液化天然气工艺过程

液化天然气工艺过程内容摘要：

，材质为 0Crl8Ni9。 LNG 管件采用与 LNG 输送管道相同 (或相匹配 )技术要求的管件，如法兰采用不锈钢材质的 0Crl8Ni9，密封垫片采用不锈钢金属缠绕垫片。 根据目前国内 LNG 站运行的情况，关键阀门选用日本进口低温阀门，其余 阀门一律选用国产专用低温阀门。 LNG 系统在常温条件下安装，在低温条件下运行，两者温差很大 (～ 180c0)，由此而来的膨胀及收缩应力，设计时要据此考虑必要的柔性，以便最大应力在允许范围内。 5. 结束语 本工程气化站一期工程投资估算大约为 2720 万元，其中建筑工程费 728 万元，安装工程费 182 万元，设备购置费 914 万元。 LNG 以其运输灵活、储存效率高、运行成本低 (空温式气化几乎不消耗能源 )等优点得到越来越多的用户青睐，我国 LNG 气化站目前主要分布在山东、河南、安徽等地，随着我国LNG 基地的规划 实施，在目前管道供天然气无法幅盖的城镇，采用 LNG 气化站作为主气源、过渡气源、补充或调峰气源有广阔的发展前景。 天然气预处理和液化工艺技术的研究进展 2020 年 06 月 19 日 星期二 14:01 摘 要： 调研了国内外天然气预处理和液化方面的最新文献，并对各种工艺技术进行了比较和分析。 天然气预处理的工艺技术主要包括：酸性气体的脱除、水的脱除以及汞及重烃的脱除等；液化工艺流程主要有阶式制冷循环、混合制冷剂制冷循环、膨胀机制冷循环。 各种液化方式都有自己的工艺特点。 阶式制冷循环能耗最小，是目前天然气液 化循环中效率最高的一种；混合制冷剂循环同阶式制冷循环相比，混合制冷液化循环具有流程简单、机组少、投资费用低、对制冷剂的纯度要求不高等优点；膨胀机循环能够较迅速和简单地启动和停工，但功耗较大。 关键词： 天然气 预处理 液化 研究现状 世界天然气资源丰富，分布广而不均。 一些大的天然气资源大都蕴藏在荒漠地区，距人门密集和工业发达地区较远，并常常有大面积的海洋和复杂的地形地貌阻隔。 长距离铺设管道，甚至越洋气态输送天然气，常常要受到成本与技术问题的制约。 因此，天然气远距离运输大都通过液化天然气 (LNG)的方式进行。 天然气液化是一个低温过程，原料天然气经预处理和干燥后，进入换热器进行低温冷冻循环，在常压下将其深冷到 162℃ 左右，天然气便会液化成为 LNG [1]。 当代工业规模的火然气液化 (即 LNG的生产 )技术通常包括原料气预处理、液化和储存三个部分。 由于篇幅的限制，本文只简要介绍国内外在原料气预处理和液化方而的工艺技术 [2]。 1 原料气预处理 天然气液化之前的原料气净化是一个重要环节。 表 1 原料气中杂质浓度上限 杂质 浓度极限 H 2 0 ＜ 0． 110 6 (ψ) CO 2 (50～ 100)10 6 (ψ) H 2 S 3． 5mg/m 3 COS ＜ 0． 110 6 (ψ) 总 S 含量 10～ 50mg/m 3 Hg ＜ 0． 1μm/m 3 芳香烃类 (1～ 10)10 6 (ψ) 由于液化气厂的进料气中含有大量的酸性气体、重烃、水及汞等杂质，易形成水合物，造成设备腐蚀、管道堵塞。 为了保证天然气的深冷冻液化过程的稳定操作对其中的 CO 2 、H 2 S、水、汞、重烃类等都有严格的要求一般要达到如表 1所示的指标。 顶 处理的主要设备由吸收塔、再生塔及干燥塔组成 (见图 1)。 1． 1 酸性气体的脱除 酸性气体的脱除通常是采用溶液吸收法。 有： ① 胺法； ②Benfeld 法 (以碳酸钾和二乙醇胺为溶剂 )； ③Sulfinol 法 (这是一种物理化学吸收法 )。 然而这些法中， ③ 中的溶剂同时也能使包括 CH4在内的烃类大量溶解，并且这些方法大多数成本高，能耗大。 近 年来，一些 LNG公司已采用了一些较先进的体预处理技术，并且已在 LNG工业中起着重要作用 [3]。 对于含低浓度酸性气体的原料气 (分压小于 350kPa)， Amine Guard FS 流程较为实用，它是包括一个以胺液为主体的流程和一种 UCARSOL类胺溶剂，该溶剂成本低、有较好的热的和化学的稳定性、无腐蚀性、不易起泡，以及该流程除易操作外，与 MEA和 DEA流程相比需较低的再生热能等优点，其优化了的设计是基于 40 多年的气体净化经验并已得到技术性杂志的认可，世界上已有 550多个工厂采用该流程。 值 得一提的是 Benfield流程 (见图 2)。 它包括 K 2 CO 3 水溶液、加快质传递的活化剂及防腐剂，已被世界上几百个装置所采用。 Benfield流程已有 30多年历史，近年来人们对它有所改进。 较为典型的有： ①Ben field100流程 (如图 3所示 )，它包括 K2CO3吸收液、分子筛等。 K 2 CO 3 吸收液除去酸性气体及 COS，分子筛则除去水分及剩余的酸性气体。 产品中有部分气体回流，用于分子筛的再生，然后再返回原料气。 该流程能较彻底地除去含S化合物、 80％～ 99％ COS、 95％～ 100％甲疏醇及大部分水 分； ② 采用新的活化剂。 通常活化剂用于加快 CO 2 的吸收速度，这样可减少装置体积并起节能作用。 以往常用二乙醇胺(DEA)、砷、甘氨酸作为活化剂，而现在采用一种新的活化剂 P1，其效用已被美国三个合成氨厂所证实，这些厂每天产氨 1000～ 1500t，需纯化 2． 8MPa压力下含 17％ CO 2 的 17500m 3 气体。 1． 2水分的脱除 脱 除酸气后的原料气，一定要脱水。 一是可防止天然气中的水分析出，在液化时结冰，使管道和仪表阀门出现冰堵，发生事故；二是因液态水的存在，使末脱除的酸性组分对压力管道和容器的腐蚀加剧，可能导致应力腐蚀。 天然气脱水的方法主要有 3种： ① 冷却法； ②甘醇吸收法； ③ 固体 (如硅胶、活性氧化铝、分子筛 )吸附法。 现主要用第 ③ 种，一般采用4A型分子筛。 以往的分子筛常包含有小的沸石类微粒，吸水性能好，但与此同时也造成了较大的气体压力损失。 为解决这个问题，一种新的 TRISlV 吸收系统问世，其新的微粒结构增大了与气体的接触面积，并缩短了气 体流程，减小了气体的压力损失 [4]。 1． 3汞及重烃的脱除 由于 Hg对铝质板翅式换热器有损害，故也必须去除。 过去均采用不可再生的固定床 (带S的活性炭、含 S分子筛、金属硫化物 )。 而现在用可再生物质 HgSIN，它可同时对气体于燥并除去 Hg，该物质已投入应用两年多，就 Pacific Rim 的一个 LNG厂而言，它的功效能使He含量从 25μ/m 3 ，降至 0． 01μg ／ m 3。 法国石油学会研究出了一种可用于吸收气体和液体中金属 Hg的吸收材料 [5] ，它是在氧化铝锭片上加一层金属硫化物，能与汞反应生成 HgS。 重烃同样会在天然气液化时结冰，使管道和仪表阀门冰堵，发生事故。 在多级制冷的工艺中 (如 MRC工艺、复迭制冷等 )，重烃可通过分子筛和预冷后分离而加以脱除。 有些工艺过程用洗涤、蒸馏实现。 2 天然气液化工艺流程 天然气液化过程根据原理可以分为两类：一类是天然气通过压缩使气体温度升高，然后通过与制冷剂换热取走热量，合适的选择制冷剂，通过几个冷却级，即可达到天然气的液化；另一类同样是通过压缩使气体温度升高，用换热取走气体的热量，然后气体通过膨胀机或节流阀降压。 根据焦耳一汤姆逊效应，使气 体温度降低，此低温气体与降压前的气体换热，这样可以使降压后的气体达到液化温度。 目前工业上采用的天然气液化过程，多数是综合了以上两类过程。 因此，天然气的液化过程实质上就是通过换热不断取走天然气热量的过程。 迄今为止，在天然气液化技术领域中成熟的液化工艺有：阶式制冷循环、混合制冷剂制冷循环、膨胀机制冷循环 [6]。 各种液化方式都有自己的工艺特点。 2． 1 阶式制冷循环 阶式制冷循环通常由丙烷、乙烯 (或乙烷 )、甲烷三级独立的制冷系统来提供冷量。 典型的阶式制冷循环流程如图 4所示。 从图 4可以看 出，净化后的天然气首先用丙烷作为第一冷却级冷却至 35℃ 左右，分出 C 5 以上的重烃后进入第二冷却级。 丙烷蒸发器中蒸发出来的体经压缩机增压，冷却水冷却后重新变为液体回到丙烷蒸发器 [7]。 第二冷却级用乙烯 (或乙烷 )作为制冷剂，天然气在这一级中被冷却至大约 97℃ 左右，并被液化后进入第三冷却级。 乙烯蒸发器蒸发出来的乙烯气体经增压，冷却 水冷却，通过丙烷蒸发器换热后，用节流阀降压降温成为液体再进入到乙烯蒸发器中。 第三冷却级用甲烷作制冷剂提供冷量，第二级已液化的天然气在这一级中继续被冷却到 150℃ 左右，然后通过节流阀降温降压，温度降至 162℃ ，压力降至常压，用泵将液化天然气输送到专门的储罐中。 该流程液化循环能耗最小，是目前天然气液化循环中效率最高的一种，所需换热面积小 (相对于混合制冷剂循环 )，且制冷循环与天然气液化系统各自独立，相互影响少、操作稳定、适应性强、技术成熟。 其缺点是流程复杂、机组多，至少要有 3台压缩机，要有 生产和储存各种制冷剂的设备，各制冷循环系统不允许相互渗漏，管线及控制系统复杂，管理维修不方便，对制冷剂的纯度要求严格。 只有在较少的特定情况下，才能显示出低能耗和小换热面积、节省费用的优点，并弥补由于多级独立制冷系统增加费用和流程复杂性的缺点，所以，阶式循环最适用于大型装置。 通过优化机器的选择，阶式循环可以与在基本负荷混合制冷剂厂中占主导地位的带预冷的混合制冷剂循环相竞争。 近年来，为了进一步降低成本、提高效率、增加产量，科技工作者们对原有工艺进行革新和技术改进。 Phillips 对阶式循环工艺进行了优 化，它是通过优化方法、采用窄点分析和工艺模拟研究出来的一种工艺技术。 进料气的预处理采用适合于特定进料组分和情况的标准处理工艺。 进料气预处理包括酸性气体的脱除、脱水和汞的脱除。 在脱水器之前进行一级丙烷制冷剂冷却。 处理气体然后经过其它各级丙烷冷却。 从最后一级丙烷冷却器出来的进料和再循环液流在乙烯制冷剂冷却器中进行冷却和冷凝。 从乙烯冷却器出来的冷凝产品进入一个开式制冷剂循环，此循环产生的再循环气流和 LNG产品被送入储罐中。 从储罐出来的 boiloffgas 混入工艺回收的再循环气流中。 干净的燃料气在足够的压 力下压出，这样就不需要使用独立的燃料压缩机。 Phillips 的工艺以 “two — trains— in— one” 双重制冷原理而闻名，此原理使制冷工艺有最大的运行灵活性。 由 Trinidad和 Tobago组成的大西洋液化天然气集团在 Trinidad液化天然气装置的建设中选用了这种工艺。 此工艺技术可以简化装置开车，在进料量和气体组成有较大变化的情况下能保持装置操作稳定。 专家预测，此工艺技术在本世纪将在全世界得到广泛应用 [8]。 2． 2 混合制冷剂循环 混合制冷剂循环 (MRC)不像阶式循 环使用多种纯制冷剂，它使用单一混合制冷剂。 混合物成分是精确规定的，所以液体制冷剂在与被液化的天然气相似的温度范围内气化。 通常采用氮气和烃类 (C 1 ～ C 5 )的混合物作为制冷剂。 采用这种混合物作为制冷剂既包含了天然气液化所需的全部温度范围，又可只用一台压缩机，这样使流程大为简化。 同阶式制冷循环相比混合制冷液化循环具有流程简单、机组少、投资费用低、对制冷剂的纯度要求不高等优点。 但单级混合制冷剂循环的能耗要比阶式制冷循环高。 因此，为厂降低能耗，采用多级混合制冷剂循环。 国外技术人员对多级循环特性的评价结果表明， 随着级数的增加能耗将有所降低，通过技术经济优化，采用三级混合制冷剂循环较为合理，如图 5所示。 有效的制冷足以使进入的液相制冷剂过冷却，使进入的气相制冷剂部分冷凝以及使天然气冷却或冷凝。 进入的气相制冷剂流经部分冷凝后，经历相分离。 气相和液相进入与一级换热器操作相似的二级换热器。 用于使液体制冷剂过冷却和使气体制冷剂冷凝的制冷量在总工作量 中占有很大比例。 部分冷凝、分离和膨胀的最佳级数取决于资本费用、操作复杂性或灵活性和操作费用。 级数越多，能量效宰越大，但同时也提高了复杂性。 例如，一个二级循环消耗的功率比一级循环小，而且机器费用的减少通常不只是抵消附加的机器费用，还可以减少总的资本费用。 当级数增加时，就要使级数的增加对机器能量和资金消耗的影响最小，而且只增加设备的复杂性和总的资本费用 [9]。 对混合制冷剂循环的评估 (见表 2)，表明了级数的增加对功率消耗的影响。 通常，一个三级循环在能量效率和设备复杂性之间存在平衡，接近最优 化。 表 2 混合制冷剂佰环 [MRC]性能的评估 级数 1 2 3 4 5 相对于一级循环所需的率 (无因次 ) 1 0． 93 0． 90 0． 88 0． 87 改进的多级混合制冷剂循环 (MRC)已经得到了发展，它使用小型铝质板翅式换热器以减少功率消耗。 多股流板翅式换热器的温度驱动力小而且能量高度结合，所以其热力学效率很高，这使热股。