液化天然气工厂重烃脱除工艺方案比选.pdf

第 4 4卷第 1 期 石 油 与 天 然气 化 工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 3 5 液化天然气工厂重烃脱除工艺方案比选 曾凡平 田广新 华 油天 然气股份 有限公司 摘 要 分析 了液化天然气工厂重烃脱除的现状及存在的问题 ， 对比 了多种重烃脱除方案的优劣 性 。以华 油 天然 气股份 有 限公 司处理 规模 为 1 0 0 1 0 m。 ／ d 2 o℃ ， l O 1 ． 3 2 5 k P a 的 广元 L NG 工厂 现 有 装 置为例 ， 在 脱 水单 元后 新增 1 套 脱 重烃装 置 可取 得 良好 的重 烃脱 除效 果 ， 减 少 重烃 闪蒸 气量 ， 提 高 天然气液化率， 降低 L NG产品的比功耗 ， 促进装置长周期 满负荷稳定运行 。 关 键 词 液化 天 然 气 重 烃脱 除 变温吸 附 工 艺改造 节 能 降耗 中图 分类 号 TE 6 4 4 文 献标 志码 B D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 8 S c he m e c o m pa r i s o n a n d s e l e c t i o n o f h e a v y h y d r o c a r b o n r e mo v a l pr o c e s s i n LNG pl a nt Ze ng Fa n pi ng，Ti a n Gu a ng xi n C h i n a Na t u r a l Ga s Co r p o r a t i o n Li mi t e d，C h e n gd u 6 1 0 1 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Cu r r e n t s i t u a t i o n a n d e x i s t i n g p r o b l e m o f h e a v y h y d r o c a r b o n r e mo v a l p r o c e s s i n t h e LNG p l a nt we r e a na l y z e d．Ta k i ng t he e x i s t i ng d e v i c e s i n Gua n gy ua n LNG pl a n t o f Chi n a Na t u r a l Ga s C o r p o r a t i o n Li mi t e d a s e x a mp l e ，t h e p r o c e s s i n g c a p a c i t y o f wh i c h wa s 1 0 0 0 1 0 。m。 ／ d a t 2 0℃ a n d 1 0 1 ． 3 2 5 k P a ，i t i s h e l p f u l t o i mp r o v e t h e e f f e c t o f h e a v y h y d r o c a r b o n r e mo v a l b y a d d i n g a n e w a d s o r p t i o n e q ui pme nt f o l l o wi ng t he de hy dr a t i o n u ni t ． M e a nwhi l e，i t c a n r e d uc e t he f l o w r a t e o f f l a s h g a s，i nc r e a s e t he l i qu e f a c t i on r a t i o o f t he na t ur a l g a s，a n d d e c r e a s e t he uni t e n e r gy c ons umpt i on，a s we l l a s p r om o t e ke e pi ng t he pl a nt f o r a l on g t e r m a nd s t a b l e f ul l l o a d o pe r a t i o n． Ke y wor d s l i qu e f i e d n a t u r a l g a s， he a v y h yd r oc a r bo n r e mov a l ， t e m p e r a t u r e s wi n g a ds o r pt i on， t e c h n i c a l t r a n s f o r ma t i o n， e n e r g y c o n s e r v a t i o n 天然 气作 为 一种 清 洁 能 源 ， 越 来 越 受 到 人 们 的 青 睐 ， 我 国政 府 已把 天然 气利 用作 为 优化 能源 结构 、 改 善 大气环境的主要措施 ， 大力推广洁净能源的消费。因 此 ， 随着能源价格的不断上涨 和国家对环境保护力度 的逐步加大 ， L NG实现产业化 已成为一种趋势 ， 具 有 良好 的发 展空 间[ 1 - 3 ] 。 华 油 天然 气 股份有 限公 司 以下简称 华 气公 司 所 属 L NG工厂有 7 座 ， L NG产能达 7 3 01 0 m。 ／ d 约 5 0 0 0 t ／ d ， 已建成 投产 的 L NG工 厂产 能 达 6 3 0 1 0 m。 ／ d 。然而 ， 目前 国 内 管输 气 组 分 不 太 稳 定 ， 尤 其 是 苯 、 环己烷等凝 固点较高的组分在原料气 中的含量对 L NG工厂的运行有极 大的影 响。由于工艺设计 时未 能充分考虑气源变化的弹性范 围， 几套装置 自投产 以 来 ， 均不 同程度地存在 同一问题 ， 即 因重烃脱 除不彻 底造成冷箱冻堵 ， 装置只能维持较低负荷生产甚 至停 车。针对以上情况 ， 对重烃脱除工段进行了优化改造 ， 作者简介 曾凡平 1 9 8 7 一 ， 男 ， 工艺工程师 ， 2 0 1 2年毕业 于北京 化工大学 化学工程 与技术专 业 ， 工 学硕士 ， 现任职 于华 油天 然 气股份 有限公司天然气应用技 术研究所 ， 从事 天然气处理与加工研究工作 ， 已发表论文 3 篇 。E - ma i l z e n g f a n p i n g c n g c 1 6 3 ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曾凡平 等 液化 天然 气工 厂重烃脱 除工艺方案 比选 2 0 1 5 提高重烃脱除精度 ， 促进工 厂长期满负荷稳定运行 ， 以 提高经济效益。 l 装置存在 的问题及原 因分析 目前 ， 国 内管输 气重 烃体 积分 数一 般 在 8 O O 1 O 以内， 但波动较大。原 因是部分井 口气中 L P G总 含量较低 ， 达不到投资净化厂的收益要求 ， 特别是在冬 季 缺气 时 ， 大 量未 处理 的井 口气直 接进 入管 网 ， 加剧 了 气源重烃含量的波动 。 华气公司现有多套装置 的液化工段采用 B l a c k Ve a t c h开 发 的单循 环混 合 冷 剂制 冷 循 环技 术 ] 。原 料天然气经脱碳 、 脱硫、 干燥等净化工序后进人液化 、 脱重烃工序 ， 从主换热器中间引出低温气液混合物 ， 在 重烃分离器 中脱除液态重烃 ， 如 图 1所示。如果重烃 分离不彻底 ， 被气相带进冷箱的深冷段 ， 极易发生重烃 冻结 ， 造成设备堵塞 。根据装置运行经验可知 当冷箱 中部重烃分 离罐 顶部 的气相 苯体 积分 数低 于 1 O 1 O 时， 冷箱深冷通道 的压差小于 3 0 k P a ， 不影响装 置的稳定生产 。当使用分子筛 、 活性氧化物或硅胶进 行脱 水 时 ， 重烃 可被 部分 脱 除 。在 天然 气液 化过 程 中 ， 通常是将天然气预冷达到重烃组分冷凝点 ， 通过气液 分离器回收液相重烃[ 7 ] 。 将产生大量的闪蒸气 ， 此部分 闪蒸气若增压后循环 回 到装置前端 ， 会大大增加装置能耗 ， 使得易冻堵组分在 系统 内累 积 ， 最 终 导 致 冷 箱 堵 塞 。广 元 L NG 工 厂 为 了避 免上述 问题 ， 采 用增 压后 外输 的方案 解决 此 问题 ， 但 因下游用气单位对气源组分要求较 为严格 ， 故增加 了操作过程和外协工作难度 。 2 技术方案 比选 与确定 天然气净化已有许多成熟的工艺技术[ 8 ] 。天然气 中的重烃脱除工艺包括 低温分离 、 固体吸附和溶剂吸 收 3大类 。 目前 ， 广 元 L NG 工 厂所 采 用 的方 法 是 低 温气液分离 ， 液相分离出的重烃去重烃储罐 ， 气相进入 冷箱 继 续 深冷 分 离 出 L NG 产 品 。溶剂 吸 收 通常 利 用 “ 相似相溶” 的原理 ， 故 L NG工厂可以选择产 品 L NG 或产生的重烃作为吸收剂 。固体 吸附法通常采 用硅 胶 、 分子筛或活性炭等微孔材料作为吸附剂， 吸附原料 气 中的重烃 。 针对广元 L NG 工厂 采用低 温分 离 的方 法 能耗 高、 液化率低、 闪蒸气量大等 问题 ， 提 出以下两种工艺 技术方案 方案 A 低温分离 固体吸附方案 ， 在原装 置脱 水装 置后新 增变 温 吸附单 元 ； 方案 B 低 温 分离 溶剂吸收方案 ， 在原有装置重烃分离器后新增洗涤塔 装置 。 2 ． 1 增 加变 温 吸附脱 除装 置 固体 吸 附 采 用 工 业 上 应 用 成 熟 的 变 温 吸 附 T S A 技 术 。 变温 吸附方 案脱重烃工 艺类似 于 目前 It t l P R I Co 。 天然气液化工艺流程图 重烃 F i g u r e 1 P RI CO l i q u e f i e d p r o c e s s o f n a t u r a l g a s 目前 ， 大多 L NG装置采用低温分 离的方式脱 除 重烃。当原料气中重烃含量较高时 ， 在实 际操作过程 中， 主要通过降低 中间引出点 的压力和温度控制重烃 脱 除精 度 。此法 以增 加冷 剂压 缩机 能耗 为代价 ， 同时 ， 也会增加闪蒸气流量 ， 导致装置液化率降低 。 当乙烷 、 丙烷等轻组分含量较高时 ， 这种操作方式 图2 物理吸附脱重烃工艺流程 方案A Figu r e 2 Pr o c es s of h ea v y h y dr oc ar b on r emov a l by p h y s i c a l a d s o r p t i o n P r o p o s a l A l 广泛采用的脱水装置流程 ， 如图 2所示 。在脱水单元 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 1 期 石油与天然气化工 CHE M I CAL ENGI NEERI NG OF OI L 8 乙GAS 后采用双塔流程 ， 一塔 吸附一塔再生 ， 经过脱碳 、 干燥 及脱汞后的天然气进入吸附床 ， 将天然气 中重烃体积 分 数 吸附 至 5 O1 0 以 内 。吸 附剂 再 生 后 的再 生 气 被冷凝 ， 液相送至重烃储罐 ， 气相作为前端分子筛再生 气 。固体吸附具有 以下优点 。 1 目前 固体吸附剂技术非常成熟 ， 先进 的吸附 剂对甲烷一 重烃体系选择性很强 ， 非常适合国内管输气 乙烷 、 丙烷等含量不高但重烃含量较高的气源特点。 2 固体 吸 附 剂 的吸 附 弹 性 较 大 ， 可 适 应 气 源组 分 的快速变化 。只要重烃含量在吸附剂的饱和吸附量 以下 ， 均 可成 功脱 除 。 3 再生气冷却重组分 回收作为重烃产 品， 轻组 分也可作为再生气 给脱水单元分子筛再 生， 全部无需 外 排 。 4 固体吸附装置可撬装化 ， 成撬后 现场安装时 间短 ， 对 工厂 正 常生产 影 响小 。 固体 吸 附 的不 足 之处 在 于 1 初期设备投 资高， 且需定期更换吸附剂 。以 华气公司广元 L NG工厂为例 ， 初步估算变 温吸附装 置 的改造 费 用 约 9 0 0万 元 ， 增 加 的年 运 行 费用 约 2 5 0 万元 。 2 若重烃含量非常高 ， 设备尺寸过大 ， 装填量增 加 ， 能耗 较 高 。 2 ． 2 增加重烃洗涤塔装置 重烃 洗 涤塔方 案 工艺 流 程见 图 3 。在冷 箱 中段 增 加重烃洗涤塔 ， 结合原有重烃分离罐 ， 天然气从吸收洗 涤塔 底部 进 入 ， 之 后 在 塔 内 自下 向上 流 动 并 与 从 塔 顶 进入的洗涤液 吸收剂 逆流接触 ， 天然气被洗涤后进 入冷箱 ， 洗涤液吸收天然气 中的重烃后进入重烃储罐 。 重烃 洗 涤塔 方案 存在 以下优 点 1 洗涤塔工艺方案适应性强 ， 对天然气 中的重 烃含量没有限制。当原料气 中重烃含量变化 不大时， 液体 吸收 剂 和处理 气 流量 相对 稳定 ， 操 作简 单 。 2 设备投资较少 ， 操作 过程中吸收剂 可选用装 置产 生 的重烃 。 但重烃洗涤塔方案也存在诸多不足， 包括 1 无法快速适应气源组分波动。当气源组分快 速变化时 ， 需要调节吸收剂 的用量 ， 易出现液泛等非正 原料气白 净化单元 L N G 产品 重烃去储罐 图3 重烃洗涤方案工艺流程图 方案B Figu r e 3 Pr oc es s o f he a vy h y dr oc a r b on r emov a l b y s c r u b b in g s o l u t io n Pr o p o s a l B 常工况 ， 使得重烃 吸收精度不能满足要求 ， 不合格气体 直接进入深冷段 ， 导致冷箱冻堵 。 2 装置本身重烃产量不稳定 。当原料气 中重烃 含量较低时， 需要 补充异戊烷作为洗涤剂 。按洗涤剂 用 量 的 5 O 需 补 充 异 戊 烷 考 虑 ， 以 华 气 公 司 广 元 L NG工厂为例 ， 初步估算增加重烃洗涤塔装置的改造 费用约 7 5 0万元 ， 年 运行 费用 约 3 5 0万元 。 比较两种方案 ， 方案 A 低温分离 固体吸附 虽 然 比方案 B 低温分离溶剂吸收 设备投 资高 ， 但具 有稳定性高 、 年运行费用较低 、 闪蒸气无需外输等显著 优点。同时， 结合 目前管输气 中乙烷摩尔分数约 2 、 C s 。 ‘ 重烃 体 积 分 数 在 8 0 0 1 0 以 下 ， 但 变化 频 率 很 快 的特 点 ， 采用 方 案 B增 加 洗 涤塔 ， 需 不 断 调 节 吸收 剂循环量 ， 以适应原料气中的重烃含量变化 ， 增加了操 作运行的不稳定性 。选用高效 吸附剂 ， 可将 C 。 脱 除 至满足后续工艺要求 的指标。综上 ， 从工厂的长期稳 定运行和运行成本角度来看 ， 方案 A更优 。 3技术改造的成效及建议 L NG工厂增加吸附装置后 ， 可改变 当前所采用的 降低冷箱中部引出点温度和压力的操作方式 。增加吸 附装置 ， 将原料气 中的 C 。 组分体积分数从约 8 0 0 1 0 降低至 5 01 0 以下。既可确保重烃脱 除精度 ， 解决冷箱冻堵问题 ， 进而促进装置长期稳定运行 ； 又可 以提高液化率 ， 增加 L NG产量 ， 降低装置 比功耗 。 投资效益是影响投资决策的关键 因素 ， 结合改造 项 目的特点 ， 财务分析采用“ 直接增量效益” 的评价方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 曾凡平 等 液化天然气工厂重烃脱除工艺方案 比选 式 。所谓 增量 效益 是指 企业 实施 改建 与假定 不实 施改 建 相 比所增 加 的效 益 。以华气 公 司 广元 L N G 工 厂 为 例 ， 技术 改造 后与 改造前 相 比， 液化 率提 高 3 ． 0 ， L NG产量提高 5 ． 9 ， 能耗下降 8 ． 6 ， 外输气量下降 1 0 0 。对增加吸附装置技术改造进行经济分析 ， 年净 利 润较 改造 前增加 8 7 2 ． 4万元 ， 税 后 投 资 财 务 内部 收 益 率 8 1 ． 1 ， 税 后 投 资 回收 期 为 2 ． 5年 。 同时 ， 改造 后工厂能稳定运行， 还存在一定 的间接经济效益 。以 每年冷箱冻堵 4次计 ， 每次冷箱冻堵造成 的停车损失 约为 5 O万元 ， 每年减少损失约 2 0 0万元。 增 加 吸附装 置进 行 技 术 改造 后 ， 天然 气 进 入 冷 箱 前就将重烃体积分数脱除至 5 01 0 以内， 冷箱中部 引出的低温天然气在重烃分离罐 中再次脱除剩余 重 烃 ， 满足进人深冷的天然气 中苯体积分数脱除至 1 O 1 O 以 内的要求 。同时 ， 重 烃 吸 附 床 的再 生 气 经 低 温 冷却回收重烃后 ， 可直接作为脱水单元分子筛 的再生 气或蒸汽锅炉的燃料气。技改完成后不再采用降低冷 箱 中部 引 出天然 气温 度 和 压 力 的操 作 ， 可有 效 减 少 重 烃闪蒸气量， 提高天然气液化率 ， 降低 L NG产品的比 功耗 ， 促进装置长周期满负荷稳定运行 。由于改造后 闪蒸气量明显减少 ， 完全可作为燃料气 ， 不需再增压后 外 输 至管 网 ， 无 需考 虑 外输 气 是 否 满 足 下游 工 业 用 户 对 组 分 的严 格要 求 ， 故 降低 了操 作 过 程 和 外协 工 作 的 难 度 。 4 结 语 综上论述 ， 固体吸附方案具有能耗低 、 工艺流程简 单 、 操 作安 全 、 可 靠 等优 点 。L N G 工 厂脱 重 烃 工 艺 的 改造可以提高装置的适应性和灵活性 ， 提高企业 的经 济效 益 和社会 效益 。 参 考 文 献 [ 1 ]龙泽智．我国液化天然气工业 的现状及其发 展动向[ J ] ．天然 气工 业 ，1 9 9 4，1 4 3 6 3 65 ． E 2 ]陈帅 ，田士章 ， 胡 文江 ，等．LNG储罐冷却过 程中 B OG回收量探 讨E J ] ．石油 与天然气化工 ，2 0 1 3 ， 4 2 3 3 7 3 3 7 7 ． [ 3 ]温永 刚，陈运 文，樊栓 狮 ， 等．L NG汽车技术发展及其推广应用前 景[ J ] ．石油 与天然气化工 ，2 0 1 3 ， 4 2 3 2 5 7 2 6 0 ． [ 4 ]P RI CE B C，MOR TKO R A．P RI CO a s i mp l e ，f l e x i b l e p r o v e n a p p r o a c h t o n a t u r a l g a s l i q u e f a c t i o n， GAS TECH ， LNG ， Na t u r a l Ga s ，L P G i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e [ C ] ．Vi e n n a r s ．n ．] ，1 9 9 6 ． E 5 3 S T E B B I NG R， J O’ B RI E N．An u p d a t e d r e p o r t o n t h e P R I C OTM p r o c e s s f o r L NG p l a n t s ， GAS TE CH， L NG／ L P G Te c h n o l o g y C o n g r e s s [ C ] ．P a r i s I s ． n ． ] ，1 9 7 5 ． [ 6 ]张炜森．P RI C O液化工艺在珠海 L NG装 置中的应用 E J ] ．上海 煤 气 ，2 0 1 1 4 5 - 8 ． [ 7 ]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 ，2 0 1 0 ． E 8 ]郑大振．L NG工厂 的天然 气净化 工艺及 其新发 展[ J ] ．天然气 工 业 ，1 9 9 4 ，1 4 4 6 7 - 7 2 ． 收稿 日 期 2 0 1 4 0 6 0 4 ； 编辑 温冬云 下 期 要目 1硅胶 负载杂 多酸 吸 附脱 除模 拟 油 中的氮化 物 2水 力旋 流 器 内组合 涡运 动 的量化 研 究 3应 用 山苍 子核 仁 油制备 生物柴 油 的研 究 4负压 闪蒸原 油稳 定工 艺 的模 拟 与运行 参数 优化 5 M DEA 脱 硫 溶 液 发 泡研 究 6天然气净化厂C l a u s 硫磺回收装置硫 回收率计算方法 7 0 ． 2 Mt ／ a催化 裂化 装置 用能 分析 与改进 8我 国石 油 炼化制 氢装 置碳排 放 因子 的修 正建议 9基 于混合 冷剂 外冷 的分输 站压 差液 化天 然 气研 究 1 O新型 L NG装车潜液泵设备研制及性能测试 1 1油 田伴 生气综 合利 用分 析 1 2西 气 东输 二线 X8 0管 线钢 内腐蚀行 为的研 究 1 3酸性 气藏 泡 沫排水 复合 缓蚀起 泡剂研 究 1 4 J X1 1油 田沙河街储 层 注入 水与储 层 配伍性 研 究 1 5醇基 压 裂液研 究与应 用 1 6高钙质致密油酸岩反应动力学参数试验研究 1 7离子渗 氮对 X 8 0钢在 库 尔勒 土壤 溶 液 中 电化 学腐 蚀行 为的影 响 1 8天然 气发热 量 间接 测 量 不确定度 评 估方 法初探 1 9模 块化 阀柱 多维 色谱 系统 用 于分析 炼厂 气 的技 术 2 O钻 井噪 声 的现 场 实测 与 治理对 策分 析 2 1天然 气放 空管道 选材 分析 2 2基 于云模 型的 石化 企业 应急成 熟度 评价 方 法 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m