天然气气质对LNG生产的影响

刘醇根

（宁夏哈纳斯液化天然气有限公司，宁夏 银川 750021）

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）产业是目前化工产业最重要的一条生产线，工业用LNG主要用于发电、生产陶瓷和玻璃，生活用LNG主要服务中小城镇，用作调峰的备用气源、车用LNG燃料等。近年来，我国LNG储量持续增加，且生产规模不断扩大，截至2019年，中国的LNG总出口量已经位居世界首位，不仅反映了世界天然气格局的变化，也彰显了我国在化工生产领域的结构性调整。LNG生产最重要的是天然气气质，其对生产线的不同环节会产生不同的影响，基于此，指导LNG优化生产与成本控制。

1 天然气气质差异分析

1.1 天然气的应用现状

天然气作为一种清洁的新型能源，在工业生产和实际生活领域有着诸多应用，不论是现代城市交通还是天然气采暖，都已经成为人们必不可少的一种生活方式。在整体能源供不应求的情况下，国内大力开发天然气资源，而天然气虽然储量充足，但气质的差异会对LNG的生产造成显著影响，加强对这种影响的分析，可以更合理地利用天然气资源进行优化生产的控制与配合。

从2016—2020年的数据可以看出，我国的天然气自给率在不断提升，从2016年的62.4%提升到2020年的73.7%。由此可见，我国仍然需要进口更多的天然气，开展LNG产业的控制，以减轻供不应求的压力。但是，不同来源的天然气在生产控制上会有较大的差异，如果不对这种差异进行全方面的分析并对其影响进行控制，在实际生产线投产过程中，有可能会出现天然气互换性的问题，不仅会造成生产产品质量下降，还会给整条生产线的控制造成负面影响[1]。

1.2 天然气气质成分的差异

从中国能源总局2020年发布的统计数据可以看出，截至2020年12月，中国共存在3类、9种天然气，投入生产的天然气至少有5种，按照《天然气》（GB 17820—1999）标准对这5种类型的LNG进行划分，可以按照天然气的总硫质量浓度分为一类至三类。其中，一类天然气的总硫质量浓度低于 100 mg/m3，二类天然气的总硫质量浓度低于200 mg/m3，三类天然气的总硫质量浓度低于460 mg/m3。同时，这3类LNG产品的硫化氢质量浓度也有显著的差异，一类产品和三类产品之间的硫化氢数量和体积的比例可以达到1∶3，三类天然气的硫化氢质量浓度低于460 mg/m3。与此同时，3类产品的热效应在31.4 MJ/m3以上，可以看出，天然气的不同气质对燃烧的效果、燃烧的污染物排放以及综合燃烧的成本都有非常显著的影响。国内对于天然气气质的要求并没有发布一个统一的规定，目前市场中三类天然气的数量较多，但对其应用要求较少，因此实际应用范围最广[2]。

2 天然气气质对LNG生产的影响以及对应的生产对策

LNG生产需要对天然气进行预处理、液化和储存，这3个步骤对于天然气的气质均有不同程度的影响。

2.1 天然气气质对LNG预处理产生的影响

在天然气的预处理阶段，不同气质含硫总量以及硫化氢总量都会对天然气的脱酸、脱水和脱氢产生显著影响。例如在脱酸阶段，如果总硫质量浓度超过100 mg/m3，那么整体的成本就会上升5%，每增加10%的含硫量，整体的生产时间也会有所延长。在利用换热系统进行整体冷却的阶段，也对天然气气质有不同的要求。如果天然气中的总硫质量浓度超过460 mg/m3，那么在预处理阶段就要进行 -162 ℃的天然气液化冷却。对于三类天然气，由于缺乏二氧化碳积分的整体数据，在处理原材料时，需要采取分子筛深度脱水的处理方法。这种处理方法对整体生产流程的要求更高，如果对碳积分处理不彻底，还会在一定程度上提高天然气中的乙烷含量。在生产线的控制上，只有脱除三类天然气中过多的二氧化碳，才能实现较好的深度脱水效果。但是经过一级处理之后，三类天然气中的纯氨成分仍然较多，转化的热效应较低，还需要在后续的生产步骤中不断降温，进一步进行冷凝和分离，以达到较好的生产控制效果。因此，相对于一类天然气、三类天然气，只有在二氧化碳的处理上增加20%～30%工艺成本，并经过多道工艺，才能得到以甲烷为主的天然气。

2.2 天然气气质对LNG液化产生的影响

在液化处理阶段，不同的天然气气质会对整体的生产工艺流程产生不同程度的影响，例如二类天然气相对于一类天然气，仍然存在较多的C3+。系统在液化、降温和加压的过程中，仍然需要更多的冷凝、分离工序，进而得到精度较高、以甲烷为主的天然气。在液化存储的过程中，C3+也会不断被释放出来，产生较多的乙烷，因此，需要将乙烷一同液化出售，获得更高的燃烧热量。如果原材料为一类天然气，那么这些步骤的整体成本就会降低，工艺流程也会简化，对于安全性和技术性的要求也会降低；而采用杂质含量更多的三类天然气，则热效应不足，需要添加更多的乙烷来保障天然气液化之后的燃烧热效应，增加独立氮气制冷循环工艺，使三类天然气在-144 ℃的条件下液化，而这对整体生产工艺的安全性、保障水平和技术水平要求更高。在加压处理过程中，天然气的成分会产生不同程度的变化，甲烷和乙烷的燃烧热效应在液化处理过程中也会得到充分凝集，完成压力计算之后，还需要进一步对天然气的成分进行脱水处理和压缩处理。例如在脱水环节，三类天然气产生的低压脱水就会显著增加整体的生产成本，通过压缩机一级的压力控制，提升整体装置的热效应，但是这对前一阶段的脱酸和脱水处理工艺质量提出了更高的要求，而当原料天然气中的水露点达到0 ℃时，脱水装置整体的负荷也会显著上升。如果天然气材料为一类天然气或二类天然气，装置的负荷平均可下降40%～60%，生产能耗可降低10%～15%，在压缩环节，天然气中的C3+排放量也会更少，生产流程的环保程度也会显著提升，且一类天然气和二类天然气在冷凝压缩的过程中，通常不会出现凝析油的波动现象。采用优质的一类天然气和二类天然气，不需要升级凝析油排出装置，可以缩短整体的生产流程，且无需压缩之后再次进行脱水，可以极好地控制综合生产成本，提高生产效率[3]。

2.3 基于天然气气质的LNG生产路径

由上述分析可以看出，商品的天然气性质对于LNG的脱水、液化、冷凝和销售都会产生不同程度的影响，因此在未来的产品进口和国内的天然气挖掘上，要针对现有的工艺流程参数和产品性质进行不断升级，包括预处理阶段、液化阶段和储存阶段，都要根据主要的天然气材料进行流程设计和工艺选择。为了提高流程的整体生产效率，有效地控制成本，在热换系统安装和设计过程中，要结合天然气的不同成分进行有针对性的BIM技术碰撞设计与分析，方便后续产品的储存和运输。

以深圳福山油田商品天然气的生产和应用为例，天然气的液化能力较强，这种天然气的产品设计和管道工艺能保障C3+和高热值被较好地利用，且天然气中的硫化氢质量浓度可以控制在20 mg/m3以内，乙烷数量和C3+含量也能在冷凝分离之后达到较好的工艺应用标准，充分利用能源，提高生产的经济效益，将液化后的产品作为一款独立的产品进行销售，将乙烷单独析出，提高综合生产应用水平，减少资源的浪费。

在“十四五”综合规划的背景下，天然气生产也强调技术升级和产品转型，挖掘更高质量的一类、二类天然气，结合天然气的性质进行产品的整体设计，可以帮助人们更好地实现产业链的升级和转型，汇聚有效的资源和能源，满足市场的需求。但在此过程中，也要看到不同地区生产的天然气产品在成分上的天然差异，在具体应用中，仍然要结合环境开展工艺设计和产品匹配，以降低脱水装置、生产装置、冷凝装置的负荷，提高天然气生产环节的环境保护水平，进一步减少能耗，提高环境友好性。

3 结语

不同类型、不同成分的天然气气质会对LNG生产造成复杂的影响，总热量、总硫含量、硫化氢含量、二氧化碳体积分数、水露点不同的天然气适用于不同的生产环境和工艺匹配条件，在实际生产和应用中选择高标准天然气的同时，也要结合生产环境进行设计，提高资源挖掘的有效性，减少资源浪费，控制整体的技术成本。