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液化天然气知识
液化天然气知识
一、前言
天然气是一种洁净、环保、使用方便的能源,在发达国家的能源结构中天然气已占25%以上,并有继续增长的趋势。
在我国的能源结构中天然气仅占2%,与世界先进水平相差很大。
近年来,随着人们生活质量的迅速提高、环保意识的提高,对天然气的需求日益增加,“西气东输”就是在上述背景下国家做出的重大决策。
天然气是烃类与非烃类组成的复杂混合物。
大多数天然气的主要成分是气态烃类,此外还含有少量的非烃类气体。
天然气中含有的烃类通常以甲烷为主,还有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷以及少量的己烷以上烃类。
天然气中含有的非烃类气体,一般为少量的、数量不等的氮气、二氧化碳、水蒸汽、硫化氢以及微量的惰性气体如氦、氩、氙等。
天然气中的水蒸气一般呈饱和状态。
天然气的组成并非固定不变,不仅储集层中采出的天然气组成往往差别很大,甚至同一储集层中不同生产井采出的天然气组成也会不同。
LNG是英文LiquefiedNaturalGas的简称,即液化天然气:
气田开采出来的天然气,经过脱水、脱酸性气体和重烃,然后压缩、膨胀、液化而成的低温液体。
LNG的体积约为其气态体积的1/600,也就是说1立方米LNG液化后可得600立方米天然气,故液化了的天然气更有利于远距离运输、储存,使天然气的应用方式更灵活、范围更广。
LNG从六十年代开始商业化至今已有30多年的历史,随着天然气液化技术不断进步,液化成本比20年前降低了50%,大大增加了LNG与其他能源的竞争力,使LNG在国际天然气贸易总量中比例上升至25%,是当今世界能源供应增长速度最快的领域。
国内LNG产业起步于90年代末,先后有上海LNG调峰站、中原油田LNG工厂投产,一批与中原LNG相配套的LNG应用工程也相继投入运行。
而一批规模更大的LNG工厂和广东、福建、青岛等进口LNG接受终端都在紧锣密鼓地筹建中。
可以预见,未来数年内,LNG将广泛应用于我国国民经济的各个领域。
二、液化天然气的性质
1.物性
(1)主要组份
LNG是一种无色、无味、无毒、无腐蚀性的低温液体,主要由甲烷组成,另外还含有少量的乙烷、丙烷、氮和其它天然气中常见的物质,其原料气是天然气、煤层气。
不同工厂生产的LNG具有不同的组份,主要取决于生产工艺和气源组份,按照欧洲标准EN1160的规定,LNG的甲烷含量应高于75%,氮的含量应低于5%。
(2)密度
LNG的密度取决于其组份,通常为430~470kg/m3,甲烷含量越高,密度越小。
密度还是液体温度的函数,温度越高,密度越小,变化的梯度为1.35Kg/m3℃。
LNG的密度可直接测量,但一般都是通过气体色谱仪分析的组份结果计算出密度。
(3)温度
LNG的沸腾温度也取决于它的组份,在大气压力下通常为-166~-157℃,一般资料上介绍的-162.15℃是指纯甲烷的沸腾温度。
沸腾温度随蒸气压力升高而升高,变化梯度为1.25×10-4℃/Pa,LNG的温度通常是用铜/铜镍热电偶或铂电阻温度计进行测量。
(4)LNG的气液体积比
LNG的气液体积比是指LNG汽化为标准状态的天然气体积与LNG体积之比,通常所说的LNG气液体积比为625是纯甲烷的气液体积比,且其标准状态为欧美标准(温度为-15.5℃),按国内标准(温度为20℃)纯甲烷的气液体积比应为633。
LNG的气液体积比也取决于它的组份,甲烷含量越高,气液体积比越大,气液体积比还是液体温度的函数,温度越高,气液体积比越小。
(5)LNG的汽化潜热
汽化潜热是指温度不变时,单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。
LNG(纯甲烷)的汽化潜热为122Kcal/kg,LNG的汽化潜热也取决于它的组份,汽化潜热还是液体温度的函数,温度越高,汽化潜热越小。
(6)LNG的热值、辛烷值
热值又称卡值或发热量,即1g某固体或气体燃料完全燃烧释放出的热量。
高热值是燃料的燃烧热和水蒸气冷凝热的总和,即燃料完全燃烧所放出的热量。
低热值仅是燃料的燃烧热,即总热量减去冷凝热的差值。
LNG的高热值(中原LNG,状态为101.325KPa、20℃)为9068kcal/Nm3,低热值为8213kcal/Nm3,辛烷值ASTM为130(研究法)。
2.特性
(1)蒸发特性
当LNG从已有的压力降低至沸点对应压力以下时,例如流经阀门,部分液体蒸发,同时温度也将降低到该压力下的新沸点,这种现象称为闪蒸。
闪蒸气的组成与液相的组成有较大差别,闪蒸气中低沸点组分的比例较多,例如氮的沸点为-196℃,比甲烷沸点-162℃低,比甲烷更易汽化进入气相。
有人对储罐中气液两相的组成进行过测定,在液相中氮的浓度为0.3%、甲烷的浓度为87.7%(mol),而在气相中氮的浓度达9.7%、甲烷的浓度为90.3%(mol),氮在气相中的浓度为液相中浓度的32倍。
若LNG压力为1~2×105Pa,温度为其沸点,估算时可认为压力每降低1kPa,1m3液体由于闪蒸能产生0.4kg的气体。
这些蒸发气外泄时,由于温度很低,常在-100℃左右,气体密度大于空气。
从环境吸热升温后,密度减小。
在标准状态下,蒸发气的密度约为空气密度的0.6倍。
(2)泄露特性
发生泄露时,LNG将与环境迅速换热、发生快速相变而汽化,单位体积的LNG能产生约600倍体积的气体。
LNG泄露至地面上时,最初会猛烈沸腾,然后蒸发速率将迅速衰减至某个固定值。
如果LNG泄露至大量的水中,水与LNG之间的热传递速率非常高,LNG将激烈地沸腾并伴随巨大的爆炸声、喷出水雾,这种现象称为冷爆炸。
如果LNG泄露至少量的水中,LNG下面的水就会结成冰,蒸发速率下降至某个固定值。
泄露并迅速汽化的LNG,最初的温度与LNG相近,其密度比空气大,沿地面流动。
当LNG气体温度上升至约-80℃(与组分有关)以上时,密度将小于空气,向上运动。
由于低温,空气中的水蒸气凝结产生雾云,雾云能扩散至很远距离,它的流动方向直接表明了LNG气体的运动方向。
(3)储存特性
LNG在储罐内会出现分层现象,即密度不同的LNG占有不同的层位。
分层的原因可能是新装入储罐的LNG和残留在储罐内的LNG密度不同,或LNG中氮含量较高(如≥3%),对流使氮组分移动至储罐液体表层,形成含氮量高的液体表层。
储罐受热产生的自然对流又力求使罐内LNG密度均匀,这就产生了所谓的“翻滚”现象。
翻滚使LNG在短时间内产生大量蒸气,导致储罐压力增高,有时造成安全阀开启。
经验说明,控制LNG的含氮量使之不超过1%是防止罐内LNG翻滚的有效措施,此外还应采取措施使罐内液体混合均匀。
(4)LNG的安全特性
LNG是一种易燃物品,安全生产始终应放在首要地位。
在大气环境下,与空气混合时,天然气体积浓度在5~15%范围内是可燃的。
LNG失火时,火焰表面的辐射功率很高,应防止消防人员灼伤。
可以用高膨胀泡沫材料或泡沫玻璃块覆盖着火表面,降低火焰的辐射作用。
推荐用干粉(最好是碳酸钙)灭火器处理LNG火灾,不能用水灭火。
水只能用于冷却火灾周围的建、构筑物及泡沫的产生。
LNG是一种温度极低的液体,与皮肤接触可造成类似烧伤的起疱灼伤。
不得接触隔热层损坏的装有LNG的裸露容器和管道,否则极冷的金属会粘住皮肉。
LNG又是极易汽化并且汽化后体积急剧增大的液体,任何装有LNG的封闭容器和管道应有泄压阀,以防超压。
在有可能存在天然气的场合,应测量空气中氧含量及烃含量,氧含量小于18%会使人窒息。
进入可能含天然气区域的人员应佩带面罩、护目镜、防护服和手套等。
三、液化天然气的优点
1.LNG体积比同质量的天然气小625倍,极大的节省了运输、储存成本。
2.LNG储存效率高,占地少,投资省。
3.LNG是一种清洁能源,组份较纯,燃烧完全,燃烧后生成二氧化碳和水,基本不产生污染,有利于保护环境,减少城市污染。
4.LNG做为优质的车用燃料,与汽油相比,它具有辛烷值高、抗爆性能好、发动机寿命长、燃料费用低、环保性能好等优点LNG。
使用LNG的车辆尾气排放很小,国家还有一定的补贴。
燃烧类型
汽车尾气污染物相对量/%(以汽油各项指标排放为标准)
一氧化碳
碳氢化合物
氮氧化物
颗粒悬浮物
氧化铅
其它有害物质
汽油
100
100
100
100
100
100
柴油
20-40
10-20
45-60
>1000
无
50
LPG
10-20
20-40
50-70
60/细化
无
3-10
CNG
2-10
10-20
30-40
少量
无
无
LNG
1-4
8-18
25-35
无
无
无
同燃油汽车相比,应用LNG作为汽车燃料,可以综合降低废弃污染排放量70%以上,可以降低PM2.5值90%左右。
5.供气平稳:
LNG作为气源供气时,一是建设气化站采用点对点方式供气;二是以气化站为气源建立局域网方式供气,与管道气相比,气源独立,可根据用户用量设定LNG储罐储量,不受上下游用户的影响,供气平稳性好。
6.热效率高:
LNG与管道气相比,在液化前需要去除水分、二氧化碳、氮气、硫化物和其它杂质,组分纯,热值高,是管道天然气的1.25倍,应用于工业燃气,无过多的氮气、水分和其它杂质参加燃烧,热效率高。
7.安全性好:
LNG燃点高(650℃),爆炸极限窄(5-15%),汽化后相对密度为0.47-0.55,只有空气的一半左右。
即使稍有泄漏,也会立即挥发扩散,在非受限空间内不存在爆炸的可能。
且由于LNG的低温特性,一旦发生不安全事故,保温罐体漏热,液体会急剧蒸发向外部喷射气体,即使燃烧,也不会回燃,不存在爆炸的可能,安全性好。
燃料类型
燃点
爆炸极限
扩散性
汽油
427
1.0%-7.6%
不易扩散
柴油
260
0.5%-4.1%
不易扩散
LPG
466
2.4%-9.5%
不易扩散
CNG
595
5%-15%
易扩散
LNG
650
5%-15%
易扩散
四、液化天然气的用途
1.做为清洁燃料汽化后供城市居民使用,具有安全、方便、快捷、污染小的特点。
2.作代用汽车燃料使用。
采用LNG作为汽车发动机燃料,发动机仅需作适当变动,运行又安全可靠,而且噪声低污染小,特别是在排放法规日益严格的今天,以LNG作为燃料的汽车,排气明显改善,尤其是致癌的碳烟微粒。
3.做为冷源用于生产速冻食品,以及塑料、橡胶的低温粉碎等,也可用于海水淡化和电缆冷却等。
4.做为工业气体燃料,用于玻壳厂、工艺玻璃厂、电厂、陶瓷厂等。
五、液化天然气产业链
天然气液化系统主要包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用这5个子系统。
一般生产工艺过程是,将含甲烷90%以上的天然气,经过“三脱”(即脱水、脱烃、脱酸性气体等)净化处理后,采取先进的膨胀制冷工艺或外部冷源,使甲烷变为-162℃的低温液体。
1.天然气净化指脱水、脱酸、脱重烃的工艺过程。
天然气中水分、苯及C6+重烃的存在会造成严重的后果:
水分与天然气在一定条件下形成水合物阻塞管路,影响冷却液化过程;另外由于水分的存在也会造成不必要的动力消耗;由于天然气液化温度低,水、苯及重烃的存在还会导致设备冻堵,故必须脱水、脱苯和重烃。
天然气中CO2和H2S在水存在的情况下会严重腐蚀管线和设备,缩短使用寿命。
在液化天然气装置中,CO2易成为固体析出,冻堵设备,同时CO2不燃烧、无热值,所以运输和液化都是不经济的。
天然气中极少量的汞成分(包括单质汞、汞离子及有机汞化合物)的存在,就会造成铝合金材料设备的腐蚀。
它还会引起催化剂中毒,造成环境污染以及检修过程中对人员的危害等不良后果。
2.天然气的液化流程有不同的形式,以制冷方式不同,可分为阶式制冷工艺、混合制冷工艺、带膨胀机的液化工艺。
本厂采用混合制冷工艺中的闭式循环制冷工艺,制冷剂由CH4、N2、C2H4、C3H8、C5H12组成,冷剂经过压缩、冷却、冷凝、节流汽化,然后给天然气液化及自身提供冷量。
3.LNG的储存和运输在整个LNG链从生产到销售,都是十分重要的环节和基础设施。
LNG的温度在-160℃以下,为了保冷,工厂储罐和运输油轮储罐都必须采用特殊材料建造。
LNG的储存方式有储罐储存和岩腔中储存,储罐储存是最主要的储存方式。
LNG储罐分地面储罐和地下储罐两种,LNG储罐形式的选择取决于投资费用、安全因素、工厂位置、地震、土壤沉降、设备材料等诸多因素。
液态天然气在低温、常压下储存,低温储罐通常是由內罐和外罐构成,中间填充隔热材料。
(1)內罐內罐又称为“薄膜罐”,是由薄低温钢板制成的具有液密性、可挠性的容器。
用作薄膜的材料必须具有在低温条件下不脆化的特性,并具有足够的韧性与良好的加工性能,通常采用镍钢、不锈钢或铝合金。
(2)隔热层隔热层起着减少汽化量缩小罐体内外壁温差、减轻由此产生的温差应力的作用,还具有固定“薄膜”的功能。
因此要求隔热层的热导率小、而且具有足够的强度。
能满足这些条件的材料有硬质泡沫氨基甲酸乙酯、泡沫玻璃、珍珠岩以及硬质泡沫酚醛树脂等。
液化天然气注入罐内后,內罐壁就会收缩,反之液化天然气完全被排出后,罐内温度逐步上升,內罐壁随之升张。
填充在內外罐之间的粉末状隔热材料,由于內罐壁的反复胀缩变得严实。
因此在靠近內罐处必须敷设一层伸缩性强的隔热层,此隔热层的壁厚与內罐壁的胀缩相适应,并在內罐壁胀缩时起缓冲作用,保证储罐安全运行。
(3)外罐外罐又称罐体,能承受各种负荷的外壳,它必须具有足够的强度。
根据所用材料不同可以分为冻土壁、钢制壁、钢筋混凝土壁及预应力混凝土壁几种。
关于天然气的运输,从经济性考虑,供需两地之间的距离在4000~7000km范围内,管道能直达的地区,以管道输送为好;在超过上述距离、管道难以直达的情况下,则采用液化天然气形式由LNG槽船运输。
关于LNG的运输,概括地说分为陆上运输和海运。
(1)陆上运输
公路运输采用汽车槽车运输
铁路运输在不能经济地实施管输天然气的情况下,通过铁路长距离输送LNG比公路运输更加经济。
管道输送随着低温材料和设备的发展,建设长距离LNG输送管道在技术上是可行的,在经济上也是合理的。
LNG管道输送的不足之处是:
必须采用价格较贵的镍钢,需要采用性能良好的低温隔热材料,远距离输送时,需增设中间制冷站,因此LNG管道输送的初期费用投资大。
(2)海上运输液化天然气的海上运输包括液化工厂,海上运输和接收站(再汽化)三个环节。
LNG运输船是LNG海上运输的主要载体,是实现天然气远距离运输的专用海上运输工具。
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