國內(nèi)外兩種高含氮天然氣液化工藝的對比分析

　　(本文作者：商麗娟 郭方飛 曲順利 姚云 中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司)

　　摘要：為選擇高效優(yōu)化的高含氮天然氣液化工藝，介紹了國內(nèi)外兩種典型的高含氮天然氣液化工藝一國外常用的渦流管制冷器液化工藝和國內(nèi)常用的膨脹機膨脹制冷液化工藝，通過模擬計算對其優(yōu)缺點進行了分析對比。結(jié)果表明：渦流管制冷器液化工藝技術(shù)先進、工藝簡單、操作彈性好，但是針對含氮量較高的天然氣，其液化能耗較高、脫氮效果較差、甲烷回收率較低;膨脹機膨脹制冷液化工藝的優(yōu)點是能耗相對低、脫氮效率高、甲烷回收率高，缺點是操作彈性較差。以某一含氮量較高的天然氣作為原料，從液化單元功耗、脫氮率、甲烷回收率、投資成本等方面對兩種液化工藝參數(shù)進行了比較，結(jié)論認(rèn)為在針對高含氮量天然氣進行液化時，膨脹機膨脹制冷液化工藝具有較大的優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：天然氣;液化;脫氮;甲烷回收率

　　天然氣液化處理能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣的便捷運輸，有效回收邊緣天然氣。天然氣主要成分是烴類，但是國內(nèi)外很多含油氣盆地產(chǎn)出的天然氣中含氮量較高。當(dāng)天然氣中含氮量較高時，不僅熱值低、集輸過程中能耗大，而且不能直接用作某些化工原料和汽車燃料。因此脫除其中的氮氣，是提高天然氣綜合利用價值的重要途徑。目前，普遍應(yīng)用的脫除天然氣中氮氣的方法是深冷脫氮[1～3]，國外主要采用俄羅斯渦流管制冷器液化工藝，國內(nèi)主要采用膨脹機膨脹制冷工藝。

　　1 高含氮天然氣的液化工藝

　　1.1 渦流管制冷器液化工藝

　　渦流管制冷器液化工藝主要采用了俄羅斯專利設(shè)備渦流管進行制冷[4]，其流程如圖1所示。進入液化單元的原料凈化氣先經(jīng)過壓縮機壓縮到約20MPa，與經(jīng)過壓縮的循環(huán)氣(20MPa)混合進入預(yù)冷換熱器，利用預(yù)冷系統(tǒng)提供的冷量，將混合氣預(yù)冷到約-20℃，再進入主換熱器，利用循環(huán)氣的冷量，將混合氣的溫度降至-80℃左右，其中一股通過渦流管制冷器降壓后進入分離器1，另一股通過渦流管制冷器降壓后進入分離器2。分離器1的氣相分為兩部分：一部分作為循環(huán)氣回到主換熱器與混合氣交換熱量，冷卻混合氣;另一股作為分離器2的熱源輸入(相當(dāng)于再沸器)，經(jīng)冷卻冷凝后進入分離器3，液相作為分離器2的冷源，氣相則為含氮量較高的氮甲烷混合氣，到換熱器復(fù)熱后排放作為他用(比如燃料)。分離器1的液相進入分離器2，進一步與渦流制冷器出口的混合物在分離器2中進行氣液分離，液相作為液化天然氣(LNG)，送往LNG儲罐，氣相被卷吸進渦流管制冷器1。LNG儲罐內(nèi)蒸發(fā)氣(BOG)被卷吸進渦流管制冷器2。該工藝過程簡單，液化操作彈性好。

　　1.2 膨脹機膨脹制冷液化工藝

　　膨脹機膨脹制冷液化工藝通常是將制冷劑壓縮后，經(jīng)過膨脹機膨脹至低溫，提供天然氣預(yù)冷、冷凝、過冷的冷量，從而使天然氣得以液化[5～12]，其工藝流程如圖2所示。

　　制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮到1.5MPa左右，再經(jīng)膨脹機增壓端繼續(xù)增壓、冷卻器冷卻后(40℃)進入冷箱，在冷箱中經(jīng)過預(yù)冷，一部分制冷劑進入膨脹機膨脹做功，降溫降壓，進入主換熱器作為主要的冷源，另一部分制冷劑在主換熱器中過冷后經(jīng)過節(jié)流降溫，作為精餾脫氮塔上部冷卻器的冷源，產(chǎn)生回流液。

　　原料凈化天然氣進入預(yù)冷換熱器預(yù)冷，之后作為精餾脫氮塔塔底再沸器的熱源進入精餾塔塔底換熱，溫度繼續(xù)降低，從精餾塔再沸器出來后，進入主換熱器換熱至天然氣全部液化，液化后的天然氣經(jīng)過節(jié)流后，進入精餾塔脫氮，脫氮后的飽和LNG從塔底流出，經(jīng)過節(jié)流降溫過冷，進入LNG儲罐，生成的少量BOG去換熱器復(fù)熱作為燃料去其他單元。該工藝換熱器中流股較多，板式換熱器及冷箱制造較為復(fù)雜。

　　2 兩種工藝的對比分析

　　2.1 脫氮標(biāo)準(zhǔn)

　　目前國內(nèi)外LNG產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對氮氣的含量都沒有明確的規(guī)定。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1160-96，LNG產(chǎn)品中的氮含量(摩爾分?jǐn)?shù))應(yīng)小于5%，而經(jīng)驗表明，只要控制LNG中氮含量小于1%，并加強蒸發(fā)氣的監(jiān)測，就可以避免LNG儲運過程中的翻滾現(xiàn)象[13]。而參考多種LNG組成，發(fā)現(xiàn)I.NG中氮含量基本上小于1%，大于1%的較少。因此，本例中暫以摩爾分?jǐn)?shù)小于1%作為脫氮評價標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 計算條件

　　天然氣液化規(guī)模設(shè)為每天生產(chǎn)相當(dāng)于3×104m3氣態(tài)氣的LNG，即1250m3/h，儲存壓力為0.3MPa。

　　原料凈化氣的組成如表1所示。

　　2.3 計算結(jié)果

　　利用Hysys過程系統(tǒng)模擬軟件，對原料凈化氣的液化過程進行了模擬。采用兩種不同的液化工藝，各項性能參數(shù)對比如表2所示。

　　對比可知：①渦流管制冷器液化工藝的原料氣消耗量大于膨脹機膨脹制冷液化工藝，且有大部分冷氣作為循環(huán)氣，氣量為5080m3/h，即初始開車時系統(tǒng)中要多出5080m3/h的原料凈化氣(折合12120m3/d)。②渦流管制冷器液化工藝液化單元功耗高于膨脹機膨脹制冷液化工藝(尤其是當(dāng)膨脹機膨脹制冷液化工藝采用氮甲烷制冷氣時，渦流管制冷器液化工藝液化單元功耗高出36%)。③渦流管制冷器液化工藝排放氣體中的氮含量大于膨脹機膨脹制冷液化工藝，甲烷的回收率低，導(dǎo)致其LNG中氮氣的含量較大，如果按照小于1%含氮量(摩爾分?jǐn)?shù))的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該工藝不能滿足脫氮要求。④從整個液化單元(包括原料氣壓縮、遇冷系統(tǒng)、循環(huán)氣壓縮)的設(shè)備投資來看，渦流管制冷器液化工藝由于要將氣體壓縮到20MPa，所需設(shè)備防爆等級較高，設(shè)備投資也約高出膨脹機膨脹制冷液化工藝15%。⑤但是渦流管制冷器液化工藝操作靈活，進入原料氣即可快速成液，生成LNG，這是其最大的優(yōu)越性。

　　3 結(jié)束語

　　針對高含氮量的天然氣液化，通過模擬計算，對渦流管制冷器液化工藝和膨脹機膨脹制冷液化工藝的主要工藝參數(shù)進行了對比分析，結(jié)果表明在原料氣消耗量、液化單元功耗、LNG中氮氣含量、設(shè)備投資等方面，膨脹機膨脹制冷液化工藝均優(yōu)于渦流管制冷器液化工藝。

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　　(本文作者：商麗娟 郭方飛 曲順利 姚云 中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司)