化工尾氣制LNG工藝的流程對比與分析

黃振榮(廣西河池化工股份有限公司,廣西 河池 547000)

天然氣作為一種清潔、高效的能源，越來越受到廣泛關(guān)注。化工尾氣制取液化天然氣產(chǎn)品(LNG)是一項新興的技術(shù)。該技術(shù)充分利用尾氣中的甲烷成份，經(jīng)過低溫精餾與液化，生產(chǎn)高附加值的LNG產(chǎn)品。然而，由于各化工企業(yè)的工藝路線、原材料等的差異，其尾氣的組分、壓力、溫度等也不盡相同。另外，有的客戶僅要求LNG的產(chǎn)量，而有的客戶則希望將其中的氫氣、一氧化碳等有效成分加以回收利用。所以選擇合適的工藝流程是LNG裝置的設(shè)計關(guān)鍵。下面介紹了幾種常規(guī)的工藝流程，便于選擇和參考。

化工尾氣中的甲烷含量一般較低，一般需要通過低溫精餾的辦法進行提純。同時，尾氣中一般還含有氫氣、氮氣、氬氣、一氧化碳等也需要分別進行處理。根據(jù)甲烷精餾的次數(shù)可以分為以下幾種工藝：

1 單塔精餾工藝

單塔精餾即指僅有一臺精餾塔的工藝流程。一般的，在塔底部將得到高純度的LNG產(chǎn)品，原料氣中的其他組分則從精餾塔頂排除。為保證足夠的精餾負荷，一般在精餾塔頂部設(shè)置有冷凝器，冷凝器的冷源一般需要通過高壓液氮的節(jié)流來獲??；在精餾塔底部設(shè)置有再沸器，熱源則來自于經(jīng)過初步冷卻的制冷劑或者原料氣本身。此種工藝流程的優(yōu)點是流程簡單，操作方便；消耗分離功少，相對能耗較低；操作余度大，可控性強。缺點主要是尾氣的其他組分未進行處理。適合于僅需要提取甲烷的場合。

2 雙塔精餾工藝

雙精餾塔分離工藝在單塔基礎(chǔ)上進一步對尾氣進行了分離。對于含有甲烷、氫氣、氮氣、氬氣的化工尾氣，由于氫氣的露點最低，所以在精餾塔I中會首先被分離出來。氫氣有很高的利用價值，可以返回到化工過程中繼續(xù)參與反應(yīng)，也可進一步提純獲得高純度的氫氣。通過調(diào)節(jié)精餾塔I的負荷，甚至可以獲得期望的氫氣純度。剩余的組分進入精餾塔II繼續(xù)精餾，LNG產(chǎn)品將在塔底部產(chǎn)出。剩余的氮氣、氬氣在塔頂排除。此種工藝流程非常適合合成氨尾氣的處理。在生產(chǎn)LNG的同時，返回的氫氣可以明顯地提高合成氨的產(chǎn)量，可謂一舉兩得。由于一氧化碳的沸點介于氮氣和氬氣之間，當尾氣中含有一氧化碳時，一般會在精餾塔II的頂部富集，有需要時，也可以加以利用。精餾塔頂部根據(jù)需要設(shè)置冷凝器，冷源一般有高壓液氮節(jié)流提供；精餾塔底部根據(jù)需要設(shè)置再沸器，利用初步換熱的冷劑或者原料氣作為熱源。該方案能耗雖然略高，但提高了尾氣的綜合利用率，綜合能耗反而有所降低。但是由于兩臺精餾塔相互制約和影響，操作略有復(fù)雜，過程控制相對較嚴格。

3 多塔精餾工藝

當尾氣中要求的分離組分達到3個及以上時，將需要三塔或以上的精餾工藝。下面仍以合成氨尾氣的成分為例，簡要介紹一下工藝流程。首先在精餾塔I頂部分離出氫氣，塔底為剩余組分。剩余組分進入精餾塔II中，在其頂部分離出高純度的氮氣。剩余組分進入精餾塔III進行最終的分離。精餾塔III頂部將得到高純度的氬氣，底部將得到LNG產(chǎn)品。由于產(chǎn)品種類多、純度高，各精餾塔的操作指標均在兩個以上，所以操作難度較大。該流程適合于有特殊要求的用戶。

選定了合適的精餾工藝后，下一步需要選擇合適的制冷工藝。常規(guī)的天然氣液化流程按制冷方式可以分為三中：①級聯(lián)式液化流程；②混合制冷劑液化流程；③帶膨脹機的液化流程。由于化工尾氣的產(chǎn)量一般在10萬方/天以內(nèi)，并且大部分處于5萬方/天以下，通常采用小型的混合制冷劑流程和氮氣膨脹制冷流程。

混合制冷劑流程以C1至C5的碳氫化合物及N2等四種以上的多組分混合制冷劑為制冷工質(zhì)，經(jīng)過壓縮后，進行逐級冷卻、節(jié)流得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻液化天然氣的目的?；旌现评鋭┝鞒梯^膨脹機制冷能耗低，且利用閥門節(jié)流制冷，無低溫運轉(zhuǎn)設(shè)備，可靠性好。缺點主要是混合冷劑儲存和配比系統(tǒng)復(fù)雜；混合冷劑含有易燃易爆介質(zhì)，壓縮機要求高；投資成本高，占地面積大。另外，混合制冷劑由于組分的限制，最低制冷溫度僅能達到-165℃左右。由于化工尾氣中氮氣、一氧化碳等均需要部分液化方能建立精餾工況，所需要更低的制冷溫度。所以，混合冷劑流程中通常還需要配套氮氣循環(huán)節(jié)流系統(tǒng)，才能滿足精餾工況的要求。

氮氣膨脹制冷流程主要利用高壓氮氣通過膨脹機的絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷。氣體在膨脹機中膨脹降溫的同時，能輸出功，可用于驅(qū)動流程中的壓縮機，進一步提高了制冷效率。即所謂的增壓透平膨脹機。具有流程簡單，設(shè)備緊湊，啟動迅速，易操作等優(yōu)點。以氮氣為制冷工質(zhì)，安全可靠，壓縮機投資成本低。由于氮氣可以制取更低溫度的冷量，可以同時作為各精餾塔的低溫冷源，進一步簡化了工藝流程。

綜上，可根據(jù)工廠實際需求選擇合適的精餾工藝，并沒有適用于所有條件的最佳工藝流程。應(yīng)依據(jù)化工尾氣中的有效組分的多少評估回收的必要性，同時考慮投資成本和運營成本的高低等因素，選擇最合適的流程組織形式，方能實現(xiàn)最佳的綜合效益。

[1]顧安忠.液化天然氣技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2003，54-66.