天然氣是一種優(yōu)質潔凈的燃料，在能源、交通等領域具有很好的前景，天然氣的液化和儲存是其開發(fā)利用的一項關鍵技術。液化天然氣(LNG)產業(yè)是高科技的系統工程，已形成了一個工業(yè)鏈。30年來，LNG產業(yè)作為世界上一門新興工業(yè)在飛速發(fā)展，目前仍保持著強勁的勢頭。我國有豐富的天然氣資源，但大規(guī)模開發(fā)利用天然氣，尤其是開發(fā)和應用LNG技術起步很晚。我國已進入LNG建設的高峰期，故LNG的工藝設計、建設及運營可能出現一系列問題，需要我們探索和研究[1]。本文通過工程實例對LNG工廠的工藝設計進行探討。
2 LNG工廠工藝系統及流程
陜西省燃氣設計院于2008年初承接了一個日處理天然氣60×104m3/d的LNG工廠設計項目，該項目完全采用國內設備和國內技術，氣源來自陜京輸氣管道和蘭銀輸氣管道。冬季氣源壓力為2.0～2.5MPa，夏季氣源壓力為3.0～3.5MPa，氣源溫度為5～40℃。氣源的主要組分為甲烷，還含有N2、C02、H2S、烷烴類及苯類等。
本液化工程項目的主要工藝系統(按工藝流程的先后順序)有：原料氣分配系統、原料氣壓縮系統、脫碳系統、脫水系統、純化系統、脫汞系統、液化系統、儲存系統和裝車系統。輔助系統有放散系統、儀表風系統、PSA制氮及液氮氣化系統、循環(huán)水系統和蒸汽系統。
3 原料氣分配及壓縮系統
原料氣來自銀川門站，進入工廠后，首先進入原料氣分配系統，經分配站調壓計量后分為兩路，一路進入廠區(qū)鍋爐房、制冷站房、加熱爐、廚房；另一路進入分離器進行氣水分離，再進入天然氣壓縮機，增壓至5.0MPa。
4 脫碳、脫水、純化及脫汞系統
為了滿足低溫工作狀態(tài)的要求，天然氣經脫碳系統凈化后C02體積分數應低于50×10-6，H2S體積分數應低于4×10-6；經脫水系統后水體積分數應低于1×10-6；經純化系統凈化后芳香烴類體積分數應為1×10-6～10×10-6。
來自壓縮機的天然氣經氣液分離器和過濾器后進入吸收塔底部，與來自塔頂的N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接觸，C02和H2S被MDEA溶液吸收。凈化后的天然氣在吸收塔上部被洗滌冷卻后，經塔頂高效除污器進行除污，之后進入凈化冷卻器降溫至40℃，再經凈化分離器分離水分及雜質后進入脫水系統[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化劑)脫碳工藝兼有物理吸收和化學吸收的特點，具有C02回收率高、能耗低等優(yōu)點。
從脫碳系統出來的天然氣進入分子篩干燥器，采用4A液化天然氣專用分子篩吸附脫除天然氣中的水分，水分體積分數小于1×10-6后，進入干粉過濾器去除粉塵，之后進入純化和脫汞系統。
從脫水系統出來的干燥天然氣進入純化器，采用活性炭吸附脫除芳香烴后，經過濾器脫除粉塵。然后，自上而下通過脫汞吸附器床層，采用浸硫煤基活性炭吸附脫除天然氣中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再經過濾器脫除粉塵后，進入液化系統。
5 天然氣液化系統
① 液化原理
液化系統采用氟利昂預冷和氮-甲烷膨脹液化流程提供天然氣液化需要的冷量，采用低溫工藝將天然氣液化，進入LNG子母罐儲存并通過LNG槽車外運。
氟利昂預冷和氮-甲烷膨脹液化流程結合了級聯式液化流程和膨脹機液化流程的優(yōu)點，流程高效簡單。在此液化流程中，氟利昂預冷循環(huán)用于預冷氮-甲烷和天然氣，而氮-甲烷循環(huán)用于深冷和液化天然氣。
氮-甲烷膨脹液化流程是純氮膨脹制冷循環(huán)的一種改進。為了降低能耗，采用氮-甲烷混合氣體代替純N2。氮-甲烷膨脹液化流程具有起動時間短、流程簡單、控制容易、制冷劑測定及計算方便等優(yōu)點。由于縮小了冷端換熱溫差，氮-甲烷膨脹液化流程比純氮膨脹液化流程減少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨脹液化工藝克服了階式制冷循環(huán)工藝機組多、流程復雜、附屬設備多、管道與控制系統復雜等缺點，也解決了混合制冷劑工藝能耗較高、混合制冷劑合理配比困難及流程計算困難等問題。故氮-甲烷膨脹液化工藝特別適合中小型的天然氣液化裝置。
② 液化流程[4]
氮-甲烷膨脹液化系統由天然氣液化系統和氮-甲烷制冷系統兩部分組成。
氮-甲烷膨脹液化流程見圖1。在天然氣液化系統中，經過預處理裝置脫酸、脫水后的天然氣，經換熱器2冷卻后，在氣液分離器3中進行氣液分離，其中的氣相流入換熱器4冷卻液化，在換熱器5中過冷，節(jié)流降壓后進入儲罐；液相進入換熱器2內吸熱氣化后再進入天然氣管道。在氮-甲烷制冷系統中，制冷劑氮-甲烷經循環(huán)壓縮機10和制動壓縮機7壓縮到工作壓力后，經水冷卻器8冷卻，進入換熱器2，被冷卻到透平膨脹機的入口溫度。一部分制冷劑進入透平膨脹機6，膨脹到循環(huán)壓縮機的入口壓力，與返流制冷劑混合后，作為換熱器4的冷源，回收的膨脹功用于驅動制動壓縮機；另外一部分制冷劑經換熱器4和5冷凝和過冷后，經節(jié)流閥節(jié)流、降溫后返流，為換熱器5提供冷量。
6 儲存和裝車系統
液化后的LNG進入LNG儲罐儲存，儲存能力按7d的產量確定，選用有效容積為1750m3的LNG儲罐2座，當1座LNG儲罐進液時，另1座LNG儲罐裝車。
進液：來自液化系統的LNG通過充裝管道，經過充裝緊急切斷閥、頂部或底部進液閥進入子罐。在高高液位連鎖或液化單位連鎖的情況下，充裝緊急切斷閥將迅速自動關閉。
出液和裝車：子罐內的LNG通過低溫泵輸送，經過截止閥和出液緊急切斷閥進入槽車。在火氣關斷閥連鎖的情況下，出液緊急切斷閥將迅速自動關閉。
該液化裝置的LNG產量為512m3/d，每天裝車操作按8h計算，配置80m3/h的外置式離心泵2臺(1用1備)，LNG裝車位3個，可實現3臺槽車同時裝車。
7 結語
本項目從2008年初開始設計，到2009年6月施工調試結束，歷時1年半。目前該LNG液化工廠已經安全投入生產，產量基本達到設計要求，具有良好的社會效益和經濟效益。
參考文獻：
[1] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003：62.
[2] 張朋波，王兆銀，張興興，等.天然氣液化預處理工藝流程[J].煤氣與熱力，2009，29(9)：B05-B07.
