天然氣液化工藝流程分析及其優(yōu)選

馬琳

摘 要：天然氣是重要的民生物資，在實際對接市場的過程中往往以液化氣的形式而存在。不同的液化裝置在效率、能耗等方面存在一定的差異，故而做好其流程分析與優(yōu)選對后續(xù)具體的工作體系構(gòu)建與相關(guān)的工程建設(shè)具有積極意義。文章以此為切入點在系統(tǒng)探究流程的基礎(chǔ)上對不同工藝的特征進行總結(jié)，旨在為具體的優(yōu)選提供必要基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：天然氣；液化工藝；流程分析；工藝優(yōu)選

中圖分類號：TE646 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0065-02

天然氣是重要的清潔能源物質(zhì)，對人民的生活與生產(chǎn)具有決定性作用。在實際的運行過程中，往往通過液化技術(shù)來做到對天然氣的提純與壓縮，進而幫助其更好的參與運輸、銷售及應(yīng)用。在實際的工藝流程中，其大致可以分為如下三個環(huán)節(jié)，即提純、液化、分裝。其中提純與液化為主要的質(zhì)量控制過程。而從實踐經(jīng)驗來看，不同的工藝選擇往往決定于相關(guān)液化流程的實際產(chǎn)能、成本規(guī)劃等，也各自具有不同的特征。根據(jù)企業(yè)的實際情況進行合規(guī)的優(yōu)選能夠有效的形成對生產(chǎn)成本的控制、對生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及對設(shè)備效能的提升。本文以此為研究目的，對相關(guān)流程工藝進行分析，并探究不同模式下的優(yōu)劣，旨在為后續(xù)的優(yōu)選提供決策參考。

1 天然氣液化工藝優(yōu)化原則分析

天然氣液化工藝是天然氣生產(chǎn)與輸送的關(guān)鍵，該環(huán)節(jié)也是運輸與銷售過程中的主要耗能環(huán)節(jié)，并對安全生產(chǎn)有著較高的要求。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段針對其工藝流程的設(shè)計與優(yōu)化成為了研究的重點。按照現(xiàn)行不同的工藝流程其安全系數(shù)、操作難度、設(shè)備場地、設(shè)備成本、工藝運維均存在較大的不同。探究各類工藝與設(shè)備的原理與工況不同是形成有效選擇與工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)。在實際的設(shè)計與應(yīng)用過程中工藝優(yōu)化應(yīng)該本著如下原則來進行：一是需要保障工藝的合規(guī)性：所謂的合規(guī)性主要是指工藝的設(shè)計需要符合相關(guān)的科學(xué)事實以及現(xiàn)階段的技術(shù)特征。尤其是在天然氣液化的過程中由于對生產(chǎn)安全具有較高的要求，更是對其技術(shù)的成熟程度有著較高的要求，通過實驗工藝以及試運行工藝的方式來確定新型技術(shù)的穩(wěn)定性與參數(shù)是一種可行模式，而不能貿(mào)然的大范圍引入并不成熟的相關(guān)技術(shù)，以免形成安全生產(chǎn)事故；二是需要保障工藝的適應(yīng)性：所謂的適應(yīng)性主要是指不同的天然氣液化工藝流程需要根據(jù)天然氣的原料氣特性來進行規(guī)劃。如在天然氣液化預(yù)處理之前的雜質(zhì)去除環(huán)節(jié)應(yīng)該充分考量原料氣中的雜質(zhì)種類與濃度，進而形成更為有效的去除效果。同時還需要考慮設(shè)備場地的各類環(huán)境條件，如濕潤地區(qū)的防潮處理與水分雜質(zhì)去除工藝要相對高效；三是需要保障工藝的經(jīng)濟性：在保障上述原則的基礎(chǔ)上，我們在優(yōu)化的過程中要充分對其經(jīng)濟性進行考量，具體分為如下三個方面，即初裝成本、運行成本（能耗）以及維護成本等三種。利用成本與產(chǎn)出模型尋求平衡點是一種常見的方式，同時還需要考量場地、預(yù)算等經(jīng)濟指標(biāo)因素。

2 提純工藝流程及優(yōu)選

無論何種工藝開采的天然氣由于具有多種雜質(zhì)而僅能夠作為原料氣進行后續(xù)工序。在液化壓縮之前需要通過物理及化學(xué)的方式對其進行提純。在具體的提純過程中按照雜質(zhì)的不同大致可以分為水、酸氣、氮氣以及其他雜質(zhì)等四個方面，具體工藝流程與優(yōu)選如下：

第一，脫水方面：水分的存在不僅會在后續(xù)的低壓過程中與烴類物質(zhì)形成固體物堵塞管道，而且容易形成酸性環(huán)境加速管道的腐蝕。在此背景下需要對其進行有效的去除?，F(xiàn)行的常見去除方式主要為低溫分離、溶劑吸收、固體吸附等三種。其中低溫分離是利用節(jié)流降溫的方式形成-10到-20攝氏度的環(huán)境溫度，使得水分凝結(jié)沉淀。此種方法費用較低，且不引入其他物質(zhì)對于環(huán)境的擾動相對較小。但是也同樣存在脫水深度不足、裝置占地較大等特征。在溶劑吸附法中主要采用三甘醇溶劑作為吸收劑對其他中的水分進行吸收。該技術(shù)由于可以重復(fù)利用，故而成本相對較低，但是存在污染環(huán)境的風(fēng)險。在固體吸附方面采用分子篩作為吸附材料對氣體進行提純。除首次投資較高之外，其他環(huán)節(jié)均存在一定的優(yōu)勢。故而，在實際的水分去除工藝中建議選擇溶劑或固體吸附法作為流程技術(shù)手段。

第二，脫酸方面：在現(xiàn)行的脫酸技術(shù)中主要可以分為干法脫硫與濕法脫硫等兩種，而在不同門類下由于所使用的脫硫劑的不同而形成若干二級工藝。其中干法脫硫主要包括了活性炭、氧化鐵、氧化鋅等；濕法脫硫則主要包括了硫酸鈉、氨水等。通過綜合對比，濕法脫硫效果整體具有優(yōu)勢，且在吸收溶劑方面建議采用硫酸鈉或者醇胺溶液，二者具有價格低、易回收，在形成較好的脫酸效果的基礎(chǔ)上形成的生成物能夠作為次級化工原料而出售，為企業(yè)帶來一定的收益。

第三，脫氮氣方面：雖然通過液化過程進行一體化脫氮氣也可以從工藝技術(shù)方面進行實現(xiàn)，但是此種模式能耗較高，不符合經(jīng)濟成本要求。故而，在實際的去除過程中氮氣的去除往往采用深冷與變壓吸附的方式來進行。此種模式能夠有效的去除氮氣，并與液化能耗相比節(jié)約大量能源。

第四，其他雜質(zhì)：天然氣在開采工藝以及天然氣田自身的成因等問題還存在一定的汞、重?zé)N等雜質(zhì)需要去除。在實際的工藝流程中多采用新型吸附劑或者活性炭的方式來予以吸附去除。

3 液化流程及優(yōu)選

根據(jù)不同的工藝水平與產(chǎn)能要求，現(xiàn)階段常見的液化工藝主要分為聯(lián)級式液化、混合制冷、膨脹機液化等三種，其各自流程工藝與特征分析如下：

第一，聯(lián)級式液化工藝：聯(lián)級式液化流程由多級獨立制冷循環(huán)組成，其中較高溫度級的制冷循環(huán)熱量由相鄰較低溫度級的循環(huán)提供。液化流程功耗與所用級數(shù)成正比，級數(shù)越多，功耗越低，但同時初期投資及運行成本加大，因此，在實際操作中所使用的級數(shù)要綜合考慮經(jīng)濟性。級聯(lián)式液化流程的優(yōu)點是：（1）能耗低；（2）制冷劑為純組分；（3）技術(shù)成熟，操作穩(wěn)定。缺點是：（1）機組多，流程復(fù)雜；（2）管道與控制系統(tǒng)復(fù)雜，不利于裝置的保養(yǎng)及維修。

第二，混合制冷液化：混合制冷劑液化流程是將多組分烴類混合物作為制冷工質(zhì)，通過逐級冷凝、節(jié)流、膨脹、蒸發(fā)步驟逐步冷卻和液化天然氣。MRC 混合制冷液化流程制冷效率高，系統(tǒng)簡單。MRC 液化流程有如下優(yōu)點：（1）流程設(shè)備少、操作簡單、投資費用低；（2）管理方便；（3）混合制冷劑補充方便。缺點是：（1）流程能耗較級聯(lián)式液化流程高 10%-20%；（2）依endprint

據(jù)液化需要，合理配比混合制冷劑的難度大；（3）模擬計算需要提供各組分物性參數(shù)，計算難度大。

第三，膨脹機液化：膨脹機液化流程的原理是利用高壓制冷劑通過透平膨脹機絕熱膨脹的克勞德制冷循環(huán)，以實現(xiàn)天然氣液化的流程。液化流程中膨脹降溫時的輸出功可用于驅(qū)動壓縮機運行。膨脹機液化循環(huán)工藝流程的優(yōu)點如下：（1）流程簡單、操作靈活可靠、裝置開停車迅速、維護方便；（2）天然氣本身可以作為制冷工質(zhì)，減少制冷劑費用。缺點是：（1）通入裝置中的氣體必須完全深度干燥；（2）換熱面積大；（3）受低壓用戶多少的限制；（4）液化率低。

從上文的分析中我們可以清晰的看到，在設(shè)備優(yōu)選方面主要參考相關(guān)流程的穩(wěn)定性、技術(shù)要求、安全性以及成本等幾個有效方案。而常用的三種工藝流程或多或少均存在其各自的應(yīng)用環(huán)境與不足。如果場地受限嚴(yán)重，則可以考慮應(yīng)用混合制冷液化的方式來予以實現(xiàn)。

4 分裝流程及技術(shù)控制

所謂的分裝流程主要是指液化氣在液化完畢后的貯存，及其后續(xù)銷售與運輸過程中的分裝體系。一般情況下，液化天然氣主要以高壓罐盛裝的方式來予以實現(xiàn)。在部分區(qū)域以及部分企業(yè)也同時存在低溫低壓的存放方式。不過與承壓相比，低溫環(huán)境的獲得對于能耗的消耗相對較大，已經(jīng)處于逐步淘汰的趨勢之中。而也同時由于其具體的分裝技術(shù)與流程并不存在較大的技術(shù)難點與技術(shù)優(yōu)化空間，故而其流程優(yōu)化更多的是從管理的角度來進行提出與構(gòu)建的。具體建議如下：第一，形成明確的分裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對各類檢測指標(biāo)以及常態(tài)化控制指標(biāo)要以制度的形式來予以確定。通過此種模式能夠有效的避免由于人為操作失誤而帶來的安全隱患；第二，需要定期通過設(shè)備維護與檢修的方式來保障整體工藝流程的有效性與高效能。通過此種模式來避免設(shè)備不遵從而帶來的安全隱患；三是需要特別注意液化天然氣在后續(xù)處置與轉(zhuǎn)移過程中的連接環(huán)節(jié)。通過上述三個方面的建設(shè)相信能夠形成更為有效的天然氣液化工藝流程優(yōu)化，為總體生產(chǎn)體系的質(zhì)量與安全提供必要保障。

5 結(jié)束語

天然氣液化是現(xiàn)階段其貯存、運輸與應(yīng)用的基礎(chǔ)，而液化流程也是總體耗能與安全的關(guān)鍵。針對這一背景，本文系統(tǒng)對天然氣液化的不同流程進行工藝分析，并參考實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)缺點對不同工藝流程與技術(shù)予以評價。在對比評價的過程中提出總體天然氣液化工藝流程的優(yōu)選方案與選擇依據(jù)。希望通過本文的研究能夠為后續(xù)的廠區(qū)實際設(shè)計與建設(shè)應(yīng)用提供必要的理論基礎(chǔ)與實踐指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]司云航.天然氣液化工藝流程模擬優(yōu)化及用能分析[D].西安石油大學(xué)，2015.endprint