LNG工厂的工艺设计探讨

摘 要

摘要：结合工程实例，探讨了LNG工厂的工艺系统(原料气分配及压缩系统，脱碳、脱水、纯化及脱汞系统，液化系统及储存和装车系统)及流程。关键词：天然气液化；脱碳；脱水；纯化；脱汞；氮-甲烷膨
摘要：结合工程实例，探讨了LNG工厂的工艺系统(原料气分配及压缩系统，脱碳、脱水、纯化及脱汞系统，液化系统及储存和装车系统)及流程。
关键词：天然气液化；脱碳；脱水；纯化；脱汞；氮-甲烷膨胀液化
Discussion on Process Design of LNG Plant
ZHANG Yijun，CHENG Yupai
Abstract：The process systems such as raw material gas distribution and compression system，decarbonizition system，dehydration system，purification system，demercuration system，liquefaction system，storage system and loading system as well as the process flow of LNG plant are discussed with an engineering case.
Key words：natural gas liquefaction；decarbonizition；dehydration；purification；deinercuration；nitrogen and methane expanding liquefaction
1 概述
    天然气是一种优质洁净的燃料，在能源、交通等领域具有很好的前景，天然气的液化和储存是其开发利用的一项关键技术。液化天然气(LNG)产业是高科技的系统工程，已形成了一个工业链。30年来，LNG产业作为世界上一门新兴工业在飞速发展，目前仍保持着强劲的势头。我国有丰富的天然气资源，但大规模开发利用天然气，尤其是开发和应用LNG技术起步很晚。我国已进入LNG建设的高峰期，故LNG的工艺设计、建设及运营可能出现一系列问题，需要我们探索和研究[1]。本文通过工程实例对LNG工厂的工艺设计进行探讨。
2 LNG工厂工艺系统及流程
    陕西省燃气设计院于2008年初承接了一个日处理天然气60×104m3/d的LNG工厂设计项目，该项目完全采用国内设备和国内技术，气源来自陕京输气管道和兰银输气管道。冬季气源压力为2.0～2.5MPa，夏季气源压力为3.0～3.5MPa，气源温度为5～40℃。气源的主要组分为甲烷，还含有N2、C02、H2S、烷烃类及苯类等。
    本液化工程项目的主要工艺系统(按工艺流程的先后顺序)有：原料气分配系统、原料气压缩系统、脱碳系统、脱水系统、纯化系统、脱汞系统、液化系统、储存系统和装车系统。辅助系统有放散系统、仪表风系统、PSA制氮及液氮气化系统、循环水系统和蒸汽系统。
3 原料气分配及压缩系统
    原料气来自银川门站，进入工厂后，首先进入原料气分配系统，经分配站调压计量后分为两路，一路进入厂区锅炉房、制冷站房、加热炉、厨房；另一路进入分离器进行气水分离，再进入天然气压缩机，增压至5.0MPa。
4 脱碳、脱水、纯化及脱汞系统
    为了满足低温工作状态的要求，天然气经脱碳系统净化后C02体积分数应低于50×10-6，H2S体积分数应低于4×10-6；经脱水系统后水体积分数应低于1×10-6；经纯化系统净化后芳香烃类体积分数应为1×10-6～10×10-6。
    来自压缩机的天然气经气液分离器和过滤器后进入吸收塔底部，与来自塔顶的N-甲基二乙醇胺(MDEA)溶液逆流接触，C02和H2S被MDEA溶液吸收。净化后的天然气在吸收塔上部被洗涤冷却后，经塔顶高效除污器进行除污，之后进入净化冷却器降温至40℃，再经净化分离器分离水分及杂质后进入脱水系统[2]。N-甲基二乙醇胺吸收法(即MDEA+活化剂)脱碳工艺兼有物理吸收和化学吸收的特点，具有C02回收率高、能耗低等优点。
    从脱碳系统出来的天然气进入分子筛干燥器，采用4A液化天然气专用分子筛吸附脱除天然气中的水分，水分体积分数小于1×10-6后，进入干粉过滤器去除粉尘，之后进入纯化和脱汞系统。
   从脱水系统出来的干燥天然气进入纯化器，采用活性炭吸附脱除芳香烃后，经过滤器脱除粉尘。然后，自上而下通过脱汞吸附器床层，采用浸硫煤基活性炭吸附脱除天然气中的汞[3]，使其含量小于10mg/m3。再经过滤器脱除粉尘后，进入液化系统。
5 天然气液化系统
   ① 液化原理
   液化系统采用氟利昂预冷和氮-甲烷膨胀液化流程提供天然气液化需要的冷量，采用低温工艺将天然气液化，进入LNG子母罐储存并通过LNG槽车外运。
   氟利昂预冷和氮-甲烷膨胀液化流程结合了级联式液化流程和膨胀机液化流程的优点，流程高效简单。在此液化流程中，氟利昂预冷循环用于预冷氮-甲烷和天然气，而氮-甲烷循环用于深冷和液化天然气。
   氮-甲烷膨胀液化流程是纯氮膨胀制冷循环的一种改进。为了降低能耗，采用氮-甲烷混合气体代替纯N2。氮-甲烷膨胀液化流程具有起动时间短、流程简单、控制容易、制冷剂测定及计算方便等优点。由于缩小了冷端换热温差，氮-甲烷膨胀液化流程比纯氮膨胀液化流程减少10%～20%的能耗。氮-甲烷膨胀液化工艺克服了阶式制冷循环工艺机组多、流程复杂、附属设备多、管道与控制系统复杂等缺点，也解决了混合制冷剂工艺能耗较高、混合制冷剂合理配比困难及流程计算困难等问题。故氮-甲烷膨胀液化工艺特别适合中小型的天然气液化装置。
   ② 液化流程[4]
   氮-甲烷膨胀液化系统由天然气液化系统和氮-甲烷制冷系统两部分组成。
    氮-甲烷膨胀液化流程见图1。在天然气液化系统中，经过预处理装置脱酸、脱水后的天然气，经换热器2冷却后，在气液分离器3中进行气液分离，其中的气相流入换热器4冷却液化，在换热器5中过冷，节流降压后进入储罐；液相进入换热器2内吸热气化后再进入天然气管道。在氮-甲烷制冷系统中，制冷剂氮-甲烷经循环压缩机10和制动压缩机7压缩到工作压力后，经水冷却器8冷却，进入换热器2，被冷却到透平膨胀机的入口温度。一部分制冷剂进入透平膨胀机6，膨胀到循环压缩机的入口压力，与返流制冷剂混合后，作为换热器4的冷源，回收的膨胀功用于驱动制动压缩机；另外一部分制冷剂经换热器4和5冷凝和过冷后，经节流阀节流、降温后返流，为换热器5提供冷量。
 

6 储存和装车系统
    液化后的LNG进入LNG储罐储存，储存能力按7d的产量确定，选用有效容积为1750m3的LNG储罐2座，当1座LNG储罐进液时，另1座LNG储罐装车。
    进液：来自液化系统的LNG通过充装管道，经过充装紧急切断阀、顶部或底部进液阀进入子罐。在高高液位连锁或液化单位连锁的情况下，充装紧急切断阀将迅速自动关闭。
    出液和装车：子罐内的LNG通过低温泵输送，经过截止阀和出液紧急切断阀进入槽车。在火气关断阀连锁的情况下，出液紧急切断阀将迅速自动关闭。
    该液化装置的LNG产量为512m3/d，每天装车操作按8h计算，配置80m3/h的外置式离心泵2台(1用1备)，LNG装车位3个，可实现3台槽车同时装车。
7 结语
    本项目从2008年初开始设计，到2009年6月施工调试结束，历时1年半。目前该LNG液化工厂已经安全投入生产，产量基本达到设计要求，具有良好的社会效益和经济效益。
参考文献：
[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2003：62.
[2] 张朋波，王兆银，张兴兴，等.天然气液化预处理工艺流程[J].煤气与热力，2009，29(9)：B05-B07.
[3] 张林松，杨光，赵万鹏，等.天然气液化厂站脱汞的探讨[J].煤气与热力，2008，28(8)：B10-B12.
[4] 顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010：82.
 
(本文作者：张懿君 程玉排 陕西省燃气设计院 陕西西安 710043)