天然氣液化工藝

　　評(píng)論：　更新日期：2013年02月27日

二、混合冷劑制冷液化工藝

混合冷劑制冷循環(huán)(Mixed Refrigerant Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)MRC)是美國(guó)空氣產(chǎn)品和化學(xué)品公司予20世紀(jì)60年代末開(kāi)發(fā)成功的一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)?；旌侠鋭┯傻?、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷組成，利用混合物各組分不同沸點(diǎn)，部分冷凝的特點(diǎn)，進(jìn)行逐級(jí)的冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻和液化天然氣的目的?；旌侠鋭┮夯に嚰冗_(dá)到類(lèi)似階式液化流程的目的，又克服了其系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。由于只有一種冷劑，簡(jiǎn)化了制冷系統(tǒng)。圖3-9^[3]所示的混合冷劑制冷液化流程，主要由兩部分構(gòu)成：密閉的制冷系統(tǒng)和主冷箱。冷劑蒸氣經(jīng)過(guò)壓縮后，由水冷或空冷使冷劑內(nèi)的低壓組分(即冷劑內(nèi)的重組分)凝析。低壓冷劑液體和高壓冷劑蒸氣混合后進(jìn)入主冷箱，接受冷量后凝析為混合冷劑液體，經(jīng)J-T閥節(jié)流并在冷箱內(nèi)蒸發(fā)，為天然氣和高壓冷劑冷凝提供冷量。在中度低溫下，將部分冷凝的天然氣引出冷箱，經(jīng)分離分出C₅⁺凝液，氣體返回冷箱進(jìn)一步降溫，產(chǎn)生LNG。C₅⁺凝液需經(jīng)穩(wěn)定處理，使之符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

在混合制冷劑液化流程的冷箱換熱可以是多級(jí)的，提供冷量的混合工質(zhì)的液體蒸發(fā)溫度隨組分的不同而不同，在換熱器內(nèi)的熱交換過(guò)程是個(gè)變溫過(guò)程，通過(guò)合理選擇制冷劑，可使冷熱流體間的換熱溫差保持比較低的水平。

與階式液化流程相比，其優(yōu)點(diǎn)是：①機(jī)組設(shè)備少、流程簡(jiǎn)單、投資省，投資費(fèi)用比經(jīng)典階式液化流程約低15%～20%：②管理方便；③混合制冷劑組分可以部分或全部從天然氣本身提取與補(bǔ)充。缺點(diǎn)是：①能耗較高，比階式液化流程高10%～20%左右；②混合制冷劑的合理配比較為困難；③流程計(jì)算須提供各組分可靠的平衡數(shù)據(jù)與物性參數(shù)，計(jì)算困難。
三、帶預(yù)冷的混合冷劑制冷液化工藝

丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程(C₃/MRC：Propane-Mixed Refrigerant Cycle)，結(jié)合了階式液化流程和混合制冷劑液化流程的優(yōu)點(diǎn)，流程既高效又簡(jiǎn)單。所以自20世紀(jì)70年代以來(lái)，這類(lèi)液化流程在基本負(fù)荷型天然氣液化裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。目前世界上80%以上的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置中，采用了丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程。

圖3-10^[3]。是丙烷預(yù)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：①混合制冷劑循環(huán)；②丙烷預(yù)冷循環(huán)；③天然氣液化回路。在此液化流程中，丙烷預(yù)冷循環(huán)用于預(yù)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。

混合冷劑由氮、甲烷、丙烷等組成，平均相對(duì)分子質(zhì)量約為25?；旌侠鋭┱魵鈮嚎s后，先由空氣或水冷卻，再經(jīng)壓力等級(jí)不同的三級(jí)丙烷蒸發(fā)器預(yù)冷卻(溫度達(dá)-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(nèi)，液態(tài)冷劑通過(guò)J-T閥蒸發(fā)時(shí)，使天然氣降溫的同時(shí)，還使氣態(tài)混合冷劑冷凝。冷凝的混合冷劑(冷劑內(nèi)的輕組分)在換熱器頂端通過(guò)J-T閥蒸發(fā)，使天然氣溫度進(jìn)一步降低至過(guò)冷液體。流出冷箱的液態(tài)天然氣進(jìn)閃蒸罐，分出不凝氣和LNG，不凝氣作燃料或銷(xiāo)售氣，LNG進(jìn)儲(chǔ)罐。由上可知，天然氣在主冷箱內(nèi)進(jìn)行二級(jí)冷凝，由冷劑較重組分提供溫度等級(jí)較高的冷量和由較輕組分提供溫度等級(jí)較低的冷量。

預(yù)冷的丙烷冷劑在分級(jí)獨(dú)立制冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。不同壓力級(jí)別的丙烷在不同溫度級(jí)別下蒸發(fā)氣化，為原料氣和混合冷劑提供冷量。原料天然氣預(yù)冷后，進(jìn)入分餾塔分出氣體內(nèi)的重?zé)N，進(jìn)一步處理成液體產(chǎn)品；塔頂氣進(jìn)入主冷箱冷凝為L(zhǎng)NG。因而，預(yù)冷混合冷劑制冷過(guò)程實(shí)為階式和混合冷劑分級(jí)制冷的結(jié)合。

由熱力學(xué)分析，帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑液化流程，“高溫”段用丙烷壓縮機(jī)制冷，按三個(gè)溫度水平預(yù)冷原料氣到-60℃；“低溫”段的換熱采用兩種方式：高壓的混合冷劑與較高溫度原料氣換熱，低壓的混合冷劑與較低溫度原料氣換熱，最后使原料氣深冷到-162℃而液化，充分體現(xiàn)了熱力學(xué)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(jiǎn)單，效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前采用最廣泛的天然氣液化工藝。這種液化流程的操作彈性很大。當(dāng)生產(chǎn)能力降低時(shí)，通過(guò)改變制冷劑組成及降低吸入壓力來(lái)保持混合制冷劑循環(huán)的效率。當(dāng)需液化的原料氣發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)整混合制冷劑組成及混合制冷劑壓縮機(jī)吸入和排出壓力，也能使天然氣高效液化。預(yù)冷的混合冷劑采用乙烷和丙烷時(shí)(DMR法)，工藝效率比丙烷預(yù)冷高20%，投資和操作費(fèi)用也相對(duì)較低。

以上三種制冷循環(huán)的能耗見(jiàn)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
制冷循環(huán)方式	kW·h/m³天然氣	kJ/m³天然氣
階式混合冷劑帶預(yù)冷混合冷劑	0 .32 0.33～0.375 0 .39	1152 1200～1350 1404

表3-4列出了丙烷預(yù)冷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(xiàng)目	C₃/MR	階式液化流程	DMR
單位LNG液化成本 ??? ? 設(shè)備投資成本 ??? 能耗 ??? 操作彈性	低 ? ? ?中 ?? 高 ?? 中	高 ?? 高 ?? 低 ?? 差	低 ?? 低 ?? 中 ?? 高

四、其他方法

(一) CII液化流程

天然氣液化技術(shù)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(diǎn)。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，法國(guó)燃?xì)夤镜难芯坎块T(mén)開(kāi)發(fā)了新型的混合制冷劑液化流程，即整體結(jié)合式級(jí)聯(lián)型液化流程(Integral Incorporated cascade)，簡(jiǎn)稱(chēng)為CII液化流程。CII液化流程吸收了國(guó)外LNG技術(shù)最新發(fā)展成果，代表天然氣液化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

上海建造的我國(guó)第一座調(diào)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(shè)備包括混合制冷劑壓縮機(jī)、混合制冷劑分餾設(shè)備和整體式冷箱三部分。整個(gè)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(yù)處理后的天然氣進(jìn)入冷箱12上部被預(yù)冷，在氣液分離器13中進(jìn)行氣液分離，氣相部分進(jìn)入冷箱12下部被冷凝和過(guò)冷，最后節(jié)流至LNG儲(chǔ)槽。

在混合制冷劑循環(huán)中，混合制冷劑是N₂和C₁～C₅的烴類(lèi)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(jī)2壓縮至中間壓力，然后經(jīng)冷卻器3部分冷凝后進(jìn)入分餾塔8?；旌现评鋭┓逐s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(jìn)入冷箱12，經(jīng)預(yù)冷后節(jié)流降溫，再返回冷箱上部蒸發(fā)制冷，用于預(yù)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(jìn)入冷箱12上部被冷卻并部分冷凝，進(jìn)氣液分離器6進(jìn)行氣液分離，液體作為分餾塔8的回流液，氣體經(jīng)高壓壓縮機(jī)4壓縮后，經(jīng)水冷卻器5冷卻后，進(jìn)入冷箱上部預(yù)冷，進(jìn)氣液分離器7進(jìn)行氣液分離，得到的氣液兩相分別進(jìn)入冷箱下部預(yù)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(shí)現(xiàn)天然氣的冷凝和過(guò)冷。

CII流程具有如下特點(diǎn)：

(1) 流程精簡(jiǎn)、設(shè)備少。CII液化流程出于降低設(shè)備投資和建設(shè)費(fèi)用的考慮，簡(jiǎn)化了預(yù)冷制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)。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(jìn)入冷箱上部預(yù)冷天然氣和混合制冷劑；輕組分氣液分離后進(jìn)入冷箱下部，用于冷凝、過(guò)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(jié)構(gòu)緊湊，分為上下兩部分，由經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(nèi)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(wèn)題。冷箱以模塊化的形式制造，便于安裝，只需在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)預(yù)留管路進(jìn)行連接，降低了建設(shè)費(fèi)用。

(3) 壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)的形式簡(jiǎn)單、可靠、降低了投資與維護(hù)費(fèi)用。

(二) 天然氣膨脹液化流程

膨脹機(jī)液化流程(Expanaer-Cycle)，是指利用高壓制冷劑通過(guò)透平膨脹機(jī)絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷實(shí)現(xiàn)天然氣液化的流程。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時(shí)，能輸出功，可用于驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)。當(dāng)管路輸來(lái)的進(jìn)入裝置的原料氣與離開(kāi)液化裝置的商品氣有“自由”壓差時(shí)，液化過(guò)程就可能不要“從外界”加入能量，而是靠“自由”壓差通過(guò)膨脹機(jī)制冷，使進(jìn)入裝置的天然氣液化。流程的關(guān)鍵設(shè)備是透平膨脹機(jī)。

天然氣膨脹液化流程，是指直接利用高壓天然氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹到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(diǎn)是它的功耗小，但液化流程不能獲得像氮?dú)馀蛎浺夯鞒棠菢拥偷臏囟?、循環(huán)氣量大、液化率低。膨脹機(jī)的工作性能受原料氣壓力和組成變化的影響較大，對(duì)系統(tǒng)的安全性要求較高。

天然氣膨脹液化流程見(jiàn)圖3-12。原料氣經(jīng)脫水器1脫水后，部分進(jìn)入脫CO₂塔2進(jìn)行脫除CO₂。這部分天然氣脫除CO₂后，經(jīng)換熱器5～7及過(guò)冷器8后液化，部分節(jié)流后進(jìn)入儲(chǔ)槽9儲(chǔ)存，另一部分節(jié)流后為換熱器5～7和過(guò)冷器8提供冷量。儲(chǔ)槽9中自蒸發(fā)的氣體，首先為換熱器5提供冷量，再進(jìn)入返回氣壓縮機(jī)4，壓縮并冷卻后與未進(jìn)脫CO₂塔的原料氣混合，進(jìn)換熱器5冷卻后，進(jìn)入膨脹機(jī)10膨脹降溫后，為換熱器5-7提供冷量。

對(duì)于這類(lèi)流程，為了能得到較大的液化量，在流程中增加了一臺(tái)壓縮機(jī)，這種流程稱(chēng)為帶循環(huán)壓縮機(jī)的天然氣膨脹液化流程，其缺點(diǎn)是流程功耗大。

圖3-12所示的天然氣直接膨脹液化流程屬于開(kāi)式循環(huán)，即高壓的原料氣經(jīng)冷卻、膨脹制冷與回收冷量后，低壓天然氣直接(或經(jīng)增壓達(dá)到所需的壓力)作為商品氣去配氣管網(wǎng)。若將回收冷量后的低壓天然氣用壓縮機(jī)增壓到與原料氣相同的壓力后，返回至原料氣中開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，則這類(lèi)循環(huán)屬于閉式循環(huán)。