天然氣低溫提氦工藝優(yōu)化探析

趙運濤

陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司煉化公司 陜西 延安 727406

氦氣自身具有獨特的性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)相對來說較為穩(wěn)定，而且在重要的領(lǐng)域當中都有著廣泛的應(yīng)用。氦氣在空氣中的含量較低，并不具備工業(yè)提取價值，目前主要存在于天然氣當中，而且在世界各地的含量分布都存在不同程度的差異，在一些地區(qū)氦氣含量能高達8%，本文主要研究從天然氣當中提取氦氣的工業(yè)來源，以及相關(guān)工藝技術(shù)，通過對比研究國內(nèi)外當前的工藝技術(shù)，選取3種低溫提氦技術(shù)進行分析，并提出控制了生產(chǎn)成本的措施。

1 當前的產(chǎn)業(yè)政策背景分析

鑒于目前氦氣資源安全形勢十分嚴峻的問題，國務(wù)院在2015年印發(fā)的相關(guān)文件明確指出，要貫徹綠色發(fā)展的理念。首先在當前工業(yè)生產(chǎn)的背景下，要堅持將可持續(xù)發(fā)展作為主要的著立點，不斷改進工藝技術(shù)，貫徹節(jié)能環(huán)保的要求，并將其在技術(shù)和工藝當中得到有效的推廣和應(yīng)用，通過推行清潔生產(chǎn)等方式，更有利于發(fā)展我國的循環(huán)經(jīng)濟，促進資源得到有效的回收，并在一定程度上也能提高資源的利用率[1]。本項目主要研究從天然氣當中對低溫提氦工藝的優(yōu)化策略，不僅符合國家產(chǎn)業(yè)政策的要求，也能基于當前的政策，支持研發(fā)出高附加值的產(chǎn)品和技術(shù)。

2 國內(nèi)外技術(shù)研究概況

氦氣自身穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使其在科學(xué)研究以及國防軍工等諸多領(lǐng)域當中都具有重要的作用，因為氦氣具有-268.9℃的低沸點，因此可以運用于超低溫冷卻之中，也可以作為清洗介質(zhì)以及推進器應(yīng)用在火箭和航天領(lǐng)域。目前伴隨著氦氣的廣泛應(yīng)用和推廣，在懸浮列車中也可以促進超導(dǎo)體的應(yīng)用，并可以作為超導(dǎo)電池體冷卻應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。研究當前所采用的工藝技術(shù)，對于后續(xù)項目的探究具有一定的作用和價值。

2.1 國外深冷分離工藝技術(shù)

自從氦氣在1908年被物理學(xué)家液化處理之后，這項深冷分離工藝技術(shù)被廣泛地運用在氦氣分離過程當中，并且目前已經(jīng)形成了較為成熟的氦氣分離技術(shù)，經(jīng)過了上百年的沉淀和發(fā)展。在國外這項技術(shù)主要應(yīng)用在大型液化天然氣（LNG）工廠中，通常也會對生產(chǎn)規(guī)模提出較高的要求，分離的工藝原理主要在于：將LNG儲罐內(nèi)的氣體（BOG）氣體進行低溫精餾處理，并采取分階段液化的處理方法將甲烷、氮氣以及氦氣進行分離。伴隨著全球工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，對旱情也提出了更高的需求。目前20年來世界范圍內(nèi)依托于天然氣工廠所建設(shè)的裝置和設(shè)備也更加豐富。比如在2007年投產(chǎn)的阿爾及利亞工廠提氦裝置，每年的產(chǎn)量較為可觀。以及2013年所投產(chǎn)的卡塔爾提氦裝置，所生產(chǎn)出的液氦產(chǎn)品占據(jù)全球市場25%的份額。

2.2 國內(nèi)深冷分離工藝技術(shù)

在20世紀60年代，我國開始進行提氦實驗裝置的研究和應(yīng)用，為了滿足國防發(fā)展以及軍工生產(chǎn)的需求，不斷擴大裝置設(shè)計的規(guī)模，每年生產(chǎn)的氦氣總量也能夠滿足基本的需求。所采用的工藝技術(shù)原理主要是：氨預(yù)冷的高中壓林德循環(huán)制冷以及兩段單塔精餾塔分離提氦工藝，目前，國外公司已經(jīng)形成了相對來說較為成熟的氦氣回收工藝[2]。但是由于國內(nèi)受到投資以及供貨方面因素的影響，對于小規(guī)模的氦氣回收裝置來說，并沒有建設(shè)專門的聯(lián)絡(luò)人員團隊，而且根據(jù)現(xiàn)階段所提供的數(shù)據(jù)和信息進行總體分析來看，采用國外深冷設(shè)備經(jīng)濟性不高。國內(nèi)目前已經(jīng)取得了提氦公益的運行業(yè)績，對此本文圍繞國內(nèi)的提氦技術(shù)作為主要的技術(shù)方案進行深入的研究和探討。

3 天然氣低溫提氦工序及回收裝置

由于目前氦氣資源的短缺，只能從天然氣當中提取獲得，空氣當中的副產(chǎn)量相對來說較少，直接從原料天然氣當中提取氦氣所耗費的成本較高，需要架構(gòu)較長的技術(shù)路線。從經(jīng)濟成本的角度出發(fā)，可以考慮從BOG氣體當中提取氦氣，也能夠控制所投入的資金和裝置設(shè)備，保障企業(yè)的經(jīng)濟效益。基于此分析的LNG閃蒸汽氦氣回收裝置，具有一定的研究價值和作用，工藝簡圖見圖1，主要包括以下結(jié)構(gòu)：

圖1 工藝流程框（簡）圖

3.1 粗制系統(tǒng)

從LNG裝置輸送出來的BOG氣體一般都會經(jīng)過壓縮處理，才可以進入到冷箱之中，首先要經(jīng)過冷卻處理之后，在持續(xù)冷卻的過程當中也要提供一定的熱源，進行粗分離之后，分離之后的氣體和液體分別進入提氦塔，目的是為了提高純度，經(jīng)過主換熱器能夠恢復(fù)到要求的38℃。在提氦塔的底部可以提取液態(tài)的BOG氣體，而這些氣體進入到LNG分離器之中，可以進行粗分離處理。從冷箱輸送出來的低壓氮氣，經(jīng)過入口緩沖罐緩沖之后，進入到壓縮機壓縮進行冷卻。在出口緩沖罐進行處理之后，進入到冷箱主換熱器，完成冷卻和過冷處理，并分為兩股，一股可以進入冷凝器之中，為整個冷凝過程提供冷量。另一股可以進入到氮分離器當中，進行氣體和液體的粗分處理，完成整個循環(huán)制冷的過程。

3.2 脫氫干燥系統(tǒng)

脫氫干燥系統(tǒng)主要利用了加氧催化反應(yīng)，能夠有效去除粗氦當中的氫氣，通過發(fā)生脫氫反應(yīng)，可以生成部分水，并經(jīng)過冷卻處理之后脫除游離水。從粗制冷箱系統(tǒng)當中的粗氦氣首先與干燥再生氣、循環(huán)器以及回收氣體會合之后，共同進入到緩沖罐，將原料進行壓縮處理，可以與氧氣進行充分的混合，并共同輸送到脫氫反應(yīng)器之中。在脫氫反應(yīng)器，氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)，并經(jīng)過冷卻處理之后，進入到水分離器。采用2臺干燥器脫水處理之后，可以進一步去除當中的雜質(zhì)。

3.3 低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)主要通過高壓低溫冷凝處理以及吸附的方式，能夠有效脫除氣體中含有的雜質(zhì)，從而提取出高純度的氦氣。在此過程當中通常會切換使用2臺低溫吸杜瓦裝置，根據(jù)實際情況，配合使用超低溫冷箱以及其他類型的裝置通過脫出雜質(zhì)之后，能夠得到高純度氦氣產(chǎn)品。經(jīng)過干燥系統(tǒng)處理而來的粗氦氣，進入到增壓機入口緩沖罐，被冷卻到-205℃，在這種溫度條件下，可以脫除大部分的雜質(zhì)，然后進入到低溫吸附杜瓦之中，具體過程見圖2：

圖2 低溫吸附和超低溫吸附主要工作過程

3.4 儲存系統(tǒng)

儲存系統(tǒng)主要用于儲存和重裝高濃度的產(chǎn)品，其中包括高純度的氦氣。儲存系統(tǒng)設(shè)置了2臺壓縮機、2臺高純度的氦氣儲存罐以及1臺高純度的氦氣自動充裝臺等設(shè)備。除此之外，還包括其他類型的一些設(shè)備，在重裝處理之后，壓力能夠達到20MPa(G)，單臺容積可以達到28.3cm3，在這樣的情況下，設(shè)備裝置可以存儲高達20MPa(G)的高純度氦氣。采用單條充裝線也可以充裝管束車、花籃等，每個物理臺位可以充裝40L和50L的標準瓶。

3.5 回收系統(tǒng)

回收系統(tǒng)是為了回收定位系統(tǒng)當中的再生反沖洗氣以及再生冷卻氦氣，再生冷卻氦氣，主要在于超低吸附冷箱之中。目前回收系統(tǒng)當中，主要建設(shè)2臺回收壓縮機器、一臺回收氣囊。達到相關(guān)要求之后，可以發(fā)揮回收冷卻的作用和功能，回收技能當中所回收的氣體要經(jīng)過壓縮機增壓處理之后，再輸送到干燥系統(tǒng)緩沖罐。

3.6 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要由液氮、氮氣系統(tǒng)以及氧氣組成，首先，液氮以及氮氣系統(tǒng)，主要為整個低溫系統(tǒng)提供充足的冷量供應(yīng)，以確保后續(xù)的制冷工作順利地運行，能夠回收低溫并且杜瓦切換過程當中所排放出來的液氮，為整個脫氮系統(tǒng)提供充足的冷量。其次，氧氣系統(tǒng)主要為脫氫干燥系統(tǒng)提供充分的氧氣，推動發(fā)生加氧催化反應(yīng)。

4 膨脹制冷+氮氣循環(huán)制冷兩塔分離優(yōu)化技術(shù)

4.1 前膨脹工藝

前膨脹和氮循環(huán)制冷工藝的具體流程主要是將提前準備好的天然氣輸送到原料氣冷卻器當中，在做好充分準備的情況下，再提前準備好的管道中，運用最短的時間對這些氣體進行完全冷卻處理。通常還會采用膨脹制冷的措施，將這些氣體二次進行傳送，并達到原料氣冷卻器之中。主要采用同樣的模式，對這些氣體進行二次冷卻在符合標準情況下傳送到一級提濃塔，此時能夠發(fā)現(xiàn)頂部會出現(xiàn)一定量的粗氮氣體，而且在底部會有許多液態(tài)甲烷被傳送出來。充分發(fā)揮冷卻器的功能和作用，在達到目標回收冷量之后，原料會有去進入到膨脹機增壓端。在經(jīng)過膨脹處理之后，會達到一定的壓強，并被傳送到商品天然氣外輸管線當中。通過采用節(jié)流的方式可以將其他的氣體進行轉(zhuǎn)化，從而達到原本的功效和作用。在最短的時間內(nèi)冷卻劑裝置可以讓溫度達到既定的標準。當原料氣體累積到一定程度之后，就可以采用壓縮機進行處理，此時原料氣體會被再次傳送到外輸管線當中，要確保二級能源充足供應(yīng)，才可以維持循環(huán)和制冷同步進行的狀態(tài)。

4.2 后膨脹工藝

在運用后膨脹+氮循環(huán)制冷工藝技術(shù)的過程中，所采取的工藝原理，主要是首先利用原料氣體冷卻器本身所具有的換冷功能，將天然氣傳送到一級提濃塔，此時可以和頂部的粗氮氣體共同轉(zhuǎn)入到二級提濃塔。按照原本既定的程序?qū)@些氣體進行分離處理，從中可以分離出部分粗氮，而此時一級提濃塔之中底部也會傳送出許多液態(tài)甲烷，經(jīng)過冷卻處理之后，達成既定的回收冷量，會傳送出來一部分尾氣，剩余的原料可以繼續(xù)進入到膨脹機制中進行增壓處理，最終處理好的原料被傳送到外輸管線[3]。通過采取這種技術(shù)和工藝方式可以更加節(jié)流，也可以實現(xiàn)液態(tài)甲烷的轉(zhuǎn)化，從而發(fā)揮一級提濃塔的冷源功能。在完成回收冷卻之后，可以對天然氣體進行再次增壓處理，并傳送到外出管線中在整個治療過程中要確保冷源充足，才可以使整個制冷過程順利運行。

4.3 主要的檢測和控制措施

在改進工藝技術(shù)的過程當中，要對所采取的裝置采取更加嚴格的控制措施。首先要按照規(guī)定提前準備好原料氣的進口管線，如果壓力和溫度在運行的過程當中出現(xiàn)較大的變化，要及時截斷處理管線，通過這種方式有利于保障技術(shù)人員和設(shè)備的安全。一級提濃塔的液態(tài)甲烷在實際生產(chǎn)過程中可能會溶解一定量的氦氣，從而影響最終的產(chǎn)量，為了避免這些損失，在二級提濃塔底部應(yīng)當控制好正常的液位水平，從而能夠在熱交換當中爭取更多的時間和空間。為了保障一級提濃塔達到規(guī)定的溫度，需要做好充分的調(diào)壓工作，由此可以得到制冷量，也可以確保換熱器發(fā)揮自身的功能和作用。要對塔底的溫度進行檢測，按照溫度的條件和要求將氦氣控制在一定范圍內(nèi)進行輸送，如果溫度沒有達到預(yù)期標準，要給予更多的流量。為了避免出現(xiàn)氦氣溶解的情況，影響最重的產(chǎn)量要充分考慮液體甲烷以及液氮本身對于氦氣的溶解性，如果已經(jīng)出現(xiàn)溶解的情況，需要將這部分氦氣輸送至二級提濃塔，也要加熱一次粗氦氣，維持原有的液位水平。

4.4 低溫提氦工藝技術(shù)優(yōu)選研究

伴隨著低溫機械設(shè)備制造水平的不斷提升，已經(jīng)能夠克服和解決工藝能耗大的現(xiàn)實問題，也逐漸取代傳統(tǒng)的克勞特循環(huán)制冷工藝。為了進一步滿足提氦工藝優(yōu)化的需求，在進入裝置之前需要采用一定量的醇胺溶液進行脫硫脫碳處理，并進行深度脫水。經(jīng)過具體實驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)采用前膨脹工藝進行操作，溫度最低可達到-192℃，操作壓力較低而造成這種結(jié)果，不僅不符合節(jié)能要求，而且對塔體材質(zhì)提出較高的要求。膨脹機出口壓力直接決定提濃塔的壓力，而采用后膨脹工藝粗氦濃度較高，操作溫度要求高，整體能耗低也更加靈活控制，并且不會對換冷及分離的其他環(huán)節(jié)造成影響。

4.4.1 工藝設(shè)計

在必要條件支持下，應(yīng)推動提氦裝置實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和發(fā)展，首先應(yīng)對提濃塔塔頂冷凝器負荷進行優(yōu)化處理，并合理調(diào)整氨氣循環(huán)制冷系統(tǒng)操作壓力等一系列參數(shù)，有利于降低裝置整體能耗。在低溫提氦工藝基礎(chǔ)上，對液化氣和輕油進行分離，由此能生產(chǎn)出一定量的LNG，有利于提高裝置的經(jīng)濟效益。由于操作溫度低，為了避免出現(xiàn)冷能損失的情況，確保低溫設(shè)備設(shè)置在同一個冷箱之內(nèi)。

4.4.2 設(shè)備選型

根據(jù)工藝優(yōu)選的要求，應(yīng)選擇板翅式換熱器的原料氣遇冷器以及深冷器，并將溫差控制在2℃以內(nèi)，采用壓降小的提濃塔整體效率較高，能夠達到最佳效果。

5 結(jié)束語

綜上所述，作為國防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的稀有戰(zhàn)略性物資，氫氣目前在諸多領(lǐng)域當中具有無可比擬的優(yōu)勢，但在全球領(lǐng)域當中分布狀況不均衡，目前我國資源總量凈達2.12%，而且氦氣資源安全形勢較為嚴峻。氦氣具有一定的工業(yè)提取價值，其中天然氣伴生氦氣最為普遍，基于當前促進資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策背景，本項目主要研究從天然氣尾氣當中回收氦氣實現(xiàn)資源再生利用的目的，并對相關(guān)工藝技術(shù)采取有效的優(yōu)化措施。