新型LNG重烃去除工艺

摘 要

摘要：介绍了传统LNG重烃去除工艺(蒸馏塔分离工艺、氮气稀释工艺)的工艺流程，提出了一种新型重烃去除工艺：将原料过冷态LNG的冷能用于凝结蒸馏分离出来的轻质天然气，实现热值调节
摘要：介绍了传统LNG重烃去除工艺(蒸馏塔分离工艺、氮气稀释工艺)的工艺流程，提出了一种新型重烃去除工艺：将原料过冷态LNG的冷能用于凝结蒸馏分离出来的轻质天然气，实现热值调节。分析了增强工艺效果的措施，采用HYSYS软件对工艺进行模拟，证实了工艺的可行性，得到了LNG再液化比与过冷度、系统压力的关系。设计了液氮再液化工艺模拟实验，认为液氮再液化工艺实验的可行性可以外推至LNG再液化工艺。
关键词：液化天然气；再液化；重烃去除；热值调节
1 述
    本文提出一种不同于以往的新型重烃去除工艺：将过冷态LNG的冷能用于凝结从分相器内重组分中蒸馏分离出来的轻质LNG组分[1]。目前LNG的冷能利用[2～7]主要有：冷能发电、空气分离、冷冻仓库、液化二氧化碳、热电循环等。本文将冷能的应用范围扩大至再液化流程。
    相比传统重烃去除工艺，新型重烃去除工艺的主要优点在于能耗显著减少，因为增压再凝结产品的功耗远低于增压蒸气产品的功耗。
2 传统重烃去除工艺
   ① 蒸馏塔分离工艺
   蒸馏塔分离的工艺流程见图1。原料LNG经原料泵增压后进入加热器，被加热蒸发后，进入蒸馏塔中蒸馏分离。位于蒸馏塔下部的液相包括丙烷、丁烷重组分，称为液化石油气(LPG)。位于蒸馏塔上部的气相大多为轻质组分，需满足工艺要求的低热值标准。低热值的天然气经压缩机压缩后，送入终端用户。该分离工艺装置非常简单，但是压缩机增压、传输气相天然气需要消耗大量的电能。

   ② 氮气稀释工艺
利用氮气稀释是调节热值的重要手段，也是传统的重烃去除工艺之一，氮气稀释工艺流程见图2。原料LNG经原料泵增压后进入再凝结器，在再凝结器中与氮气(从空气中提纯或取自氮气瓶)混合，再经输出泵增压，经蒸发器输出。氮气稀释工艺中的输出泵压缩过程为液体压缩，相比蒸馏塔分离工艺中的气体压缩，可以节省大量的电能，但是增加了昂贵的氮气发生器或氮气供应系统。此外，如果氮气的温度不够低，LNG与N2的混合过程和液体压缩过程中将会产生大量的熵增。
 

3 新型重烃去除工艺
   ① 工艺流程
   本文提出的新型重烃去除工艺流程见图3。该工艺与蒸馏塔分离工艺相似，其主要区别在于分离出来的低热值气相组分在1#蒸发器(热交换器)中，利用原料LNG的冷能进行再凝结，低热值的气态天然气变为液态，因此输出泵的压缩功耗大大减小。2#蒸发器(热交换器)中仍为传统的再气化过程[8～9]。该工艺过程中同样输出LPG。

   ② 增强工艺效果的措施分析
   新型重烃去除工艺的核心是再液化流程，见图4。
    以1#蒸发器(热交换器)为控制体，得到能量平衡方程：
    h2-h1=x(h4-h5)    (1)
式中h2——热交换器原料流出口处的比焓，J/kg
    h1——热交换器原料流入口处的比焓，J/kg
    x——再液化比
    h4——热交换器回流入口处的比焓，J/kg
    h5——热交换器回流出口处的比焓，J/kg
    由式(1)可知，h1越小，再液化比越大。因为焓值随着温度的降低和压力的升高而降低，所以应尽量降低点1处的过冷温度，并尽量提高系统压力。
热交换器效率的计算公式为：
 
式中ε——热交换器效率
    cp,min——最小比定压热容，J/(kg·K)
    T4——热交换器回流入口处的温度，K
    T1——热交换器原料流入口处的温度，K
由式(1)、(2)可得再液化比x的计算公式为：
 
    由式(3)可知再液化比x与热交换器效率ε成正比。原料流的比定压热容通常小于回流的比定压热容，因为大多数原料流只承载着显热，而回流还承载着相变过程中的潜热。原料流的比定压热容大于回流的比定压热容只会发生在再液化比很小的情况下，而这种情况与重烃去除工艺的目的相矛盾。因此原料流的比定压热容为最小比定压热容。
    由以上分析可知，增大新型重烃去除工艺中的再液化比的措施有：增大系统压力，降低原料LNG的过冷温度，增强热交换器的性能。
4 工艺流程模拟
    鉴于LNG具有易燃易爆特性，在实验室进行实验比较危险，故采用石油化工流程模拟软件(Aspen HYSYS V7.1)，选用CH4、C2H6、C3H8、N2物质的量比为85：7：3：5的LNG对新型重烃去除工艺进行稳态模拟[10～11]。运用Peng-Robinson状态方程计算混合物的热力学物性参数。LNG的再液化工艺模型与图4相同。该工艺的原料过冷度为40K，系统压力为2.0MPa，再液化比为37.5%，加热器功率为1.389kW。模拟结果见表1。
表1 LNG再液化工艺模拟结果
状态点
温度/K
压力/MPa
质量流量/(g·s-1)
气相比/%
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
    通过分相器后的回流中的CH4体积分数会增加，CH4、C2H6、C3H8、N2的体积比变为89：0：0：11，组成变化导致混合物的物性参数发生变化。
    改变原料LNG的过冷度和系统压力进行模拟，得到不同状态参数下的LNG再液化比，见图5。
 

    由图5可知，再液化比随过冷度和系统压力的增大而增大；在恒定压力条件下，再液化比与过冷度近似为线性关系。分析可知，该新型重烃去除工艺能够将富LNG进行再液化分离。
5 模拟实验
    选用液氮为原料，设计液氮再液化实验装置进行LNG的再液化工艺模拟。
   ① 实验装置
   液氮再液化的实验装置见图6。

   实验装置主要分为4部分：
   a. 过冷却系统，将饱和液氮转变成过冷液氮。高压液氮储罐出口为饱和液体，通过浸没于大气压力下的液氮槽中的热交换器后，转变为过冷液体。过冷液氮由真空绝热金属软管输送到真空恒温控制器中。
    b. 再液化工艺系统，由热交换器、分相器、加热器及其附属装置等构成。过冷液氮经过热交换器和加热器后呈两相状态，由于密度差在分相器中分离为蒸气和液体。液体被排出真空恒温控制器，蒸气则回流到热交换器中。
    c. 蒸发系统，将再液化系统中的液氮蒸发。该部分由铜质盘管和水槽构成。从恒温控制器出来的液氮被水槽中的铜质盘管加热并排出，液氮应加热至接近室温，以避免损坏质量流量计。
    d. 测量及数据采集系统。温度、压力、流量测量元件安装位置见图7。测量数据均通过数据线上传至计算机，采用LABVIEW 8.2软件进行采集、记录。

   ② 实验步骤
   a. 打开高压液氮储罐的出口阀门。
   b. 关闭分相器液相出口阀门，预冷实验装置系统，直至系统温度达到80K。
    c. 调节高压液氮储罐出口阀门和分相器液相出口阀门，以调节系统压力和质量流量。
    d. 启动恒温控制器中的加热器，加热原料流出口的流体，为气液分离作准备。
    e. 观察系统温度和压力变化。
    ③ 实验注意事项
   液氮再液化实验涉及两相流问题。根据经验，由于密度波的振动导致两相流出现不稳定性，实验过程中温度、压力和流量可能会出现较大的波动[12]。若出现该问题，可在原料流质量流量计的后面安装流动减振器，以减轻流动的不稳定性，确保液氮再液化工艺的可靠运行。
   由于条件限制，本文仅对液氮再液化工艺进行了实验，并未对LNG进行实验。但是我们认为：液氮再液化工艺实验可以外推至LNG再液化工艺。
6 结论
   ① 新型重烃去除工艺可以减少过程综合能耗。原料LNG的冷能可以高效地再利用，用于凝结蒸馏出来的低热值天然气，因此用于输送LNG产品的能耗可以显著减少。
   ② 对再液化比及热交换器效率这两个重要设计参数进行了详细的研究，得出了增强工艺效果的3个措施：增大系统压力、降低原料LNG的过冷温度、增强热交换器的性能。
   ③ 通过HYSYS软件模拟，认为LNG再液化工艺是可行的，得出了再液化比与过冷度、系统压力的关系，有力地论证了理论分析的合理性。
   ④ 设计了小型液氮再液化工艺实验，认为液氮再液化工艺实验的可行性可以外推至LNG再液化工艺。
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(本文作者：胡周海 福鹏 张晓松 刘建伟 北京市煤气热力工程设计院有限公司 北京 100032)