一種基于浮式LNG的預(yù)處理和液化流程模擬

曹文勝黃星 魯雪生

（1集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門361021；2 School of Engineering and Informatics，University of Bradford，West Yorkshire，Bradford BD7 1DP，UK；3上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；4福建省能源清潔利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門361021；5福建省清潔燃燒與能源高效利用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門361021）

引 言

海洋中的天然氣資源十分豐富，隨著對(duì)海上深水氣田的不斷開發(fā)，新型油氣田生產(chǎn)裝置浮式液化天然氣船 （FLNG，又稱LNG－FPSO）的發(fā)展越來越受到重視［1］。預(yù)計(jì)2018年全球?qū)⒂?0余項(xiàng)大中型FLNG項(xiàng)目規(guī)劃投產(chǎn)，主要集中在亞太地區(qū)，包括澳大利亞的 Prelude FLNG （3.5Mt·a－1），馬來西亞的PFLNG1Sarawak （1.2Mt·a－1）和PFLNG2Sabah （1.5Mt·a－1），印度尼西亞的Abadi FLNG等。FLNG總產(chǎn)能預(yù)計(jì)至2020年將占全球新增 LNG 總產(chǎn)能的17%［2－3］。

我國(guó)的油氣資源十分豐富，據(jù)預(yù)測(cè)，在總面積近2×106km2的南海海域中，天然氣總地質(zhì)儲(chǔ)量約為16×109m3。尤其是南海153.7×104km2的深水海域，具有較大的油氣資源潛力，其油氣資源總量約占我國(guó)油氣總資源量的1／3，開發(fā)前景遼闊［4］。雖然我國(guó)有著豐富的海上油氣資源，但是其開發(fā)和利用仍處于起步階段。

天然氣的預(yù)處理和液化是天然氣利用前的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而預(yù)處理是海上浮式LNG生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，其凈化效果對(duì)后續(xù)液化流程的運(yùn)行產(chǎn)生直接影響［5］。目前，陸上LNG裝置的預(yù)處理和液化工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，然而浮式LNG生產(chǎn)平臺(tái)由于受到海上復(fù)雜海況的限制，其工藝的選擇及設(shè)備的布置與陸上有很大的差別，目前該項(xiàng)技術(shù)研究仍處于起步階段［6］。海上浮式天然氣液化是一項(xiàng)繁雜的系統(tǒng)性工程，對(duì)工藝及裝置有著特殊的要求，具有安全性高、波浪晃動(dòng)影響小、安裝空間有限、設(shè)備布局復(fù)雜等特點(diǎn)［7］。因此，符合岸上LNG工廠的液化流程一般不能滿足此需求，在設(shè)計(jì)液化工藝時(shí)，尤其要考慮海上作業(yè)環(huán)境 （如海上風(fēng)浪）對(duì)分離過程的影響［8］。

海上天然氣開發(fā)是未來能源利用的重點(diǎn)領(lǐng)域。本文的主要工作是研究適合于海上浮式LNG生產(chǎn)平臺(tái)的預(yù)處理與液化流程，為今后的海上天然氣利用提供參考和借鑒。

1 變壓吸附 （PSA）預(yù)處理

天然氣中的原料氣預(yù)處理方法主要有吸收法、膜分離法、變壓吸附法。其中吸收法由于裝置占地面積大，且存在溶劑隨船體晃動(dòng)的問題，不利于安全性，因此不適合海上作業(yè)。膜分離法由于吸附膜價(jià)格昂貴，不利于經(jīng)濟(jì)性，且膜性能不穩(wěn)定，需要與其他工藝聯(lián)用，也不適合海上作業(yè)?？紤]到海上作業(yè)的特殊環(huán)境，選擇工藝流程簡(jiǎn)單、安全性高、自動(dòng)化程度較高的變壓吸附分離法 （PSA）作為浮式LNG預(yù)處理流程的工藝方法。天然氣原料氣中含有多種雜質(zhì)，本研究主要針對(duì)雜質(zhì)中的CO2和N2進(jìn)行變壓吸附法的去除。

變壓吸附過程中，選擇活性炭作為CO2的吸附劑，這是由于在活性炭吸附劑中運(yùn)用的是平衡分離原理，吸附性能CO2＞CH4＞N2，被吸附的是CO2氣體。采用分子篩作為N2雜質(zhì)的吸附劑，這是由于在分子篩吸附劑中采用的是動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，而N2擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于CH4擴(kuò)散速率，因此被吸附的是N2。由于在兩層吸附劑中溢出的都是CH4產(chǎn)品氣，這就使得CH4可以在基本保持吸附壓力的情況下連續(xù)輸出，省去抽真空步驟，節(jié)省了動(dòng)力過程的費(fèi)用。

1.1 數(shù)學(xué)模型

采用 Aspen One V7.1版 本 中 的 Aspen Adsorption模塊，該模塊是Aspen Tech公司專門為模擬吸附過程而開發(fā)的。為簡(jiǎn)化計(jì)算，做如下假設(shè)：

（1）模擬過程中的氣體為理想氣體，采用理想氣體狀態(tài)方程；

（2）采用線性推動(dòng)法 （LDF）作為動(dòng)力學(xué)模型；

（3）采用Langmuir吸附等溫線模型；

（4）忽略床層軸向及徑向物質(zhì)擴(kuò)散、濃度、溫度、壓力變化；

（5）采用Ergun Equation動(dòng)量平衡方程計(jì)算床層壓力；

（6）顆粒相傳質(zhì)以孔擴(kuò)散模型表示。

假設(shè)氣相和固相之間只存在對(duì)流傳質(zhì)，傳質(zhì)阻力以線性推動(dòng)力描述，用一個(gè)總的傳質(zhì)系數(shù)MTC來表示阻力相，傳遞過程中沒有積累，傳遞速率與吸附速率相等，則其模型由Langmuir吸附等溫線方程進(jìn)行描述［9］

式中，qi為組分i的吸附量，mol·g－1；q＊i為組分i的飽和吸附量，mol·g－1；MTCi為組分i的傳質(zhì)系數(shù)，s－1。

等溫線采用Langmuir模型［10］

式中，IPi為組分i等溫線參數(shù)；pi為組分i的分壓，Pa。

1.2 參數(shù)設(shè)置

氣源采用簡(jiǎn)化的條件，見表1［11］。將吸附床分為兩層，下層以活性炭為吸附劑，用以吸附分離CO2；上層以分子篩為吸附劑，用以吸附分離N2。

表1 簡(jiǎn)化的氣源條件Table 1 Simplified gas supply condition

出于對(duì)變壓吸附過程中能耗的考慮，設(shè)定吸附壓力為1MPa，脫附壓力為0.1MPa，溫度為298.15K。吸附床下層活性炭吸附參數(shù)見表2［12］，上層分子篩吸附參數(shù)見表3［13］。

表2 下層活性炭吸附參數(shù)Table 2 Adsorption parameters of active carbon in lower layer

1.3 工藝流程

早期變壓吸附為雙塔流程，但是簡(jiǎn)單工藝流程產(chǎn)品組分的回收率低，產(chǎn)品氣損失大。目前變壓吸附過程以四塔流程或者多塔流程居多。隨著塔數(shù)的增多，回收率增大的比率減少，成本增加，占地面積增大。本工藝借鑒典型的四塔變壓吸附，由于每個(gè)吸附塔進(jìn)行的變壓吸附工藝相同，現(xiàn)以單塔作為模型，如圖1所示。

表3 上層分子篩吸附參數(shù)Table 3 Adsorption parameters of molecular sieve in upper layer

圖1 單塔變壓吸附流程圖Fig.1 Single column PSA flow chart

在Aspen Adsorption模擬吸附過程中，選用Dynamic模式，通過對(duì)模塊參數(shù)的指令設(shè)定，利用軟件中的循環(huán)控制器，調(diào)整各吸附步驟的控制時(shí)間（主要是控制閥門的開關(guān)進(jìn)行），使床層出口氣體純度達(dá)到較高的值，同時(shí)觀察床層壓力和溫度的變化對(duì)產(chǎn)品氣純度及回收率的影響，實(shí)現(xiàn)變壓吸附過程的動(dòng)態(tài)模擬。

1.4 結(jié)果分析

變壓吸附過程中壓力的變化情況如圖2所示。設(shè)定過程時(shí)間為5600s。完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間約為800s。

圖2 壓力隨時(shí)間的變化Fig.2 Change of pressure with time

圖3 氣體濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Gas concentration change with time

變壓吸附過程中3種氣體的濃度隨時(shí)間的變化如圖3所示。隨著變壓吸附循環(huán)過程的進(jìn)行，混合氣中的CH4氣體分?jǐn)?shù)不斷升高并被富集，CO2和N2則不斷被吸附，濃度降低。前6個(gè)循環(huán)由于裝置中存在殘留空氣導(dǎo)致吸附的不穩(wěn)定，而在第7個(gè)循環(huán)后裝置中的空氣基本排出，吸附過程逐漸達(dá)到穩(wěn)定，各氣體濃度的變化不再明顯。穩(wěn)定時(shí)CH4濃度接近98% （mol），CO2濃度小于50mmol·kmol－1，N2濃度降低到2% （mol），達(dá)到凈化標(biāo)準(zhǔn)，成功分離出CH4產(chǎn)品氣。

圖4表示在下層 （活性炭吸附層）中各組分氣體濃度隨吸附層高度的變化情況。隨著吸附床層高度的增加，CO2在活性炭吸附層中逐漸被吸附，濃度降低，而N2與CH4的濃度從床層底部沿塔軸向上逐漸增大。該過程中成功分離了CO2雜質(zhì)，未被分離的組分將在下一層中繼續(xù)分離。

圖5表示在上層 （分子篩吸附層）中各組分氣體濃度隨吸附層高度的變化情況。隨著吸附層高度的增加，N2在分子篩層中逐漸被吸附，而CH4濃度則不斷升高。該過程中N2濃度降低至0.1%（mol），成功獲得CH4產(chǎn)品氣。

通過對(duì)雙層變壓吸附過程的模擬，成功分離出了CH4產(chǎn)品氣，其回收率達(dá)到91%，CO2與N2兩種氣體基本全部附著在吸附層，為后續(xù)的解析再利用提供良好的氣源基礎(chǔ)。四塔PSA工藝能耗低，與傳統(tǒng)液體吸收凈化方法相比，其全氣體運(yùn)行避免了液體吸收劑隨波浪晃動(dòng)的缺點(diǎn)，可以滿足海上天然氣預(yù)處理的要求。

2 CO2預(yù)冷空氣膨脹液化流程

目前國(guó)際上主要的浮式LNG生產(chǎn)工藝為氮膨脹、混合冷劑、聯(lián)級(jí)式。但是其中任何一種工藝都有其缺點(diǎn)，不能完全符合海上作業(yè)的要求。氮膨脹循環(huán)液化工藝制冷循環(huán)量大，制冷效果一般；混合制冷劑制冷工藝效率高，但是制冷劑工質(zhì)為液體，其液體晃動(dòng)的可能性降低了海上作業(yè)的安全性；聯(lián)級(jí)式制冷工藝制冷效率最高，處理氣量最大，但是其與混合制冷劑制冷工藝一樣，存在液體制冷劑，并且裝置占地面積大，海上適應(yīng)性較差。表4［14］列舉了主要的浮式LNG生產(chǎn)工藝。

圖4 活性炭中氣體濃度隨床層高度的變化Fig.4 Change of gas concentration in activated carbon with height of bed

圖5 分子篩中氣體濃度隨床層高度的變化Fig.5 Change of gas concentration in molecular sieve with height of bed

表4 國(guó)際上主要浮式LNG生產(chǎn)工藝Table 4 International main floating LNG production processes

為了適應(yīng)海上作業(yè)裝置緊湊性高、安全性好、操作連續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，就需要結(jié)合各種天然氣液化工藝的特點(diǎn)，通過流程的調(diào)整組合，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)選出最適合的工藝［15－20］。本文設(shè)計(jì)了一種新型CO2預(yù)冷空氣膨脹液化流程作為浮式LNG天然氣液化的工藝方法。采用HYSYS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

模擬原料氣組分來源以我國(guó)南海某氣田的天然氣組分為例：

（1）預(yù)處理后的天然氣組成 （以摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)）為：甲烷89.9%、乙烷5.8%、丙烷2.2%、丁烷0.5%、 異 丁 烷 0.4%、 戊 烷 0.2%、 異 戊 烷0.2%、己烷0.2%、庚烷0.2%、氮?dú)?.4%；

（2）天然氣入口處壓力為5MPa，溫度為35℃；

（3）水冷卻器壓降為50kPa，出口溫度為32℃；

（4）LNG的儲(chǔ)存壓力為0.2MPa；

（5）狀態(tài)方程為Peng－Robinson；

（6）壓縮機(jī)等熵效率設(shè)定為0.75，增壓透平膨脹機(jī)等熵效率設(shè)定為0.8；

（7）忽略系統(tǒng)熱損失。

2.2 液化流程及過程分析

CO2預(yù)冷空氣膨脹液化流程如圖6所示。液化流程分為3部分，分別是CO2預(yù)冷循環(huán)、空氣膨脹制冷循環(huán)和天然氣液化。天然氣液化管路中，凈化后的天然氣依次通過LNG換熱器exchanger 1和exchanger 2，降溫至－141℃后，節(jié)流至0.2MPa的天然氣儲(chǔ)罐V1。揮發(fā)氣BOG返回LNG換熱器exchanger 2，以回收部分冷能。在CO2預(yù)冷循環(huán)中，CO2經(jīng)過兩級(jí)壓縮降溫節(jié)流至－45.64℃，為制冷劑與天然氣預(yù)冷。

液化流程中的冷量由CO2預(yù)冷及空氣膨脹制冷循環(huán)提供，空氣制冷劑經(jīng)過兩級(jí)壓縮中間水冷后，流經(jīng)換熱器exchanger 1冷卻降溫，經(jīng)分流器分流成兩股，其中一股經(jīng)過膨脹機(jī)膨脹降至低溫－138.3℃，與后續(xù)返流氣共同為換熱器exchanger 1提供冷量，另一股降溫節(jié)流至－144.5℃，為L(zhǎng)NG換熱器exchanger 2提供冷量。流程中空氣制冷劑及CO2預(yù)冷劑各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)見表5、表6。

表5 空氣循環(huán)參數(shù)Table 5 Air cycle parameters

表6 CO2循環(huán)參數(shù)Table 6 CO2cycle parameters

圖6 CO2預(yù)冷空氣膨脹液化流程圖Fig.6 CO2pre－cooling air expander cycle

由表5及表6可得，在預(yù)冷劑及制冷劑循環(huán)過程中，沒有液體的產(chǎn)生，因此該工藝的安全性高。

2.3 結(jié)果分析

液化流程的性能參數(shù)見表7。LNG換熱器1和2的冷熱流體換熱負(fù)荷－溫度分布曲線如圖7、圖8所示。

圖7 LNG exchanger 1的換熱負(fù)荷－溫度分布曲線Fig.7 Heat transfer load－temperature distribution curve in LNG exchanger 1

圖8 LNG exchanger 2的換熱負(fù)荷－溫度分布曲線Fig.8 Heat transfer load－temperature distribution curve in LNG exchanger 2

從以上結(jié)果可以得出，新型CO2預(yù)冷空氣膨脹式液化流程的液化效率為91%，單位產(chǎn)品能耗為0.85kW·h·m－3；對(duì)比于傳統(tǒng)的丙烷預(yù)冷氮膨脹液化流程、雙氮膨脹液化流程，該新型液化流程沒有可燃液體丙烷的存在，并且省去了氮?dú)獾闹迫∵\(yùn)輸問題；流程簡(jiǎn)單易操作，裝置占地面積?。涣鞒讨袥]有液體制冷劑的存在，安全性高；冷熱流體間的換熱溫差較??；裝置的比功耗稍高。海上天然氣液化流程中功耗不是最重要的考慮因素，因此，該工藝流程適合于海上運(yùn)行。

3 結(jié) 論

浮式LNG船體要求裝置設(shè)備緊湊性高，安全性好，能夠適應(yīng)海上風(fēng)浪導(dǎo)致的船體晃動(dòng)。本文針對(duì)海上天然氣利用前的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，預(yù)處理和液化流程進(jìn)行了模擬研究。

（1）變壓吸附法由于占地面積小、裝置緊湊性高、操作連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是最適合于海上作業(yè)的凈化方法之一。

（2）將變壓吸附中的吸附床分成兩層，第一層活性炭去除CO2，第二層分子篩去除N2，通過模擬成功分離出了CH4產(chǎn)品氣，回收率達(dá)91%，同時(shí)可以得到高純度的CO2和N2。

（3）新型海上天然氣液化工藝選擇CO2作為預(yù)冷劑，選擇空氣作為液化制冷劑，通過模擬液化率為91%，單位產(chǎn)品能耗為0.85kW·h·m－3。該流程最大的特點(diǎn)是主流程中不含液態(tài)制冷劑，適合于海上晃動(dòng)的LNG平臺(tái)。

表7 液化流程性能參數(shù)Table 7 Liquefied process performance parameters

（4）原料氣進(jìn)氣溫度愈低，則流程能耗越低，可取深海中的低溫海水對(duì)原料氣進(jìn)行冷卻；CO2節(jié)流至－43～－48℃不會(huì)形成干冰。

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