煤層氣液化工藝模擬與對(duì)比

王兆鳳 黃善偉 王波濤

1.中國(guó)石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島 266071；

2.海南民生管道燃?xì)庥邢薰?，海?海口 570208；

3.東營(yíng)市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東 東營(yíng) 257091

0 前言

煤層氣是近年來(lái)崛起的一種新型非常規(guī)能源，其主要成分是甲烷，具有熱值高、污染小等特點(diǎn)，煤層氣的合理開(kāi)發(fā)可以緩解我國(guó)能源， 特別是天然氣資源短缺的現(xiàn)狀， 有利于煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全及減少溫室氣體的排放［1-2］。 由于我國(guó)煤層氣分布具有“偏、散、小”的特點(diǎn)，制約了煤層氣的開(kāi)發(fā)與利用。 將天然氣液化技術(shù)應(yīng)用到煤層氣的儲(chǔ)存及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，可以節(jié)省投資、提高利用效率，具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景［3］。

煤層氣液化作為煤層氣的新型利用方式，符合國(guó)家能源政策，近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)。2008 年蒲亮等人［4］采用編程及軟件模擬的方法對(duì)三種不同方式的N2-CH4膨脹液化工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析；2009 年高婷等人［5］構(gòu)建了一種吸附-液化一體化的氮膨脹液化工藝， 并通過(guò)HYSYS模擬進(jìn)行了分析；2010 年李士富［6］等人給出了山西沁水煤層氣混合制冷劑液化的HYSYS 軟件計(jì)算模型；2010年王文軍等人［7］針對(duì)煤層氣的氮膨脹液化工藝進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化；2011 年李秋英等人［8］針對(duì)含氧煤層氣氣源條件和組分特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種雙級(jí)膨脹液化工藝并進(jìn)行了適應(yīng)性分析。 在此基礎(chǔ)上，對(duì)五種典型的煤層氣液化工藝進(jìn)行了模擬與對(duì)比，為實(shí)際工程液化工藝的選擇提供依據(jù)。

1 煤層氣液化工藝模擬

目前天然氣液化工藝主要有級(jí)聯(lián)式、混合制冷劑和帶膨脹機(jī)的液化工藝三種類型，其中級(jí)聯(lián)式液化工藝操作穩(wěn)定、效率高、處理量大，適用于基本負(fù)荷型LNG 工廠，但由于流程與設(shè)備復(fù)雜、投資大，不適用于煤層氣的開(kāi)發(fā)。 基于此討論，本文選取了代表混合制冷劑和帶膨脹機(jī)的五種典型煤層氣液化工藝進(jìn)行模擬：串聯(lián)氮膨脹液化工藝、氮?dú)?甲烷膨脹液化工藝、丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝、混合制冷劑液化工藝、丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝。 模擬前提條件為：

a） 預(yù)處理后原料氣的摩爾組分為：CH496 %、C2H61.5、C3H80.4%、C4H100.1%、N22.0%， 壓力為4 800 kPa，溫度為35 ℃。

b） 采用Aspen HYSYS 軟件進(jìn)行模擬， 狀態(tài)方程選擇PR 方程，壓縮機(jī)效率設(shè)置為70 %，膨脹機(jī)效率設(shè)置為80%。

1.1 串聯(lián)氮膨脹液化工藝

串聯(lián)氮膨脹液化工藝是目前小型液化工廠中最常見(jiàn)的流程，見(jiàn)圖1。 氮?dú)庖来谓?jīng)過(guò)壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2、低壓增壓機(jī)和中壓增壓機(jī)， 由0.5 MPa 增壓至3.6 MPa，每級(jí)壓縮后都經(jīng)冷卻器冷卻至35 ℃， 然后進(jìn)入1 號(hào)換熱器，被冷卻至-50 ℃，再經(jīng)過(guò)中壓膨脹機(jī)膨脹至1.8 MPa、-85 ℃，進(jìn)入3 號(hào)換熱器冷卻至-100 ℃，再經(jīng)低壓膨脹機(jī)膨脹至0.6 MPa、-145 ℃，然后返流用來(lái)冷卻高壓氮?dú)夂驮蠚狻?/p>

1.2 氮?dú)?甲烷膨脹液化工藝

為了降低膨脹機(jī)的功耗，采用氮?dú)?、甲烷的混合氣代替純甲烷作為制冷劑，其中氮?dú)?、甲烷的比例?∶1，見(jiàn)圖2。 制冷劑依次經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2 和增壓機(jī)，由0.6 MPa 增壓至4.5 MPa，每級(jí)壓縮后都經(jīng)冷卻器冷卻到35 ℃，進(jìn)入1 號(hào)換熱器被冷卻至-60 ℃后分為兩股，一股進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹至-120 ℃，另一股進(jìn)一步冷卻至-140 ℃后節(jié)流至-145 ℃，膨脹后的兩股低壓制冷劑返流用來(lái)冷卻高壓制冷劑和原料氣。

1.3 丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝

由于帶膨脹機(jī)的液化工藝中換熱器的傳熱溫差較大，導(dǎo)致流程 損較大，為提高傳統(tǒng)氮膨脹液化工藝的效率，可以采用預(yù)冷的方法，對(duì)制冷劑以及原料氣預(yù)冷，見(jiàn)圖3。丙烷經(jīng)壓縮機(jī)3 壓縮至1.5 MPa，然后經(jīng)冷卻器4 冷卻至35 ℃，使丙烷全部液化，再經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓至0.11 MPa，溫度降至-38 ℃，進(jìn)入1 號(hào)換熱器預(yù)冷原料氣和氮?dú)庵评鋭?；在氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)中，氮?dú)庖来谓?jīng)過(guò)壓縮機(jī)1、 壓縮機(jī)2 和增壓機(jī)， 由0.5 MPa 增壓至2.5 MPa， 每級(jí)壓縮后都經(jīng)冷卻器冷卻至35 ℃， 然后進(jìn)入1號(hào)換熱器被預(yù)冷至-35 ℃，進(jìn)入2 號(hào)換熱器被冷卻到-80℃，再經(jīng)過(guò)透平膨脹機(jī)膨脹至0.6 MPa、-140 ℃，然后返流用來(lái)冷卻高壓氮?dú)夂驮蠚狻?/p>

1.4 混合制冷劑液化工藝

混合制冷劑液化工藝采用C1～C5 的碳?xì)浠衔锖蚇2作為制冷工質(zhì)，可以進(jìn)一步提高液化效率，見(jiàn)圖4。 制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)1 由0.5 MPa 增壓至1.2 MPa 后，進(jìn)入冷卻器1 冷卻至35 ℃，產(chǎn)生氣液兩相，分別經(jīng)壓縮機(jī)2和泵1壓縮至3.5 MPa，經(jīng)冷卻器2 冷卻后，氣液相分別進(jìn)入換熱器，冷卻至-60 ℃左右，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流至-150 ℃后，返流用來(lái)冷卻高壓制冷劑和原料氣。

1.5 丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝

丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝簡(jiǎn)單且高效， 目前80%以上的基本負(fù)荷型LNG 廠采用該流程［9］，見(jiàn)圖5。制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2 由0.2 MPa 增壓至1.8 MPa，經(jīng)冷卻器1 冷卻至35 ℃，進(jìn)入1 號(hào)換熱器被丙烷制冷循環(huán)冷卻至-35 ℃，產(chǎn)生氣液兩相，液相經(jīng)2 號(hào)換熱器冷卻至-75 ℃后節(jié)流制冷， 并與返流制冷劑混合后為2 號(hào)換熱器提供冷量， 氣相經(jīng)2 號(hào)換熱器冷卻后生成氣液兩相，液相經(jīng)3 號(hào)換熱器冷卻至-95 ℃后節(jié)流制冷，并與返流制冷劑混合后為3 號(hào)換熱器提供冷量， 氣相經(jīng)3 號(hào)換熱器、4 號(hào)換熱器冷卻至-155 ℃后節(jié)流制冷，為4 號(hào)換熱器提供冷量，其中丙烷制冷循環(huán)參數(shù)與丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝類似。

2 模擬結(jié)果分析

表1 為五種典型煤層氣液化工藝關(guān)鍵參數(shù)的比較，比功耗主要影響裝置的運(yùn)行成本，比功耗越低，生產(chǎn)單位體積的LNG 電耗越低，裝置的運(yùn)行成本越低；液化率的大小決定了產(chǎn)品的合格率，液化率越高，收益越高；工藝復(fù)雜度主要體現(xiàn)在關(guān)鍵設(shè)備及控制參數(shù)的數(shù)量，由于混合制冷劑流程需要精確控制制冷劑的配比，因此其復(fù)雜度較高； 工藝的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在對(duì)原料氣組分、原料氣壓力和環(huán)境溫度等參數(shù)變化的敏感性；流程的處理能力主要體現(xiàn)在制冷循環(huán)的制冷量上。

串聯(lián)氮膨脹液化工藝優(yōu)勢(shì)在于流程簡(jiǎn)單、 設(shè)備少、投資低、易操作、易于橇裝化，但功耗大、液化率低，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)小規(guī)模煤層氣資源的開(kāi)發(fā)與回收。

氮?dú)?甲烷膨脹液化工藝與丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝都是在傳統(tǒng)氮?dú)馀蛎浿评淞鞒袒A(chǔ)上， 為了提高液化效率進(jìn)行的組合、調(diào)整，比功耗分別減少了17.3%和21.2%， 在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)氮?dú)馀蛎浿评淞鞒踢\(yùn)行功耗大的缺點(diǎn)， 特別是丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝，裝置的處理能力和適應(yīng)性有所增強(qiáng)，但投資成本也相應(yīng)增加，適用于中等規(guī)模的煤層氣液化回收。

混合制冷劑液化工藝由于利用了制冷劑相變過(guò)程中產(chǎn)生的潛熱，換熱效率大幅度提高，因此比功耗進(jìn)一步降低，提高了裝置的處理能力與適應(yīng)性，但制冷劑需要精確配比，增加了工藝和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，適用于較大規(guī)模的煤層氣液化回收。

丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝中由于丙烷預(yù)冷循環(huán)的加入，進(jìn)一步降低了流程的比功耗，提高了裝置的處理能力，相應(yīng)增加了裝置的復(fù)雜性和投資成本，適用于大規(guī)模的煤層氣液化回收。

表1 五種典型煤層氣液化工藝關(guān)鍵參數(shù)比較

3 結(jié)論

本文選取五種典型的煤層氣液化工藝進(jìn)行模擬與對(duì)比，為實(shí)際工程液化工藝的選擇提供了依據(jù)。 結(jié)果表明：串聯(lián)氮膨脹液化工藝耗能最大，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)小規(guī)模煤層氣的液化回收； 氮?dú)?甲烷膨脹液化工藝與丙烷預(yù)冷氮膨脹液化工藝所需功耗次之，適用于中等規(guī)模的煤層氣液化回收；混合制冷劑液化工藝和丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化工藝耗能最小，適用于大規(guī)模的煤層氣液化回收。 不同工藝的復(fù)雜度、適應(yīng)性與投資成本有很大差異，實(shí)際工程中，應(yīng)從全局出發(fā)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和方案的比選。

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