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1、天然气液化工艺天然气液化工艺工业上，常使用机械制冷使天然气获得液化所必须的低温。典型的液化制 冷工艺大致可以分为三种：阶式(Cascade)制冷、混合冷剂制冷、带预冷的混合 冷剂制冷。一、阶式制冷液化工艺阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是利用常压沸点不同的冷剂逐 级降低制冷温度实现天然气液化的。阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。 图 3-51表示了阶式制冷工艺原理。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲 烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循 环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和 液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约
2、-40)，把冷量传给经脱酸、脱 水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝 为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次 制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由 丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温 度约-100)，使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作， 使天然气温度降至接近-160;经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和 残余气。在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气(LNG)。阶式制冷是 20 世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法
3、。若仅 用丙烷和乙烯(乙烷)为冷剂构成阶式制冷系统，天然气温度可低达近-100， 也足以使大量乙烷及重于乙烷的组分凝析成为天然气凝液。阶式制冷循环的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外，还使 冷量传给蒸发温度较低的冷剂，使其液化并过冷。分级制冷可减小压缩功耗和 冷凝器负荷，在不同的温度等级下为天然气提供冷量，因而阶式制冷的能耗低、 气体液化率高(可达 90%)，但所需设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。图 3-63为阶式制冷液化流程。为了提高冷剂与天然气的换热效率，将每 种冷剂分成 23 个压力等级，即有 23 个冷剂蒸发温度，这样 3 种冷剂共有 89 个递降的蒸发温度，冷剂蒸发
4、曲线的温度台阶数多，和天然气温降曲线较 接近，即传热温差小，提高了冷剂与天然气的换热效率，也即提高了制冷系统 的效率，见图 376。和图 3-86。上述的阶式制冷工艺，制冷剂和天然气 各自构成独立系统，冷剂甲烷和天然气只有热量和冷量的交换，实际上是闭式 甲烷制冷循环。近代已将甲烷循环系统改成开式，即原料气与甲烷冷剂混合构 成循环系统，在低温、低压分离器内生成 LNG。这种以直接换热方式取代常规 换热器的间壁式换热，提高了换热效率。二、混合冷剂制冷液化工艺混合冷剂制冷循环(Mixed Refrigerant Cycle，简称 MRC)是美国空气产品 和化学品公司予 20 世纪 60 年代末开发成
5、功的一项专利技术。混合冷剂由氮、 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成，利用混合物各组分不同沸点，部分冷凝 的特点，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。混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程 的目的，又克服了其系统复杂的缺点。由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。 图 3-93所示的混合冷剂制冷液化流程，主要由两部分构成：密闭的制冷系统 和主冷箱。冷剂蒸气经过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内的低压组分(即冷剂内 的重组分)凝析。低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后 凝析为混合冷剂液体，经 J-T 阀节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压
6、冷剂冷 凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝的天然气引出冷箱，经分离分出 C5+ 凝液，气体返回冷箱进一步降温，产生 LNG。C5+凝液需经稳定处理，使之符合 产品质量要求。在混合制冷剂液化流程的冷箱换热可以是多级的，提供冷量的混合工质的 液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内的热交换过程是个变温过程， 通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。与阶式液化流程相比，其优点是：机组设备少、流程简单、投资省，投 资费用比经典阶式液化流程约低 15%20%：管理方便;混合制冷剂组分可 以部分或全部从天然气本身提取与补充。缺点是：能耗较高，比阶式液化流 程高 10%20%左右;
7、混合制冷剂的合理配比较为困难;流程计算须提供各组 分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。三、带预冷的混合冷剂制冷液化工艺丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC：Propane-Mixed Refrigerant Cycle)，结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简 单。所以自 20 世纪 70 年代以来，这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置 中得到了广泛的应用。目前世界上 80%以上的基本负荷型天然气液化装置中， 采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。图 3-103。是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。流程由三部 分组成：混合制冷剂循环;丙烷预冷循环;天然气液化回路
8、。在此液化流 程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深 冷和液化天然气。混合冷剂由氮、甲烷、丙烷等组成，平均相对分子质量约为 25。混合冷剂 蒸气压缩后，先由空气或水冷却，再经压力等级不同的三级丙烷蒸发器预冷却 (温度达-40)，部分混合冷剂冷凝为液体。液态和气态混合冷剂分别送入主冷 箱内，液态冷剂通过 J-T 阀蒸发时，使天然气降温的同时，还使气态混合冷剂 冷凝。冷凝的混合冷剂(冷剂内的轻组分)在换热器顶端通过 J-T 阀蒸发，使天 然气温度进一步降低至过冷液体。流出冷箱的液态天然气进闪蒸罐，分出不凝 气和 LNG，不凝气作燃料或销售气，LNG 进储罐。由上可知，
9、天然气在主冷箱内 进行二级冷凝，由冷剂较重组分提供温度等级较高的冷量和由较轻组分提供温 度等级较低的冷量。预冷的丙烷冷剂在分级独立制冷系统内循环。不同压力级别的丙烷在不同 温度级别下蒸发气化，为原料气和混合冷剂提供冷量。原料天然气预冷后，进 入分馏塔分出气体内的重烃，进一步处理成液体产品;塔顶气进入主冷箱冷凝为 LNG。因而，预冷混合冷剂制冷过程实为阶式和混合冷剂分级制冷的结合。由热力学分析，带丙烷预冷的混合制冷剂液化流程，“高温”段用丙烷压 缩机制冷，按三个温度水平预冷原料气到-60;“低温”段的换热采用两种方 式：高压的混合冷剂与较高温度原料气换热，低压的混合冷剂与较低温度原料 气换热，最
10、后使原料气深冷到-162而液化，充分体现了热力学特性，从而使热效率得到最大限度的提高。此工艺具有流程简单，效率高，运行费用低，适 应性强等优点，是目前采用最广泛的天然气液化工艺。这种液化流程的操作弹 性很大。当生产能力降低时，通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合 制冷剂循环的效率。当需液化的原料气发生变化时，可通过调整混合制冷剂组 成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。预冷的混合 冷剂采用乙烷和丙烷时(DMR 法)，工艺效率比丙烷预冷高 20%，投资和操作费用 也相对较低。以上三种制冷循环的能耗见表 3-3。表 3-3 天然气液化制冷循环能耗比较能能 耗耗制冷循环方式
11、制冷循环方式kWh/mkWh/m3 3天然气天然气kJ/mkJ/m3 3天然气天然气阶式阶式 混合冷剂混合冷剂 带预冷混合冷剂带预冷混合冷剂0 0 .32.32 0.330.330.3750.375 0 0 .39.3911521152 1200120013501350 14041404表 3-4 列出了丙烷预冷混合制冷剂液化流程 C3/MR、阶式液化流程和双混 合制冷剂液化流程 DMR 的比较。表 3-4 C3/MR、阶式液化流程和 DMR 的比较比较项目C3/MR阶式液化流 程DMR单位 LNG 液化成本设备投资成本能耗操作弹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
12、然气液化技术的发展要求液化制冷循环具有高效、低成本、可靠性好、 易操作等特点。为了适应这一发展趋势，法国燃气公司的研究部门开发了新型 的混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated cascade)，简称为 CII 液化流程。CII 液化流程吸收了国外 LNG 技术最新发展成果，代表天然气液化技术的发展趋势。上海建造的我国第一座调峰型天然气液化装置采用了 CII 液化流程。该流 程如图 3-11 所示，流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设 备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循 环两部分。在天然气液化系
13、统中，预处理后的天然气进入冷箱 12 上部被预冷，在气液 分离器 13 中进行气液分离，气相部分进入冷箱 12 下部被冷凝和过冷，最后节 流至 LNG 储槽。在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是 N2 和 C1C5 的烃类混合物。冷箱 12 出口的低压混合制冷剂蒸气被气液分离器 1 分离后，被低压压缩机 2 压缩至中 间压力，然后经冷却器 3 部分冷凝后进入分馏塔 8。混合制冷剂分馏后分成两 部分，分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱 12，经 预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂;分 馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮甲烷和乙烷，进入冷箱 12 上
14、部被冷却并 部分冷凝，进气液分离器 6 进行气液分离，液体作为分馏塔 8 的回流液，气体 经高压压缩机 4 压缩后，经水冷却器 5 冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分 离器 7 进行气液分离，得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返 回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气的冷凝和过冷。CII 流程具有如下特点：(1) 流程精简、设备少。CII 液化流程出于降低设备投资和建设费用的考 虑，简化了预冷制冷机组的设计。在流程中增加了分馏塔，将混合制冷剂分馏 为重组分(以丁烷和戊烷为主)和轻组分(以氮、甲烷、乙烷为主)两部分。重组 分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部
15、预冷天然气和混合制冷剂;轻 组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。(2) 冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱 结构紧凑，分为上下两部分，由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行 排列，换热面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160左 右液体，减少了漏热损失，并较好地解决了两相流体分布问题。冷箱以模块化 的形式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，降低了建设费 用。(3) 压缩机和驱动机的形式简单、可靠、降低了投资与维护费用。(二) 天然气膨胀液化流程膨胀机液化流程(Expanaer-Cycle)，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀
16、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。天然气膨胀液化流程，是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输 出管道压力而使天然气液化的流程。这种流程的最突出优点是它的功耗小，但 液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低。 膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求 较高。天然气膨胀液化流程见图 3-12。原料气经脱水器 1 脱水后，部分进入脱 CO2 塔 2 进行脱除 CO2。这部分天然气脱除 CO2 后，经换热器 57 及过冷器 8 后液化，部分节流后进入储槽 9 储存，另一部分节流后为换热器 57 和过冷器 8 提供冷量。储槽 9 中自蒸发的气体，首先为换热器 5
