液化天然氣的流程和工藝

液化天然氣的流程與工藝研究隨著“西氣東輸”管線的建成,沿線好多城鎮(zhèn)將要實現(xiàn)天然氣化,為認(rèn)識決天然氣的儲氣、調(diào)峰及荒僻小城鎮(zhèn)的供氣問題,液化天然氣(英文縮寫為LNG)技術(shù)將有十分廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景[1,2]。天然氣液化技術(shù)涉及傳熱、傳質(zhì)、相變及超低溫冷凍等復(fù)雜的工藝及設(shè)備。在發(fā)達(dá)國家LNG裝置的設(shè)計與制造已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)。一、天然氣在進(jìn)入長輸管線從前,已經(jīng)進(jìn)行了分別、脫凝析油、脫硫、脫水等凈化辦理。但長輸管線中的天然氣仍含有二氧化碳、水及重質(zhì)氣態(tài)烴和汞,這些化合物在天然氣液化從前都要被分別出來,省得在冷卻過程中冷凝及產(chǎn)生腐化。因此我們需要進(jìn)行預(yù)辦理。天然氣的預(yù)辦理包括脫酸和脫水。一般的脫除酸氣和脫水方法有吸取法、吸附法、轉(zhuǎn)變法等。1吸取法該種方法又分為化學(xué)溶劑吸取和物理溶劑吸取兩類?；瘜W(xué)溶劑吸取是溶劑在水中同酸性氣體作用,生成“絡(luò)合物”,待溫度高升,壓力降低,絡(luò)合物分解,釋放出酸性氣體組分,溶劑循環(huán)回用。常用的溶劑有一乙醇胺(MEA)和二乙醇胺(DEA)以,上方法又叫胺法.物理吸取法的實質(zhì)是溶劑對酸性氣體的選擇性吸取而不是起反應(yīng)。一般來說有機溶劑的吸取能力與被吸取氣體的分壓成正比,較新的方法是由醇胺和環(huán)丁砜加水組成的環(huán)丁砜法或蘇菲諾法。1.2吸附法吸附法實質(zhì)上是固體干燥劑脫水。一般采用兩個干燥塔切換吸附與再生,辦理量大的可用3個或4個塔。固體干燥劑種類好多,比方氯化鈣、硅膠、活性炭、分子篩等。其中分子篩法是高效脫水方法,特別是抗酸性分子篩問世后,即使高酸性天然氣也可以在不脫酸性氣體情況下脫水。因此分子篩是優(yōu)異的脫水劑。從長輸管道來的天然氣進(jìn)行脫除CO2和水后,進(jìn)入液化工序。二、天然氣液化系統(tǒng)主要包括天然氣的預(yù)辦理、液化、儲蓄、運輸、利用這5個子系統(tǒng)。一般生產(chǎn)工藝過程是,將含甲烷90%以上的天然氣,經(jīng)過“三脫”(即脫水、脫烴、脫酸性氣體等)凈化辦理后,采用先進(jìn)的膨脹制冷工藝或外面冷源,使甲烷變?yōu)?162℃的低溫液體。目前天然氣液化妝置工藝路線主要有3各種類:階式制冷工藝、混雜制冷工藝和膨脹制冷工藝。階式制冷工藝階式制冷工藝是一種老例制冷工藝(圖1)。對于天然氣液化過程,一般是由丙烷、乙烯和甲烷為制冷劑的3個制冷循環(huán)階組成,逐級供應(yīng)天然氣液化所需的冷量,制冷溫度梯度分別為-30℃、-90℃及-150℃左右。凈化后的原料天然氣在3個制冷循環(huán)的冷卻器中逐級冷卻、冷凝、液化并過冷,經(jīng)節(jié)流降壓后獲得低溫常壓液態(tài)天然氣產(chǎn)品,送至儲罐儲蓄。階式制冷工藝制冷系統(tǒng)與天然氣液化系統(tǒng)相互獨立,制冷劑為單一組分,各系統(tǒng)相互影響少,操作牢固,較適合于高壓氣源(利用氣源壓力能)。但由于該工藝制冷機組多,流程長,對制冷劑純度要求嚴(yán)格,且不適用于含氮量很多的天然氣。因此這種液化工藝在天然氣液化妝置上已較少應(yīng)用?；祀s制冷工藝混雜制冷工藝是六十年代末期由階式制冷工藝演變而來的,多采用烴類混雜物(N2、C1、C2、C3、C4、C5)作為制冷劑,代替階式制冷工藝中的多個純組分。其制冷劑組成依照原料氣的組成和壓力而定,利用多組分混雜物中重組分先冷凝、輕組分后冷凝的特點,將其依次冷凝、分別、節(jié)流、蒸發(fā)獲得不同樣溫度級的冷量。又據(jù)混雜制冷劑可否與原料天然氣相混雜,分為閉式和開式兩種混雜制冷工藝(圖2、3)。閉式循環(huán):制冷劑循環(huán)系統(tǒng)自成一個獨立系統(tǒng)?；祀s制冷劑被制冷壓縮機壓縮后,經(jīng)水(空氣)冷卻后在不同樣溫度下逐級冷凝分別,節(jié)流后進(jìn)入冷箱(換熱器)的不同樣溫度段,給原料天然氣供應(yīng)冷量。原料天然氣經(jīng)“三脫”辦理后,進(jìn)入冷箱(換熱器)逐級冷卻冷凝、節(jié)流、降壓后獲得液態(tài)天然氣產(chǎn)品。開式循環(huán):原料天然氣經(jīng)“三脫”辦理后與混雜制冷劑混雜,依次流經(jīng)各級換熱器及氣液分別器,在逐漸冷凝的同時,也把所需的制冷劑組分逐一冷凝分別出來,按制冷劑沸點的高低將分別出的制冷劑組分逐級蒸發(fā),并齊集組成一股低溫物流,與原料天然氣逆流換熱的制冷循環(huán)。開式循環(huán)系統(tǒng)啟動時間較長,且操作較困難,技術(shù)尚不完滿。與階式制冷工藝對照,混雜制冷工藝擁有流程短、機組少、投資低等優(yōu)點;其缺點是能耗比階式高,對混雜制冷劑各組分的配比要求嚴(yán)格,設(shè)計計算較困難。膨脹制冷工藝膨脹制冷工藝的特點是利用原料天然氣的壓力能對外做功以供應(yīng)天然氣液化所需的冷量(圖4)。系統(tǒng)液化率主要取決于膨脹比和膨脹效率,該工藝特別適用于天然氣輸送壓力較高、而實質(zhì)使用壓力較低,中間需要降壓的氣源場合。優(yōu)點是能耗低、流程短、投資省、操作靈便;缺點是液化率低。天然氣液化技術(shù)應(yīng)用舉例中原油田L(fēng)NG工廠采用階式制冷工藝。針對中原油田天然氣氣源壓力高的特點,研究人員提出了丙烷+乙烯+節(jié)流的工藝技術(shù)方案(圖5),并經(jīng)過與設(shè)計經(jīng)驗豐富的法國索菲公司合作,進(jìn)一步完滿和細(xì)化了該工藝技術(shù)方案,使得該項目的投資少、收率高、生產(chǎn)成本低。詳盡的工藝過程為:120bar/27℃(1bar=105Pa)的高壓原料天然氣進(jìn)裝置后,經(jīng)高壓分別罐分液,爾后進(jìn)入以MEA為吸取劑的脫CO2系統(tǒng),并采用分子篩脫水;凈化后的高壓原料氣由丙烷預(yù)冷至-30℃左右,節(jié)流至53bar/-60℃左右;中壓天然氣分別脫除重?zé)N后,進(jìn)入脫苯系統(tǒng)脫除微量苯,再經(jīng)乙烯蒸發(fā)器冷凝,節(jié)流至10bar/-123℃,分別得中壓尾氣和中壓LNG;中壓LNG再經(jīng)節(jié)流到3bar/-145℃左右,獲得的低壓LNG,低壓尾氣同中壓尾氣一起經(jīng)回收冷量后,分別進(jìn)入低壓和中壓管網(wǎng),低壓LNG作為產(chǎn)品儲蓄于儲罐內(nèi)。該工程主要包括高壓天然氣凈化、高壓天然氣液化、天然氣微量苯低溫高壓脫除、低溫液態(tài)天然氣帶壓儲蓄等系統(tǒng)。該裝置技術(shù)特點以下。采用階式制冷工藝裝置能耗低充分利用了原料天然氣12MPa的高壓力,在合理的溫位進(jìn)行節(jié)流,減少了裝置能耗。該裝置將高壓天然季節(jié)流降溫過程中產(chǎn)生的部分閃蒸氣合理地、在不同樣溫位與多種介質(zhì)換熱,充分利用了這些閃蒸氣的低溫冷量,大大降低了裝置能耗。低溫液態(tài)天然氣帶壓儲蓄有利于裝置收率的提高LNG帶壓儲蓄,和常壓儲蓄對照,液化率獲得必然程度的提高。天然氣微量苯低溫高壓脫除技術(shù)解決了天然氣脫苯的技術(shù)難題異戊烷脫苯技術(shù)當(dāng)先在LNG工廠應(yīng)用,脫苯收效優(yōu)異,擁有投資少、工藝簡單等特點。三、小結(jié)在三種典型的天然氣液化循環(huán)中,階式制冷循環(huán)和混雜制冷劑循環(huán)一般應(yīng)用于基本負(fù)荷型的天然氣液化工廠。特別是混雜制冷劑循環(huán),好多公司對其進(jìn)行改進(jìn),國內(nèi)外建成的基本負(fù)荷型天然氣液化工廠大部分采用了此種流程,其中丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程(C3PMRC)應(yīng)用得最多。膨脹體系冷循環(huán)則在中小型的天然氣液化工廠被廣泛的采用,外