液化天然气工厂

液化天然气工厂
一、什么是液化天然气工厂
液化天然气工厂是将气态天然气经过压缩、净化处理、低温液化等工艺过程加工成液态天然气的加工工厂。

生产原料为气态天然气，由天然气管道引入，成品为液化天然气（LNG）。

液化天然气工厂主要分为基本负荷型、调峰型两大类。

基本负荷型液化天然气工厂是指生产供当地使用或外运的液化天然气的加工工厂；调峰型液化天然气工厂是指为调峰负荷将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下再气化使用的加工工厂。

液化天然气工厂是LNG产业链的一个非常重要的环节。

LNG产业链是一条贯穿天然气产业全过程的资金庞大、技术密集的完整链系。

LNG从生产到供给终端用户是一个完整的系统，形成LNG产业链（如下图所示），包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收站、再汽化装置等。

液化天然气工厂的生产规模通常为每天5、15、30、50、100、
200万方。

一般建设在气田附近或长输管道旁。

其中，气田附近的LNG 工厂建设规模较大，产品通过专用车辆、船舶等进行长途运输；规模较小的LNG工厂也可建于长输高压输配管线的分输站附近，就近销售。

液化天然气工厂上游气源来自天然气气田或长输管道，下游客户主要为LNG/L-CNG加气站、城市燃气、工商业用户等，作为清洁能源被广泛应用于交通运输、居民生活、工商业等领域。

二、国内外液化天然气工厂状况
世界天然气液化工作始于20世纪初，但直到20世纪40年代才建成世界上第一座工业规模的天然气液化装置。

1964年，世界上第一座基本负荷型LNG工厂在阿尔及利亚建成投产。

目前，世界天然气液化技术和工艺已非常成熟。

20世纪90年代初,中国科学院等单位先后为四川和吉林石化企业建成了2座LNG中试装置,生产LNG的能力分别为0.3m3/h和0.5m3/h。

20世纪90年代中期,长庆石油勘探局在陕北建立1座示范性LNG工厂,日处理量为3×104m3/d。

20世纪90年代末,在上海浦东建造了1座日处理量为10×104m3/d的LNG工厂,主要作调峰备用气源。

该装置是由德国燃气公司提供的工艺设计、设备供给及技术服务。

截至2011年底，我国已投产的LNG工厂约38座，主要有新疆广汇150万方/天LNG工厂、鄂尔多斯星星能源100万方/天LNG工厂以及四川达州汇鑫能源100万方/天LNG工厂等，总产能达1167万方/天；在建LNG工厂有30多座，预计未来新建产能约2845万方/天；未来计划扩能LNG 工厂14座；设计或待批准LNG 工厂项目约13座，未来规划产能约1720万方/天。

三、液化天然气工厂主要功能区
液化天然气工厂大致分为厂前区、辅助区、生产区、储罐区、装车区等基本功能区。

厂前区主要包括综合办公楼等基础设施，应远离生产区及储罐区，出入口紧挨道路，安全并对外联系方便。

辅助区有与工艺生产联系紧密的控制室、循环水站、维修及仓库、消防泵房、消防水池及公用工程厂房、导热油炉站等设施。

生产区包括冷剂储存区、压缩机厂房、液化装置区和净化装置区等。

储罐区主要是LNG储罐。

装车区主要包括灌装站、事故存液池以及计量间等等。

附图：济宁50万方/天液化天然气项目效果图。

四、生产工艺
液化天然气的生产工艺主要包括原料天然气的净化处理、天然气液化和天然气储存三个单元。

工艺流程如下图：
1、天然气的净化单元
天然气的净化处理，目的是除去低温过程中会(因杂质)固化而产生堵塞或腐蚀设备和管道的成分。

这些成分包括二氧化碳、硫化氢、水、汞、重烃等。

（1）天然气脱酸
酸性气体不但对人体有害，对设备管道有腐蚀作用，而且因其沸点较高，在降温过程中易呈固体析出，堵塞管道。

此外，CO2含量过
高，会降低天然气的热值，故必须脱除。

天然气脱酸气的常用方法有三种：化学吸收法、固体干燥剂吸附法、膜分离法。

其中，化学吸收法分为醇胺法、热钾碱法、砜胺法三种方法。

醇胺法利用胺为溶剂与原料气中的酸性气发生化学反应，可同时脱除CO2和H2S。

目前主要采用一乙醇胺（MEA）和甲基二乙醇胺（MDEA）为溶剂。

当原料气中只含有CO2，且CO2含量较低时（CO2含量一般在1%左右），一般选择一乙醇胺（MEA）；若原料气中CO2含量较高（CO2含量一般1-8%），或同时含有CO2、H2S时，则选用甲基二乙醇胺（MDEA）。

一乙醇胺（MEA）水溶液浓度为15-18%，甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液浓度为50%左右。

热钾碱法采用碳酸钾与甲基二乙醇胺为溶剂，并加少量催化剂配成吸收溶液，可同时除去CO2和H2S。

热钾碱法的吸收温度较高，净化程度好，原料气中CO2含量高时用此法较为经济。

砜胺法的吸收溶液是物理溶剂环丁砜、化学吸收剂二异丙醇胺加少量的水组成，通过物理与化学作用选择性地同时吸收原料气中的CO2和H2S，然后在常压或稍高于常压下将溶液加热再生以供循环使用。

对于低温装置，经环丁砜洗涤后的天然气还要经过吸附处理，以达到低温装置对CO2和H2S的要求，该法工艺复杂，投资大。

当天然气中酸性气分压较高，且CO2比H2S浓度低时，此法较经济。

固体干燥剂吸附法是用分子筛吸附原料气中的CO2，该法需要两个吸附塔切换使用，适用于CO2含量很低的原料气，对于CO2含量很高的原料气，其设备投资和操作费用高、热量消耗大。

膜分离法适用于酸性气含量很高的原料气（>20%），其特点是原料气中酸性气含量越高，经济上越有利。

（2）天然气脱水
若天然气中含有水分，则在液化装置中，水在低于零度时将以冰或霜的形式冻结在换热器的表面和节流阀的工作部分。

另外，天然气和水会形成天然气水合物，它是半稳定的固态混合物，可以在零度以上形成，它不仅可能导致管线堵塞，也可造成喷嘴和分离设备的堵塞。

为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到-100℃以下。

常用的天然气脱水方法有冷却法、吸收法和吸附法等。

冷却脱水是利用当压力不变时，天然气的饱和含水量随温度降低而减少的原理实现天然气脱水。

此法只适用于大量水分的粗分离。

通常用冷却法脱除水分的过程中，还会脱除部分重烃。

吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收的方法脱除气流中的水蒸气。

三甘醇脱水由于露点降大和运行可靠，在各类甘醇类化合物中其经济效益最好，因而国外广为采用。

我国主要使用二甘醇或三甘醇作脱水吸收剂，在三甘醇脱水吸收剂和固体脱水吸附剂两者脱水都能满足露点降的要求时，采用三甘醇脱水经济效益更好。

冷却法和吸收法脱水深度较低，不能用于深冷装置，因此天然气液化脱水大多采取吸附法。

吸附法常用的吸附剂是活性氧化铝、硅胶及分子筛三大类。

分子筛是一种天然或人工合成的沸石型硅铝酸盐，天然分子筛也称沸石，人工合成的则多称分子筛。

要用分子筛脱水，选择4A分子筛是比较合适的，可以吸附CO2和H2S等杂质，但不吸附重烃，是优良的水吸附剂。

分子筛的主要缺点是当有油滴或醇类等化学品带入时，会使分子筛变质恶化；再生时耗热高。

（3）天然气脱汞
汞蒸气会导致铝热交换器和管道产生严重腐蚀。

当汞存在时，铝会与水反应生成白色粉末状的腐蚀产物，严重破坏铝的性质。

极微量的汞含量足以给铝制设备带来严重的破坏，而且汞还会造成环境污染，以及在检修过程中对人员的危害，所以汞含量如超标就必须脱除。

目前，脱汞工艺主要采用专用脱汞剂吸收汞，即用分子筛吸附法或采用浸硫活性炭使汞与硫产生化学反应生成硫化汞并吸附在活性炭上。

汞的脱除可以在脱酸前，也可以在脱水后。

（4）天然气脱重烃
重烃的脱除目前有两种十分成熟的工艺，一种是低温分离脱重烃工艺，另一种是采用活性炭吸附脱重烃工艺。

杂质净化标准如图所示:
杂质控制指标
H2O≤1ppmV
CO2≤50ppmV
Hg≤0.01μg/Nm3
H2S≤3.5mg/Nm3(4ppmV)
总S含量10～50mg/Nm3
芳香烃类≤10ppmV
2、天然气的液化单元
天然气的液化流程有不同的形式，按制冷方式分，可分为以下三种方式：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程以及带膨胀机的液化流程。

需要指出的是，这样的划分并不是严格的，通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。

天然气液化装置可分为基本负荷型液化装置、调峰型液化装置及浮式液化天然气生产储卸装置。

基本负荷型液化装置是指生产供当地使用或外运的大型液化装置。

对于这种天然气液化装置，其液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。

调峰型液化装置指为调峰负荷将低峰负荷时过剩的天然气液化储存，在高峰时或紧急情况下再气化使用。

与基本负荷型LNG装置相比，调峰型LNG装置是小流量的天然气液化装置，非常年连续运行，生产规模较小，其液化能力一般为高峰负荷量的1/10左右。

对于调峰型LNG装置，其液化部分常采用带膨胀机的液化流程和混合制冷剂液化流程。

浮式液化天然气生产储卸装置是一种新型的边际气田、海上气田天然气的液化装置，以其投资较低、建设周期短、便于迁移等优点备受青睐。

级联式液化流程也被称为阶式液化流程、复叠式液化流程或串联蒸发冷凝液化流程，主要用于基本负荷型天然气液化装置。

混合制冷剂液化流程（MRC）是以C1至C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。

MRC即达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。

带膨胀机液化流程是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。

气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机。

当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化。

流程的关键设备是透平膨胀机。

由于
带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置。

目前，天然气液化工艺逐步从阶式制冷、氮（甲烷）膨胀制冷向混合制冷工艺过渡。

3、天然气的储存单元
（1）LNG储罐
无论基本负荷型液化装置还是调峰型装置，液化后的天然气都要储存在储罐内。

LNG为低温深冷介质，储存设备及相关设备设施要具备可靠的耐低温深冷性能。

特别是储存设备应至少满足耐低温-162℃以下，应达到-196℃。

LNG储罐通常分为常压、带压两种。

其中，常压罐适用于LNG的大量储存的装置。

其储存特点为：
●储罐的容积一般较大，结构简单
●承压能力较低，蒸发率较高
●常压储罐的无损(憋压)储存时间较短
高压储存适用于LNG的少量储存，使用的是高压储罐。

其储存特点为：
●储罐容积较小
●承压能力较高
●使用真空隔热结构，隔热性能较好，所以罐内LNG的蒸发率较低
产品液化天然气经节流后储存在LNG储罐中，储罐内的LNG经LNG 装车泵送至装车站装车外运。

（2）LNG储存中的安全问题
LNG在储存期间，无论隔热效果如何好，总要产生一定数量的蒸发气体。

储罐容纳这些气体的数量是有限的，当储罐内的工作压力达到允许最大值时，蒸发的气体继续增加，会使储罐内的压力上升，超过设计压力。

LNG储罐的压力控制对安全储存有非常重要的意义。

涉及到LNG的安全充注数量，压力控制与保护烯烃和储存的稳定性等诸多因素。

LNG储存安全技术主要有以下几个方面：
1）储罐材料。

材料的物理特性应适应在低温条件下工作，如材料在低温工作状态下的抗拉和抗压等机械强度、低温冲击韧性和热膨
胀系数等。

2）LNG充注。

储罐的充注管路设计应考虑在顶部和底部均能冲灌，这样能防止LNG产生分层，或消除已经产生的分层现象。

3）储罐的地基。

应能经受得起与LNG直接接触的低温，在意外情况下万一LNG产生漏泻或溢出，LNG与地基直接接触，地基应不会损坏。

4）储罐的隔热。

隔热材料必须是不可燃的，并有足够的牢度，能承受消防水的冲击力。

当火蔓延到容器外壳时，隔热层不应出现熔化或沉降，隔热效果不应迅速下降。

5）安全保护系统。

储罐的安全防护系统必须可靠，能实现对储液位、压力的控制和报警，必要时应该有多级保护。