天然氣液化中重?zé)N和氮?dú)饷摮に噧?yōu)化研究

趙建輝

摘 要：在天然氣液化過程中，因重?zé)N和氮?dú)夂枯^高所致的各種問題往往會(huì)直接影響液化天然氣的生產(chǎn)效率。對此，基于液化天然氣生產(chǎn)過程，針對重?zé)N和氮?dú)膺M(jìn)行脫除工藝設(shè)計(jì)，參照控制變量原則分別就包括原料氣預(yù)冷溫度、脫重?zé)N塔回流溫度在內(nèi)的影響因素進(jìn)行分析，研究提高重?zé)N和氮?dú)饷摮Ч淖罴逊桨福M(jìn)而有效提升液化天然氣的生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：重?zé)N;氮?dú)?脫除工藝;優(yōu)化策略

0 引言

近年來，基于我國能源結(jié)構(gòu)的逐步調(diào)整，現(xiàn)有能源消費(fèi)體系對于一次能源的重視越來越高，同時(shí)，伴隨著LNG的進(jìn)一步推廣，其在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整層面的應(yīng)用價(jià)值愈發(fā)突顯。但是，從實(shí)際液化天然氣制備過程來看，通常需就天然氣內(nèi)的重?zé)N組分和氮?dú)膺M(jìn)行去除以避免其影響液化天然氣的制備效率，而在傳統(tǒng)去除工藝中，多采用低溫精餾法就氮?dú)猱a(chǎn)量進(jìn)行控制，并能夠避免出現(xiàn)包括液化天然氣儲(chǔ)存罐翻滾事故在內(nèi)的安全問題。對此，通過就低溫精餾法進(jìn)行工藝優(yōu)化，提升重?zé)N與氮?dú)饷摮恼w效果，有助于促進(jìn)我國能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展，并在積極響應(yīng)國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上保障能源市場的發(fā)展活力。

1 天然氣液化中重?zé)N和氮?dú)饷摮に嚵鞒毯喪?/p>

天然氣液化中重?zé)N和氮?dú)饷摮に嚵鞒虉D如圖1所示。

首先，經(jīng)由換熱器和冷箱就原料氣進(jìn)行處理，處理溫度達(dá)-30℃，待溫度達(dá)到后就其導(dǎo)入脫重?zé)N塔下部處理，同時(shí)，借助冷箱對脫重?zé)N塔出口氣相進(jìn)行處理，溫度設(shè)置為-65℃，待氣液分離后經(jīng)過回流泵增壓處理以分為兩股物流，一股約占92.3%，進(jìn)而脫氮塔中部，另一股約占7.7，經(jīng)過節(jié)流閥加壓處理后在固定壓強(qiáng)下進(jìn)入脫氮塔下部;其次，針對脫氮塔底部液化天然氣，就其導(dǎo)入冷箱進(jìn)行過冷處理，待溫度調(diào)節(jié)至-162℃后經(jīng)過節(jié)流3至120kPa導(dǎo)入LNG儲(chǔ)存罐，借助換熱器對產(chǎn)生的閃蒸氣進(jìn)行換熱處理，待達(dá)到30℃后導(dǎo)入氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)，同樣形成兩股物流，一股進(jìn)入火炬系統(tǒng)，另一股與閃蒸氣共同導(dǎo)入氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī);最后，針對工藝所需冷量，使用混合冷劑構(gòu)建制冷循環(huán)系統(tǒng)，在氣相進(jìn)入混合冷劑后采用二級分離器進(jìn)行壓縮分離，最終形成制冷循環(huán)，以滿足脫氮工藝的冷量需求。

2 天然氣液化重?zé)N及氮?dú)饷摮に嚨挠绊懸蛩?/p>

2.1 原料氣預(yù)冷溫度

圍繞原料氣預(yù)冷溫度對于天然氣液化過程中重?zé)N脫除的影響，以原料氣預(yù)冷溫度作為因變量，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別研究不同原料氣預(yù)冷溫度對于重?zé)N脫出效果的影響變化，形成如圖2所示變化曲線。多與原料氣預(yù)冷溫度變化影響下脫重?zé)N塔頂與塔底物料出口溫度的隨之變化有關(guān)。其中，當(dāng)物料出口溫度降低時(shí)，由脫重?zé)N塔頂進(jìn)入冷箱的氣量會(huì)呈現(xiàn)降低趨勢，這使得冷箱產(chǎn)生的冷凝液烴量發(fā)生變化。

此外，當(dāng)原料氣預(yù)冷溫度發(fā)生變化時(shí)，位于脫重?zé)N塔回流罐出口氣相區(qū)域的重?zé)N含量會(huì)發(fā)生一定變化，變化曲線如圖3所示。其中，當(dāng)原料氣預(yù)冷溫度由以往的-25℃轉(zhuǎn)變?yōu)?30℃時(shí)，脫重?zé)N塔回流罐出口氣相中的重?zé)N摩爾分?jǐn)?shù)明顯增加，而當(dāng)溫度持續(xù)降低直到降低至-36℃時(shí)，重?zé)N的摩爾分?jǐn)?shù)則會(huì)繼續(xù)增加至0.00747%，因此，本研究選取重?zé)N摩爾分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定的-30℃。

2.2 脫重?zé)N塔的回流溫度

要想找到脫重?zé)N塔回流溫度和重?zé)N脫除的效果間的關(guān)系，可以將原料氣預(yù)冷溫度調(diào)整為剛才-30℃。其中，當(dāng)脫重?zé)N塔回流溫度由-64℃變化為-69℃時(shí)，處于脫重?zé)N塔底部的重?zé)N量顯著升高，且回流罐出口氣相中的重?zé)N摩爾分?jǐn)?shù)由0.0131%變化為0.0001%，這說明在脫重?zé)N塔回流溫度變化時(shí)，可以顯著控制原料氣中的重?zé)N規(guī)模。同時(shí)，當(dāng)回流溫度降低時(shí)，針對處于脫氮塔底部區(qū)域的物料其溫度也會(huì)發(fā)生一定變化，而這使得氮?dú)鉄o法被導(dǎo)離，因此會(huì)增加液化天然氣產(chǎn)品中的氮含量，最終促進(jìn)重?zé)N含量的降低。在此基礎(chǔ)上，若脫重?zé)N塔回流溫度超過-66℃，位于脫重?zé)N塔回流罐出口氣相區(qū)域的重?zé)N含量也會(huì)隨之發(fā)生改變，且其變化速率也會(huì)與以往有所不同，因此，本研究預(yù)定采用-66℃作為脫重?zé)N塔的回流溫度，其目的在于達(dá)到較好的重?zé)N脫除效果。

2.3 脫氮塔下部進(jìn)料量關(guān)系

在上述條件即將-30℃設(shè)置為原料氣預(yù)冷溫度、將-66℃設(shè)置為脫重?zé)N塔回流溫度的背景下，就脫氮塔氮?dú)馊コЧc脫氮塔下部進(jìn)料量間的關(guān)系進(jìn)行分析其中，當(dāng)處于脫氮塔下部位置進(jìn)料量明顯上升時(shí)，LNG產(chǎn)品中的重?zé)N摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)隨之發(fā)生一定變化，且LNG產(chǎn)品量由原本的876.4kmol/h變874.1kmol/h，究其原因，多與脫氮塔下部進(jìn)料量變化下氮?dú)馓崛×康纳仙嘘P(guān)，同時(shí)，在脫氮塔下部進(jìn)料量上升過程中，位于脫氮塔頂部出口氣相區(qū)域的烴含量會(huì)顯著上升，這意味著會(huì)減少LNG產(chǎn)品的產(chǎn)品量，因此，采用7.8%作為脫氮塔下部進(jìn)料量的總料量摩爾比例，最終確保最佳氮?dú)饷摮Ч挠行纬伞?/p>

2.4 脫氮塔操作壓力

圍繞本工藝脫氮塔所采用的操作壓力，常規(guī)情況下將氮?dú)饣亓鞴薰?jié)流后的壓力設(shè)置為-210kPa，將氮?dú)饣亓鞴抟合喑隹诠?jié)流的壓力設(shè)置為-30kPa，在此基礎(chǔ)上，研究液化天然氣產(chǎn)量隨操作壓力發(fā)生的改變，其中，當(dāng)操作壓力明顯上升時(shí)，脫除氮?dú)庵袩N摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)明顯降低，這一方面與較高操作壓力環(huán)境下氮?dú)馀c甲烷體系較難分離有關(guān)，另一方面也受到回流量增加等因素影響。同時(shí)，針對液化天然氣產(chǎn)品中的BOG量，其會(huì)隨著LNG產(chǎn)量的增加而增加，這意味著脫氮塔的氮?dú)饷摮拷档?，因此，圍繞本研究，將290kPa設(shè)置為脫氮塔的最佳操作壓力。

3 結(jié)束語

綜上，圍繞天然氣液化過程，對其重?zé)N和氮?dú)饷摮墓に囘M(jìn)行深入的研究，同時(shí)也基于四個(gè)層面進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化和技術(shù)完善，其中，通過分析不同影響因素對于脫氮和重?zé)N去除效果的影響，確定了最佳的技術(shù)工藝改善方案，有助于促進(jìn)液化天然氣應(yīng)用效益的進(jìn)一步提高。

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