天然氣低溫提氦工藝優(yōu)化探析

趙運(yùn)濤

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司煉化公司 陜西 延安 727406

氦氣自身具有獨(dú)特的性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，而且在重要的領(lǐng)域當(dāng)中都有著廣泛的應(yīng)用。氦氣在空氣中的含量較低，并不具備工業(yè)提取價(jià)值，目前主要存在于天然氣當(dāng)中，而且在世界各地的含量分布都存在不同程度的差異，在一些地區(qū)氦氣含量能高達(dá)8%，本文主要研究從天然氣當(dāng)中提取氦氣的工業(yè)來(lái)源，以及相關(guān)工藝技術(shù)，通過(guò)對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的工藝技術(shù)，選取3種低溫提氦技術(shù)進(jìn)行分析，并提出控制了生產(chǎn)成本的措施。

1 當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)政策背景分析

鑒于目前氦氣資源安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻的問(wèn)題，國(guó)務(wù)院在2015年印發(fā)的相關(guān)文件明確指出，要貫徹綠色發(fā)展的理念。首先在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的背景下，要堅(jiān)持將可持續(xù)發(fā)展作為主要的著立點(diǎn)，不斷改進(jìn)工藝技術(shù)，貫徹節(jié)能環(huán)保的要求，并將其在技術(shù)和工藝當(dāng)中得到有效的推廣和應(yīng)用，通過(guò)推行清潔生產(chǎn)等方式，更有利于發(fā)展我國(guó)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)資源得到有效的回收，并在一定程度上也能提高資源的利用率[1]。本項(xiàng)目主要研究從天然氣當(dāng)中對(duì)低溫提氦工藝的優(yōu)化策略，不僅符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的要求，也能基于當(dāng)前的政策，支持研發(fā)出高附加值的產(chǎn)品和技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究概況

氦氣自身穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使其在科學(xué)研究以及國(guó)防軍工等諸多領(lǐng)域當(dāng)中都具有重要的作用，因?yàn)楹饩哂?268.9℃的低沸點(diǎn)，因此可以運(yùn)用于超低溫冷卻之中，也可以作為清洗介質(zhì)以及推進(jìn)器應(yīng)用在火箭和航天領(lǐng)域。目前伴隨著氦氣的廣泛應(yīng)用和推廣，在懸浮列車(chē)中也可以促進(jìn)超導(dǎo)體的應(yīng)用，并可以作為超導(dǎo)電池體冷卻應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。研究當(dāng)前所采用的工藝技術(shù)，對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目的探究具有一定的作用和價(jià)值。

2.1 國(guó)外深冷分離工藝技術(shù)

自從氦氣在1908年被物理學(xué)家液化處理之后，這項(xiàng)深冷分離工藝技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在氦氣分離過(guò)程當(dāng)中，并且目前已經(jīng)形成了較為成熟的氦氣分離技術(shù)，經(jīng)過(guò)了上百年的沉淀和發(fā)展。在國(guó)外這項(xiàng)技術(shù)主要應(yīng)用在大型液化天然氣（LNG）工廠中，通常也會(huì)對(duì)生產(chǎn)規(guī)模提出較高的要求，分離的工藝原理主要在于：將LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體（BOG）氣體進(jìn)行低溫精餾處理，并采取分階段液化的處理方法將甲烷、氮?dú)庖约昂膺M(jìn)行分離。伴隨著全球工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，對(duì)旱情也提出了更高的需求。目前20年來(lái)世界范圍內(nèi)依托于天然氣工廠所建設(shè)的裝置和設(shè)備也更加豐富。比如在2007年投產(chǎn)的阿爾及利亞工廠提氦裝置，每年的產(chǎn)量較為可觀。以及2013年所投產(chǎn)的卡塔爾提氦裝置，所生產(chǎn)出的液氦產(chǎn)品占據(jù)全球市場(chǎng)25%的份額。

2.2 國(guó)內(nèi)深冷分離工藝技術(shù)

在20世紀(jì)60年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行提氦實(shí)驗(yàn)裝置的研究和應(yīng)用，為了滿(mǎn)足國(guó)防發(fā)展以及軍工生產(chǎn)的需求，不斷擴(kuò)大裝置設(shè)計(jì)的規(guī)模，每年生產(chǎn)的氦氣總量也能夠滿(mǎn)足基本的需求。所采用的工藝技術(shù)原理主要是：氨預(yù)冷的高中壓林德循環(huán)制冷以及兩段單塔精餾塔分離提氦工藝，目前，國(guó)外公司已經(jīng)形成了相對(duì)來(lái)說(shuō)較為成熟的氦氣回收工藝[2]。但是由于國(guó)內(nèi)受到投資以及供貨方面因素的影響，對(duì)于小規(guī)模的氦氣回收裝置來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有建設(shè)專(zhuān)門(mén)的聯(lián)絡(luò)人員團(tuán)隊(duì)，而且根據(jù)現(xiàn)階段所提供的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行總體分析來(lái)看，采用國(guó)外深冷設(shè)備經(jīng)濟(jì)性不高。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)取得了提氦公益的運(yùn)行業(yè)績(jī)，對(duì)此本文圍繞國(guó)內(nèi)的提氦技術(shù)作為主要的技術(shù)方案進(jìn)行深入的研究和探討。

3 天然氣低溫提氦工序及回收裝置

由于目前氦氣資源的短缺，只能從天然氣當(dāng)中提取獲得，空氣當(dāng)中的副產(chǎn)量相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，直接從原料天然氣當(dāng)中提取氦氣所耗費(fèi)的成本較高，需要架構(gòu)較長(zhǎng)的技術(shù)路線。從經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，可以考慮從BOG氣體當(dāng)中提取氦氣，也能夠控制所投入的資金和裝置設(shè)備，保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。基于此分析的LNG閃蒸汽氦氣回收裝置，具有一定的研究?jī)r(jià)值和作用，工藝簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，主要包括以下結(jié)構(gòu)：

圖1 工藝流程框（簡(jiǎn)）圖

3.1 粗制系統(tǒng)

從LNG裝置輸送出來(lái)的BOG氣體一般都會(huì)經(jīng)過(guò)壓縮處理，才可以進(jìn)入到冷箱之中，首先要經(jīng)過(guò)冷卻處理之后，在持續(xù)冷卻的過(guò)程當(dāng)中也要提供一定的熱源，進(jìn)行粗分離之后，分離之后的氣體和液體分別進(jìn)入提氦塔，目的是為了提高純度，經(jīng)過(guò)主換熱器能夠恢復(fù)到要求的38℃。在提氦塔的底部可以提取液態(tài)的BOG氣體，而這些氣體進(jìn)入到LNG分離器之中，可以進(jìn)行粗分離處理。從冷箱輸送出來(lái)的低壓氮?dú)猓?jīng)過(guò)入口緩沖罐緩沖之后，進(jìn)入到壓縮機(jī)壓縮進(jìn)行冷卻。在出口緩沖罐進(jìn)行處理之后，進(jìn)入到冷箱主換熱器，完成冷卻和過(guò)冷處理，并分為兩股，一股可以進(jìn)入冷凝器之中，為整個(gè)冷凝過(guò)程提供冷量。另一股可以進(jìn)入到氮分離器當(dāng)中，進(jìn)行氣體和液體的粗分處理，完成整個(gè)循環(huán)制冷的過(guò)程。

3.2 脫氫干燥系統(tǒng)

脫氫干燥系統(tǒng)主要利用了加氧催化反應(yīng)，能夠有效去除粗氦當(dāng)中的氫氣，通過(guò)發(fā)生脫氫反應(yīng)，可以生成部分水，并經(jīng)過(guò)冷卻處理之后脫除游離水。從粗制冷箱系統(tǒng)當(dāng)中的粗氦氣首先與干燥再生氣、循環(huán)器以及回收氣體會(huì)合之后，共同進(jìn)入到緩沖罐，將原料進(jìn)行壓縮處理，可以與氧氣進(jìn)行充分的混合，并共同輸送到脫氫反應(yīng)器之中。在脫氫反應(yīng)器，氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)，并經(jīng)過(guò)冷卻處理之后，進(jìn)入到水分離器。采用2臺(tái)干燥器脫水處理之后，可以進(jìn)一步去除當(dāng)中的雜質(zhì)。

3.3 低溫系統(tǒng)

低溫系統(tǒng)主要通過(guò)高壓低溫冷凝處理以及吸附的方式，能夠有效脫除氣體中含有的雜質(zhì)，從而提取出高純度的氦氣。在此過(guò)程當(dāng)中通常會(huì)切換使用2臺(tái)低溫吸杜瓦裝置，根據(jù)實(shí)際情況，配合使用超低溫冷箱以及其他類(lèi)型的裝置通過(guò)脫出雜質(zhì)之后，能夠得到高純度氦氣產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)干燥系統(tǒng)處理而來(lái)的粗氦氣，進(jìn)入到增壓機(jī)入口緩沖罐，被冷卻到-205℃，在這種溫度條件下，可以脫除大部分的雜質(zhì)，然后進(jìn)入到低溫吸附杜瓦之中，具體過(guò)程見(jiàn)圖2：

圖2 低溫吸附和超低溫吸附主要工作過(guò)程

3.4 儲(chǔ)存系統(tǒng)

儲(chǔ)存系統(tǒng)主要用于儲(chǔ)存和重裝高濃度的產(chǎn)品，其中包括高純度的氦氣。儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)置了2臺(tái)壓縮機(jī)、2臺(tái)高純度的氦氣儲(chǔ)存罐以及1臺(tái)高純度的氦氣自動(dòng)充裝臺(tái)等設(shè)備。除此之外，還包括其他類(lèi)型的一些設(shè)備，在重裝處理之后，壓力能夠達(dá)到20MPa(G)，單臺(tái)容積可以達(dá)到28.3cm3，在這樣的情況下，設(shè)備裝置可以存儲(chǔ)高達(dá)20MPa(G)的高純度氦氣。采用單條充裝線也可以充裝管束車(chē)、花籃等，每個(gè)物理臺(tái)位可以充裝40L和50L的標(biāo)準(zhǔn)瓶。

3.5 回收系統(tǒng)

回收系統(tǒng)是為了回收定位系統(tǒng)當(dāng)中的再生反沖洗氣以及再生冷卻氦氣，再生冷卻氦氣，主要在于超低吸附冷箱之中。目前回收系統(tǒng)當(dāng)中，主要建設(shè)2臺(tái)回收壓縮機(jī)器、一臺(tái)回收氣囊。達(dá)到相關(guān)要求之后，可以發(fā)揮回收冷卻的作用和功能，回收技能當(dāng)中所回收的氣體要經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓處理之后，再輸送到干燥系統(tǒng)緩沖罐。

3.6 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要由液氮、氮?dú)庀到y(tǒng)以及氧氣組成，首先，液氮以及氮?dú)庀到y(tǒng)，主要為整個(gè)低溫系統(tǒng)提供充足的冷量供應(yīng)，以確保后續(xù)的制冷工作順利地運(yùn)行，能夠回收低溫并且杜瓦切換過(guò)程當(dāng)中所排放出來(lái)的液氮，為整個(gè)脫氮系統(tǒng)提供充足的冷量。其次，氧氣系統(tǒng)主要為脫氫干燥系統(tǒng)提供充分的氧氣，推動(dòng)發(fā)生加氧催化反應(yīng)。

4 膨脹制冷+氮?dú)庋h(huán)制冷兩塔分離優(yōu)化技術(shù)

4.1 前膨脹工藝

前膨脹和氮循環(huán)制冷工藝的具體流程主要是將提前準(zhǔn)備好的天然氣輸送到原料氣冷卻器當(dāng)中，在做好充分準(zhǔn)備的情況下，再提前準(zhǔn)備好的管道中，運(yùn)用最短的時(shí)間對(duì)這些氣體進(jìn)行完全冷卻處理。通常還會(huì)采用膨脹制冷的措施，將這些氣體二次進(jìn)行傳送，并達(dá)到原料氣冷卻器之中。主要采用同樣的模式，對(duì)這些氣體進(jìn)行二次冷卻在符合標(biāo)準(zhǔn)情況下傳送到一級(jí)提濃塔，此時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)頂部會(huì)出現(xiàn)一定量的粗氮?dú)怏w，而且在底部會(huì)有許多液態(tài)甲烷被傳送出來(lái)。充分發(fā)揮冷卻器的功能和作用，在達(dá)到目標(biāo)回收冷量之后，原料會(huì)有去進(jìn)入到膨脹機(jī)增壓端。在經(jīng)過(guò)膨脹處理之后，會(huì)達(dá)到一定的壓強(qiáng)，并被傳送到商品天然氣外輸管線當(dāng)中。通過(guò)采用節(jié)流的方式可以將其他的氣體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到原本的功效和作用。在最短的時(shí)間內(nèi)冷卻劑裝置可以讓溫度達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)原料氣體累積到一定程度之后，就可以采用壓縮機(jī)進(jìn)行處理，此時(shí)原料氣體會(huì)被再次傳送到外輸管線當(dāng)中，要確保二級(jí)能源充足供應(yīng)，才可以維持循環(huán)和制冷同步進(jìn)行的狀態(tài)。

4.2 后膨脹工藝

在運(yùn)用后膨脹+氮循環(huán)制冷工藝技術(shù)的過(guò)程中，所采取的工藝原理，主要是首先利用原料氣體冷卻器本身所具有的換冷功能，將天然氣傳送到一級(jí)提濃塔，此時(shí)可以和頂部的粗氮?dú)怏w共同轉(zhuǎn)入到二級(jí)提濃塔。按照原本既定的程序?qū)@些氣體進(jìn)行分離處理，從中可以分離出部分粗氮，而此時(shí)一級(jí)提濃塔之中底部也會(huì)傳送出許多液態(tài)甲烷，經(jīng)過(guò)冷卻處理之后，達(dá)成既定的回收冷量，會(huì)傳送出來(lái)一部分尾氣，剩余的原料可以繼續(xù)進(jìn)入到膨脹機(jī)制中進(jìn)行增壓處理，最終處理好的原料被傳送到外輸管線[3]。通過(guò)采取這種技術(shù)和工藝方式可以更加節(jié)流，也可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)甲烷的轉(zhuǎn)化，從而發(fā)揮一級(jí)提濃塔的冷源功能。在完成回收冷卻之后，可以對(duì)天然氣體進(jìn)行再次增壓處理，并傳送到外出管線中在整個(gè)治療過(guò)程中要確保冷源充足，才可以使整個(gè)制冷過(guò)程順利運(yùn)行。

4.3 主要的檢測(cè)和控制措施

在改進(jìn)工藝技術(shù)的過(guò)程當(dāng)中，要對(duì)所采取的裝置采取更加嚴(yán)格的控制措施。首先要按照規(guī)定提前準(zhǔn)備好原料氣的進(jìn)口管線，如果壓力和溫度在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)較大的變化，要及時(shí)截?cái)嗵幚砉芫€，通過(guò)這種方式有利于保障技術(shù)人員和設(shè)備的安全。一級(jí)提濃塔的液態(tài)甲烷在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)溶解一定量的氦氣，從而影響最終的產(chǎn)量，為了避免這些損失，在二級(jí)提濃塔底部應(yīng)當(dāng)控制好正常的液位水平，從而能夠在熱交換當(dāng)中爭(zhēng)取更多的時(shí)間和空間。為了保障一級(jí)提濃塔達(dá)到規(guī)定的溫度，需要做好充分的調(diào)壓工作，由此可以得到制冷量，也可以確保換熱器發(fā)揮自身的功能和作用。要對(duì)塔底的溫度進(jìn)行檢測(cè)，按照溫度的條件和要求將氦氣控制在一定范圍內(nèi)進(jìn)行輸送，如果溫度沒(méi)有達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，要給予更多的流量。為了避免出現(xiàn)氦氣溶解的情況，影響最重的產(chǎn)量要充分考慮液體甲烷以及液氮本身對(duì)于氦氣的溶解性，如果已經(jīng)出現(xiàn)溶解的情況，需要將這部分氦氣輸送至二級(jí)提濃塔，也要加熱一次粗氦氣，維持原有的液位水平。

4.4 低溫提氦工藝技術(shù)優(yōu)選研究

伴隨著低溫機(jī)械設(shè)備制造水平的不斷提升，已經(jīng)能夠克服和解決工藝能耗大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也逐漸取代傳統(tǒng)的克勞特循環(huán)制冷工藝。為了進(jìn)一步滿(mǎn)足提氦工藝優(yōu)化的需求，在進(jìn)入裝置之前需要采用一定量的醇胺溶液進(jìn)行脫硫脫碳處理，并進(jìn)行深度脫水。經(jīng)過(guò)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)采用前膨脹工藝進(jìn)行操作，溫度最低可達(dá)到-192℃，操作壓力較低而造成這種結(jié)果，不僅不符合節(jié)能要求，而且對(duì)塔體材質(zhì)提出較高的要求。膨脹機(jī)出口壓力直接決定提濃塔的壓力，而采用后膨脹工藝粗氦濃度較高，操作溫度要求高，整體能耗低也更加靈活控制，并且不會(huì)對(duì)換冷及分離的其他環(huán)節(jié)造成影響。

4.4.1 工藝設(shè)計(jì)

在必要條件支持下，應(yīng)推動(dòng)提氦裝置實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和發(fā)展，首先應(yīng)對(duì)提濃塔塔頂冷凝器負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化處理，并合理調(diào)整氨氣循環(huán)制冷系統(tǒng)操作壓力等一系列參數(shù)，有利于降低裝置整體能耗。在低溫提氦工藝基礎(chǔ)上，對(duì)液化氣和輕油進(jìn)行分離，由此能生產(chǎn)出一定量的LNG，有利于提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益。由于操作溫度低，為了避免出現(xiàn)冷能損失的情況，確保低溫設(shè)備設(shè)置在同一個(gè)冷箱之內(nèi)。

4.4.2 設(shè)備選型

根據(jù)工藝優(yōu)選的要求，應(yīng)選擇板翅式換熱器的原料氣遇冷器以及深冷器，并將溫差控制在2℃以?xún)?nèi)，采用壓降小的提濃塔整體效率較高，能夠達(dá)到最佳效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，作為國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的稀有戰(zhàn)略性物資，氫氣目前在諸多領(lǐng)域當(dāng)中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但在全球領(lǐng)域當(dāng)中分布狀況不均衡，目前我國(guó)資源總量?jī)暨_(dá)2.12%，而且氦氣資源安全形勢(shì)較為嚴(yán)峻。氦氣具有一定的工業(yè)提取價(jià)值，其中天然氣伴生氦氣最為普遍，基于當(dāng)前促進(jìn)資源綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策背景，本項(xiàng)目主要研究從天然氣尾氣當(dāng)中回收氦氣實(shí)現(xiàn)資源再生利用的目的，并對(duì)相關(guān)工藝技術(shù)采取有效的優(yōu)化措施。