新型LNG重烴去除工藝

摘 要

摘要：介紹了傳統(tǒng)LNG重烴去除工藝(蒸餾塔分離工藝、氮氣稀釋工藝)的工藝流程，提出了一種新型重烴去除工藝：將原料過冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)蒸餾分離出來的輕質(zhì)天然氣，實現(xiàn)熱值調(diào)節(jié)
摘要：介紹了傳統(tǒng)LNG重烴去除工藝(蒸餾塔分離工藝、氮氣稀釋工藝)的工藝流程，提出了一種新型重烴去除工藝：將原料過冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)蒸餾分離出來的輕質(zhì)天然氣，實現(xiàn)熱值調(diào)節(jié)。分析了增強工藝效果的措施，采用HYSYS軟件對工藝進行模擬，證實了工藝的可行性，得到了LNG再液化比與過冷度、系統(tǒng)壓力的關(guān)系。設(shè)計了液氮再液化工藝模擬實驗，認為液氮再液化工藝實驗的可行性可以外推至LNG再液化工藝。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；再液化；重烴去除；熱值調(diào)節(jié)
1 述
    本文提出一種不同于以往的新型重烴去除工藝：將過冷態(tài)LNG的冷能用于凝結(jié)從分相器內(nèi)重組分中蒸餾分離出來的輕質(zhì)LNG組分[1]。目前LNG的冷能利用[2～7]主要有：冷能發(fā)電、空氣分離、冷凍倉庫、液化二氧化碳、熱電循環(huán)等。本文將冷能的應(yīng)用范圍擴大至再液化流程。
    相比傳統(tǒng)重烴去除工藝，新型重烴去除工藝的主要優(yōu)點在于能耗顯著減少，因為增壓再凝結(jié)產(chǎn)品的功耗遠低于增壓蒸氣產(chǎn)品的功耗。
2 傳統(tǒng)重烴去除工藝
   ① 蒸餾塔分離工藝
   蒸餾塔分離的工藝流程見圖1。原料LNG經(jīng)原料泵增壓后進入加熱器，被加熱蒸發(fā)后，進入蒸餾塔中蒸餾分離。位于蒸餾塔下部的液相包括丙烷、丁烷重組分，稱為液化石油氣(LPG)。位于蒸餾塔上部的氣相大多為輕質(zhì)組分，需滿足工藝要求的低熱值標準。低熱值的天然氣經(jīng)壓縮機壓縮后，送入終端用戶。該分離工藝裝置非常簡單，但是壓縮機增壓、傳輸氣相天然氣需要消耗大量的電能。

   ② 氮氣稀釋工藝
利用氮氣稀釋是調(diào)節(jié)熱值的重要手段，也是傳統(tǒng)的重烴去除工藝之一，氮氣稀釋工藝流程見圖2。原料LNG經(jīng)原料泵增壓后進入再凝結(jié)器，在再凝結(jié)器中與氮氣(從空氣中提純或取自氮氣瓶)混合，再經(jīng)輸出泵增壓，經(jīng)蒸發(fā)器輸出。氮氣稀釋工藝中的輸出泵壓縮過程為液體壓縮，相比蒸餾塔分離工藝中的氣體壓縮，可以節(jié)省大量的電能，但是增加了昂貴的氮氣發(fā)生器或氮氣供應(yīng)系統(tǒng)。此外，如果氮氣的溫度不夠低，LNG與N2的混合過程和液體壓縮過程中將會產(chǎn)生大量的熵增。
 

3 新型重烴去除工藝
   ① 工藝流程
   本文提出的新型重烴去除工藝流程見圖3。該工藝與蒸餾塔分離工藝相似，其主要區(qū)別在于分離出來的低熱值氣相組分在1#蒸發(fā)器(熱交換器)中，利用原料LNG的冷能進行再凝結(jié)，低熱值的氣態(tài)天然氣變?yōu)橐簯B(tài)，因此輸出泵的壓縮功耗大大減小。2#蒸發(fā)器(熱交換器)中仍為傳統(tǒng)的再氣化過程[8～9]。該工藝過程中同樣輸出LPG。

   ② 增強工藝效果的措施分析
   新型重烴去除工藝的核心是再液化流程，見圖4。
    以1#蒸發(fā)器(熱交換器)為控制體，得到能量平衡方程：
    h2-h1=x(h4-h5)    (1)
式中h2——熱交換器原料流出口處的比焓，J/kg
    h1——熱交換器原料流入口處的比焓，J/kg
    x——再液化比
    h4——熱交換器回流入口處的比焓，J/kg
    h5——熱交換器回流出口處的比焓，J/kg
    由式(1)可知，h1越小，再液化比越大。因為焓值隨著溫度的降低和壓力的升高而降低，所以應(yīng)盡量降低點1處的過冷溫度，并盡量提高系統(tǒng)壓力。
熱交換器效率的計算公式為：
 
式中ε——熱交換器效率
    cp,min——最小比定壓熱容，J/(kg·K)
    T4——熱交換器回流入口處的溫度，K
    T1——熱交換器原料流入口處的溫度，K
由式(1)、(2)可得再液化比x的計算公式為：
 
    由式(3)可知再液化比x與熱交換器效率ε成正比。原料流的比定壓熱容通常小于回流的比定壓熱容，因為大多數(shù)原料流只承載著顯熱，而回流還承載著相變過程中的潛熱。原料流的比定壓熱容大于回流的比定壓熱容只會發(fā)生在再液化比很小的情況下，而這種情況與重烴去除工藝的目的相矛盾。因此原料流的比定壓熱容為最小比定壓熱容。
    由以上分析可知，增大新型重烴去除工藝中的再液化比的措施有：增大系統(tǒng)壓力，降低原料LNG的過冷溫度，增強熱交換器的性能。
4 工藝流程模擬
    鑒于LNG具有易燃易爆特性，在實驗室進行實驗比較危險，故采用石油化工流程模擬軟件(Aspen HYSYS V7.1)，選用CH4、C2H6、C3H8、N2物質(zhì)的量比為85：7：3：5的LNG對新型重烴去除工藝進行穩(wěn)態(tài)模擬[10～11]。運用Peng-Robinson狀態(tài)方程計算混合物的熱力學物性參數(shù)。LNG的再液化工藝模型與圖4相同。該工藝的原料過冷度為40K，系統(tǒng)壓力為2.0MPa，再液化比為37.5%，加熱器功率為1.389kW。模擬結(jié)果見表1。
表1 LNG再液化工藝模擬結(jié)果
狀態(tài)點
溫度/K
壓力/MPa
質(zhì)量流量/(g·s-1)
氣相比/%
1
120.9
2.0
10.000
0
2
160.9
2.0
10.000
0
3
167.9
2.0
10.000
40
4
167.9
2.0
3.753
100
5
153.4
2.0
3.753
O
6
167.9
2.O
6.247
0
    通過分相器后的回流中的CH4體積分數(shù)會增加，CH4、C2H6、C3H8、N2的體積比變?yōu)?9：0：0：11，組成變化導致混合物的物性參數(shù)發(fā)生變化。
    改變原料LNG的過冷度和系統(tǒng)壓力進行模擬，得到不同狀態(tài)參數(shù)下的LNG再液化比，見圖5。
 

    由圖5可知，再液化比隨過冷度和系統(tǒng)壓力的增大而增大；在恒定壓力條件下，再液化比與過冷度近似為線性關(guān)系。分析可知，該新型重烴去除工藝能夠?qū)⒏籐NG進行再液化分離。
5 模擬實驗
    選用液氮為原料，設(shè)計液氮再液化實驗裝置進行LNG的再液化工藝模擬。
   ① 實驗裝置
   液氮再液化的實驗裝置見圖6。

   實驗裝置主要分為4部分：
   a. 過冷卻系統(tǒng)，將飽和液氮轉(zhuǎn)變成過冷液氮。高壓液氮儲罐出口為飽和液體，通過浸沒于大氣壓力下的液氮槽中的熱交換器后，轉(zhuǎn)變?yōu)檫^冷液體。過冷液氮由真空絕熱金屬軟管輸送到真空恒溫控制器中。
    b. 再液化工藝系統(tǒng)，由熱交換器、分相器、加熱器及其附屬裝置等構(gòu)成。過冷液氮經(jīng)過熱交換器和加熱器后呈兩相狀態(tài)，由于密度差在分相器中分離為蒸氣和液體。液體被排出真空恒溫控制器，蒸氣則回流到熱交換器中。
    c. 蒸發(fā)系統(tǒng)，將再液化系統(tǒng)中的液氮蒸發(fā)。該部分由銅質(zhì)盤管和水槽構(gòu)成。從恒溫控制器出來的液氮被水槽中的銅質(zhì)盤管加熱并排出，液氮應(yīng)加熱至接近室溫，以避免損壞質(zhì)量流量計。
    d. 測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。溫度、壓力、流量測量元件安裝位置見圖7。測量數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)線上傳至計算機，采用LABVIEW 8.2軟件進行采集、記錄。

   ② 實驗步驟
   a. 打開高壓液氮儲罐的出口閥門。
   b. 關(guān)閉分相器液相出口閥門，預(yù)冷實驗裝置系統(tǒng)，直至系統(tǒng)溫度達到80K。
    c. 調(diào)節(jié)高壓液氮儲罐出口閥門和分相器液相出口閥門，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和質(zhì)量流量。
    d. 啟動恒溫控制器中的加熱器，加熱原料流出口的流體，為氣液分離作準備。
    e. 觀察系統(tǒng)溫度和壓力變化。
    ③ 實驗注意事項
   液氮再液化實驗涉及兩相流問題。根據(jù)經(jīng)驗，由于密度波的振動導致兩相流出現(xiàn)不穩(wěn)定性，實驗過程中溫度、壓力和流量可能會出現(xiàn)較大的波動[12]。若出現(xiàn)該問題，可在原料流質(zhì)量流量計的后面安裝流動減振器，以減輕流動的不穩(wěn)定性，確保液氮再液化工藝的可靠運行。
   由于條件限制，本文僅對液氮再液化工藝進行了實驗，并未對LNG進行實驗。但是我們認為：液氮再液化工藝實驗可以外推至LNG再液化工藝。
6 結(jié)論
   ① 新型重烴去除工藝可以減少過程綜合能耗。原料LNG的冷能可以高效地再利用，用于凝結(jié)蒸餾出來的低熱值天然氣，因此用于輸送LNG產(chǎn)品的能耗可以顯著減少。
   ② 對再液化比及熱交換器效率這兩個重要設(shè)計參數(shù)進行了詳細的研究，得出了增強工藝效果的3個措施：增大系統(tǒng)壓力、降低原料LNG的過冷溫度、增強熱交換器的性能。
   ③ 通過HYSYS軟件模擬，認為LNG再液化工藝是可行的，得出了再液化比與過冷度、系統(tǒng)壓力的關(guān)系，有力地論證了理論分析的合理性。
   ④ 設(shè)計了小型液氮再液化工藝實驗，認為液氮再液化工藝實驗的可行性可以外推至LNG再液化工藝。
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(本文作者：胡周海 福鵬 張曉松 劉建偉 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司 北京 100032)