天然气液化工艺

1、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。、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-40C）,把冷量

2、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-100C）,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-160C;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）o图3-5蜘式制冷原理用1由状 乙雄 甲运呜成 3, b阳烷 心* 用烧辑发:

3、a.巧混.一味1|1但用量考阶式制冷是20世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。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-100C , 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。国3-6阶式制冷液化流程I展缩机；2冷却器：3储第罐：4分离器；5换热器图3-63为阶式制冷液

4、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。kJ/mol20006000

5、10()014001000 2000 :WOO 4000 5000 6000 7000 (Btu/mol)7三温度水平阶式循环的冷却曲线oooouooo oooo oqok)oo>()m 8 6 4 2-2-4-68-I0<-1 2-!4-ittl820C-2224-26(图3-8九温度水平阶式循环的冷却曲线二、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

6、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

7、+S液需经稳定处理，使之符合 产品质量要求。Y I V t学9%合冷剂用传曲化沆言1方科I*期期：？冷如潜K冷器器；一仆离番i 4 一小身收：辛一玲葩E。一-Tki T -网工"阐:Hh M I、u*.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

8、阶式液化流 程高10%-20%fc右；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%Z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：

9、丙烷预冷循环；天然气液化回路。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。fflMO掰然合甥赚脸稠口儒型一帼再犍优-P3T压丙饶殿龄I冷隔；2T好门FM单元;4Y肝髀元K-颁塔;6T腌:71楠混合冷剂由氮、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-40C）,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

10、，使大 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!储罐。由上可知，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 入分储塔分出气体内的重烧，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

11、水平预冷原料气到-60C; “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，最后使原料气深冷到-162C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（DMRt）,工艺效率比丙烷预冷

12、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制冷循环方式台匕 目匕耗kWh/m3天然气kJ/m3天然气阶式混合冷剂 带预冷混合冷剂0 .320.33 0.3750.391152120013501404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勺比较。表3-4 C3/MR阶式液化流程和DMR勺比较比较项目Q/MR阶式液化流 程DMR单位LNG夜化成本低高低高低设备投资成本中低中能耗高差高操作弹性中四、其他方法（一）CII液化流程天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

13、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 （IntegralIncorporated 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、混合制冷剂分储设 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

14、离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最后节 流至LNGfW槽。在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是 N2和C1C5的姓类混合物。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部分冷凝后进入分储塔8。混合制冷剂分储后分成两 部分，分储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；分储塔上部的轻组分气体主要成分是氮八甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并 部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分储塔8的回流液，气体 经高压压缩机4压缩后，经水冷却器

15、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。HP 71匚U曲化海用小白阳I . 6, 7, 13一二痛处扁相l 2低JUL*杭臬$一存串和1*一扇小隼根；ll-VARt nfMlCII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。在流程中增加了分储塔，将混合制冷剂分储 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预冷天

16、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 -160C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机 绝热膨

17、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 CO绯2进行脱除CO2这部分天然气脱除CO汨，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提供冷量，再进入返回 气压缩机4,压缩并冷却后与未进脱CO绡的原料气混合，进换热器5冷却后， 进入膨胀机10膨胀降温后，为换热器5-7提供冷量。对于这类流