lng基本知识及液化技术介绍

LNG基本知识及液化基本知识及液化技术介绍技术介绍北帕斯天然气液化项目组北帕斯天然气液化项目组设计管理部设计管理部12目录目录一 、 LNG的基本性质二 、 LNG产业链三 、 天然气液化技术介绍四 、 北帕斯天然气液化工艺简介 23一一 . LNG的基本性质的基本性质1. LNG的物理性质 主要成分：甲烷 临界温度： 190.58K 在常温下，不能通过加压将其液化，而是经过预处理，脱除重烃、硫化物、二氧化碳和水等杂质后，深冷到 -162OC，实现液化。 主要物理性质如表 1-1所示：气体相对 密度沸点/C（常 压）液体密度（g/l）（沸点下）高 热值（ MJ/m3） 颜 色0.600.70约 -162C430460 41.545.3无色透明表 1-134一一 . LNG的基本性质的基本性质2. 典型的 LNG组成常 压 泡点下的性质 组 成 1 组 成 2 组 成 3组 成（摩 尔 分数） /%N2CH4C2H6C3H8I-C4H10N-C4H10C5H12摩 尔 质 量 /（kg/mol）泡点温度 /oC密度 /（ kg/m3）0.597.51.80.216.41-162.6431.61.7993.93.260.690.120.150.0917.07-165.3448.80.3687.208.612.740.420.650.0218.52-161.3468.7表 1-245一一 . LNG的基本性质的基本性质3. LNG的性质特点 温度低在大气压力下， LNG沸点都在 -162C 左右。 液态与气态密度比大1体积液化天然气的密度大约是 1体积气态天然气的 600倍，即 1体积LNG大致转化为 600体积的气体。 可燃性一般环境条件下，天然气和空气混合的云团中，天然气含量在5%15%（体积）范围内可以引起着火，其最低可燃下限（ LEL）为4%。 56一一 . LNG的基本性质的基本性质4. LNG的安全特性 1）燃烧特性 燃烧范围： 5%15%，即体积分数低于 5%和高于 15%都不会燃烧； 自燃温度：可燃气体与空气混合物，在没有火源的情况下，达到某一温度后，能够自动点燃着火的最低温度称为自燃温度。甲烷性质比较稳定，在大气压力条件下，纯甲烷的平均自燃温度为 650C 。以甲烷为主要成分的天然气自燃温度较高， LNG的自燃温度随着组份的变化而变化。 燃烧速度：是火焰在空气 -燃气的混合物中的传递速度。天然气的燃烧速度较低，其最高燃烧速度只有 0.3m/s。67一一 . LNG的基本性质的基本性质2）低温特性 隔热保冷： LNG系统的保冷隔热材料应满足导热系数低，密度低，吸湿率和吸水率小，抗冻性强，并在低温下不开裂，耐火性好，无气味，不易霉烂，对人体无害，机械强度高，经久耐用，价格低廉，方便施工等。 蒸发特性： LNG作为沸腾液体储存在绝热储罐中，外界任何传入的热量都会引起一定量液体蒸发成气体，这就是蒸发气（ BOG）。标准状况下蒸发气密度是空气 60%。当 LNG压力降到沸点压力以下时，将有一定量的液体蒸发成为气体，同时液体温度也随之降低到其在该压力下的沸点，这就是 LNG闪蒸。由于压力 /温度变化引起的 LNG蒸发产生的蒸发气处理是液化天然气储存运输中经常遇到的问题。 78一一 . LNG的基本性质的基本性质 泄露特性： LNG泄漏到地面，起初迅速蒸发，当热量平衡后便降到某一固定的蒸发速度。当 LNG泄漏到水中会产生强烈的对流传热，在一定的面积内蒸发速度保持不变，随着 LNG流动泄漏面积逐渐增大，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气体量为止。泄漏的 LNG以喷射形式进入大气，同时进行膨胀和蒸发，与空气进行剧烈的混合。 储存特性： 分层： LNG是多组分混合物，因温度和组分的变化引起密度变化，液体密度的差异使储罐内的 LNG发生分层。89一一 . LNG的基本性质的基本性质 翻滚：若 LNG已经分层，上层液体吸收的热量一部分消耗于液体表面蒸发所需的潜能，其余热量使上层液体温度升高。随着蒸发的持续，上层液体密度增大，下层液体密度减小，当上下两层液体密度接近相等时，分界面消失，液层迅速混合并伴有大量液体蒸发，此时蒸发率远高于正常蒸发率，出现翻滚。 快速相态转变（ RPT）：两种温差极大的液体接触，若热液体温度比冷液体温度沸点温度高 1.1倍，则冷液体温度上升极快，表层温度超过自发成核温度（当液体中出现气泡），此过程冷液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速度产生大量蒸气，这就是 LNG或液氮与水接触时出现的 RPT现象的原因。 910一一 . LNG的基本性质的基本性质3）生理影响 LNG蒸气是无毒的，但如果吸进纯 LNG蒸气，会迅速失去知觉，几分钟后死亡；人员暴露在体积分数为 9%的甲烷含量的环境中没有什么不良反应，如果吸入过量天然气会引起缺氧窒息，当天然气的体积分数达到 50%以上，会对人体产生永久性伤害。 1011二二 . LNG产业链产业链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。由陆地或海上油田开采的天然气在液化工厂经过预处理后进行液化，生产的 LNG按照贸易合同，通过船运到LNG接收站储存，再气化，经由管网送到用户。图 2-1是 LNG产业链的示意图。 1112二二 . LNG产业链产业链1213二二 . LNG产业链产业链图 2-1 产业链示意图陆地 /海上开采预处理 /液化储存装船 运输 卸装接收站储存气化天然气液化天然气天然气液化天然气液化天然气 液化天然气液化天然气液化天然气1314二二 . LNG产业链产业链1）天然气的开发 天然气生产环节包括对天然气的开采和一定程度的处理，按其性质和要求将天然气管输到液化厂并达到 LNG厂原料气规格。2）液化主要作用是持续不断地把原料气液化成为 LNG产品，其主要步骤有： 预处理：从原料气中脱除气田生产环节没有去掉的杂质，如水、二氧化碳、硫、硫醇等。 去除 NGL：脱除天然气中的 NGL以达到液化需要处理的 LNG规格和技术要求。 液化：用深冷制冷剂将原料气冷却并冷凝到 -162 ，使其成为液态产品。 1415二二 . LNG产业链产业链3）储存和装载 液化天然气（ LNG）液体产品被储存在达到或接近大气压的保温储罐中，最常见的储罐类型有单容储罐、双容储罐、全容储罐。4）运输 海上 LNG运输需专门的运输船，将液态产品在常压或接近大气压条件下储存在 LNG船保温舱内。在运输途中有一部分 LNG蒸发，这些蒸发气可作为运输船的燃料。5）接收站 LNG产品通过码头从运输船上卸下、储存，而后再气化后变成普通管道气输送给发电厂或通过当地分销网络作为燃料气输送到最终用户。6）输配气管网和用户15161617三 . 天然气液化技术介绍1.概述 天然气液化，一般包括天然气净化和天然气液化两个过程。 常压下，甲烷液化需要降低温度到 -162oC，为此必须脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、重烃、水和汞等腐蚀介质和在低温过程中会使设备和管道冻堵的杂质，然后进入循环制冷系统，逐级冷凝分离丁烷 、 丙烷和乙烷，得到液化天然气产品。 1718三 . 天然气液化技术介绍2.天然气的净化 液化天然气工程的原料气来自油气田生产的天然气，凝析气或油田伴生气，其不同程度的含有硫化氢 、 二氧化碳 、 重烃 、 水和汞等杂质，在液化前必须进行预处理，以避免在液化过程中由于二氧化碳、 重烃 、 水等的存在而产生冻结堵塞设备及管道。 表 3-1列出了 LNG生产要求原料气中最大允许杂质的含量。 杂质组 分 允 许 含量 杂质组 分 允 许 含量H2OCO2H2SCOS0.1x10-6(50100)x10-63.5mg/m30.1x10-6总 硫汞芳 烃类C5+1050mg/m30.01mg/m3(110)x10-670mmg/m3表 3-118191）酸性气体脱除 天然气中常见的酸性气体： H2S、 CO2、 COS 危害： H2S微量会对人的眼睛鼻喉有刺激性，若体积百分数达到 0.6%的空气中停留 2分钟，危及生命； 酸性气体对管道设备腐蚀； 酸性气体的临界温度较高，在降温下容易析出固体，堵塞设备管道； CO2不会燃烧，无热值，若参与气体处理和运输不经济 . 方法：化学吸收法，物理吸收法，化学 -物理吸收法，直接转化法，膜分离法。其中以醇胺法为主的化学吸收法和以砜胺法为代表的化学 -物理吸收法是采用最多的方法。 三 . 天然气液化技术介绍1920三 . 天然气液化技术介绍2）化学吸收法 化学吸收法是以碱性溶液为吸收溶剂，与天然气中的酸性气体（主要 H2S、 CO2）反应生成化合物。当吸收了酸性气体的溶液温度升高，压力降低时，该化合物又分解释放出酸性气体。 化学吸收法具有代表性的是醇胺（烷醇胺）法和碱性盐溶液法。 醇胺法 胺类溶剂：一乙醇胺（ MEA），二乙醇胺（ DEA），二异丙醇胺（ DIPA），二甘醇胺（ DGA），甲基二乙醇胺（ MDEA） 醇胺类化合物分子结构特点是其中至少有一个羟基和一个胺基。羟基可降低化合物的蒸气压，并能增加化合物在水中的溶解度，可以配成水溶液；而胺基则使化合物水溶液呈碱性，以促进其对酸性组分的吸收。 醇胺与 H2S、 CO2的反应均为可逆反应。 醇胺法特别适用于酸性组分分压低、重烃含量高的天然气脱硫 2021三 . 天然气液化技术介绍 醇胺的腐蚀性较高，对设备会造成腐蚀； 需要能耗高，溶剂损耗大。 MEA常用于酸性组分分压低的场合，属于伯醇胺，其反应能力，挥发度和腐蚀性最强，可很容易将 H2S含量降低到 5mg/m3以下，但 MEA既可脱除 H2S，也可脱除 CO2，一般无选择性。 DEA与 MEA相比，与 H2S和 CO2的反应热较小，碱性和腐蚀性较弱，蒸发损失较小，投资和操作费用相对较低，但 DEA对 H2S也没有选择性。 MDEA是叔醇胺，再生能耗低，腐蚀性小，可选择性吸收 H2S。 活性热钾法 无机溶剂：加有活化剂的碳酸钾溶液 具有代表性的是 BENFIELD法和 CATACARD法 适合脱除 CO2的场合 2122三 . 天然气液化技术介绍3）物理吸收法 利用 H2S和 CO2等酸性组分与甲烷等烃类在溶剂中的溶解度不同而完成脱硫任务。 工业应用的物理溶剂有：甲醇，多乙二醇二甲醚，碳酸丙烯醋等。 物理吸收法一般在高压，低温下进行，溶剂不易变质，腐蚀性小，能脱除有机硫；适合酸性气体分压高的天然气。 常用的方法有 SELEXOL法（聚乙二醇二甲醚）和 RECTISO法（冷甲醇）。4）化学 -物理吸收法（联合吸收法） 使用的溶剂是醇胺 、 物理溶剂和水的混合液； 砜胺法 :烷醇胺和环丁砜； 净化程度高，能耗低，腐蚀小，可脱除有机硫化合物。 2223三 . 天然气液化技术介绍5）净化方法的选择 常用的方法：醇胺法，砜胺法，热钾法 对于酸性气体含量低，酸气分压小于 350KPa的原料气，适宜采用醇胺法； 砜胺法对中高酸性气体分压的天然气有广泛的应用，而且有良好的脱除有机硫的能力； 热钾碱法的 BENFIELD溶剂，可同时脱除 H2S和 CO2，该法吸收温度高，净化程度好，特别适合含有大量 CO2的原料气的处理。 2324三 . 天然气液化技术介绍3.脱水 按照现行标准，进入液化天然气工厂的管输天然气的水露点，在交接点的压力和温度条件下，应比最低环境温度低 5oC，此时不满足深冷液化的要求，为防止低温液化过程中产生水合物，堵塞设备和管道，在液化前，必须将原料气中的水份含量降低到小于 0.1X10-6（体积分数）。 常用的天然气脱水方法有冷却法 、 吸附法 、 和吸收法等。 1）冷却法 天然气中的饱和含水量取决于天然气的温度，压力和组成。一般来说，天然气中的饱和含水量随压力升高，温度降低而减少。冷却脱水就是利用一定的压力下，天然气含水量随温度降低而减少的原理来实现天然气脱水。2425三 . 天然气液化技术介绍2）吸收法 吸收法脱水是采用一种亲水液体（脱水吸收剂）与天然气逆流接触，吸收天然气中的水蒸气，从而脱除水分。 常用的脱水吸收剂有甘醇和 CaCL2水溶液。由于三甘醇的露点降可达-40oC以上，热稳定性好，成本低，运行可靠，在甘醇类脱水吸收剂中应用效果最好。 3)吸附法 吸附法脱水是利用吸附原理，选择某些多孔性固体吸附剂吸附天然气中的水蒸气。由于吸附脱水可以达到很低的水露点，因此适用于深冷分离工艺要求气体含水量很低的场合。 天然气脱水常用的固体吸附剂有活性氧化铝 、 硅胶和分子筛等。2526三 . 天然气液化技术介绍4)脱水方法的选择 冷却脱水受温度压力限制，脱水深度受限，常作为初级脱水，由于天然气液化原料气处理要求露点在 -100oC以下，很少使用。 甘醇法适用于大型天然气液化装置中脱除原料气所含的大部分水分。甘醇法投资较低，连续操作，压降较小。再生能耗小。采用汽提再生时，干气露点可降到约 -60oC。但气体含有重烃时，易起泡，影响操作，增加能耗。 分子筛法适用于要求干气露点低的场合，可以使气体中的体积分数降低到 1x10-6以下。该法对温度流速压力等变化不敏感，腐蚀起泡问题不存在，对于处理量小，脱水深度大的装置特别适合。 实际使用中，对于露点要求大的装置，可以采用分段脱水，先用甘醇法除去大部分水，再用分子筛法深度脱水到所要求的低露点。 2627三 . 天然气液化技术介绍4.天然气的液化工艺 工业中，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可以分为三种：阶式（ CASCADE）制冷 、 混合冷剂制冷 、 膨胀机液化。1）阶式（ CASCADE）制冷工艺 也称级联式液化工艺。利用常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然气的液化。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。常用的冷剂是丙烷 、 乙烯 、 甲烷。图 3-1是阶式制冷原理图。 第一级丙烷制冷循环为天然气 /乙烯 /甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气 /甲烷提供冷量；第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量； 阶式（ CASCADE）制冷的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺