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?；の矚庵迫∫夯烊粴猱a(chǎn)品(LNG)是一項(xiàng)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(jì)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(jìn)行提純。同時(shí)，尾氣中一般還含有氫氣、氮?dú)?、氬氣、一氧化碳等也需要分別進(jìn)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(tái)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(fù)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(diǎn)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(qiáng)。缺點(diǎn)主要是尾氣的其他組分未進(jìn)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(jìn)一步對尾氣進(jìn)行了分離。對于含有甲烷、氫氣、氮?dú)狻鍤獾幕の矚?，由于氫氣的露點(diǎn)最低，所以在精餾塔I中會(huì)首先被分離出來。氫氣有很高的利用價(jià)值，可以返回到化工過程中繼續(xù)參與反應(yīng)，也可進(jìn)一步提純獲得高純度的氫氣。通過調(diào)節(jié)精餾塔I的負(fù)荷，甚至可以獲得期望的氫氣純度。剩余的組分進(jìn)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?dú)狻鍤庠谒斉懦?。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(shí)，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(diǎn)介于氮?dú)夂蜌鍤庵g，當(dāng)尾氣中含有一氧化碳時(shí)，一般會(huì)在精餾塔II的頂部富集，有需要時(shí)，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(tái)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(yán)格。

3 多塔精餾工藝

當(dāng)尾氣中要求的分離組分達(dá)到3個(gè)及以上時(shí)，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(jìn)入精餾塔II中，在其頂部分離出高純度的氮?dú)?。剩余組分進(jìn)入精餾塔III進(jìn)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(biāo)均在兩個(gè)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(jī)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?dú)馀蛎浿评淞鞒獭?/p>

混合制冷劑流程以C1至C5的碳?xì)浠衔锛癗2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(jìn)行逐級冷卻、節(jié)流得到不同溫度水平的制冷量，以達(dá)到逐步冷卻液化天然氣的目的。混合制冷劑流程較膨脹機(jī)制冷能耗低，且利用閥門節(jié)流制冷，無低溫運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，可靠性好。缺點(diǎn)主要是混合冷劑儲(chǔ)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(jī)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(dá)到-165℃左右。由于化工尾氣中氮?dú)?、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?dú)庋h(huán)節(jié)流系統(tǒng)，才能滿足精餾工況的要求。

氮?dú)馀蛎浿评淞鞒讨饕酶邏旱獨(dú)馔ㄟ^膨脹機(jī)的絕熱膨脹的克勞德循環(huán)制冷。氣體在膨脹機(jī)中膨脹降溫的同時(shí)，能輸出功，可用于驅(qū)動(dòng)流程中的壓縮機(jī)，進(jìn)一步提高了制冷效率。即所謂的增壓透平膨脹機(jī)。具有流程簡單，設(shè)備緊湊，啟動(dòng)迅速，易操作等優(yōu)點(diǎn)。以氮?dú)鉃橹评涔べ|(zhì)，安全可靠，壓縮機(jī)投資成本低。由于氮?dú)饪梢灾迫「蜏囟鹊睦淞浚梢酝瑫r(shí)作為各精餾塔的低溫冷源，進(jìn)一步簡化了工藝流程。

綜上，可根據(jù)工廠實(shí)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(shí)考慮投資成本和運(yùn)營成本的高低等因素，選擇最合適的流程組織形式，方能實(shí)現(xiàn)最佳的綜合效益。

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