唐 嘉

(1.四川大學(xué) 化工學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程系，四川 瀘州 646005)

煤、石油、天然氣是世界能源的三大支柱。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的急劇增長，世界能源的需求量不斷增長，而溫室效應(yīng)和各種有害物質(zhì)的排放對人類生存環(huán)境造成了極大的挑戰(zhàn)。在這一背景下，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的能源和化工原料日益受到人們的重視，其應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大[1]。我國天然氣資源豐富，分布分散，除了大中型常規(guī)氣田外，還有一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的油田氣、煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)天然氣。不同地區(qū)的天然氣組成不同，或天然氣組分變化大，導(dǎo)致了LNG生產(chǎn)裝置無法正常運(yùn)行。

1 原料天然氣組分分析

表1是我國部分油田氣、煤層氣、頁巖氣組成，從表中可以看出，不同地區(qū)的天然氣，其組分含量有顯著差異。液化天然氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定甲烷含量不低于75%，氮?dú)夂坎桓哂?%。因此，天然氣液化工藝關(guān)鍵是控制原料氣中甲烷以及重?zé)N組分的含量，才能符合LNG的要求。

2 液化流程討論

氮?dú)庾鳛楸燃淄檫€輕的組分，可以在冷箱或儲罐中以BOG的方式進(jìn)行分離，只是這將影響最終液化率以及液化能耗。而C3以上的烴含量太高將導(dǎo)致冷箱低溫段產(chǎn)生凍堵，必須在進(jìn)入低溫段(-65℃以下)以前進(jìn)行脫除。因此，需要針對不同的原料氣組成特點(diǎn)，開發(fā)相適應(yīng)的液化流程。

2.1 高氮含量原料氣

以表1中山西煤層氣為例，冷箱內(nèi)宜采取圖1流程。

圖1 高氮含量原料氣液化流程

原料氣經(jīng)幾級換熱器完全液化后，經(jīng)節(jié)流閥降壓到略高于儲罐壓力進(jìn)入氣液分離罐，此時會產(chǎn)生大量BOG氣體，氮?dú)夂吭礁?，產(chǎn)生的BOG氣體越多。這部分氣體由于量大，必須回收其低溫冷量，所以冷箱的幾級換熱器都設(shè)有BOG通道，用于回收低溫冷能。上述氣體經(jīng)計算各節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表2。

表2 高氮含量原料氣液化流程各節(jié)點(diǎn)參數(shù)表

各過程的換熱量如表3。

表3 高氮含量原料氣液化流程各過程換熱量

從表2，表3可以得出以下結(jié)論：

① 氮含量高的原料氣經(jīng)節(jié)流后產(chǎn)生的氣相量比較大

節(jié)點(diǎn)4/節(jié)點(diǎn)2 ≈ 13%

相當(dāng)于最終液化率只有87%

② BOG回溫過程回收的冷量對降低液化能耗有不可忽略的影響

9.253/186 ≈ 5%

冷箱內(nèi)換熱器設(shè)置BOG通道用于回收冷量，比不設(shè)回收通道大約節(jié)約5%的能耗。因此對這類氣應(yīng)設(shè)置LNG氣液分離罐，在冷箱內(nèi)分離BOG，而不是在LNG儲罐中分離BOG。

2.2 高重?zé)N含量原料氣

以表1中新疆氣為例，由于其重?zé)N含量高，在4.0MPa，5℃時便出現(xiàn)液化，其在不同溫度下的氣相分?jǐn)?shù)見圖2。

按傳統(tǒng)工藝，原料氣55kmol/h在冷箱冷到-60℃進(jìn)行重?zé)N分離，得到的氣液組成情況如表4。

從表4可以看出，液相中含有較多的甲烷，如果不加以分離回收，會導(dǎo)致產(chǎn)品LNG產(chǎn)量減少(原料氣只有78.83%制成LNG產(chǎn)品)，造成重?zé)N產(chǎn)品易氣化，儲存困難。同時，產(chǎn)品LNG中仍然含有部分C4、C5組分，在低溫下可能會凍堵冷箱。因此傳統(tǒng)的簡單分離重?zé)N流程不適合高重?zé)N含量的原料氣液化。

按精餾思路，可以采用低溫精餾的方式，使塔頂塔底產(chǎn)品的純度得以提升。建議的流程圖如圖3。

圖2 高重?zé)N含量原料氣在不同溫度下的氣相含量

液相氣相流量/(kmol/h)11.6443.36甲烷0.50860.9286乙烷0.19480.0432丙烷0.15090.0072異丁烷0.03730.0006組成分?jǐn)?shù)正丁烷0.05700.0006異戊烷0.01400.0001正戊烷0.02790.0001C5+0.00640.0000氮?dú)?.00240.0166氦氣0.00000.0005氧氣0.00080.0025

圖3 高重?zé)N含量原料氣低溫精餾流程

圖中各節(jié)點(diǎn)的組成如表5。

表5 高重?zé)N含量原料氣液化流程各節(jié)點(diǎn)組成表

表5(續(xù))

對比簡單分離(表4)和低溫精餾(表5)的產(chǎn)品組成和產(chǎn)量，可以得出以下結(jié)論：

(1)低溫精餾的產(chǎn)品產(chǎn)量更高(約91%的進(jìn)入產(chǎn)品)。

(2)低溫精餾的產(chǎn)品純度更高(C3以上重組分全部分離出去)，冷箱不凍堵。

(3)重?zé)N產(chǎn)品輕組分含量低，產(chǎn)品更易儲存[2]。

采用低溫精餾方式，流程上多出一個精餾塔，需要消耗系統(tǒng)額外的冷量，能耗會有一定程度的上升，但能換取產(chǎn)品品質(zhì)的提升，且解決了高重?zé)N含量氣的冷箱凍堵問題。是一種切實(shí)可行的方案。

3 結(jié)論

綜上，對于氮含量高的原料氣液化流程，在冷箱內(nèi)換熱器設(shè)置BOG通道用于回收冷量，在冷箱內(nèi)分離BOG，設(shè)置LNG氣液分離罐，可以節(jié)約5%的能耗；對于重?zé)N含量高的原料氣液化流程則選擇低溫精餾流程，冷箱不凍堵，產(chǎn)量和純度更高，且重?zé)N產(chǎn)品中輕組分含量低，產(chǎn)品更易儲存。兩種流程的對比，為實(shí)際生產(chǎn)根據(jù)氣源特點(diǎn)選取不同的液化流程提供一定的參考。