LNG輕烴回收流程中換熱模擬研究

吳學謙，文子彥

（西安石油大學，陜西 西安 710065）

1 研究背景及進展

在經濟高速發展的今天，人們對綠色能源的需求越來越大。從2017年開始，我國超過日本成為最大的LNG進口國。在去年的1～11月，我國累計進口天然氣達417.2億美元，同比上漲8.5%。其中，液化天然氣進口額為286.6億美元，同比上漲6.9%[1]。目前在沿海很多港口城市建立了LNG接收站，截止2018年，已完工LNG接收站接受能力以達到12260萬噸/年。進來，新奧燃氣舟山LNG接收站、深圳市迭福北LNG項目一期相繼完工，預計在2023年，我國LNG接收站接受能力能達到14660萬噸/年[2]。

隨著LNG的使用越來越多，與之相關的研究也在積極進展。國外在19世紀60年代就開始了LNG輕烴分離回收的研究，發展到逐步減少輕烴回收工藝所需設備，擺脫了制冷劑、制冷閥、膨脹機等裝置的依賴，流程也更加簡便，成本更低[3]。目前，國外輕烴回收的研究向提高LNG冷能利用率方向發展。國內的研究起步較晚，在2006年由華南理工大學的華賁團隊發布了中國第一個LNG輕烴回收流程，后續發布了一些流程，增加了甲烷、乙烷的回收率，以及含有調峰功能的LNG輕烴回收流程[4]。上海交通大學的高婷團隊研究了脫甲烷塔內高低壓的影響[5]，發現高壓操作流程在空間局限或物料條件變化大是更合適，低壓流程更容易深度脫烴[6]。國內研究主要以節能和高效為主。本文將從提高LNG換熱水平以達到節能的目的。

2 LNG輕烴分離回收流程

LNG物流在-162℃、常壓的條件下，經過泵的加壓，通過換熱器預熱，在分離器中發生氣液分離，一部分氣體向上排出，通過壓縮機加壓后通過換熱器，利用LNG的冷能進行冷凝。分離器下方排出的液體進加壓后進入脫甲烷塔。脫甲烷塔上方排出高純度甲烷氣，該部分氣體通過換熱器冷凝為液態排出，脫甲烷塔下方排出液態C2+組分，進入脫乙烷塔。在脫乙烷塔中再進行加熱，使得高純度乙烷上排，富含丙烷、丁烷等C3+組分的LPG在下方排出。

現在以沿海某LNG接受站的LNG原料組分來運行。該原料LNG含有87.97%（摩爾分數，下同）的甲烷，7.08%的乙烷，2.87%的丙烷，乙烷含量較大，有回收價值。見表1。

原料LNG在101.3kPa，-162℃的狀態下經過泵1加壓到1500kPa，在第一個LNG換熱器中溫度升高，但是未發生相變，只使用了LNG的顯冷。經過第二個換熱器時，LNG物流發生汽化，產生0.51的氣體，氣體的甲烷含量為99.04%，純度高，改部分氣體通過壓縮加到2500kPa，經過第二個換熱器，由于LNG發生相變釋放顯冷，大量冷能使得這部分氣體液化。分離器外排液體通過泵2加壓到1800kPa，然后進入T-100脫甲烷塔。見圖1。

表1 原料LNG成分表

圖1 LNG輕烴回收工藝流程圖

進入脫甲烷塔的氣體經過加熱得到甲烷含量為99.23%的高純度甲烷氣，該部分氣體通過第一個換熱器，冷凝成液體外排。脫甲烷塔下部是乙烷含量為57.88%的C2+組分，該部分液態物流進入脫乙烷塔。經過脫乙烷塔處理，生產出乙烷含量為98.8%的乙烷氣，以及液態LPG。

該流程生產的天然氣甲烷含量為99.12%。甲烷回收率為99.95%。生產的乙烷純度為98.8%，乙烷回收率為91.98%。流程的主要耗能設備為泵、壓縮機、精餾塔的再沸器，能耗數據如表2。

從表2看出：1）壓縮機做功遠的能耗于泵，所以在LNG輕烴回收流程中要減少壓縮機的使用；2）兩個精餾塔的能耗占到了總能耗的93.36%，降低兩個精餾塔的能耗是節能的關鍵所在。

表2 主要設備能耗表

3 LNG換熱流程優化及參數調節

添加一個加熱器，放置在LNG預熱階段，將脫乙烷塔中的熱能Q-6用來加熱LNG，其余部分保持不變。見圖2。

調節加熱后的LNG物流4的溫度，主要設備功率變化見表3。由表3發現，在增加換熱后，主要設備的能耗均有減小，主要設備（泵1功率不變）能耗和均小于未加換熱器前的32446.51kW。同時能發現，在溫度為-105℃時設備的能耗最低，為25687kW，節省了20.8%的能耗。此時排出天然氣的甲烷含量為98.75%，甲烷回收率為97.95%，乙烷含量為99.96%，乙烷回收率是87.48%，C3+組分的LPG回收率為99.24%。

表3 物流4溫度變化時主要設備功率統計

4 結論

1）當下LNG相關研究主要集中在提高LNG冷能利用率和節能、高效；2）LNG分離時的溫度對系統整體的能耗影響較大，需要多次調節，找到最合適溫度；3） 利用系統自身熱能預熱LNG能降低系統主要設備的能耗，提高資源利用率，達到節能的目的。