天然气是一种优质洁净的燃料，在能源、交通等领域具有很好的前景，天然气的液化和储存是其开发利用的一项关键技术。液化天然气(LNG)产业是高科技的系统工程，已形成了一个工业链。30年来，LNG产业作为世界上一门新兴工业在飞速发展，目前仍保持着强劲的势头。我国有丰富的天然气资源，但大规模开发利用天然气，尤其是开发和应用LNG技术起步很晚。我国已进入LNG建设的高峰期，故LNG的工艺设计、建设及运营可能出现一系列问题，需要我们探索和研究[1]。本文通过工程实例对LNG工厂的工艺设计进行探讨。
2 LNG工厂工艺系统及流程
陕西省燃气设计院于2008年初承接了一个日处理天然气60×104m3/d的LNG工厂设计项目，该项目完全采用国内设备和国内技术，气源来自陕京输气管道和兰银输气管道。冬季气源压力为2.0～2.5MPa，夏季气源压力为3.0～3.5MPa，气源温度为5～40℃。气源的主要组分为甲烷，还含有N2、C02、H2S、烷烃类及苯类等。
本液化工程项目的主要工艺系统(按工艺流程的先后顺序)有：原料气分配系统、原料气压缩系统、脱碳系统、脱水系统、纯化系统、脱汞系统、液化系统、储存系统和装车系统。辅助系统有放散系统、仪表风系统、PSA制氮及液氮气化系统、循环水系统和蒸汽系统。
3 原料气分配及压缩系统
原料气来自银川门站，进入工厂后，首先进入原料气分配系统，经分配站调压计量后分为两路，一路进入厂区锅炉房、制冷站房、加热炉、厨房；另一路进入分离器进行气水分离，再进入天然气压缩机，增压至5.0MPa。
4 脱碳、脱水、纯化及脱汞系统
为了满足低温工作状态的要求，天然气经脱碳系统净化后C02体积分数应低于50×10-6，H2S体积分数应低于4×10-6；经脱水系统后水体积分数应低于1×10-6；经纯化系统净化后芳香烃类体积分数应为1×10-6～10×10-6。
来自压缩机的天然气经气液分离器和过滤器后进入吸收塔底部，与来自塔顶的N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接触，C02和H2S被MDEA溶液吸收。净化后的天然气在吸收塔上部被洗涤冷却后，经塔顶高效除污器进行除污，之后进入净化冷却器降温至40℃，再经净化分离器分离水分及杂质后进入脱水系统[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化剂)脱碳工艺兼有物理吸收和化学吸收的特点，具有C02回收率高、能耗低等优点。
从脱碳系统出来的天然气进入分子筛干燥器，采用4A液化天然气专用分子筛吸附脱除天然气中的水分，水分体积分数小于1×10-6后，进入干粉过滤器去除粉尘，之后进入纯化和脱汞系统。
从脱水系统出来的干燥天然气进入纯化器，采用活性炭吸附脱除芳香烃后，经过滤器脱除粉尘。然后，自上而下通过脱汞吸附器床层，采用浸硫煤基活性炭吸附脱除天然气中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再经过滤器脱除粉尘后，进入液化系统。
5 天然气液化系统
① 液化原理
液化系统采用氟利昂预冷和氮-甲烷膨胀液化流程提供天然气液化需要的冷量，采用低温工艺将天然气液化，进入LNG子母罐储存并通过LNG槽车外运。
氟利昂预冷和氮-甲烷膨胀液化流程结合了级联式液化流程和膨胀机液化流程的优点，流程高效简单。在此液化流程中，氟利昂预冷循环用于预冷氮-甲烷和天然气，而氮-甲烷循环用于深冷和液化天然气。
氮-甲烷膨胀液化流程是纯氮膨胀制冷循环的一种改进。为了降低能耗，采用氮-甲烷混合气体代替纯N2。氮-甲烷膨胀液化流程具有起动时间短、流程简单、控制容易、制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端换热温差，氮-甲烷膨胀液化流程比纯氮膨胀液化流程减少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨胀液化工艺克服了阶式制冷循环工艺机组多、流程复杂、附属设备多、管道与控制系统复杂等缺点，也解决了混合制冷剂工艺能耗较高、混合制冷剂合理配比困难及流程计算困难等问题。故氮-甲烷膨胀液化工艺特别适合中小型的天然气液化装置。
② 液化流程[4]
氮-甲烷膨胀液化系统由天然气液化系统和氮-甲烷制冷系统两部分组成。
氮-甲烷膨胀液化流程见图1。在天然气液化系统中，经过预处理装置脱酸、脱水后的天然气，经换热器2冷却后，在气液分离器3中进行气液分离，其中的气相流入换热器4冷却液化，在换热器5中过冷，节流降压后进入储罐；液相进入换热器2内吸热气化后再进入天然气管道。在氮-甲烷制冷系统中，制冷剂氮-甲烷经循环压缩机10和制动压缩机7压缩到工作压力后，经水冷却器8冷却，进入换热器2，被冷却到透平膨胀机的入口温度。一部分制冷剂进入透平膨胀机6，膨胀到循环压缩机的入口压力，与返流制冷剂混合后，作为换热器4的冷源，回收的膨胀功用于驱动制动压缩机；另外一部分制冷剂经换热器4和5冷凝和过冷后，经节流阀节流、降温后返流，为换热器5提供冷量。
6 储存和装车系统
液化后的LNG进入LNG储罐储存，储存能力按7d的产量确定，选用有效容积为1750m3的LNG储罐2座，当1座LNG储罐进液时，另1座LNG储罐装车。
进液：来自液化系统的LNG通过充装管道，经过充装紧急切断阀、顶部或底部进液阀进入子罐。在高高液位连锁或液化单位连锁的情况下，充装紧急切断阀将迅速自动关闭。
出液和装车：子罐内的LNG通过低温泵输送，经过截止阀和出液紧急切断阀进入槽车。在火气关断阀连锁的情况下，出液紧急切断阀将迅速自动关闭。
该液化装置的LNG产量为512m3/d，每天装车操作按8h计算，配置80m3/h的外置式离心泵2台(1用1备)，LNG装车位3个，可实现3台槽车同时装车。
7 结语
本项目从2008年初开始设计，到2009年6月施工调试结束，历时1年半。目前该LNG液化工厂已经安全投入生产，产量基本达到设计要求，具有良好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003：62.
[2] 张朋波，王兆银，张兴兴，等.天然气液化预处理工艺流程[J].煤气与热力，2009，29(9)：B05-B07.
