天然气液化技术及其应用

刘亮 张睿

摘 要：中国天然气勘探仍处于早期勘探阶段，发现大气田的几率很大。中国天然气产量连年迈上新台阶。但我国天然气的产量仍远不能满足经济发展的需求。由于天然气的产地往往不在工业或人口集中地区，长输干线的建设涉及地理位置和成本的限制，为天然气的利用带来一定的制约。液化天然气，作为天然气的液态形式，其独特优势为天然气的利用提供了多元化的选择空间。该文主要讨论天然气液化过程中主要技术，及液化天然气的利用及安全问题，希望能有同行共勉。

关键词：天然气 液化技术 液化天然气（LNG）

中图分类号： TN2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-0-02

1 天然气及液化天然气

天燃气是埋设在地下的有机物分解后形成的，其主要成分为甲烷（CH4），常温常压下是无色、无味、无毒且无腐蚀性的气体；天然气是最洁净的化石燃料；天然气比空气轻，扩散迅速，不会在区域内沉积。天然气燃烧后所排放的氮氧化物、可吸入悬浮微粒极少，温室效应气体低。在世界各地，天然气已经被广泛地应用于城市燃气、公共交通、工业燃料和化工原料等。近年来，更成为日益普及的新一代发电燃料（图1）。

中国天然气勘探仍处于早期勘探阶段，发现大气田的几率很大。中国天然气产量更是连年迈上新台阶。但我国天然气的产量仍远不能满足经济发展的需求。由于天然气的产地往往不在工业或人口集中地区，长输干线的建设涉及地理位置和成本的限制，为天然气的利用带来一定的制约。液化天然气（LNG），作为天然气的液态形式，其独特优势为天然气的利用提供了多元化的选择空间。天然气的临界温度为190.58 K（-84.57 ℃），故在常温下，无法仅靠加压将其液化。通常的液化天然气（LNG）多存储在112K（-161.15 ℃）、压力为0.1 MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度为汽油的72%，十分有利于输送和储存。液化天然气（LNG）运输灵活、储存效率高，用作城市输配气系统扩容、调峰等方面，与地下储气库、储气柜等其他方式相比更具优势，并且具有建设投资小、建设周期短、见效快、受外部影响因素小等优点。作为优质的车用燃料，与汽车燃油相比，LNG具有辛烷值高、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、发动机寿命长、运行成本低等优点；与压缩天然气（CNG）相比，LNG则具有储存效率高，续驶里程长，储瓶压力低、重量轻、数量小，建站不受供气管网的限制等优点。天然气的液化、储存技术已逐步成为一项重大的先进技术。我国的LNG产业正处在蓬勃发展的阶段。

2 天然气液化技术

天然气液化系统主要包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用这5个子系统。一般生产工艺过程是，将含甲烷90%以上的天然气，经过脱水、脱烃、脱酸性气体等“三脱”净化处理后，采取先进的膨胀制冷工艺或外部冷源，使甲烷变为-162 ℃的低温液体。

2.1 天然气预处理

天然气的预处理是指脱除天然气中的水分、酸性气体、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温下冻结而堵塞设备和管道。脱水的方法有冷却脱水、吸收脱水、吸附脱水三种方式。 由地层采出的天然气除通常含有水蒸气外，往往还含有一些酸性气体。天然气最常见的酸性气体是H2S、CO2和COS。含有酸性气体的天然气通常称为酸性气或含硫气。酸性气体不但对人身有害，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，故必须脱除。脱酸的方法主要有醇胺法和分子筛吸附。

2.2 天然气液化及装置

液化天然气的液化流程有不同的型式，以制冷方式可分为：①级联式液化流程；②混合制冷剂液化流程；③带膨胀机的液化流程。

天然气液化装置包括基本负荷型和调峰型两种。基本负荷型是一种大型液化装置，供当地使用或外运之用。这种基本负荷型天然气液化装置的液化单元常采用级联式液化流程和混合制冷剂液化流程。20世纪80年代后新建与扩建的基本负荷型天然气液化装置，则几乎无例外地采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程。

调峰型液化天然气装置，主要作用是为了调峰负荷或补充冬季燃料供应，也就是在低峰负荷时将过剩的天然气液化储存，以供高峰时或紧急情况下使用。它对于匹配峰荷和增加供气的可靠性等方面有着重要作用，也大大提高了管网的经济性。调峰LNG装置与基本负荷型LNG装置相比，属于小流量的天然气液化装置，生产规模小，也不是常年连续运行 。对于调峰型液化天然装置，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。

2.3 液化天然气的运输

液化后的天然气，其体积缩小620倍，因此，液化天然气更加便于经济安全的运输。从输气经济性方面来讲，陆上3000 km左右运距内，通过管道输气在最为经济，运距超过3500 km后，船运液化天然气能够比管道输气具有更大的优势，可节省大量风险性管道投资，大大降低运输成。

在LNG船的建造发展中，技术进步的一个重要方面是不断提高LNG液货运输效益。它主要反映在日气化率的降低及蒸发气的回收和利用上。在目前运营的LNG船上，将蒸发气直接作为动力燃料消耗掉，而不再回收液化，基本上还没有再液化装置。为了船舶的经济运行，在LNG船上装备再液化装置，对此已开始了可行性研究，且已进入研究模拟阶段液化天然气船，是公认的高技术、高附加值、高可靠性要求的“三高船”，单艘造价在1.6亿美元左右。每艘可运载约14.7万m3的液化天然气。液化天然气清洁、高效、价廉，是我国能源开发利用的重点目标。目前我国的天然气在一次能源消费中仅占1.9%左右，远低于世界25%和亚洲8.8%的平均水平，加之国内已经发现和开发的天然气资源有限，我国天然气的供求缺口仍较大。液化天然气（LNG）船的建造，正是增强进口液化天然气运输能力的需要。

运输液化天然气的船舶需具备在零下163 ℃运输液化天然气的能力，船上货物操控系统在温度巨大变化时仍可以处理液货，此外液化天然气在海上航行中自然挥发的天然气应该可以经管路输送到船舶主机中燃烧，以上技术要求对建造LNG船设置了很高的门槛，在相当长一段时间里世界上只有日本和韩国以及欧洲一些国家能够建造。作为我国第一个引进LNG项目的试点，广东LNG项目于1999年12月获国家批准立项，2003年12月28日由沪东中华造船公司正式开工建设，2006年6月底竣工投产。沪东中华造船公司是国内第一家能够制造LNG船的造船企业，中国航运业也已经加入到LNG产业链中，其在国际航运界的地位也进一步提升。

3 液化天然气应用

3.1 液化天然气冷能的利用

LNG具有广泛的用途。比如在民用负荷调峰、发电、工业用户和商业用户等方面都发挥着重要的作用。液化天然气因为经过深度冷冻液化而蕴藏着巨大的能量.液化天然气冷能利用原理是：当LNG与常温常压环境之间存在的温度和压力差时候，LNG由液态变成气态，蕴藏在其中的巨大冷能会释放出来，回收利用这些能量就是液化天然气冷能的利用。在常压下，每公斤液化天然气到常温气态大约可释放出879 KJ的能量.利用LNG冷能 利用范围也十分广泛，比如发电、空气液化分离、冷冻仓库、制造液化二氧化碳，比如低温破碎、水和污染物处理及冷冻食品等。

3.2 调峰

液化天然气的运输和储存比地下储气库具有更大的优势： 不受地理条件＼运输距离和容量的限制，而且经济便捷。因此，液化天然气可以用来有效的调剂世界天然气的供应。它可以使能源短缺的国家得到供气保证，可以对气源充沛的国家进行有效调峰，补充天燃气使用高峰期的不足，可以弥补难以建地下储气库城市的供气不足。液化天然气调峰技术在西方国家已经发展的比较成熟。我国也正在引进这项技术。

3.3 发电

天然气在液化前预处理过程中 脱除了很多气体杂质，LNG作为燃料燃烧时，S02和NOx等有害气体释放量很少，被称为清洁能源。因此，液化天然气被广泛用于发电领域，大大减少了城市污染，促进了经济与环境的协调发展。

3.4 LNG应用于汽车

天然气作为清洁的能源，对环境污染小，被视为汽车的优质待用燃料，而被各个国家大力推广。按照天然气的储存方式不同，天然气汽车大致分为CNGV（压缩天然气汽车）、LNGV（液化天然气汽车）、和ANGV（吸附天然气汽车）。用LNG作为汽车燃料与传统的石油类燃料或者CNG和LPG相比都具有明显的优势，储存能量大、压力低、噪声低、环保、经济。我国也大力发展天然气汽车，但是在LNGV方面的应用仍与国外有很大差距。

3.5 未来应用前景

专家预言，液化天然气未来将在那些耗气量大、不可能使用压缩天然气的运输工具，如飞行器、铁路机车以及船舶上大显身手。 因此，近年来国际上纷纷大规模展开了低温飞行器及相关基础设施（生产、运输、存储以及加注等）的科研和试验设计工作。

液化天然气不含氧，易燃性低于煤油，储罐不要求做成防燃防爆型。而且一旦在系统中发生较小的泄漏，可以在还没形成危险浓度前被监测仪发现，并且会很快蒸发并吹走正在泄露或者燃烧的低温燃料，从而杜绝了燃烧及爆炸的发生，保证了乘客及飞机的安全。而如果飞机在使用煤油时发生泄漏，只有已经发生燃烧才能被发现，随着世界能源需求的逐渐上升，各国环保法规的日趋严厉，国外有专家预计，2010～2017年欧洲、美国、加拿大、日本等国以及一些海滨疗养地、内河湖泊船运水域、繁忙的远洋运输线以及大型码头将可能限制使用柴油动力船舶，而是更多地采用液化天然气

船舶。

4 液化天然气的安全性

4.1 安全隐患

液化天然气经常出现的安全隐患有：蒸发（boil-off ）、闪蒸（flash）和翻滚现象（rollover）。

当储罐内的LNG用得差不多时，就需要及时补充。补充的方式有：LNG运输船；LNG运输车和制冷设备。由于LNG的密度、蒸汽压等参数与温度有关。

当新注入储罐LNG的密度与储罐内原有LNG的密度存在差别时，LNG就会暂时分层。在层与层之间传热、传质、逐渐混合的过程中，LNG的蒸发速度也会随时变化，这种变化在一般情况下是很小的。

但是，在某些特定条件下，蒸发速度会剧增，出现所谓的“翻滚”现象，导致LNG储罐内的压力超过设计要求。

LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传入的热量，无法使下层的LNG及时蒸发，造成下层LNG处于过饱和状态。当储罐内上层的LNG密度大于下层时，下层LNG突然上升，导致迅速蒸发，即翻滚现象。如果实际操作中没有预防措施，将会导致严重的事故。

4.2 安全隐患的预防

为了防止LNG分层，当船运LNG注入储罐时，应尽量通过储罐顶部布料器等措施，设法使注入LNG的饱和蒸汽压与原罐内的饱和蒸汽压达到平衡。如果，LNG通过陆上槽罐车运抵罐区，在灌装时，不同槽车LNG注入同一的储罐，可能会形成几个分层，应监测并及时采取强制混合措施。

另外，对于调峰LNG储罐，即使可以控制LNG制冷温度和压力，如果同时也接受外来LNG，也应注意翻滚现象。而且，如果该调峰储罐储有LNG，并持续一段时间未再注入或使用LNG，则由于外界热量的导入，使LNG蒸发，从而使罐内的LNG密度提高，这时再注入LNG，就有可能形成LNG的分层。

在实际操作过程中，可以采取一些方法防止LNG分层和翻滚：充分搅和所有灌入储罐的LNG，防止LNG的分层；控制灌入储罐LNG组分（和密度）的变化范围；设置安全放散口、放散火炬、回收压缩系统等，防止LNG蒸发、翻滚造成罐超压。

5 结语

为了适应经济的发展和环境保护的要求，液化天然气技术具有广阔的发展空间。为了更加有效的利用这一资源，需要我们在天然气液化与储运技术方面付出付出更多的努力。

参考文献

[1] 顾安忠.液化天然气技术[M].机械工业出版社，2011.

[2] 天然气液化技术研究[J].兰州理工大学学报，2004（6）.

[3] 李博洋.天然气储存及应用技术论文.2009.