淺析原料天然氣組分對LNG液化流程的影響

唐 嘉

(1.四川大學 化工學院，四川 成都 610065；2.四川化工職業技術學院 化學工程系，四川 瀘州 646005)

煤、石油、天然氣是世界能源的三大支柱。隨著世界經濟的快速發展以及人口數量的急劇增長，世界能源的需求量不斷增長，而溫室效應和各種有害物質的排放對人類生存環境造成了極大的挑戰。在這一背景下，天然氣作為一種優質、高效、清潔的能源和化工原料日益受到人們的重視，其應用范圍也日益擴大[1]。我國天然氣資源豐富，分布分散，除了大中型常規氣田外，還有一些偏遠地區的油田氣、煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣。不同地區的天然氣組成不同，或天然氣組分變化大，導致了LNG生產裝置無法正常運行。

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，不同地區的天然氣，其組分含量有顯著差異。液化天然氣質量標準規定甲烷含量不低于75%，氮氣含量不高于5%。因此，天然氣液化工藝關鍵是控制原料氣中甲烷以及重烴組分的含量，才能符合LNG的要求。

2 液化流程討論

氮氣作為比甲烷還輕的組分，可以在冷箱或儲罐中以BOG的方式進行分離，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致冷箱低溫段產生凍堵，必須在進入低溫段(-65℃以下)以前進行脫除。因此，需要針對不同的原料氣組成特點，開發相適應的液化流程。

2.1 高氮含量原料氣

以表1中山西煤層氣為例，冷箱內宜采取圖1流程。

圖1 高氮含量原料氣液化流程

原料氣經幾級換熱器完全液化后，經節流閥降壓到略高于儲罐壓力進入氣液分離罐，此時會產生大量BOG氣體，氮氣含量越高，產生的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有BOG通道，用于回收低溫冷能。上述氣體經計算各節點參數如表2。

表2 高氮含量原料氣液化流程各節點參數表

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可以得出以下結論：

① 氮含量高的原料氣經節流后產生的氣相量比較大

節點4/節點2 ≈ 13%

相當于最終液化率只有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%

冷箱內換熱器設置BOG通道用于回收冷量，比不設回收通道大約節約5%的能耗。因此對這類氣應設置LNG氣液分離罐，在冷箱內分離BOG，而不是在LNG儲罐中分離BOG。

2.2 高重烴含量原料氣

以表1中新疆氣為例，由于其重烴含量高，在4.0MPa，5℃時便出現液化，其在不同溫度下的氣相分數見圖2。

按傳統工藝，原料氣55kmol/h在冷箱冷到-60℃進行重烴分離，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，會導致產品LNG產量減少(原料氣只有78.83%制成LNG產品)，造成重烴產品易氣化，儲存困難。同時，產品LNG中仍然含有部分C4、C5組分，在低溫下可能會凍堵冷箱。因此傳統的簡單分離重烴流程不適合高重烴含量的原料氣液化。

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

圖2 高重烴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組成分數正丁烷0.05700.0006異戊烷0.01400.0001正戊烷0.02790.0001C5+0.00640.0000氮氣0.00240.0166氦氣0.00000.0005氧氣0.00080.0025

圖3 高重烴含量原料氣低溫精餾流程

圖中各節點的組成如表5。

表5 高重烴含量原料氣液化流程各節點組成表

表5(續)

對比簡單分離(表4)和低溫精餾(表5)的產品組成和產量，可以得出以下結論：

(1)低溫精餾的產品產量更高(約91%的進入產品)。

(2)低溫精餾的產品純度更高(C3以上重組分全部分離出去)，冷箱不凍堵。

(3)重烴產品輕組分含量低，產品更易儲存[2]。

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

3 結論

綜上，對于氮含量高的原料氣液化流程，在冷箱內換熱器設置BOG通道用于回收冷量，在冷箱內分離BOG，設置LNG氣液分離罐，可以節約5%的能耗；對于重烴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，產量和純度更高，且重烴產品中輕組分含量低，產品更易儲存。兩種流程的對比，為實際生產根據氣源特點選取不同的液化流程提供一定的參考。