低含氦天然氣提氦聯產LNG工藝分析

羅堯丹 諸 林西南石油大學化學化工學院, 四川 成都 610500

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低含氦天然氣提氦聯產LNG工藝分析

羅堯丹 諸 林
西南石油大學化學化工學院, 四川 成都 610500

天然氣提氦是目前工業化生產氦氣的主要方法,從天然氣中單一提氦在一定程度會影響過程的經濟性,因此可將天然氣提氦與制LNG聯產。利用HYSYS對低含氦天然氣提氦聯產LNG工藝流程進行模擬,分析關鍵參數對設備能耗的影響。結果顯示：天然氣提氦聯產LNG工藝能有效利用能源,降低設備投資與能耗,能同時得到粗氦和LNG兩種產品,經分析可知,選擇脫氮塔理論塔板數為5時最好；適當降低制冷劑高壓壓力、制冷劑流量、脫氮塔進料溫度和二級提濃塔進料溫度,提高制冷劑低壓壓力,均有利于減少裝置設備能耗。天然氣提氦與制LNG工藝聯產為低含氦天然氣提氦提供了一種可供選擇的工藝方式。

氦氣；天然氣；天然氣提氦；LNG；流程模擬；因素分析

0 前言

1 進料條件與計算方法

表1 原料氣組成

組分摩爾含量/()組分摩爾含量/()CH491 49N28 13C2H60 08H20 02C3H80 01O20 04CO20 01He0 21

經凈化處理后的原料氣流量693.3 kmol/h,溫度32 ℃、壓力2 335 kPa,原料氣組成見表1。

本文采用HYSYS進行模擬分析,選定Peng-Robinson[10]方程計算原料氣和制冷劑的物性。

2 天然氣提氦聯產LNG模擬流程

圖1 天然氣提氦聯產LNG模擬流程

3 分析與討論

(1)

表2 天然氣提氦聯產LNG模擬流程主要物流點數據

物流溫度/℃壓力/kPa流量/(kmol·h-1)基本組分x/()C1C2C3N2He凈化后原料氣32 02335693 3091 490 080 018 130 21氦氣30 018702 180 030 000 0034 9765 003-114 02285693 3091 490 080 018 130 2110-151 5192030 4537 060 000 0058 074 7513-80 02325693 3091 490 080 018 130 2119-156 1200662 9094 010 090 015 840 0020-150 0212030 4537 060 000 0058 074 753330 089904447 000 000 000 00100 000 0035-188 12304447 000 000 000 00100 000 00 注：“物流”項目下的數字與圖1中物流數字相對應。

3.1 脫氮塔理論塔板數對能耗的影響

脫氮塔理論塔板數對能耗的影響見圖2。圖2 分析了在滿足生產要求的基礎上,脫氮塔理論塔板數對脫氮塔塔頂冷凝器及塔底再沸器能耗的影響。由圖2可知,脫氮塔塔頂冷凝器與塔底再沸器能耗隨理論塔板數變化的情況一致：當理論塔板數小于5時,能耗隨理論塔板數的增加而減小；當理論塔板數大于5時,能耗基本無變化。但理論塔板數的增加會增大塔器設備投入,因此選擇理論塔板數為5時最好。

圖2 脫氮塔理論塔板數對能耗的影響

3.2 制冷劑高壓壓力對能耗的影響

制冷劑高壓壓力對能耗的影響見圖3。圖3分析了制冷劑高壓壓力(壓縮機K-103出口壓力)對壓縮機能耗及膨脹機輸出功率的影響。由圖3可知,隨著制冷劑高壓壓力增加,壓縮機能耗及膨脹機輸出功率均呈上升趨勢。制冷劑高壓壓力升高,壓縮機壓縮比增加,膨脹機膨脹比增加[11],能耗增加。

圖3 制冷劑高壓壓力對能耗的影響

3.3 制冷劑低壓壓力對能耗的影響

制冷劑低壓壓力對能耗的影響見圖4。圖4分析了制冷劑低壓壓力(膨脹機K-101出口壓力)對壓縮機能耗及膨脹機輸出功率的影響。由圖4可知,隨著制冷劑低壓壓力增加,壓縮機能耗及膨脹機輸出功率均呈降低趨勢。制冷劑低壓壓力增加,即膨脹機K-101出口壓力升高,膨脹比減小,壓縮機K-102入口壓力升高,壓縮比減小,能耗減少。

圖4 制冷劑低壓壓力對能耗的影響

3.4 制冷劑流量對能耗的影響

制冷劑流量對能耗的影響見圖5。圖5分析了在其他條件不變的情況下,制冷劑流量對壓縮機能耗及膨脹機輸出功率的影響。由圖5可知,隨著制冷劑流量增加,壓縮機能耗及膨脹機輸出功率均呈上升趨勢。

3.5 脫氮塔進料溫度對能耗的影響

脫氮塔進料溫度對能耗的影響見圖6。由圖6可知,隨著原料氣入脫氮塔的溫度增加,塔頂能耗增加,相反塔底能耗降低。進料溫度升高,冷凝器需更多的能量向系統提供冷量,使原料氣中的甲烷冷凝從塔底出來。

圖5 制冷劑流量對能耗的影響

圖6 脫氮塔進料溫度對能耗的影響

3.6 二級提氦塔進料溫度對能耗的影響

二級提氦塔進料溫度對能耗的影響見圖7。圖7分析了二級提氦塔進料溫度對該塔塔頂冷凝器及塔底再沸器能耗的影響。由圖7可知,隨著原料氣入塔溫度增加,塔頂能耗增加,相反塔底能耗降低。進料溫度升高,冷凝器需更多的能量以保證二級提濃塔的分離效果。

4 結論

本文將天然氣提氦與制LNG工藝聯產,一方面可同時得到粗氦和LNG兩種產品,提高能源利用率,降低設備投資及能耗；另一方面,該工藝采用氮氣膨脹制冷,利用原料氣中的氮氣作為制冷劑,降低了制冷成本。同時,利用HYSYS對天然氣提氦聯產LNG工藝流程進行模擬,分析了關鍵參數對流程設備能耗的影響。

2)選擇脫氮塔理論塔板數為5時最好。

3)適當降低制冷劑高壓壓力、制冷劑流量、脫氮塔進料溫度、二級提氦塔進料溫度,有利于降低裝置設備能耗。

4)適當提高制冷劑低壓壓力,有利于降低裝置設備能耗。

[1] 唐文俊.從世界氦形勢看我國氦的未來[J].天然氣工業,1986,6(4):96-100. Tang Wenjun.A View of the Future of China’s Helium Industry Seeing from Its Worldwide Situation [J].Natural Gas Industry,1986,6(4):96-100.

[2] Deakin L.The Coming Helium Shortage [J].Chemical Innovation,2001,31(6):43-44.

[3] 張 寧,胡忠軍,李 青,等.全球氦供求形勢及其回收利用[J].低溫與特氣,2010,28(6):1-6. Zhang Ning,Hu Zhongjun,Li Qing,et al.Global Supply and Demand Situation and the Recovery of Helium [J].Low Temperature and Specialty Gases,2010,28(6):1-6.

[4] 王熙庭,任慶生.氦資源、應用、市場和提取技術[J].天然氣化工,2012,37(1):73-78. Wang Xiting,Ren Qingsheng.Resources,Application,Market and Extraction Technologies of Helium[J].Natural Gas Chemical Industry,2012,37(1):73-78.

[5] 陸慕郭.天然氣提氦工業的發展[J].石油與天然氣化工,1989,18(1):41-43.

Lu Muguo.The Development of Helium Gas Lift Industry [J].Chemical Engineering of Oil and Gas,1989,18(1):41-43.

[6] 鐘志良,何 珺,汪宏偉,等.某大型提氦裝置工藝技術探討[J].天然氣與石油,2011,29(1):25-27. Zhong Zhiliang,He Jun,Wang Hongwei,et al.Discuss on Helium Extraction Technology in Certain Large Gas Treatment Unit [J].Natural Gas and Oil,2011,29(1):25-27.

[7] 刑國海.天然氣提取氦氣技術現狀與發展[J].天然氣工業,2008,28(8):1-3. Xing Guohai.Status Quo and Development of the Technology on Helium Gas Abstracted from Natural Gas [J].Natural Gas Industry,2008,28(8):1-3.

[8] 封萬芳.威遠天然氣提氦的經濟效益分析[J].天然氣工業,1989,9(3):69-71. Feng Wanfang.Analysis of Economic Benefit of Extracting Helium from Weiyuan Natural Gas[J].Natural Gas Industry,1989,9(3):69-71.

[9] 雷培德,李端陽,汪 靜,等.化工過程模擬技術及HYSIM模擬系統在化工生產中的應用[J].湖北化工,2002,19(6):4-6. Lei Peide,Li Duanyang,Wang Jing,et al.The Chemical Process Simulation Technology and HYSIM’s Application in Chemical Industry[J].Hubei Chemical Industry,2002,19(6):4-6.

[10] 唐迎春,陳保東,王 凱,等.P-R方程在天然氣熱物性計算中的應用[J].石油化工高等學校學報,2005,18(2):47-49. Tang Yingchun,Chen Baodong,Wang Kai,et al.Application of P-R Equation in Calculating Thermal Physical Property of Natural Gas [J].Journal of Petrochemical Universities,2005,18(2):47-49.

[11] 宋 磊.影響天然氣液化的工藝參數分析[J].甘肅科技,2004,20(12):111-112. Song Lei.Analysis of the Process Parameters Affecting Natural Gas Liquefaction[J].Gansu Science and Technology,2004,20(12):111-112.

2015-05-04

羅堯丹(1990-),女,四川成都人,碩士研究生,主要從事天然氣加工與處理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.005