气体波制冷的新发展

主要成分是甲烷，是公认的地球上最清洁的能源。无色无味，无毒无腐蚀性，其体积约为同体积气态天然气的1/600，液化天然气的重量仅为同体积水的45%左右。它的制造过程是将气田产出的天然气净化，经过一系列超低温液化，然后用LNG运输船运输。燃烧后空气污染很小，释放的热量大，所以LNG好。

它是由天然气在-160℃经压缩、冷却、液化后制成的。它的主要成分是甲烷，用专门的船或油轮运输，使用时再气化。自20世纪70年代以来，世界液化天然气的产量和贸易量迅速增长。2005年液化天然气国际贸易量达到18885438+0亿立方米，其中印尼是最大的出口国，出口量为31.4亿立方米。最大的进口国是日本，763.2亿立方米。

二、国内外概况及发展趋势

1941年，世界上第一座工业规模的LNG工厂在美国克利夫兰建成，液化能力为8500m3/d，自20世纪60年代以来，LNG工业发展迅速，规模越来越大。基本荷载液化能力为2。5× 104m3/d..据资料[3]显示，目前各国已有超过160套LNG装置投产，LNG出口总量已超过46.1.8× 1.06t/a..

天然气的主要成分是甲烷。甲烷的常压沸点为-16 1℃，临界温度为-84℃，临界压力为4.1MPa。LNG是液化天然气的简称，是将天然气净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)[4]后，通过节流、膨胀和附加冷源制冷将甲烷变成液体[5]而形成的。

2.1国外研究现状

国外液化厂规模大，工艺复杂，设备多，投资高。它们基本采用复叠制冷和混合制冷剂制冷技术。目前，两种类型的工厂都在运行，新投产的工厂主要采用混合制冷剂制冷技术。研究的主要目的是降低液化的能耗。制冷过程从分步制冷发展到混合制冷剂制冷循环。目前，有报道和Cⅱ-2新工艺[6]。该流程既具有纯组分循环简单、无相分离、易于控制的优点，又具有混合制冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂的温度和温度协调性好、效率高、设备少。

法国Axens公司与IFP合作，首次开发出先进的天然气液化工艺——liquid in，为LNG市场奠定了基础。其生产能力比一般方法高15%-20%，生产成本低25%。采用液化法后，每套液化装置的产量可达600× 104 t/y以上，液化法生产LNG的成本每吨可降低25%[7]。该工艺的主要优点是采用翅片式换热器和热力学优化的工艺，可以建造超大容量的液化装置。Axens公司已向美国、欧洲和亚洲等几个主要地区提出使用该工艺，并正在进行初步设计和可行性研究。IFP和Axens开发的Liquefin工艺的安全、环保、实用和创新性最近得到了世界的认可，该工艺获得了化学工程师学会颁发的“工程卓越奖”[8]。

美国德克萨斯大学工程实验站开发了一种天然气液化新技术——GTL技术，并已获得专利。该技术比目前开发的GTL技术更适用于小型装置，可处理30.5 × 104 m3 /d天然气。实验站的GTL已授权给合成燃料公司。该公司在A&M大学校园附近建立了一个GTL试验工厂，目前正在进行经济模拟分析。与现有技术相比，新工艺简单得多，不需要合成气，除了发电外，也不需要使用氧气。其经济性、规模和产量都不同于普通的费托GTL工艺。第一套工业装置可能在2004年上半年完成[9]。

2.2国内研究现状

早在上世纪60年代，国家科委就制定了液化天然气发展规划，并于60年代中期完成了工业试验。四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离液化工业生产装置，生产LNG除了he。1991年，该厂为航天部提供了30吨作为火箭试验燃料。与国外的情况不同，我国的天然气液化研究是针对小规模的液化过程，在这方面有很多文献发表[10]。以下是对中国现有天然气液化厂工艺的简要介绍。

四川液化天然气厂

中科院北京科洋气体液化技术有限公司和四川简阳市科洋低温设备有限公司合作开发的300l/h天然气液化装置，是利用LNG作为工业和民用燃气进行调峰、以气代油的示范工程。该装置建于1992，为LNG汽车研究提供LNG。

该装置充分利用天然气本身的压力，利用燃气轮机膨胀机制冷液化天然气，用于民用天然气或LNG生产的调峰。工艺流程合理，采用技术先进的气体透平膨胀机。该装置基本不消耗水电，是节能项目，但液化率很低，约10%，与其设计原理一致。

2.2.2吉林油田LNG工厂

吉林油田、中国石油天然气总公司、中科院低温中心联合研制的500l/h撬装式工业试验装置于6月5438+0996+2月65438成功试运行。该装置采用以氮气为制冷剂的膨胀机循环技术。整个装置由10个橇块组成，设备全部国产化[11]。

该装置采用气体轴承透平膨胀机；国产分子筛深度脱除天然气中的水和CO2，工艺流程简单，撬装结构，符合小型装置的特点。使用纯氮作为制冷剂，功耗比使用制冷剂的膨胀机循环高。天然气在中压(约5.0MPa)下液化，没有充分利用自身压力(在较高压力下液化不仅可以提高氮气的制冷温度，还可以降低制冷负荷)，因此装置电耗高。

2.2.3陕北气田液化天然气

1999年6月建成投产的2 × 104 m3 /d“陕北气田LNG示范工程”，是发展我国LNG产业的试点工程，也是我国第一套小型LNG产业化装置。该装置采用天然气膨胀制冷循环，低温甲醇洗涤和分子筛干燥净化原料气，气波制冷机和透平膨胀机进行低温制冷，燃气机作为循环压缩机的动力源，燃气机尾气作为加热分子筛再生气的热源。该装置的所有设备都是本地化的。该装置的成功运行为中国在偏远油气田利用天然气生产LNG提供了经验[12]。

2.2.4中原油田LNG工厂

中原油田曾建成国内最大的LNG工厂，原料气规模26.6 5 × 104 m3 /d，液化能力1 0 × 104 m3 /d，储存能力1200 m3，液化率37.5%[13]。目前，在充分吸收国外先进技术的基础上，结合国内外相关设备情况，主要针对自身气源特点，制定了LNG技术方案[14]。工艺采用常用的分子筛吸附法脱水，液化工艺采用丙烷预冷+乙烯预冷+节流。

当原料气量为30× 104 m3 /d时，产量高达51.4%，能耗为0.13 Kwh/Nm3。其优点是各制冷系统相对独立，具有良好的可靠性和灵活性。但工艺相对复杂，需要两种制冷介质和循环，设备投资高。由于该厂充分利用了油田气井中天然气的压力能，液化成本低。

2.2.5天津大学小型LNG工厂

与大型工厂相比，小型LNG工厂不仅具有原料优势和市场优势，而且投资低、搬迁方便、灵活性大[15]。LNG工厂主要使用氨基溶剂系统对天然气进行预处理，以去除CO2等杂质。分子筛脱水；液化的几个步骤。该装置采用单级混合制冷系统；闭环制冷循环使用压缩机来压缩制冷剂。单级混合制冷剂流程简单高效，适用于小型LNG工厂。

压缩机可以由燃气轮机或电动机驱动。在电价低(成本低，维护简单)的地区可以优先考虑电动机。在燃气价格较低的地区，燃气轮机将是更好的选择。经济评价结果表明，采用燃气轮机驱动的液化装置的投资成本比采用电动机驱动的液化装置高200万至400万美元。根据一套15 × 106ft 3 /d液化装置的成本估算，用于调峰的LNG项目储罐容积为65438+1亿m3，而用于车用燃料的LNG项目仅需700m3。最终用于调峰的LNG成本为2.03 ~ 2.11美元/1000ft3，而车用LNG成本仅为0.98 ~ 0.99美元/1000 ft3。

2.2.6西南石油学院液化新技术

本工艺日处理量为3.0 × 104 m3天然气，主要由原料气(CH4: 95.28%，CO2 :2.9%)组成，用于脱碳、脱水、丙烷预冷、气波制冷机制冷和循环压缩。基于SRK状态方程，开发了天然气液化流程软件。天然气压缩机由天然气发动机供电，小负荷用电设备由天然气发电机组供电，解决了偏远地区无电或缺电的问题。由于偏远地区没有集输管道，液化天然气将被回收压缩，以提高全厂的液化率。

本装置采用单乙醇胺工艺(MK-4)脱除CO2。由于容量较小，脱碳吸收塔和再生塔应采用高效填料塔[16]。由于采用混合制冷剂，国内在设计和运行管理方面没有成熟的技术和经验，仪表控制系统较为复杂。同时，考虑到原料气中甲烷含量较高，可以利用压力能。因此，天然气液化循环工艺采用天然气直接膨胀制冷[17]。气波制冷属于等熵膨胀过程，气波制冷机是在热分离器的基础上，利用气体波动理论发展起来的。在结构上吸收了热分离器的一些优点，同时增加了微波吸收腔这一关键器件，与热分离器在原理上有明显的区别，更有效的利用了气体压力，提高了制冷效率。

2.2.7哈尔滨燃气工程设计研究院和哈尔滨工业大学

LNG系统主要包括天然气预处理、低温液化、低温储存、气化和天然气外输[18]。处理后的天然气通过多级单一混合冷凝过程液化，制冷压缩机由天然气发动机驱动。LNG储罐为双金属保温罐，内罐和外罐分别采用镍钢和碳钢[19]。

循环气压缩机一般采用天然气驱动，可节省运行费用，投资回收快。压缩机一般采用无润滑的特殊设计，避免天然气被润滑油污染[20]。采用了配备电子调速系统的涡轮，新涡轮的末级叶片采用金刚石合金，提高了机械运行性。安装在涡轮压缩机上的新型离合器是灵活的，它们的可靠性相对较高，并且间隙可以调节。