天然氣液化中重烴和氮氣脫除工藝優(yōu)化研究

趙建輝

摘 要：在天然氣液化過程中，因重烴和氮氣含量較高所致的各種問題往往會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，針對重烴和氮氣進行脫除工藝設計，參照控制變量原則分別就包括原料氣預冷溫度、脫重烴塔回流溫度在內(nèi)的影響因素進行分析，研究提高重烴和氮氣脫除效果的最佳方案，進而有效提升液化天然氣的生產(chǎn)質(zhì)量。

關鍵詞：重烴;氮氣;脫除工藝;優(yōu)化策略

0 引言

近年來，基于我國能源結(jié)構的逐步調(diào)整，現(xiàn)有能源消費體系對于一次能源的重視越來越高，同時，伴隨著LNG的進一步推廣，其在能源結(jié)構調(diào)整層面的應用價值愈發(fā)突顯。但是，從實際液化天然氣制備過程來看，通常需就天然氣內(nèi)的重烴組分和氮氣進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氣產(chǎn)量進行控制，并能夠避免出現(xiàn)包括液化天然氣儲存罐翻滾事故在內(nèi)的安全問題。對此，通過就低溫精餾法進行工藝優(yōu)化，提升重烴與氮氣脫除的整體效果，有助于促進我國能源產(chǎn)業(yè)的進一步創(chuàng)新發(fā)展，并在積極響應國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基礎上保障能源市場的發(fā)展活力。

1 天然氣液化中重烴和氮氣脫除工藝流程簡述

天然氣液化中重烴和氮氣脫除工藝流程圖如圖1所示。

首先，經(jīng)由換熱器和冷箱就原料氣進行處理，處理溫度達-30℃，待溫度達到后就其導入脫重烴塔下部處理，同時，借助冷箱對脫重烴塔出口氣相進行處理，溫度設置為-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下進入脫氮塔下部;其次，針對脫氮塔底部液化天然氣，就其導入冷箱進行過冷處理，待溫度調(diào)節(jié)至-162℃后經(jīng)過節(jié)流3至120kPa導入LNG儲存罐，借助換熱器對產(chǎn)生的閃蒸氣進行換熱處理，待達到30℃后導入氮氣循環(huán)壓縮機，同樣形成兩股物流，一股進入火炬系統(tǒng)，另一股與閃蒸氣共同導入氮氣循環(huán)壓縮機;最后，針對工藝所需冷量，使用混合冷劑構建制冷循環(huán)系統(tǒng)，在氣相進入混合冷劑后采用二級分離器進行壓縮分離，最終形成制冷循環(huán)，以滿足脫氮工藝的冷量需求。

2 天然氣液化重烴及氮氣脫除工藝的影響因素

2.1 原料氣預冷溫度

圍繞原料氣預冷溫度對于天然氣液化過程中重烴脫除的影響，以原料氣預冷溫度作為因變量，設計實驗，分別研究不同原料氣預冷溫度對于重烴脫出效果的影響變化，形成如圖2所示變化曲線。多與原料氣預冷溫度變化影響下脫重烴塔頂與塔底物料出口溫度的隨之變化有關。其中，當物料出口溫度降低時，由脫重烴塔頂進入冷箱的氣量會呈現(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，當原料氣預冷溫度發(fā)生變化時，位于脫重烴塔回流罐出口氣相區(qū)域的重烴含量會發(fā)生一定變化，變化曲線如圖3所示。其中，當原料氣預冷溫度由以往的-25℃轉(zhuǎn)變?yōu)?30℃時，脫重烴塔回流罐出口氣相中的重烴摩爾分數(shù)明顯增加，而當溫度持續(xù)降低直到降低至-36℃時，重烴的摩爾分數(shù)則會繼續(xù)增加至0.00747%，因此，本研究選取重烴摩爾分數(shù)相對穩(wěn)定的-30℃。

2.2 脫重烴塔的回流溫度

要想找到脫重烴塔回流溫度和重烴脫除的效果間的關系，可以將原料氣預冷溫度調(diào)整為剛才-30℃。其中，當脫重烴塔回流溫度由-64℃變化為-69℃時，處于脫重烴塔底部的重烴量顯著升高，且回流罐出口氣相中的重烴摩爾分數(shù)由0.0131%變化為0.0001%，這說明在脫重烴塔回流溫度變化時，可以顯著控制原料氣中的重烴規(guī)模。同時，當回流溫度降低時，針對處于脫氮塔底部區(qū)域的物料其溫度也會發(fā)生一定變化，而這使得氮氣無法被導離，因此會增加液化天然氣產(chǎn)品中的氮含量，最終促進重烴含量的降低。在此基礎上，若脫重烴塔回流溫度超過-66℃，位于脫重烴塔回流罐出口氣相區(qū)域的重烴含量也會隨之發(fā)生改變，且其變化速率也會與以往有所不同，因此，本研究預定采用-66℃作為脫重烴塔的回流溫度，其目的在于達到較好的重烴脫除效果。

2.3 脫氮塔下部進料量關系

在上述條件即將-30℃設置為原料氣預冷溫度、將-66℃設置為脫重烴塔回流溫度的背景下，就脫氮塔氮氣去除效果與脫氮塔下部進料量間的關系進行分析其中，當處于脫氮塔下部位置進料量明顯上升時，LNG產(chǎn)品中的重烴摩爾分數(shù)會隨之發(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，多與脫氮塔下部進料量變化下氮氣提取量的上升有關，同時，在脫氮塔下部進料量上升過程中，位于脫氮塔頂部出口氣相區(qū)域的烴含量會顯著上升，這意味著會減少LNG產(chǎn)品的產(chǎn)品量，因此，采用7.8%作為脫氮塔下部進料量的總料量摩爾比例，最終確保最佳氮氣脫除效果的有效形成。

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)情況下將氮氣回流罐節(jié)流后的壓力設置為-210kPa，將氮氣回流罐液相出口節(jié)流的壓力設置為-30kPa，在此基礎上，研究液化天然氣產(chǎn)量隨操作壓力發(fā)生的改變，其中，當操作壓力明顯上升時，脫除氮氣中烴摩爾分數(shù)會明顯降低，這一方面與較高操作壓力環(huán)境下氮氣與甲烷體系較難分離有關，另一方面也受到回流量增加等因素影響。同時，針對液化天然氣產(chǎn)品中的BOG量，其會隨著LNG產(chǎn)量的增加而增加，這意味著脫氮塔的氮氣脫除量降低，因此，圍繞本研究，將290kPa設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，對其重烴和氮氣脫除的工藝進行深入的研究，同時也基于四個層面進行了系統(tǒng)優(yōu)化和技術完善，其中，通過分析不同影響因素對于脫氮和重烴去除效果的影響，確定了最佳的技術工藝改善方案，有助于促進液化天然氣應用效益的進一步提高。

參考文獻：

[1]李占越，楊立雨.液化天然氣工廠重烴脫除工藝方案比選[J].山東工業(yè)技術，2018（13）：85.

[2]代磊.液化天然氣工廠重烴脫除技術應用探討[J].當代化工研究，2017（11）：33-34.