摘要：液化天然氣（ LNG ）已成為綠色能源的主力軍，它即是可持續(xù)發(fā)展的具體實施和實現(xiàn)，又是其它產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的典范。本篇參考了國內(nèi)外有關(guān) LNG 方面大量的技術(shù)資料，結(jié)合近年來對天然氣發(fā)展的需求，簡要介紹了目前國內(nèi)外已用于工業(yè)生產(chǎn)的比較成熟的液化裝置工藝方案以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。簡述了國內(nèi)外 LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況和 LNG 在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)展的必要性以及發(fā)展和應(yīng)用前景。并介紹了新疆天然氣資源的開發(fā)狀況，包括已探明的儲量；以及新建廣匯液化工廠的近況。最后指明了西部大開發(fā)中 LNG 的開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。

關(guān)鍵詞：液化天然氣 綠色能源 可持續(xù)利用 液化工藝

一、前言 
    近二三十年以來，隨著人類綠色意識的覺醒， 環(huán)境保護意識不斷加強， 可持續(xù)發(fā)展觀念深入人心。天然氣作為清潔能源，重要化工原料，得到了更為廣泛的利用，世界各國把推廣利用天然氣，提高天然氣在一次能源消費中的比重，作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑，目前天然氣消費在世界能源消費結(jié)構(gòu)中的比重已達 35% ，成為僅次于石油的第二大能源 [1] 。由于設(shè)計到的技術(shù)問題很多，從 2003 年起，國際燃氣聯(lián)盟（ IGU ）成立了 LNG 問題的計劃委員會（ PGCD ） , 并將與其它國際組織（如世界 LNG 會議，美國燃氣工藝研究院 (IGT) 和國際冷凍組織 (IIR) 等）合作進行工作。追蹤并全面研究世界上發(fā)展 LNG 的經(jīng)驗[2]。同時，我國能源消費總量占世界能源消費總量的 11.1% ，屬世界第二位，在能源消費大國中，我國能源消費總量中煤炭比重最高，是全球平均水平的 2.9 倍，而天然氣比重最低（僅占 2.8% ），只 是 全球平均水平的 7.2% 。從可持續(xù)發(fā)展角度講，西部大開發(fā)的實質(zhì)就是在西部大開發(fā)的同時，要確保西部自然資源的保護和可持續(xù)發(fā)展，合理處理西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展與資源、環(huán)境等之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，確保西部地區(qū)石油天然氣等能源的可持續(xù)發(fā)展。

二、國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢 
    1941 年在美國克利夫蘭建成了世界第一套工業(yè)規(guī)模的LNG 裝置，液化能力為8500 m3 /d 。從60 年代開始，LNG 工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，規(guī)模越來越大，基本負荷型液化能力在2. 5 × 104 m3 /d 。據(jù)資料[3]介紹，目前各國投產(chǎn)的 LNG 裝置已達160 多套，LNG 出口總量已超過46.1 8 × 106 t/a 。

天然氣的主要成分是甲烷，甲烷的常壓沸點是 -16 1 ℃ ，臨界溫度為 -84 ℃ ，臨界壓力為4.1MPa 。LNG 是液化天然氣的簡稱，它是天然氣經(jīng)過凈化（脫水、脫烴、脫酸性氣體）后[4]，采用節(jié)流、膨脹和外加冷源制冷的工藝使甲烷變成液體而形成的[5]。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外的液化裝置規(guī)模大、工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資高，基本都采用階式制冷和混合冷劑制冷工藝，目前兩種類型的裝置都在運行，新投產(chǎn)設(shè)計的主要是混合冷劑制冷工藝，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工藝從階式制冷改進到混合冷劑制冷循環(huán)，目前有報道又有 C Ⅱ -2 新工藝[6]，該工藝既具有純組分循環(huán)的優(yōu)點，如簡單、無相分離和易于控制，又有混合冷劑制冷循環(huán)的優(yōu)點，如天然氣和制冷劑制冷溫位配合較好、功效高、設(shè)備少等優(yōu)點。原理流程見圖 1 。

法國 Axens 公司與法國石油研究所 (IFP) 合作，共同開發(fā)的一種先進的天然氣液化新工藝—— Liquefin 首次工業(yè)化，該工藝為 LNG 市場奠定了基礎(chǔ)。其生產(chǎn)能力較通用的方法高 15%-20% ，生產(chǎn)成本低 25% 。使用 Liquefin 法之后，每單元液化裝置產(chǎn)量可達 600 × 104 t/y 以上。采用 Liquefin 工藝生產(chǎn) LNG 的費用每噸可降低 25% [7] 。該工藝的主要優(yōu)點是使用了翅片式換熱器和熱力學(xué)優(yōu)化后的工藝，可建設(shè)超大容量的液化裝置。 Axens 已經(jīng)給美國、歐洲、亞洲等幾個主要地區(qū)提出使用該工藝的建議，并正在進行前期設(shè)計和可行性研究。 IFP 和 Axens 開發(fā)的 Liquefin 工藝的安全、環(huán)保、實用及創(chuàng)新特點最近已被世界認可，該工藝獲得了化學(xué)工程師學(xué)會授予的“工程優(yōu)秀獎” [8] 。

美國德克薩斯大學(xué)工程實驗站，開發(fā)了一種新型天然氣液化的技術(shù)—— GTL 技術(shù)已申請專利。該技術(shù)比目前開發(fā)的 GTL 技術(shù)更適用于小規(guī)模裝置，可加工 30.5 × 104 m3 /d 的天然氣。該實驗站的 GTL 已許可給合成燃料 (Synfuels) 公司。該公司在 A ＆ M 大學(xué)校園附近建立了一套 GTL 中試裝置，目前正在進行經(jīng)濟性模擬分析。新工藝比現(xiàn)有技術(shù)簡單的多，不需要合成氣，除了發(fā)電之外，也不需要使用氧氣。其經(jīng)濟性、規(guī)模和生產(chǎn)方面都不同于普通的費托 GTL 工藝。第一套工業(yè)裝置可能在 2004 年上半年建成[9]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

早在60年代，國家科委就制訂了LNG 發(fā)展規(guī)劃，60 年代中期完成了工業(yè)性試驗，四川石油管理局威遠化工廠擁有國內(nèi)最早的天然氣深冷分離及液化的工業(yè)生產(chǎn)裝置，除生產(chǎn) He 外，還生產(chǎn)LNG 。1991 年該廠為航天部提供30tLNG 作為火箭試驗燃料。與國外情況不同的是，國內(nèi)天然氣液化的研究都是以小型液化工藝為目標，有關(guān)這方面的文獻發(fā)表較多[10]，以下就國內(nèi)現(xiàn)有的天然氣液化裝置工藝作簡單介紹。

2.2.1 四川液化天然氣裝置

由中國科學(xué)院北京科陽氣體液化技術(shù)聯(lián)合公司與四川簡陽市科陽低溫設(shè)備公司合作研制的 300l/h 天然氣液化裝置，是用LNG 作為工業(yè)和民用氣調(diào)峰和以氣代油的示范工程。該裝置于1992 年建成，為LNG 汽車研究提供LNG 。

該裝置充分利用天然氣自身的壓力，采用氣體透平膨脹機制冷使天然氣液化，用于民用天然氣調(diào)峰或生產(chǎn)LNG ，工藝流程合理，采用氣體透平膨脹機，技術(shù)較先進。該裝置基本不消耗水、電，屬節(jié)能工程，但液化率很低，約10% 左右，這是與它的設(shè)計原則一致的。

2.2.2 吉林油田液化天然氣裝置

由吉林油田、中國石油天然氣總公司和中科院低溫中心聯(lián)合開發(fā)研制的500l/h 撬裝式工業(yè)試驗裝置于1996年12月整體試車成功，該裝置采用以氮氣為冷劑的膨脹機循環(huán)工藝，整個裝置由 10 個撬塊組成，全部設(shè)備國產(chǎn)化 [11]。

該裝置采用氣體軸承透平膨脹機；國產(chǎn)分子篩深度脫除天然氣中的水和CO2 ，工藝流程簡單，采用撬裝結(jié)構(gòu)，符合小型裝置的特點。采用純氮作為制冷工質(zhì)，功耗比采用冷劑的膨脹機循環(huán)要高。沒有充分利用天然氣自身壓力，將天然氣在中壓下（5.0MPa 左右）液化（較高壓力下液化既可提高氮氣的制冷溫度，又可減少制冷負荷），因此該裝置功耗大。

2.2.3 陜北氣田液化天然氣

1999 年 1 月建成投運的 2 × 104 m3 /d “陜北氣田 LNG 示范工程”是發(fā)展我國 LNG 工業(yè)的先導(dǎo)工程，也是我國第一座小型 LNG 工業(yè)化裝置。該裝置采用天然氣膨脹制冷循環(huán)，低溫甲醇洗和分子篩干燥聯(lián)合進行原料氣凈化，氣波制冷機和透平膨脹機聯(lián)合進行低溫制冷，燃氣機作為循環(huán)壓縮機的動力源，利用燃氣發(fā)動機的尾氣作為加熱分子篩再生氣的熱源。該裝置設(shè)備全部國產(chǎn)化。裝置的成功投運為我國在邊遠油氣田上利用天然氣生產(chǎn) LNG 提供了經(jīng)驗[12]。

2.2.4 中原油田液化天然氣裝置

中原油田曾經(jīng)建設(shè)了我國最大的 LNG 裝置，原料氣規(guī)模為 26.6 5 × 104 m3 /d 、液化能力為 1 0 × 104 m3 /d 、儲存能力為 1200 m3 、液化率為 37.5%[13]。目前，在充分吸取國外先進工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)、國外有關(guān)設(shè)備的情況，主要針對自身氣源特點，又研究出 LNG 工藝技術(shù)方案 [14] 。該工藝流程采用常用的分子篩吸附法脫水，液化工藝選用丙烷預(yù)冷 + 乙烯預(yù)冷 + 節(jié)流。

裝置在原料氣量 30× 104 m3 /d 時，收率高達 51.4% ，能耗為 0.13 Kwh/Nm3 。其優(yōu)點在于各制冷系統(tǒng)相對獨立，可靠性、靈活性好。但是工藝相對較復(fù)雜，須兩種制冷介質(zhì)和循環(huán)，設(shè)備投資高。由于該廠充分利用了油田氣井天然氣的壓力能，所以液化成本低。

2.2.5 天津大學(xué)的小型液化天然氣（ LNG ）裝置

小型 LNG 裝置與大型裝置相比，不僅具有原料優(yōu)勢、市場優(yōu)勢而且投資低、可搬遷、靈活性大[15]。 LNG 裝置主要是用胺基溶劑系統(tǒng)對天然氣進行預(yù)處理，脫除 CO2 等雜質(zhì)；分子篩脫水；液化幾個步驟。裝置采用單級混合制冷系統(tǒng)；閉合環(huán)路制冷循環(huán)用壓縮機壓縮制冷劑。單級混合制冷劑工藝操作簡便、效率高，適用于小型 LNG 裝置。

壓縮機的驅(qū)動機可用燃氣輪機或電動馬達。電價低的地區(qū)可優(yōu)先考慮電動馬達（成本低、維修簡單）。在燃料氣價格低的地區(qū)，燃氣透平將是更好的選擇方案。經(jīng)濟評估結(jié)果表明，采用燃氣輪機驅(qū)動機的液化裝置，投資費要比選用電動馬達高出 200 萬～ 400 萬美元。據(jù)對一套 15 × 106ft 3 /d 液化裝置進行的成本估算，調(diào)峰用的 LNG 項目儲罐容積為 10 萬 m3 ，而用于車用燃料的 LNG 項目僅需 700m3 儲罐，導(dǎo)致最終調(diào)峰用的 LNG 成本為 2.03 ～ 2.11 美元 /1000ft3 ，而車用 LNG 成本僅 0.98 ～ 0.99 美元 /1000 ft3 。

2.2.6 西南石油學(xué)院液化新工藝

該工藝日處理 3.0 × 104 m3 天然氣，主要由原料氣 （ CH4 : 95.28% ， CO2 :2.9% ） 脫 CO2 、脫水、丙烷預(yù)冷、氣波制冷機制冷和循環(huán)壓縮等系統(tǒng)組成。 以 SRK 狀態(tài)方程作為基礎(chǔ)模型，開發(fā)了天然氣液化工藝軟件。 天然氣壓縮機的動力采用天然氣發(fā)動機，小負荷電設(shè)備用天然氣發(fā)電機組供電，解決了邊遠地區(qū)無電或電力緊張的難題。由于邊遠地區(qū)無集輸管線可利用，將未能液化的天然氣循環(huán)壓縮，以提高整套裝置的天然氣液化率。

裝置采用一乙醇胺法（ MK-4 ）脫除 CO2 。由于處理量小，脫二氧化碳的吸收塔和再生塔應(yīng)采用高效填料塔 [16] 。由于混合制冷劑，國內(nèi)沒有成熟的技術(shù)和設(shè)計、運行管理經(jīng)驗，儀表控制系統(tǒng)較復(fù)雜。同時考慮到原料氣中甲烷含量高，有壓力能可以利用。故采用天然氣直接膨脹制冷作為天然氣液化循環(huán)工藝[17]。氣波制冷屬于等熵膨脹過程，氣波制冷機是在熱分離機的基礎(chǔ)上，運用氣體波運動的理論研制的。在結(jié)構(gòu)上吸收了熱分離機的一些優(yōu)點，同時增加了微波吸收腔這一關(guān)鍵裝置，在原理上與熱分離機存在明顯不同，更加有效地利用氣體的壓力，提高了制冷效率。

2.2.7 哈爾濱燃氣工程設(shè)計研究院與哈爾濱工業(yè)大學(xué)

LNG 系統(tǒng)主要包括天然氣預(yù)處理、天然氣的低溫液化、天然氣的低溫儲存及天然氣的氣化和輸出等[18]。經(jīng)過處理的天然氣通過一個多級單混冷凝過程被液化，制冷壓縮機是由天然氣發(fā)動機驅(qū)動。 LNG 儲罐為一個雙金屬壁的絕熱罐，內(nèi)罐和外罐分別是由鎳鋼和碳鋼制成 [19] 。

循環(huán)氣體壓縮機一般采用天然氣驅(qū)動，可節(jié)省運行費用而使投資快速收回。壓縮機一般采用非潤滑式特殊設(shè)計，以避免天然氣被潤滑油污染[20]。采用裝有電子速度控制系統(tǒng)的透平，而且新型透平的最后幾級葉片用鉆合金制造，改善了機械運轉(zhuǎn)。安裝于透平壓縮機上的新型離合器是撓性的，它們的可靠性比較高，還可以調(diào)整間隙。

三、液化天然氣（ LNG ）的應(yīng)用前景 
    3.1 國際上的應(yīng)用前景

LNG 是天然氣資源應(yīng)用的一種重要形式， 2002 年世界 LNG 貿(mào)易增長率為 10.1% ，達到 1369 億 m3 （ 1997 年 956 億 m3 ），占國際天然氣總貿(mào)易量的 26% ，占全球天然氣消費總量的 5.7%[21]。 LNG 主要產(chǎn)地分布在印度尼西亞、馬來西亞、澳大利亞、阿爾及利亞、文萊等地，消費國主要是日本、法國、西班牙、美國、韓國和我國臺灣省等[22]。 LNG 自六十年代開始應(yīng)用以來，年產(chǎn)量平均以 20% 的速度持續(xù)增加，進入 90 年代后，由于供需基本平衡，海灣戰(zhàn)爭等因素影響， LNG 每年以 6 ～ 8% 的速度遞增，這個速度仍高于同期其它能源的增長速度。印尼是全球最大的 LNG 出口國，占世界出口總量的 26% ，而日本則是世界最大的 LNG 進口國，占世界進口總量的 53% ，達 720 多億 m3 。中東和非洲的 LNG 出口份額也在不斷增長，而 LNG 主要進口地區(qū)則在亞洲。

3.2 國內(nèi) LNG 的應(yīng)用現(xiàn)狀

與世界 LNG 的應(yīng)用相比，我國確實是剛剛起步。第一家應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并商業(yè)化的 LNG 是中原油田的 LNG 工廠。該廠充分利用了油田氣井天然氣的壓力能，故液化成本低。并且用汽車等燃料和居民燃氣[23]。與此同時，上海石油天然氣總公司在東海氣田的天然氣通過海底管線輸送到上海供工業(yè)和民用后，也建設(shè)了 LNG 調(diào)峰站，把東海天然氣經(jīng)加工深冷成 LNG 儲存起來，必要時再汽化為天然氣輸入城市管網(wǎng)，作為臨時氣源，確保城市安全平穩(wěn)供氣。

國家計劃在 2001 年－2007 年實施幾項大的天然氣開發(fā)項目，即西氣東輸、進口俄羅斯天然氣工程。而比較大的項目是我國廣東在 2002 年確定的進口 300 萬噸 / 年 LNG 項目，該 LNG 接收站建成后，將能把 LNG 汽化后通過管道輸至廣州、深圳、佛山、番禺、東莞、惠州等城市，用于發(fā)電及作為工業(yè)和民用清潔燃料，成為我國第一個真正意義上的 LNG 應(yīng)用工程。福建、青島等也都在規(guī)劃或建設(shè) LNG 接收站，從國外進口 LNG ，用于發(fā)電、石油化工、工業(yè)、民用燃料。同時，在東北地區(qū)以及四川、陜西、山西、江蘇、云南、貴州等地相繼發(fā)現(xiàn)新的天然氣儲量可供開發(fā)利用，因此要充分發(fā)揮國家與地方大型天然氣開發(fā)和小型區(qū)域利用相結(jié)合。共同開發(fā)各種天然氣資源，實現(xiàn)天然氣多元化，把我國城市天然氣利用提高至較高水平。

3.3 新疆 LNG 的應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國“西氣東輸”管道正在建設(shè)的同時，新疆比較大規(guī)模的 LNG 工廠也已建設(shè)投產(chǎn)。新疆 LNG 項目是一個系統(tǒng)工程，從上游的 LNG 工廠建設(shè)到下游市場建設(shè)，從低溫罐式集裝箱的生產(chǎn)到鐵路運輸，都必須同步建設(shè)，同步投入運行，每個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，新疆廣匯正全力以赴、緊鑼密鼓搞好這個系統(tǒng)工程建設(shè)，從目前建設(shè)情況來看，基本達到預(yù)定計劃目標。 s

新疆廣匯 LNG 工廠目前是國內(nèi)規(guī)模最大的 LNG 生產(chǎn)廠， LNG 的長距離鐵路運輸，在世界上也屬首例（目前世界 LNG 鐵路運輸最長的日本僅達 400 多 km ） LNG 鐵路運輸已獲得鐵路部門的承諾，在一個星期內(nèi) LNG 集裝箱可以運到全國任意路網(wǎng)覆蓋的城市。新疆廣匯的 LNG 可根據(jù)用戶的需要，發(fā)往全國各城市。

新疆具有豐富的天然氣資源，準噶爾、塔里木、吐哈三大盆地天然氣儲量達 10.3 萬億 m3 ，占全國陸上天然氣資源總量的 34% ，已累計探明的儲量達 8807 億 m3 。其中吐哈油田 868 億 m3 ，準噶爾油田位 1770 億 m3 。而“西氣東輸”只把塔里木盆地作為供氣氣源，這樣吐哈、準噶爾兩盆地的天然氣為發(fā)展 LNG 提供了可靠的資源保證[24]。

我國年產(chǎn)天然氣 201 多億 Nm3 , 天然氣資源量超過 38 萬億 m3 ，探明儲量只有 4.3% ，而世界平均為 37% ，這說明我國天然氣工業(yè)較落后，同時說明了我們大力發(fā)展天然氣工業(yè)是有資源保證的，是有潛力的。

總之，隨著國民經(jīng)濟高速增長，我國也將迅速成為 LNG 進口國，并將已極快的速度占領(lǐng)市場。因此，發(fā)展 LNG 是目前世界發(fā)展的潮流，而我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展必須以 LNG 的可持續(xù)開發(fā)利用為前提，按照可持續(xù)發(fā)展的要求進行 LNG 的合理開發(fā)利用。

通過各種措施的實施，與社會各方面的共同努力，我國能源可持續(xù)發(fā)展的能力必將得到進一步提高，可持續(xù)發(fā)展的社會也必將早日到來。

最后，天然氣作為“低消耗、高收益、低污染、高效益”的“無煙工業(yè)”和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，它強調(diào)發(fā)展與保護同步、效益與公平同構(gòu)、因地制宜與綜合發(fā)展協(xié)同，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)?？梢?，發(fā)展 LNG 產(chǎn)業(yè)，對西部大開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展，具有重大戰(zhàn)略意義。

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