1.3.3 沼气液化研究现状
大中型沼气池产量高，沼气利用率也高，否则会造成沼气的浪费。利用液化技术将沼气液化生成生物质LNG，作为城市车用燃料或没有天然气管网的生活用气，是实现沼气有效利用的重要方式之一，且生物质LNG所携带的低温冷量，可冷藏、冷冻、低温储存食品等。
根据制冷方式，液化流程可分为：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程及膨胀机液化流程，流程的制冷方式、使用特点不相同。
（1）级联式液化流程
级联式液化流程的热量传递是由温度较低的循环将热量转移给相邻的较高温度级循环。中原油田建的国内LNG工厂，采用丙烷、乙烯为制冷剂的级联式循环，天然气出口压力为1.2MPa，处理量为15万立方米/天，如图1-4所示。
由图1-4可见，级联式液化流程由三级独立的制冷循环组成：1个乙烯制冷循环，2个丙烷制冷循环。天然气经过分液罐1、过滤器2、脱二氧化碳塔3、干燥器4净化以后，通过换热器5、6降温，在高压天然气分离器8中气液分离，进入乙烯换热器9进行换热，经过中压LNG换热器10及中压天然气分离器12，再经过低压LNG换热器13及低压天然气分离器15，进入LNG储槽16。
每一级制冷循环都是独立的，都需要节流、增压、降温，配备压缩机和水冷却器，因此投资成本高，管道与控制系统复杂，维护较麻烦。级联式液化流程的突出特点是设备多、流程复杂、初期投资大。
（2）混合制冷剂液化流程
混合制冷剂液化流程（mixed refrigerant cycle，MRC）是以C1～C5烃类化合物及N2等五种或五种以上的多组分混合制冷剂作为工质，进行逐级冷凝、节流、膨胀、蒸发，得到不同温度的制冷量，达到逐步冷却、液化目的。混合制冷剂液化流程如图1-5所示。
图1-4 级联式液化天然气流程示意图
1—分液罐；2—过滤器；3—脱二氧化碳塔；4—干燥器；5—中压丙烷换热器；6—低压丙烷换热器；7，11，14—节流阀；8—高压天然气分离器；9—乙烯换热器；10—中压LNG换热器；12—中压天然气分离器；13—低压LNG换热器；15—低压天然气分离器；16—LNG储槽
图1-5 混合制冷剂液化天然气流程
如图1-5所示，混合制冷液化流程采用了三个换热器，经过三级换热，每级换热后，由气液分离器进行分离。此混合制冷剂流程比级联式液化流程所用压缩机少，能耗相应地降低；设备少，投资费用低；混合制冷剂组分从天然气提取、补充，存在的问题是，混合制冷剂的合理配比较为困难，且制冷剂的配比对能耗影响较大，流程模拟必须有各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。
以上分析可以看出，混合制冷剂液化流程由于具有设备少、流程简单等优点，通过合理的流程设计，可使其能耗指标显著降低。
（3）膨胀机液化流程
由图1-6可见，气波制冷机、透平膨胀联合低温制冷，天然气经氨蒸发器1、第二预冷器2后，部分气体由气波制冷机6、透平膨胀机7膨胀降温，由混合器与返流气混合，为第三预冷器3、第二预冷器2、第一预冷器10提供冷量；部分气体由第三预冷器3、深冷换热器4冷却、节流，进入气液分离器5分离，液体流入LNG储罐15。
图1-6 膨胀机液化过程工艺流程
1—氨蒸发器；2—第二预冷器；3—第三预冷器；4—深冷换热器；5—气液分离器；6—气波制冷机；7—透平膨胀机；8，12，14—循环压缩机；9，11，13—水冷却器；10—第一预冷器；15—LNG储罐
膨胀机优点是具有较高的等熵效率、膨胀功可回收，因此应用较多。多采用甲烷、氮气混合制冷。氮气、甲烷单独作制冷剂时，氮气膨胀液化流程结构简单，但能耗较大。天然气膨胀剂目前在天然气行业开始研究，利用甲烷、氮气混合制冷剂是研究的热点问题，两者之间合理配比对能耗的影响较大。
撬装式液化装置具有尺寸小、设备易移动、易安装等优点，开发小型的撬装式沼气液化设备，对沼气的开发、利用有较高的使用价值及重要意义。美国、加拿大、芬兰等国家正在开展小型LNG装置研究，我国对天然气液化装置和沼气液化装置也开展了一定的研究。上海交通大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等进行了小型LNG液化设备的模拟和实验研究，上海交通大学LNG课题组对天然气液化进行系统模拟，系统分析了天然气液化流程的换热器温度分布情况。Kountz K等研究了小型天然气液化问题。北京开展了填埋沼气制取液化天然气LNG工程，利用天然气液化技术处理填埋沼气的工程，日处理量为1000m3/h，入口气压力0.5～0.6MPa，原料气中甲烷含量大于90%。
沼气与天然气均是以甲烷气体为主要成分的混合气体，沼气纯化后提高了甲烷的含量，成为可替代天然气的可再生能源。目前，在天然气领域，开展了小型液化装置研究开发工作。设计开发小型液化装置将沼气集中液化制取生物质LNG，由储气罐装运和输送，是沼气用作车用燃料的主要途径之一。
考虑到沼气产气量小、气源受温度和原料影响较大等因素，设计了小型沼气液化流程，从设备、能耗、换热器的冷能损失方面确定流程的优劣。