); 天然氣液化回路。在此液化流程中，丙烷預冷循環(huán)用于預冷混合制冷劑和天然氣，而混合制冷劑循環(huán)用于深冷和液化天然氣?；旌侠鋭┯傻⒓淄?、丙烷等組成，平均相對分子質量約為25?；旌侠鋭┫扔煽諝饣蛩鋮s，再經壓力等級不同的三級丙烷蒸發(fā)器預冷卻( 溫- 40 ) ， 部分混合冷劑冷凝為液體。液態(tài)和氣態(tài)混合冷劑分別送入主冷箱內，J-T 閥蒸發(fā)時，使天然氣降溫的同時，還使氣

8、態(tài)混合冷劑冷凝。冷( 冷劑內的輕組分) 在換熱器頂端通過J-T 閥蒸發(fā)， 使天然氣溫度進LNG，不LNG進儲罐。由上可知，天然氣在主冷箱內進行二級冷凝，預冷的丙烷冷劑在分級獨立制冷系統(tǒng)內循環(huán)。不同壓力級別的丙烷在不同溫為原料氣和混合冷劑提供冷量。原料天然氣預冷后，進入分進一步處理成液體產品; 塔頂氣進入主冷箱冷凝為LNG。由熱力學分析，帶丙烷預冷的混合制冷劑液化流程， “高溫”段用丙烷壓縮-6 0; “低溫”段的換熱采用兩種方式：最后使原料氣深冷到- 162而液化，充分體現了熱力學特性，從而使熱效率 得到最大限度的提高。此工藝具有流程簡單，效率高，運行費用低，適應性強等優(yōu)點， 是目前采用最廣泛

9、的天然氣液化工藝。這種液化流程的操作彈性很大。當生產能力降低時，通過改變制冷劑組成及降低吸入壓力來保持混合制冷劑循環(huán)的效率。 當需液化的原料氣發(fā)生變化時，可通過調整混合制冷劑組成及混合制冷劑壓縮機吸入和排出壓力，也能使天然氣高效液化。預冷的混合冷劑采用乙烷和丙烷時（DMR法 ） ，工藝效率比丙烷預冷高20%，投資和操作費用也相對較低。以上三種制冷循環(huán)的能耗見表3-3。表 3-3 天然氣液化制冷循環(huán)能耗比較制冷循環(huán)方式能耗3 kW· h/m 天然氣kJ/m3天然氣階式0 .321152混合冷劑0.33 0.3751200 1350帶預冷混合冷劑01404.39表 3-4 列出了丙烷預冷

10、混合制冷劑液化流程C3/MR、 階式液化流程和雙混合制冷劑液化流程DMR的比較。表 3-4 C3/MR、階式液化流程和DMR的比較比較項目C3/MR階式液化流程DMR單位LNG液化成本低高高低低設備投資成本中低中能耗操作彈性高中差高四、其他方法（一 ） CII 液化流程天然氣液化技術的發(fā)展要求液化制冷循環(huán)具有高效、低成本、 可靠性好、易操作等特點。為了適應這一發(fā)展趨勢，法國燃氣公司的研究部門開發(fā)了新型的混合制冷劑液化流程，即整體結合式級聯型液化流程（Integral Incorporatedcascade) ，簡稱為CII 液化流程。CII 液化流程吸收了國外LNG技術最新發(fā)展成果，代表天然氣

11、液化技術的發(fā)展趨勢。上海建造的我國第一座調峰型天然氣液化裝置采用了CII 液化流程。該流程如圖 3-11 所示，流程的主要設備包括混合制冷劑壓縮機、混合制冷劑分餾設備和整體式冷箱三部分。整個液化流程可分為天然氣液化系統(tǒng)和混合制冷劑循環(huán)兩部分。在天然氣液化系統(tǒng)中，預處理后的天然氣進入冷箱12 上部被預冷，在氣液分離器 13 中進行氣液分離，氣相部分進入冷箱12 下部被冷凝和過冷，最后節(jié)流至 LNG儲槽。在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑是N2和 C1 C5的烴類混合物。冷箱12出口的低壓混合制冷劑蒸氣被氣液分離器1 分離后， 被低壓壓縮機2 壓縮至中間壓力， 然后經冷卻器3 部分冷凝后進入分餾塔8。

12、 混合制冷劑分餾后分成兩部分，分餾塔底部的重組分液體主要含有丙烷、丁烷和戊烷，進入冷箱12，經預冷后節(jié)流降溫，再返回冷箱上部蒸發(fā)制冷，用于預冷天然氣和混合制冷劑; 分餾塔上部的輕組分氣體主要成分是氮甲烷和乙烷，進入冷箱12上部被冷卻并部分冷凝， 進氣液分離器6 進行氣液分離，液體作為分餾塔8 的回流液，氣體經高壓壓縮機 4 壓縮后， 經水冷卻器5 冷卻后， 進入冷箱上部預冷，進氣液分離器7 進行氣液分離，得到的氣液兩相分別進入冷箱下部預冷后，節(jié)流降溫返回冷箱的不同部位為天然氣和混合制冷劑提供冷量，實現天然氣的冷凝和過冷。CII 流程具有如下特點：(1) 流程精簡、設備少。 CII 液化流程出于

13、降低設備投資和建設費用的考慮，簡化了預冷制冷機組的設計。在流程中增加了分餾塔，將混合制冷劑分餾為重組分 ( 以丁烷和戊烷為主) 和輕組分( 以氮、甲烷、乙烷為主) 兩部分。重組分冷卻、節(jié)流降溫后返流，作為冷源進入冷箱上部預冷天然氣和混合制冷劑; 輕組分氣液分離后進入冷箱下部，用于冷凝、過冷天然氣。(2) 冷箱采用高效釬焊鋁板翅式換熱器，體積小， 便于安裝。整體式冷箱結構緊湊， 分為上下兩部分，由經過優(yōu)化設計的高效釬焊鋁板翅式換熱器平行排列，換熱面積大，絕熱效果好。天然氣在冷箱內由環(huán)境溫度冷卻至- 160左右液體，減少了漏熱損失，并較好地解決了兩相流體分布問題。冷箱以模塊化的形式制造，便于安裝，

14、只需在施工現場對預留管路進行連接，降低了建設費用。(3) 壓縮機和驅動機的形式簡單、可靠、降低了投資與維護費用。( 二 ) 天然氣膨脹液化流程膨脹機液化流程(Expanaer-Cycle) ， 是指利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實現天然氣液化的流程。氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時， 能輸出功，可用于驅動流程中的壓縮機。當管路輸來的進入裝置的原料氣與離開液化裝置的商品氣有“自由”壓差時， 液化過程就可能不要“從外界”加入能量， 而是靠“自由”壓差通過膨脹機制冷， 使進入裝置的天然氣液化。流程的關鍵設備是透平膨脹機。天然氣膨脹液化流程，是指直接利用高壓天然氣在膨脹機中絕熱膨脹到

15、輸出管道壓力而使天然氣液化的流程。這種流程的最突出優(yōu)點是它的功耗小，但液化流程不能獲得像氮氣膨脹液化流程那樣低的溫度、循環(huán)氣量大、液化率低。膨脹機的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大，對系統(tǒng)的安全性要求較高。天然氣膨脹液化流程見圖3-12。 原料氣經脫水器1 脫水后， 部分進入脫CO2塔 2 進行脫除CO2。這部分天然氣脫除CO2后，經換熱器5 7 及過冷器8 后液化，部分節(jié)流后進入儲槽9 儲存，另一部分節(jié)流后為換熱器5 7 和過冷器8 提供冷量。 儲槽 9 中自蒸發(fā)的氣體，首先為換熱器5 提供冷量，再進入返回氣壓縮機 4，壓縮并冷卻后與未進脫CO2塔的原料氣混合，進換熱器5 冷卻后，進入膨脹機 10 膨脹降溫后，為換熱器5-7 提供冷量。對于這類流程，為了能得到較大的液化量，在流程中增加了一臺壓縮機，這種流程稱為帶循環(huán)壓縮