LNG輕烴回收流程模擬及參數(shù)優(yōu)化

重慶聚祥燃?xì)庥邢薰?何友祥

2006年總投資達(dá)291 億元的深圳大鵬LNG 項(xiàng)目正式投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)正式邁入新型能源行列。LNG 以高效、節(jié)能、清潔等眾多優(yōu)點(diǎn)，迅速在沿海地區(qū)占據(jù)一席之地。截至目前，已投產(chǎn)、在建和規(guī)劃建設(shè)的LNG接收站項(xiàng)目共有92 個(gè)。其中，已經(jīng)建成投產(chǎn)的有27 個(gè)，正在建設(shè)的有18 個(gè)，處于前期研究中的有47 個(gè)[1]。2021年從國(guó)外進(jìn)口LNG 約1 087 億m3，根據(jù)已簽署的項(xiàng)目合同和已建成LNG接收站的規(guī)模，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)3 000 億m3[2]。

由于從國(guó)外進(jìn)口的LNG 中有相當(dāng)一部分含有乙烷、丙烷等C2+輕烴組分，其摩爾組分達(dá)10%以上，如深圳LNG接收站進(jìn)口的澳大利亞西北大陸架LNG，其中C2+輕烴摩爾組分高達(dá)11%[2]。C2+輕烴是一種優(yōu)質(zhì)的化工原料，作為乙烯原材料可使乙烯裝置投資節(jié)省30%，能耗降低30%～40%，綜合成本降低10%[3]。

國(guó)外早在1960年就有從LNG 中回收輕烴的專利。利用LNG 在高壓下其液化溫度高于LNG 部分汽化溫度這一條件，近些年歐美等國(guó)家又陸續(xù)開發(fā)出來(lái)多種新型的LNG輕烴分離工藝。這些工藝降低了壓縮機(jī)的負(fù)荷，但液態(tài)甲烷需汽化后才能進(jìn)入高壓天然氣管網(wǎng)，汽化甲烷所需的熱量往往通過(guò)泵抽取海水來(lái)完成，整個(gè)系統(tǒng)能耗依舊很大。鑒于國(guó)內(nèi)在LNG輕烴回收裝置的應(yīng)用還處于萌芽階段，本文根據(jù)LNG 冷量的特性對(duì)工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種只用壓縮機(jī)就能直接完成氣化且進(jìn)入高壓管網(wǎng)的LNG輕烴回收工藝，以克服LNG輕烴回收中能耗較大的技術(shù)難題。

1 典型LNG輕烴回收流程

美國(guó)專利US 6941771 B2[4]是近幾年使用比較典型的LNG輕烴分離工藝。該工藝具體的分離流程，如圖1所示。

圖1 美國(guó)專利US 6941771 B2 輕烴分離流程

圖1 中，LNG 原料首先經(jīng)過(guò)增壓泵進(jìn)行增壓，再由分流器分流成大小兩股：較大的一股首先在換熱器中預(yù)熱，部分氣化后進(jìn)入閃蒸塔中進(jìn)行氣液分離。從閃蒸塔頂部獲得分離出的氣態(tài)甲烷，富含C2+輕烴的LNG 從閃蒸塔底部分離出，進(jìn)入脫甲烷塔中進(jìn)一步分離；從分流器中分出的另一股LNG 直接進(jìn)入脫甲烷塔，作為塔頂回流。經(jīng)脫甲烷塔分離后的甲烷全部以氣相從塔頂分出，C2+輕烴產(chǎn)品以液態(tài)從塔底分出。將從閃蒸塔頂和脫甲烷塔頂分離出的兩股甲烷氣體混合，經(jīng)壓縮機(jī)提高壓力后再與過(guò)冷的LNG 原料換熱，使氣態(tài)甲烷全部液化。液化后的甲烷通過(guò)高壓泵增壓到外輸壓力后送入氣化裝置。在此流程中，LNG 的冷量主要用于輕烴分離以及氣態(tài)甲烷的再次液化。

通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)上述專利若直接接入高壓天然氣管網(wǎng)，還存在以下不足：

(1)專利中分離出來(lái)的液態(tài)甲烷需要全部汽化后才能進(jìn)入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。與國(guó)內(nèi)通過(guò)海水完成LNG 汽化的做法不同，明顯增加了企業(yè)的投資成本，同時(shí)也增加了該裝置的功耗。

(2)從脫甲烷塔塔底分離出來(lái)的液體為C2+輕烴。通過(guò)分析可知其中乙烷摩爾濃度并不高，若直接用于乙烯生產(chǎn)，會(huì)變向增大乙烯產(chǎn)業(yè)的成本。

2 LNG輕烴回收流程優(yōu)化

本文基于美國(guó)專利US 6941771 B2 工藝流程，利用過(guò)程冷量梯級(jí)利用的原則對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種新型輕烴回收工藝流程。該工藝能夠得到高濃度的氣態(tài)甲烷、低溫低壓液態(tài)乙烷以及LPG，較好地解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足。新型輕烴回收優(yōu)化流程，如圖2所示。

圖2 LNG輕烴回收優(yōu)化流程

該輕烴分離流程可分為4 個(gè)部分：原料預(yù)熱、脫甲烷、脫乙烷和循環(huán)分離。

(1)原料預(yù)熱。常壓LNG 原料(物流1，其中數(shù)字代表設(shè)備出口物流包，下同)通過(guò)LNG 泵增壓后，在換熱器1 中與脫甲烷塔塔頂氣換熱，升溫后的甲烷進(jìn)入換熱器2 與脫乙烷塔頂冷凝氣進(jìn)行熱交換而部分氣化，隨后進(jìn)入脫甲烷塔進(jìn)行分離。

(2)脫甲烷。LNG 部分氣化后進(jìn)入脫甲烷塔預(yù)分離，從塔頂分離出氣態(tài)甲烷(物流5)，該部分經(jīng)過(guò)換熱器1 與LNG 進(jìn)料熱交換后進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)一步分離。從閃蒸塔塔頂分離出甲烷氣體(物流8)，送入壓縮機(jī)增壓后輸入天然氣管網(wǎng)。

(3)脫乙烷。脫甲烷塔的塔釜液為C2+輕烴(物流6)，其中含有大量乙烷、丙烷及少量C4+輕烴，將其節(jié)流降壓后送入脫乙烷塔進(jìn)一步精餾分離，在塔頂?shù)玫礁呒兌鹊某阂簯B(tài)乙烷產(chǎn)品(物流13)，在塔底得到常壓LPG 產(chǎn)品(物流14)。

(4)循環(huán)分離。閃蒸塔的塔釜液(物流9)中仍含有大量甲烷，該部分再次送入脫甲烷塔中進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)循環(huán)分離。

3 應(yīng)用實(shí)例

以我國(guó)第一個(gè)LNG接收站項(xiàng)目——深圳大鵬LNG 進(jìn)口的370 萬(wàn)t/a 的澳大利亞LNG 為例，其摩爾組分為：甲烷摩爾濃度78.00%，乙烷摩爾濃度12.40%，丙烷摩爾濃度6.30%，異丁烷摩爾濃度1.40%，正丁烷摩爾濃度1.80%，氮摩爾濃度0.10%。利用圖2所示的輕烴回收優(yōu)化流程將LNG 的C2+輕烴分離出來(lái)。

通過(guò)工藝流程仿真模擬軟件Hysys 對(duì)整個(gè)分離流程進(jìn)行模擬計(jì)算，熱力學(xué)方法選用彭-羅賓森方程即PR 方程，并對(duì)整個(gè)流程中的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。通過(guò)計(jì)算，選擇的操作工藝如下：常壓的LNG原料先通過(guò)LNG 泵升壓至1.60 MPa，再流經(jīng)換熱器1、換熱器2 進(jìn)行兩次加熱，加熱后的LNG 原料部分氣化，其氣相摩爾濃度約為50%。部分氣化的LNG 進(jìn)入脫甲烷塔，該塔操作壓力為1.50 MPa。通過(guò)分離在塔頂?shù)玫郊淄槟枬舛葹?8.30%的氣態(tài)甲烷，該股物流在換熱器1 中與LNG 進(jìn)料進(jìn)行熱交換后進(jìn)入閃蒸塔進(jìn)一步分離。在脫甲烷塔塔釜得到液相C2+輕烴，其中乙烷摩爾濃度約56.27%；其余部分為 C3+輕烴，該股物流節(jié)流降壓至0.20 MPa 后進(jìn)入脫乙烷塔進(jìn)一步分離，該塔操作壓力為0.11 MPa，脫甲烷塔內(nèi)的理論塔板數(shù)為16。通過(guò)精餾分離得到乙烷摩爾濃度為94.04%的常壓液態(tài)產(chǎn)品，塔釜為常壓液相LPG 產(chǎn)品。從閃蒸塔頂分離出摩爾濃度為99.64%的富甲烷天然氣，溫度約為－113.20 ℃，經(jīng)壓縮機(jī)直接升壓至7.00 MPa 后外輸，溫度為－11.87 ℃，其塔釜液中甲烷摩爾濃度仍高達(dá)約94.59%，該股物流再次送入脫甲烷塔進(jìn)行循環(huán)分離。整個(gè)流程的模擬結(jié)果見表1。

表1 輕烴回收優(yōu)化流程模擬結(jié)果

從表1 可知，LNG 通過(guò)回收裝置處理后，原料中C2+輕烴的摩爾濃度從原來(lái)的22.00%(物流1)降低到0.36%(物流8)，其中分離后的最后組分包，即物流8 中的甲烷摩爾濃度為99.64%，乙烷摩爾濃度為0.23%。從原料中可分離出乙烷約65.69 萬(wàn)t/a，C3+約82.76 萬(wàn)t/a。分離出來(lái)的乙烷及C3+產(chǎn)品為0.11 MPa 的低壓液體，便于低壓儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也可以利用保溫管線直接輸送至乙烯裂解裝置。進(jìn)入壓縮機(jī)之前的甲烷溫度約－113.20 ℃，此部分冷量可以用于低溫粉碎、冷庫(kù)、冷量發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻、乙烯深冷分離及空氣分離等冷量利用項(xiàng)目。

若使用典型的美國(guó)專利US 6941771 B2 流程，與上述優(yōu)化流程相關(guān)參數(shù)的對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 美國(guó)專利US 6941771 B2 流程與優(yōu)化流程相關(guān)參數(shù)對(duì)比結(jié)果

由表2 可知相對(duì)US 6941771 B2 流程(總功耗為67.09 MW)，優(yōu)化流程功耗(總功耗為45.66 MW)可降低約32%，甲烷摩爾濃度可提高1.24%，乙烷回收率可提高3.46%。優(yōu)化流程與US 6941771 B2 流程相比，一方面流程出口不需要汽化器就可實(shí)現(xiàn)天然氣入網(wǎng)，可降低功耗，降低成本；另一方面可以獲得純度較高的甲烷、乙烷產(chǎn)品，若用作乙烯裂解原料則有利于提高原料的利用率及降低操作成本。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在美國(guó)專利US 6941771 B2 LNG輕烴回收流程的基礎(chǔ)上分析比較了典型的LNG輕烴分離流程的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合優(yōu)化換熱結(jié)構(gòu)，提出了一種相對(duì)高產(chǎn)量、高濃度、低消耗的LNG輕烴回收優(yōu)化流程。根據(jù)對(duì)目前投入建設(shè)的LNG 接受站的運(yùn)營(yíng)能力估算，到2025年我國(guó)將進(jìn)口LNG 達(dá)3 000億m3，在其輕烴組分占10%的條件下，通過(guò)LNG輕烴回收可從中獲得約1 237 億t 的C2+輕烴產(chǎn)品，可用于生產(chǎn)約674 億t 的乙烯。由此可見，應(yīng)用LNG輕烴分離技術(shù)，把我國(guó)乙烯工業(yè)產(chǎn)業(yè)同LNG輕烴回收整合起來(lái)，不僅有助于緩解我國(guó)乙烯原料短缺的問題，而且還能給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益。