劉亮 張睿

摘 要：中國天然氣勘探仍處于早期勘探階段，發(fā)現(xiàn)大氣田的幾率很大。中國天然氣產(chǎn)量連年邁上新臺(tái)階。但我國天然氣的產(chǎn)量仍遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。由于天然氣的產(chǎn)地往往不在工業(yè)或人口集中地區(qū)，長輸干線的建設(shè)涉及地理位置和成本的限制，為天然氣的利用帶來一定的制約。液化天然氣，作為天然氣的液態(tài)形式，其獨(dú)特優(yōu)勢為天然氣的利用提供了多元化的選擇空間。該文主要討論天然氣液化過程中主要技術(shù)，及液化天然氣的利用及安全問題，希望能有同行共勉。

關(guān)鍵詞：天然氣 液化技術(shù) 液化天然氣（LNG）

中圖分類號(hào)： TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-0-02

1 天然氣及液化天然氣

天燃?xì)馐锹裨O(shè)在地下的有機(jī)物分解后形成的，其主要成分為甲烷（CH4），常溫常壓下是無色、無味、無毒且無腐蝕性的氣體；天然氣是最潔凈的化石燃料；天然氣比空氣輕，擴(kuò)散迅速，不會(huì)在區(qū)域內(nèi)沉積。天然氣燃燒后所排放的氮氧化物、可吸入懸浮微粒極少，溫室效應(yīng)氣體低。在世界各地，天然氣已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于城市燃?xì)狻⒐步煌?、工業(yè)燃料和化工原料等。近年來，更成為日益普及的新一代發(fā)電燃料（圖1）。

中國天然氣勘探仍處于早期勘探階段，發(fā)現(xiàn)大氣田的幾率很大。中國天然氣產(chǎn)量更是連年邁上新臺(tái)階。但我國天然氣的產(chǎn)量仍遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。由于天然氣的產(chǎn)地往往不在工業(yè)或人口集中地區(qū)，長輸干線的建設(shè)涉及地理位置和成本的限制，為天然氣的利用帶來一定的制約。液化天然氣（LNG），作為天然氣的液態(tài)形式，其獨(dú)特優(yōu)勢為天然氣的利用提供了多元化的選擇空間。天然氣的臨界溫度為190.58 K（-84.57 ℃），故在常溫下，無法僅靠加壓將其液化。通常的液化天然氣（LNG）多存儲(chǔ)在112K（-161.15 ℃）、壓力為0.1 MPa左右的低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲(chǔ)存。液化天然氣（LNG）運(yùn)輸靈活、儲(chǔ)存效率高，用作城市輸配氣系統(tǒng)擴(kuò)容、調(diào)峰等方面，與地下儲(chǔ)氣庫、儲(chǔ)氣柜等其他方式相比更具優(yōu)勢，并且具有建設(shè)投資小、建設(shè)周期短、見效快、受外部影響因素小等優(yōu)點(diǎn)。作為優(yōu)質(zhì)的車用燃料，與汽車燃油相比，LNG具有辛烷值高、抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)；與壓縮天然氣（CNG）相比，LNG則具有儲(chǔ)存效率高，續(xù)駛里程長，儲(chǔ)瓶壓力低、重量輕、數(shù)量小，建站不受供氣管網(wǎng)的限制等優(yōu)點(diǎn)。天然氣的液化、儲(chǔ)存技術(shù)已逐步成為一項(xiàng)重大的先進(jìn)技術(shù)。我國的LNG產(chǎn)業(yè)正處在蓬勃發(fā)展的階段。

2 天然氣液化技術(shù)

天然氣液化系統(tǒng)主要包括天然氣的預(yù)處理、液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、利用這5個(gè)子系統(tǒng)。一般生產(chǎn)工藝過程是，將含甲烷90%以上的天然氣，經(jīng)過脫水、脫烴、脫酸性氣體等“三脫”凈化處理后，采取先進(jìn)的膨脹制冷工藝或外部冷源，使甲烷變?yōu)?162 ℃的低溫液體。

2.1 天然氣預(yù)處理

天然氣的預(yù)處理是指脫除天然氣中的水分、酸性氣體、重?zé)N和汞等雜質(zhì)，以免這些雜質(zhì)腐蝕設(shè)備及在低溫下凍結(jié)而堵塞設(shè)備和管道。脫水的方法有冷卻脫水、吸收脫水、吸附脫水三種方式。 由地層采出的天然氣除通常含有水蒸氣外，往往還含有一些酸性氣體。天然氣最常見的酸性氣體是H2S、CO2和COS。含有酸性氣體的天然氣通常稱為酸性氣或含硫氣。酸性氣體不但對人身有害，對設(shè)備管道有腐蝕作用，而且因其沸點(diǎn)較高，在降溫過程中易呈固體析出，故必須脫除。脫酸的方法主要有醇胺法和分子篩吸附。

2.2 天然氣液化及裝置

液化天然氣的液化流程有不同的型式，以制冷方式可分為：①級聯(lián)式液化流程；②混合制冷劑液化流程；③帶膨脹機(jī)的液化流程。

天然氣液化裝置包括基本負(fù)荷型和調(diào)峰型兩種?；矩?fù)荷型是一種大型液化裝置，供當(dāng)?shù)厥褂没蛲膺\(yùn)之用。這種基本負(fù)荷型天然氣液化裝置的液化單元常采用級聯(lián)式液化流程和混合制冷劑液化流程。20世紀(jì)80年代后新建與擴(kuò)建的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，則幾乎無例外地采用丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程。

調(diào)峰型液化天然氣裝置，主要作用是為了調(diào)峰負(fù)荷或補(bǔ)充冬季燃料供應(yīng)，也就是在低峰負(fù)荷時(shí)將過剩的天然氣液化儲(chǔ)存，以供高峰時(shí)或緊急情況下使用。它對于匹配峰荷和增加供氣的可靠性等方面有著重要作用，也大大提高了管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。調(diào)峰LNG裝置與基本負(fù)荷型LNG裝置相比，屬于小流量的天然氣液化裝置，生產(chǎn)規(guī)模小，也不是常年連續(xù)運(yùn)行 。對于調(diào)峰型液化天然裝置，其液化部分常采用帶膨脹機(jī)的液化流程和混合制冷劑液化流程。

2.3 液化天然氣的運(yùn)輸

液化后的天然氣，其體積縮小620倍，因此，液化天然氣更加便于經(jīng)濟(jì)安全的運(yùn)輸。從輸氣經(jīng)濟(jì)性方面來講，陸上3000 km左右運(yùn)距內(nèi)，通過管道輸氣在最為經(jīng)濟(jì)，運(yùn)距超過3500 km后，船運(yùn)液化天然氣能夠比管道輸氣具有更大的優(yōu)勢，可節(jié)省大量風(fēng)險(xiǎn)性管道投資，大大降低運(yùn)輸成。

在LNG船的建造發(fā)展中，技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要方面是不斷提高LNG液貨運(yùn)輸效益。它主要反映在日氣化率的降低及蒸發(fā)氣的回收和利用上。在目前運(yùn)營的LNG船上，將蒸發(fā)氣直接作為動(dòng)力燃料消耗掉，而不再回收液化，基本上還沒有再液化裝置。為了船舶的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在LNG船上裝備再液化裝置，對此已開始了可行性研究，且已進(jìn)入研究模擬階段液化天然氣船，是公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值、高可靠性要求的“三高船”，單艘造價(jià)在1.6億美元左右。每艘可運(yùn)載約14.7萬m3的液化天然氣。液化天然氣清潔、高效、價(jià)廉，是我國能源開發(fā)利用的重點(diǎn)目標(biāo)。目前我國的天然氣在一次能源消費(fèi)中僅占1.9%左右，遠(yuǎn)低于世界25%和亞洲8.8%的平均水平，加之國內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的天然氣資源有限，我國天然氣的供求缺口仍較大。液化天然氣（LNG）船的建造，正是增強(qiáng)進(jìn)口液化天然氣運(yùn)輸能力的需要。

運(yùn)輸液化天然氣的船舶需具備在零下163 ℃運(yùn)輸液化天然氣的能力，船上貨物操控系統(tǒng)在溫度巨大變化時(shí)仍可以處理液貨，此外液化天然氣在海上航行中自然揮發(fā)的天然氣應(yīng)該可以經(jīng)管路輸送到船舶主機(jī)中燃燒，以上技術(shù)要求對建造LNG船設(shè)置了很高的門檻，在相當(dāng)長一段時(shí)間里世界上只有日本和韓國以及歐洲一些國家能夠建造。作為我國第一個(gè)引進(jìn)LNG項(xiàng)目的試點(diǎn)，廣東LNG項(xiàng)目于1999年12月獲國家批準(zhǔn)立項(xiàng)，2003年12月28日由滬東中華造船公司正式開工建設(shè)，2006年6月底竣工投產(chǎn)。滬東中華造船公司是國內(nèi)第一家能夠制造LNG船的造船企業(yè)，中國航運(yùn)業(yè)也已經(jīng)加入到LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，其在國際航運(yùn)界的地位也進(jìn)一步提升。

3 液化天然氣應(yīng)用

3.1 液化天然氣冷能的利用

LNG具有廣泛的用途。比如在民用負(fù)荷調(diào)峰、發(fā)電、工業(yè)用戶和商業(yè)用戶等方面都發(fā)揮著重要的作用。液化天然氣因?yàn)榻?jīng)過深度冷凍液化而蘊(yùn)藏著巨大的能量.液化天然氣冷能利用原理是：當(dāng)LNG與常溫常壓環(huán)境之間存在的溫度和壓力差時(shí)候，LNG由液態(tài)變成氣態(tài)，蘊(yùn)藏在其中的巨大冷能會(huì)釋放出來，回收利用這些能量就是液化天然氣冷能的利用。在常壓下，每公斤液化天然氣到常溫氣態(tài)大約可釋放出879 KJ的能量.利用LNG冷能 利用范圍也十分廣泛，比如發(fā)電、空氣液化分離、冷凍倉庫、制造液化二氧化碳，比如低溫破碎、水和污染物處理及冷凍食品等。

3.2 調(diào)峰

液化天然氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存比地下儲(chǔ)氣庫具有更大的優(yōu)勢： 不受地理?xiàng)l件＼運(yùn)輸距離和容量的限制，而且經(jīng)濟(jì)便捷。因此，液化天然氣可以用來有效的調(diào)劑世界天然氣的供應(yīng)。它可以使能源短缺的國家得到供氣保證，可以對氣源充沛的國家進(jìn)行有效調(diào)峰，補(bǔ)充天燃?xì)馐褂酶叻迤诘牟蛔?，可以彌補(bǔ)難以建地下儲(chǔ)氣庫城市的供氣不足。液化天然氣調(diào)峰技術(shù)在西方國家已經(jīng)發(fā)展的比較成熟。我國也正在引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。

3.3 發(fā)電

天然氣在液化前預(yù)處理過程中 脫除了很多氣體雜質(zhì)，LNG作為燃料燃燒時(shí)，S02和NOx等有害氣體釋放量很少，被稱為清潔能源。因此，液化天然氣被廣泛用于發(fā)電領(lǐng)域，大大減少了城市污染，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.4 LNG應(yīng)用于汽車

天然氣作為清潔的能源，對環(huán)境污染小，被視為汽車的優(yōu)質(zhì)待用燃料，而被各個(gè)國家大力推廣。按照天然氣的儲(chǔ)存方式不同，天然氣汽車大致分為CNGV（壓縮天然氣汽車）、LNGV（液化天然氣汽車）、和ANGV（吸附天然氣汽車）。用LNG作為汽車燃料與傳統(tǒng)的石油類燃料或者CNG和LPG相比都具有明顯的優(yōu)勢，儲(chǔ)存能量大、壓力低、噪聲低、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。我國也大力發(fā)展天然氣汽車，但是在LNGV方面的應(yīng)用仍與國外有很大差距。

3.5 未來應(yīng)用前景

專家預(yù)言，液化天然氣未來將在那些耗氣量大、不可能使用壓縮天然氣的運(yùn)輸工具，如飛行器、鐵路機(jī)車以及船舶上大顯身手。 因此，近年來國際上紛紛大規(guī)模展開了低溫飛行器及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施（生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及加注等）的科研和試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作。

液化天然氣不含氧，易燃性低于煤油，儲(chǔ)罐不要求做成防燃防爆型。而且一旦在系統(tǒng)中發(fā)生較小的泄漏，可以在還沒形成危險(xiǎn)濃度前被監(jiān)測儀發(fā)現(xiàn)，并且會(huì)很快蒸發(fā)并吹走正在泄露或者燃燒的低溫燃料，從而杜絕了燃燒及爆炸的發(fā)生，保證了乘客及飛機(jī)的安全。而如果飛機(jī)在使用煤油時(shí)發(fā)生泄漏，只有已經(jīng)發(fā)生燃燒才能被發(fā)現(xiàn)，隨著世界能源需求的逐漸上升，各國環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)厲，國外有專家預(yù)計(jì)，2010～2017年歐洲、美國、加拿大、日本等國以及一些海濱療養(yǎng)地、內(nèi)河湖泊船運(yùn)水域、繁忙的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸線以及大型碼頭將可能限制使用柴油動(dòng)力船舶，而是更多地采用液化天然氣

船舶。

4 液化天然氣的安全性

4.1 安全隱患

液化天然氣經(jīng)常出現(xiàn)的安全隱患有：蒸發(fā)（boil-off ）、閃蒸（flash）和翻滾現(xiàn)象（rollover）。

當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG用得差不多時(shí)，就需要及時(shí)補(bǔ)充。補(bǔ)充的方式有：LNG運(yùn)輸船；LNG運(yùn)輸車和制冷設(shè)備。由于LNG的密度、蒸汽壓等參數(shù)與溫度有關(guān)。

當(dāng)新注入儲(chǔ)罐LNG的密度與儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG的密度存在差別時(shí)，LNG就會(huì)暫時(shí)分層。在層與層之間傳熱、傳質(zhì)、逐漸混合的過程中，LNG的蒸發(fā)速度也會(huì)隨時(shí)變化，這種變化在一般情況下是很小的。

但是，在某些特定條件下，蒸發(fā)速度會(huì)劇增，出現(xiàn)所謂的“翻滾”現(xiàn)象，導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力超過設(shè)計(jì)要求。

LNG的翻滾實(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過程。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象時(shí)，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量，無法使下層的LNG及時(shí)蒸發(fā)，造成下層LNG處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時(shí)，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅速蒸發(fā)，即翻滾現(xiàn)象。如果實(shí)際操作中沒有預(yù)防措施，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。

4.2 安全隱患的預(yù)防

為了防止LNG分層，當(dāng)船運(yùn)LNG注入儲(chǔ)罐時(shí)，應(yīng)盡量通過儲(chǔ)罐頂部布料器等措施，設(shè)法使注入LNG的飽和蒸汽壓與原罐內(nèi)的飽和蒸汽壓達(dá)到平衡。如果，LNG通過陸上槽罐車運(yùn)抵罐區(qū)，在灌裝時(shí)，不同槽車LNG注入同一的儲(chǔ)罐，可能會(huì)形成幾個(gè)分層，應(yīng)監(jiān)測并及時(shí)采取強(qiáng)制混合措施。

另外，對于調(diào)峰LNG儲(chǔ)罐，即使可以控制LNG制冷溫度和壓力，如果同時(shí)也接受外來LNG，也應(yīng)注意翻滾現(xiàn)象。而且，如果該調(diào)峰儲(chǔ)罐儲(chǔ)有LNG，并持續(xù)一段時(shí)間未再注入或使用LNG，則由于外界熱量的導(dǎo)入，使LNG蒸發(fā)，從而使罐內(nèi)的LNG密度提高，這時(shí)再注入LNG，就有可能形成LNG的分層。

在實(shí)際操作過程中，可以采取一些方法防止LNG分層和翻滾：充分?jǐn)嚭退泄嗳雰?chǔ)罐的LNG，防止LNG的分層；控制灌入儲(chǔ)罐LNG組分（和密度）的變化范圍；設(shè)置安全放散口、放散火炬、回收壓縮系統(tǒng)等，防止LNG蒸發(fā)、翻滾造成罐超壓。

5 結(jié)語

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，液化天然氣技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。為了更加有效的利用這一資源，需要我們在天然氣液化與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)方面付出付出更多的努力。

參考文獻(xiàn)

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