LNG的基础知识

LNG的基础知识

液化天然气基础知识

天然气在常压下，当冷却至约-162℃时，则由气态变成液态，称为液化天然气（英文 Liquefied Natural Gas, 简称LNG）。LNG 的主要成份为甲烷，还有少量的乙烷、丙烷以及氮等。

天然气在液化过程中进一步得到净化，甲烷纯度更高，几乎不含二氧化碳和硫化物，且无色、无味、无毒。

一、LNG的性质

（一）密度

LNG的密度取决于其组分和温度，通常在430 kg／m3～470 kg／m3之间，但是在某些情况下可高达520kg／m3。密度随温度的变化梯度约为1．35 kg／（m3·℃）。LNG的体积约为同量气态天然气体积的1/600。

（二）沸点

沸腾是在一定温度和压力下液体内部和表面同时发生汽化的现象。液体沸腾时候的温度被称为沸点。LNG的沸点取决于其组分和压力，在常压下通常在－166℃到～－157℃之间。

（三）LNG的蒸发

LNG是在沸腾状态下储存于绝热储罐中的。任何传导至储罐中的热量都会导致部分LNG蒸发为气体，这种气体称为蒸发气，其组分与LNG的组分有关。当LNG蒸发时，由于氮和甲烷的沸点较低，因此氮和甲烷首先从液体中气化。一般情况下，蒸发气中包括约20％的氮、80％的甲烷和微量的乙烷，蒸发气含氮量是LNG中含氮量的20倍。

（四）闪蒸

在一密闭容器中把液体加热，由于液相的蒸发，气相的压力不断升高，当液体和气体达到平衡状态时，若突然把容器的气相与一低压的外界连通，气相压力立刻降低，液体迅速沸腾，大量液体蒸发到气相中去的现象称为闪蒸。

当容器或管道中的LNG压力突然降至其饱和蒸汽压以下时，也会发生闪蒸现象。由于LNG为多组分的混合物，闪蒸气体的组分与剩余液体的组分不一样。作为指导性数据，在压力为100kPa～200kPa时，压力每下降lkPa，1m3的液体产生大约0．4 kg的气体。

（五）LNG的溢出、膨胀和扩散

当LNG倾倒至地面上时(例如事故溢出)，最初会猛烈沸腾，然后蒸发速率将迅速衰减至一个固定值，该值取决于地面的热性质和周围空气供热情况。当溢出发生在水上时，水中的对流非常强烈，足以使所涉及范围内的蒸发速率保持不变，LNG的溢出范围将不断扩展，直到气体的蒸发总量等于泄漏的LNG总量。

最初，蒸发气体的温度几乎与LNG的温度一样，其密度比周围空气的密度大。这种气体首先沿地面上的一个层面流动，直到气体从大气中吸热升温后为止。当LNG的温度在－107℃时，其密度接近空气的密度，当温度继续升高时，其密度将比周围空气的密度小。

随着溢出，由于大气中的水蒸气的冷凝作用将产生“雾”云。当这种“雾”云可见时(在白天且没有自然界的雾)，此种可见“雾”云可用来显示蒸发气体的运动，并且给出气体与空气混合物可燃性范围的保守指示。在压力容器或管道发生溢出时，LNG将以喷射流的方式进入大气中，且同时发生膨胀和蒸发。这一过程与空气强烈混合同时发生。大部分LNG最初作为空气溶胶（由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系）的形式被包容在气云之中。这种溶胶最终将与空气进一步混合而蒸发。

（六）LNG池火

直径大于10m的着火LNG池，火焰的表面辐射功率非常高（即温度非常高）。表面辐射功率取决于火池的尺寸、烟的发散情况以及测量方法。表面辐射功率随着烟尘炭黑的增加而降低。

（七）翻滚

翻滚是指大量气体在短时间内从LNG容器中释放的过程，除非采取预防措施或对容器进行特殊设计，否则翻滚将使容器超压或破坏。

由于热量输入到容器中而产生单元间的传热、传质及液体表面的蒸发，单元之间的密度将达到均衡并且最终混为一体,这种自发的混合称之为翻滚。

（八）相变

当温度不同的两种液体在一定条件下接触时，有时会发生相变，可产生爆炸力。当LNG与水接触时，这种称为快速相变的现象就会发生。尽管不发生燃烧，但是这种现象具有爆炸的所有其他特征。

（九）沸腾液体膨胀蒸气爆炸

任何液体处于或接近其沸腾温度，并且承受高于某一确定值的压力时，如果由于压力系统失效而突然获得释放，将以极高的速率蒸发，这种现象叫做沸腾液体膨胀蒸气爆炸。

二、 天然气的液化

（一）天然气预处理

作为液化装置的原料气，首先必须对天然气进行预处理。天然气的预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、 水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备或在低温下冻结而堵塞设备和管道。

（二）天然气液化流程

天然气的液化流程有不同的形式，按制冷方式分，可分为以下三种方式：

1. 级联式液化流程

2. 混合制冷剂液化流程

3. 带膨胀机的液化流程

这样的划分并不是严格的，通常采用的是包括了上述各种液化流程中某些部分的不同组合的复合流程。

三、天然气制冷工艺简介

常见天然气液化制冷工艺有阶式制冷工艺、混合制冷工艺和膨胀制冷工艺。

（一）阶式制冷工艺

阶式制冷工艺是一种常规制冷工艺。对于天然气液化过程，一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的3个制冷循环阶组成，逐级提供天然气液化所需的冷量，制冷温度梯度分别为－30 ℃、－90 ℃及－150 ℃左右。净化后的原料天然气在3个制冷循环的冷却器中逐级冷却、冷凝、液化并过冷，经节流降压后获得低温常压液态天然气产品，送至储罐储存。

阶式制冷工艺制冷系统与天然气液化系统相互独立，制冷剂为单一组分，各系统相互影响少，操作稳定，较适合于高压气源（利用气源压力能）。但由于该工艺制冷机组多，流程长，对制冷剂纯度要求严格，且不适用于含氮量较多的天然气。因此这种液化工艺在天然气液化装置上已较少应用。

（二） 混合制冷工艺

混合制冷工艺是六十年代末期由阶式制冷工艺演变而来的，多采用烃类混合物（N2、C1、C2、C3、C4、C5）作为制冷剂，代替阶式制冷工艺中的多个纯组分。其制冷剂组成根据原料气的组成和压力而定，利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将其依次冷凝、分离、节流、蒸发得到不同温度级的冷量。又据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两种混合制冷工艺。

闭式循环：制冷剂循环系统自成一个独立系统。混合制冷剂被制冷压缩机压缩后，经水（空气）冷却后在不同温度下逐级冷凝分离，节流后进入冷箱（换热器）的不同温度段，给原料天然气提供冷量。原料天然气经“三脱”处理后，进入冷箱（换热器）逐级冷却冷凝、节流、降压后获得液态天然气产品。

开式循环：原料天然气经“三脱”处理后与混合制冷剂混合，依次流经各级换热器及气液分离器，在逐渐冷凝的同时，也把所需的制冷剂组分逐一冷凝分离出来，按制冷剂沸点的高低将分离出的制冷剂组分逐级蒸发，并汇集构成一股低温物流，与原料天然气逆流换热的制冷循环。开式循环系统启动时间较长，且操作较困难，技术尚不完善。