新型LNG重?zé)N去除工藝

摘 要

摘要：介紹了傳統(tǒng)LNG重?zé)N去除工藝(蒸餾塔分離工藝、氮?dú)庀♂尮に?的工藝流程，提出了一種新型重?zé)N去除工藝：將原料過(guò)冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)蒸餾分離出來(lái)的輕質(zhì)天然氣，實(shí)現(xiàn)熱值調(diào)節(jié)
摘要：介紹了傳統(tǒng)LNG重?zé)N去除工藝(蒸餾塔分離工藝、氮?dú)庀♂尮に?的工藝流程，提出了一種新型重?zé)N去除工藝：將原料過(guò)冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)蒸餾分離出來(lái)的輕質(zhì)天然氣，實(shí)現(xiàn)熱值調(diào)節(jié)。分析了增強(qiáng)工藝效果的措施，采用HYSYS軟件對(duì)工藝進(jìn)行模擬，證實(shí)了工藝的可行性，得到了LNG再液化比與過(guò)冷度、系統(tǒng)壓力的關(guān)系。設(shè)計(jì)了液氮再液化工藝模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為液氮再液化工藝實(shí)驗(yàn)的可行性可以外推至LNG再液化工藝。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；再液化；重?zé)N去除；熱值調(diào)節(jié)
1 述
    本文提出一種不同于以往的新型重?zé)N去除工藝：將過(guò)冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)從分相器內(nèi)重組分中蒸餾分離出來(lái)的輕質(zhì)LNG組分[1]。目前LNG的冷能利用[2～7]主要有：冷能發(fā)電、空氣分離、冷凍倉(cāng)庫(kù)、液化二氧化碳、熱電循環(huán)等。本文將冷能的應(yīng)用范圍擴(kuò)大至再液化流程。
    相比傳統(tǒng)重?zé)N去除工藝，新型重?zé)N去除工藝的主要優(yōu)點(diǎn)在于能耗顯著減少，因?yàn)樵鰤涸倌Y(jié)產(chǎn)品的功耗遠(yuǎn)低于增壓蒸氣產(chǎn)品的功耗。
2 傳統(tǒng)重?zé)N去除工藝
   ① 蒸餾塔分離工藝
   蒸餾塔分離的工藝流程見圖1。原料LNG經(jīng)原料泵增壓后進(jìn)入加熱器，被加熱蒸發(fā)后，進(jìn)入蒸餾塔中蒸餾分離。位于蒸餾塔下部的液相包括丙烷、丁烷重組分，稱為液化石油氣(LPG)。位于蒸餾塔上部的氣相大多為輕質(zhì)組分，需滿足工藝要求的低熱值標(biāo)準(zhǔn)。低熱值的天然氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，送入終端用戶。該分離工藝裝置非常簡(jiǎn)單，但是壓縮機(jī)增壓、傳輸氣相天然氣需要消耗大量的電能。

   ② 氮?dú)庀♂尮に?/span>
利用氮?dú)庀♂屖钦{(diào)節(jié)熱值的重要手段，也是傳統(tǒng)的重?zé)N去除工藝之一，氮?dú)庀♂尮に嚵鞒桃妶D2。原料LNG經(jīng)原料泵增壓后進(jìn)入再凝結(jié)器，在再凝結(jié)器中與氮?dú)?從空氣中提純或取自氮?dú)馄?混合，再經(jīng)輸出泵增壓，經(jīng)蒸發(fā)器輸出。氮?dú)庀♂尮に囍械妮敵霰脡嚎s過(guò)程為液體壓縮，相比蒸餾塔分離工藝中的氣體壓縮，可以節(jié)省大量的電能，但是增加了昂貴的氮?dú)獍l(fā)生器或氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)。此外，如果氮?dú)獾臏囟炔粔虻?，LNG與N2的混合過(guò)程和液體壓縮過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的熵增。
 

3 新型重?zé)N去除工藝
   ① 工藝流程
   本文提出的新型重?zé)N去除工藝流程見圖3。該工藝與蒸餾塔分離工藝相似，其主要區(qū)別在于分離出來(lái)的低熱值氣相組分在1#蒸發(fā)器(熱交換器)中，利用原料LNG的冷能進(jìn)行再凝結(jié)，低熱值的氣態(tài)天然氣變?yōu)橐簯B(tài)，因此輸出泵的壓縮功耗大大減小。2#蒸發(fā)器(熱交換器)中仍為傳統(tǒng)的再氣化過(guò)程[8～9]。該工藝過(guò)程中同樣輸出LPG。

   ② 增強(qiáng)工藝效果的措施分析
   新型重?zé)N去除工藝的核心是再液化流程，見圖4。
    以1#蒸發(fā)器(熱交換器)為控制體，得到能量平衡方程：
    h2-h1=x(h4-h5)    (1)
式中h2——熱交換器原料流出口處的比焓，J/kg
    h1——熱交換器原料流入口處的比焓，J/kg
    x——再液化比
    h4——熱交換器回流入口處的比焓，J/kg
    h5——熱交換器回流出口處的比焓，J/kg
    由式(1)可知，h1越小，再液化比越大。因?yàn)殪手惦S著溫度的降低和壓力的升高而降低，所以應(yīng)盡量降低點(diǎn)1處的過(guò)冷溫度，并盡量提高系統(tǒng)壓力。
熱交換器效率的計(jì)算公式為：
 
式中ε——熱交換器效率
    cp,min——最小比定壓熱容，J/(kg·K)
    T4——熱交換器回流入口處的溫度，K
    T1——熱交換器原料流入口處的溫度，K
由式(1)、(2)可得再液化比x的計(jì)算公式為：
 
    由式(3)可知再液化比x與熱交換器效率ε成正比。原料流的比定壓熱容通常小于回流的比定壓熱容，因?yàn)榇蠖鄶?shù)原料流只承載著顯熱，而回流還承載著相變過(guò)程中的潛熱。原料流的比定壓熱容大于回流的比定壓熱容只會(huì)發(fā)生在再液化比很小的情況下，而這種情況與重?zé)N去除工藝的目的相矛盾。因此原料流的比定壓熱容為最小比定壓熱容。
    由以上分析可知，增大新型重?zé)N去除工藝中的再液化比的措施有：增大系統(tǒng)壓力，降低原料LNG的過(guò)冷溫度，增強(qiáng)熱交換器的性能。
4 工藝流程模擬
    鑒于LNG具有易燃易爆特性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較危險(xiǎn)，故采用石油化工流程模擬軟件(Aspen HYSYS V7.1)，選用CH4、C2H6、C3H8、N2物質(zhì)的量比為85：7：3：5的LNG對(duì)新型重?zé)N去除工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬[10～11]。運(yùn)用Peng-Robinson狀態(tài)方程計(jì)算混合物的熱力學(xué)物性參數(shù)。LNG的再液化工藝模型與圖4相同。該工藝的原料過(guò)冷度為40K，系統(tǒng)壓力為2.0MPa，再液化比為37.5%，加熱器功率為1.389kW。模擬結(jié)果見表1。
表1 LNG再液化工藝模擬結(jié)果
狀態(tài)點(diǎn)
溫度/K
壓力/MPa
質(zhì)量流量/(g·s-1)
氣相比/%
1
120.9
2.0
10.000
0
2
160.9
2.0
10.000
0
3
167.9
2.0
10.000
40
4
167.9
2.0
3.753
100
5
153.4
2.0
3.753
O
6
167.9
2.O
6.247
0
    通過(guò)分相器后的回流中的CH4體積分?jǐn)?shù)會(huì)增加，CH4、C2H6、C3H8、N2的體積比變?yōu)?9：0：0：11，組成變化導(dǎo)致混合物的物性參數(shù)發(fā)生變化。
    改變?cè)螸NG的過(guò)冷度和系統(tǒng)壓力進(jìn)行模擬，得到不同狀態(tài)參數(shù)下的LNG再液化比，見圖5。
 

    由圖5可知，再液化比隨過(guò)冷度和系統(tǒng)壓力的增大而增大；在恒定壓力條件下，再液化比與過(guò)冷度近似為線性關(guān)系。分析可知，該新型重?zé)N去除工藝能夠?qū)⒏籐NG進(jìn)行再液化分離。
5 模擬實(shí)驗(yàn)
    選用液氮為原料，設(shè)計(jì)液氮再液化實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行LNG的再液化工藝模擬。
   ① 實(shí)驗(yàn)裝置
   液氮再液化的實(shí)驗(yàn)裝置見圖6。

   實(shí)驗(yàn)裝置主要分為4部分：
   a. 過(guò)冷卻系統(tǒng)，將飽和液氮轉(zhuǎn)變成過(guò)冷液氮。高壓液氮儲(chǔ)罐出口為飽和液體，通過(guò)浸沒于大氣壓力下的液氮槽中的熱交換器后，轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)冷液體。過(guò)冷液氮由真空絕熱金屬軟管輸送到真空恒溫控制器中。
    b. 再液化工藝系統(tǒng)，由熱交換器、分相器、加熱器及其附屬裝置等構(gòu)成。過(guò)冷液氮經(jīng)過(guò)熱交換器和加熱器后呈兩相狀態(tài)，由于密度差在分相器中分離為蒸氣和液體。液體被排出真空恒溫控制器，蒸氣則回流到熱交換器中。
    c. 蒸發(fā)系統(tǒng)，將再液化系統(tǒng)中的液氮蒸發(fā)。該部分由銅質(zhì)盤管和水槽構(gòu)成。從恒溫控制器出來(lái)的液氮被水槽中的銅質(zhì)盤管加熱并排出，液氮應(yīng)加熱至接近室溫，以避免損壞質(zhì)量流量計(jì)。
    d. 測(cè)量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。溫度、壓力、流量測(cè)量元件安裝位置見圖7。測(cè)量數(shù)據(jù)均通過(guò)數(shù)據(jù)線上傳至計(jì)算機(jī)，采用LABVIEW 8.2軟件進(jìn)行采集、記錄。

   ② 實(shí)驗(yàn)步驟
   a. 打開高壓液氮儲(chǔ)罐的出口閥門。
   b. 關(guān)閉分相器液相出口閥門，預(yù)冷實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，直至系統(tǒng)溫度達(dá)到80K。
    c. 調(diào)節(jié)高壓液氮儲(chǔ)罐出口閥門和分相器液相出口閥門，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和質(zhì)量流量。
    d. 啟動(dòng)恒溫控制器中的加熱器，加熱原料流出口的流體，為氣液分離作準(zhǔn)備。
    e. 觀察系統(tǒng)溫度和壓力變化。
    ③ 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)
   液氮再液化實(shí)驗(yàn)涉及兩相流問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于密度波的振動(dòng)導(dǎo)致兩相流出現(xiàn)不穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度、壓力和流量可能會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)[12]。若出現(xiàn)該問(wèn)題，可在原料流質(zhì)量流量計(jì)的后面安裝流動(dòng)減振器，以減輕流動(dòng)的不穩(wěn)定性，確保液氮再液化工藝的可靠運(yùn)行。
   由于條件限制，本文僅對(duì)液氮再液化工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并未對(duì)LNG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但是我們認(rèn)為：液氮再液化工藝實(shí)驗(yàn)可以外推至LNG再液化工藝。
6 結(jié)論
   ① 新型重?zé)N去除工藝可以減少過(guò)程綜合能耗。原料LNG的冷能可以高效地再利用，用于凝結(jié)蒸餾出來(lái)的低熱值天然氣，因此用于輸送LNG產(chǎn)品的能耗可以顯著減少。
   ② 對(duì)再液化比及熱交換器效率這兩個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出了增強(qiáng)工藝效果的3個(gè)措施：增大系統(tǒng)壓力、降低原料LNG的過(guò)冷溫度、增強(qiáng)熱交換器的性能。
   ③ 通過(guò)HYSYS軟件模擬，認(rèn)為L(zhǎng)NG再液化工藝是可行的，得出了再液化比與過(guò)冷度、系統(tǒng)壓力的關(guān)系，有力地論證了理論分析的合理性。
   ④ 設(shè)計(jì)了小型液氮再液化工藝實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為液氮再液化工藝實(shí)驗(yàn)的可行性可以外推至LNG再液化工藝。
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(本文作者：胡周海 福鵬 張曉松 劉建偉 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)