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LNG 技术发展与中国机会

制冷空调学科前沿 -14. LNG 技术发展与中国机会. 林文胜 linwsh@sjtu.edu.cn 2008-10-22. 目录. 1 Why LNG ？ 2 LNG 技术 3 非常规天然气液化举例 :LNG-FPSO 4 LNG 在中国. 1 Why LNG?. 液化天然气 (Liquefied Natural Gas) ：气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。 基本特点 ：当 LNG 在大气压下，液化温度为

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LNG 技术发展与中国机会

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  1. 制冷空调学科前沿-14 LNG技术发展与中国机会 林文胜 linwsh@sjtu.edu.cn 2008-10-22

  2. 目录 • 1 Why LNG？ • 2 LNG技术 • 3 非常规天然气液化举例:LNG-FPSO • 4 LNG在中国

  3. 1 Why LNG? • 液化天然气(Liquefied Natural Gas)：气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。 • 基本特点：当LNG在大气压下，液化温度为 -162℃(111K)；LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性；其体积约为同量气态天然气体积的1/600；LNG的重量仅为同体积水的45%左右；热值为52MMBtu/t (1MMBtu=2.52×108cal)。

  4. LNG优点 • LNG有特有的运输方式。对于远洋运输,LNG是唯一的运输方式。 • 利用LNG方式是解决远海,荒漠地区气田开发,回收边远气田天然气的有效办法。 • LNG作为用气负荷调峰安全可靠。 • LNG用途广泛：LNG不仅自身可以作为能源利用，低温冷量可回收。 • LNG与氦联产,可得到LNG和氦两种产品。 • 低的储存成本。 • LNG比管输天然气更洁净。

  5. 加快天然气应用是全球性趋势 • 天然气资源的潜力较大 • 2006年世界石油剩余探明储量为1645亿吨，储采比40.5 • 2006年世界天然气剩余探明储量181.46万亿立方米，相当于1638亿吨油当量，储采比63.3 • 预计2015年天然气产量将超过原油，成为世界第一大能源 • 天然气应用有利于环境保护 • 天然气燃烧远较煤、油等燃烧清洁

  6. 世界和中国的天然气产量 • 2006年世界天然气产量28653亿立方米，中国天然气产量586亿立方米（占世界总量2.0%）

  7. LNG贸易增长迅速 • 2006年世界LNG贸易量已占世界天然气总贸易量28.2％（在70年代只占5％）。1996年世界LNG贸易量92×109m3，2006年达211.08×109m3 ，近10年平均年增长率12.9%。

  8. 2006年LNG国别贸易量

  9. 2 LNG技术 • 2.1 LNG生产 • 2.2 LNG储运 • 2.3 LNG气化与冷能利用

  10. 天然气 海外 LNG 调峰型液化厂 基本负荷型液化厂 LNG 船 LNG储存 LNG储存 LNG 接收站 LNG气化 LNG 运输车 LNG储存 管网 气化/冷能利用 用户 LNG 气化站 LNG 加注站 管网 管网 LNG 汽车 用户 用户 液化天然气工业链

  11. 2.1 LNG生产2.1.1 天然气净化 LNG工厂原料气预处理标准和杂质的最大允许含量

  12. 脱水 • 为了避免天然气中由于水的存在造成堵塞现象，通常须在高于水合物形成温度时就将原料气中的游离水脱除，使其露点达到–100℃以下。 • 目前，常用的天然气脱水方法有冷凝法、吸收法、吸附法和化学反应法等。 • 吸收脱水是用吸湿性液体（或活性固体）吸收脱除气流中的水蒸气。实践证明采用二甘醇及其相邻的同系物三甘醇(TEG)是特别有效的。 • 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。优点：①一次投资较低，压降少，可节省动力；②可连续运行，③容易扩建；④塔易重新装配；⑤可方便地应用于在某些固体吸附剂易受污染的场合。

  13. 常压甘醇脱水装置流程图

  14. 吸附脱水 • 能够提供非常低的露点，可使水的体积分数降至1×10-6ppm以下； • 吸附法对气温、流速、压力等变化不敏感； • 没有腐蚀、形成泡沫等问题； • 主要缺陷是基本建设投资大；一般情况下压力降较高；吸附剂易于中毒或碎裂；再生时需要的热量较多。 • 吸附法脱水一般适用于小流量气体的脱水。

  15. 脱酸性气体 • 天然气最常见的酸性气体是H2S、CO2和COS。 H2S具有致命的剧毒，对金属具有腐蚀性。在天然气液化装置中，CO2易成为固相析出，堵塞管道。 • 脱酸性气体的方法一般可分为化学吸收法、物理吸收法、联合吸收法、吸附法、直接转化法、非再生性法、膜分离法、低温分离法和固体床脱硫法等。 • 醇胺法是吸收法脱除天然气中酸性组分的现有方法中应用较普遍的一种。常用的醇胺类溶剂有一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、二异丙醇胺(DIPA)、甲基二乙醇胺(MDEA)

  16. 醇胺法脱酸性气体流程 • MEA常用于酸性组分分压低的场合。 MEA既可脱除H2S，又可脱除CO2，一般无选择性。 • DEA酸性负荷较大，溶液循环量、投资及操作费用都较低。DEA也既可脱除H2S，又可脱除CO2。还可用于原料气中含有COS的场合。 • 二异丙醇胺(DIPA)法脱硫情况与MEA法大致类似，可脱除部分有机硫化合物，在有CO2存在时对H2S吸收有一定选择性。 • 甲基二乙醇胺(MDEA)虽然与H2S的反应能力不如MEA，但它对H2S有优良的选择脱除能力

  17. 砜胺法、Benfield法和膜分离 • 砜胺( Sulfinol)法属于联合吸收法。其操作条件和脱硫效果大致与相应的醇胺法相当。与MDEA相比，此溶液更能适应CO2含量很高的原料气的净化。 砜胺溶液比醇胺溶液有较高的酸气负荷 。 • Benfield溶剂是碳酸与催化剂、防腐剂的多组分水成混合物。主要是化学吸收过程，在酸气分压较高时用此方法较为经济。 • 膜分离技术是利用特殊设计和装备的高分子气体分离膜对天然气中酸性组分的优先选择渗透性，当原料气流经膜表面时，其水分和酸性组分(H2O、 CO2和少量H2S)优先透过分离膜而被脱除掉。膜系统造价昂贵，以及在工业条件下，膜的性能不够稳定。

  18. 吸附分离 • 在工业上常用的是变压吸附PSA技术或变温吸附TSA技术 • 主要特点是：循环时间短，常温操作（能耗低）、易于自动控制、可获得高纯度产品。 • 由于新型高效吸附剂不断产生，工艺逐渐得到改进，吸附分离技术的应用领域还在不断拓展，处理规模也在日益扩大。在液化天然气技术领域，吸附分离技术也正获得越来越多的应用。

  19. 2.1.2 天然气液化 • 天然气液化流程分类 • 按照制冷方式 • 级联式液化流程（Cascade） • 混合制冷剂液化流程（MRC） • 膨胀机液化流程 • 按照液化装置的生产模式 • 基本负荷型（baseload） • 调峰型（peak-shaving）

  20. （1）级联式液化流程 • 级联式液化流程由三级独立的蒸气压缩制冷组成，逐级提供冷量冷却天然气。各级所用的制冷剂一般分别选择为丙烷、乙烯（乙烷）、甲烷 • 特点：效率高；流程设备多。

  21. 级联式液化流程最大能力可达3.3Mt/a

  22. 世界上第一座大型基本负荷型天然气液化装置(CAMEL)

  23. （2）混合制冷剂循环液化流程 • 混合制冷剂循环（MRC）是采用N2和C1-C5烃类混合物作为循环制冷剂的工艺。 • 特点：流程设备简单，传热温差较小；能耗较高，制冷剂配比较困难

  24. 制冷剂与液化过程中的天然气的温度变化曲线

  25. 利比亚伊索工厂天然气液化装置流程

  26. PRICO流程 • 除了上述APCI的MRC流程之外，由Black & Veatch开发的 PRICO流程也是无预冷的单级混合制冷剂流程的典型代表。但制冷剂在多个压力级别下工作，提供不同温度范围的冷量。

  27. 丙烷预冷的混合制冷剂制冷循环工艺 • APCI的C3/MRC流程成为经典-增加丙烷预冷提高效率

  28. 带丙烷预冷的混合冷剂循环天然气冷却曲线

  29. 文莱丙烷预冷混合制冷剂液化流程

  30. 双级混合冷剂循环工艺流程

  31. 混合流体级联式流程 Linde/ Statoil

  32. Linde的螺旋绕管式换热器

  33. (3)带膨胀机的液化循环 • 以膨胀机制冷循环为基础的天然气液化工艺流程是通过采用透平膨胀机进行等熵膨胀而达到降温目的的过程。 • 天然气膨胀机循环工艺 • 氮气膨胀机循环工艺 • 氮-甲烷膨胀机循环工艺 • 特点：流程设备简单，调节和开停方便；能耗高

  34. 天然气膨胀机液化流程

  35. 带丙烷预冷的天然气膨胀机液化流程

  36. 氮气膨胀机液化流程

  37. 氮-甲烷膨胀液化流程

  38. 用膨胀机改进混合制冷剂循环 • AP-X流程与C3/MRC流程的主要区别，即最低温度段（过冷段）的负荷改由氮气膨胀制冷机循环承担

  39. C3-MRC AP-X C3/MRC流程与AP-X流程的对比

  40. （4）天然气液化工艺的发展趋势a)大型基本负荷型天然气液化装置（4）天然气液化工艺的发展趋势a)大型基本负荷型天然气液化装置 • (1)装置大型化趋势明显。大型化可降低流程单位能耗，也可减少单位产量的投资成本。目前建设的装置生产能力一般在3~5Mt/a，并有进一步扩大的趋势。 • (2)在流程选择方面，APCI的C3/MRC流程占据了绝对的优势。

  41. b)调峰型天然气液化装置 • (1)调峰型液化装置的规模根据需要确定，一般较小，但与液化能力相比储存能力和气化能力相对较大。典型的调峰型LNG工厂的液化能力为100000~200000Nm3/d，制冷动力大约为1500~7000kW，贮存容量为25000~100000m3。 • (2)调峰型液化装置对设备开停灵活性要求很高，一般并不追求单位能耗达到最低。 • (3)调峰型液化装置可供选择的流程较多，没有明显占据优势的流程，比较确定的是级联式流程已基本上不再采用。

  42. c)中小型基本负荷型天然气液化装置 • (1)中小型与大型基本负荷型天然气液化装置之间并无严格界定，在现今大型装置生产能力一般在3~5Mt/a的背景下，可将1Mt/a以下的装置列为中小型。 • (2)与大型装置一样，中小型基本负荷型天然气液化装置一般连续稳定运行；但与调峰型液化装置类似，对设备简单性、灵活性要求较高，虽注重单位能耗指标，但不一定将其列为最重要指标。 • (3)中小型基本负荷型天然气液化装置可供选择的流程较多，但级联式流程已采用得较少。相对来说，PRICO流程在这一类装置中采用得较为广泛。 • LNG-FPSO天然气液化装置大体上应属于此类中小型基本负荷型天然气液化装置。

  43. 2.2 LNG储运 • 日本LNG接收终端-全景图

  44. 世界最大的LNG接收终端

  45. 2.2.1 LNG储存（1）固定式LNG储罐 固定式LNG储罐： 液化站、接收站用大型储罐、卫星站(汽化站)用储罐。 • 分类 • 罐材料 • 放置方式 • 内部观察装置 • 中国的固定式LNG储罐

  46. 种类 容量/m3 用途 绝热型式 形状 小型 5~40 民用燃气气化站，LNG汽车加注站等场合 真空粉末绝热 或高真空多层绝热 球形 圆柱形 中型 40~100 卫星式液化装置，工业燃气气化站 正压堆积绝热 大型 100~ 1000 小型LNG生产装置 圆柱形 超大型 10000~ 40000 基本负荷型和调峰型液化装置 特大型 40000~ 250000 LNG接收站 固定式LNG储罐-种类

  47. 固定式LNG储罐-球形 LNG球形储罐(民用燃气气化站，LNG汽车加注站等)

  48. 固定式LNG储罐-圆柱形 圆柱形(基本负荷型、调峰型液化装置、LNG接收站)

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