新型LNG重烴去除工藝

摘 要

摘要：介紹了傳統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LNG的冷能用于凝結蒸餾分離出來的輕質天然氣，實現熱值調節
摘要：介紹了傳統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LNG的冷能用于凝結蒸餾分離出來的輕質天然氣，實現熱值調節。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、系統壓力的關系。設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。
關鍵詞：液化天然氣；再液化；重烴去除；熱值調節
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LNG的冷能用于凝結從分相器內重組分中蒸餾分離出來的輕質LNG組分[1]。目前LNG的冷能利用[2～7]主要有：冷能發電、空氣分離、冷凍倉庫、液化二氧化碳、熱電循環等。本文將冷能的應用范圍擴大至再液化流程。
    相比傳統重烴去除工藝，新型重烴去除工藝的主要優點在于能耗顯著減少，因為增壓再凝結產品的功耗遠低于增壓蒸氣產品的功耗。
2 傳統重烴去除工藝
   ① 蒸餾塔分離工藝
   蒸餾塔分離的工藝流程見圖1。原料LNG經原料泵增壓后進入加熱器，被加熱蒸發后，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組分，需滿足工藝要求的低熱值標準。低熱值的天然氣經壓縮機壓縮后，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
利用氮氣稀釋是調節熱值的重要手段，也是傳統的重烴去除工藝之一，氮氣稀釋工藝流程見圖2。原料LNG經原料泵增壓后進入再凝結器，在再凝結器中與氮氣(從空氣中提純或取自氮氣瓶)混合，再經輸出泵增壓，經蒸發器輸出。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，可以節省大量的電能，但是增加了昂貴的氮氣發生器或氮氣供應系統。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，其主要區別在于分離出來的低熱值氣相組分在1#蒸發器(熱交換器)中，利用原料LNG的冷能進行再凝結，低熱值的氣態天然氣變為液態，因此輸出泵的壓縮功耗大大減小。2#蒸發器(熱交換器)中仍為傳統的再氣化過程[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，所以應盡量降低點1處的過冷溫度，并盡量提高系統壓力。
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物質的量比為85：7：3：5的LNG對新型重烴去除工藝進行穩態模擬[10～11]。運用Peng-Robinson狀態方程計算混合物的熱力學物性參數。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，系統壓力為2.0MPa，再液化比為37.5%，加熱器功率為1.389kW。模擬結果見表1。
表1 LNG再液化工藝模擬結果
狀態點
溫度/K
壓力/MPa
質量流量/(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體積分數會增加，CH4、C2H6、C3H8、N2的體積比變為89：0：0：11，組成變化導致混合物的物性參數發生變化。
    改變原料LNG的過冷度和系統壓力進行模擬，得到不同狀態參數下的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系。分析可知，該新型重烴去除工藝能夠將富LNG進行再液化分離。
5 模擬實驗
    選用液氮為原料，設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，將飽和液氮轉變成過冷液氮。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，轉變為過冷液體。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，由熱交換器、分相器、加熱器及其附屬裝置等構成。過冷液氮經過熱交換器和加熱器后呈兩相狀態，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. 蒸發系統，將再液化系統中的液氮蒸發。該部分由銅質盤管和水槽構成。從恒溫控制器出來的液氮被水槽中的銅質盤管加熱并排出，液氮應加熱至接近室溫，以避免損壞質量流量計。
    d. 測量及數據采集系統。溫度、壓力、流量測量元件安裝位置見圖7。測量數據均通過數據線上傳至計算機，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. 關閉分相器液相出口閥門，預冷實驗裝置系統，直至系統溫度達到80K。
    c. 調節高壓液氮儲罐出口閥門和分相器液相出口閥門，以調節系統壓力和質量流量。
    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。根據經驗，由于密度波的振動導致兩相流出現不穩定性，實驗過程中溫度、壓力和流量可能會出現較大的波動[12]。若出現該問題，可在原料流質量流量計的后面安裝流動減振器，以減輕流動的不穩定性，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，用于凝結蒸餾出來的低熱值天然氣，因此用于輸送LNG產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計參數進行了詳細的研究，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、系統壓力的關系，有力地論證了理論分析的合理性。
   ④ 設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計院有限公司 北京 100032)