国内天然气回收乙烯原料的技术经济分析.pdf
第 4 3卷第 1 1期 2 0 1 4年 l 1月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 . 4 3.N o . 11 N o v e mb e r ,2 0 1 4 国内天然气回收乙烯原料的技术经济分析 颜东亮 , 付含琦 ,宋帮勇 I .中国石油兰州石化分公司,甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 ; 2 .中国石油石化化2 1 L 研究院,甘肃 兰州 7 3 0 0 6 0 摘 要根据国内主要天然气的组成特点,从技术与经济角度出发,论述了天然气凝液 N G L回收及其 用作乙烯原料的可行性。以新疆柯克亚凝析气田的天然气为例 , 对凝液回收项目的经济效益进行了预测。结果 表明,对于大部分天然气 ,c 2 以上烃类含量高,有利于天然气凝液回收。回收的天然气凝液主要以乙烷、丙 烷、丁烷为主,可直接用作乙烯原料。 关键词天然气 ;凝液回收;乙烯原料 中图分类号T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 4 1 1 - 2 4 4 4 04 Te c h n o - Ec o n o mi c An a l y s i s o f Re c o v e r i n g Et h y l e n e F e e d s t o c k s Fr o m Do m e s t i c Na t ur a l Ga s Y AN Do n g- l i a n g , FU Ha n q i 2 , S ONG Ba n g- yo n g 2 1 . P e o Ch i n a La n z h o u P e t r o c h e mi c a l Co mp a n y , Gan s u L a n z h o u 7 3 0 0 6 0 ,Ch i n a 2 . P e o Ch i n a , P e t r o c h e mi c a l Re s e a r c h I n s ti t u t e ,Gan s u La n z h o u 7 3 0 0 6 0,C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o c h a r a c t e r i s t i c s o f d o me s t i c n a t u r a l g a s c o mp o s i t i o n , t h e f e a s i b i l i t y o f r e c o v e r i n g n a t u r a l g a s l i q u i d s N GL u s e d a s e t h y l e n e f e e d s t o c k s wa s d i s c u s s e d f r o m t h e a s p e c t s o f t e c h n o l o g y a n d e c o n o my . T a k i n g n a t u r a l g a s f r o m Ke k e y a c o n d e n s a t e fi e l d i n Xi n j i a n g a s a n e x a mp l e . b e n e fi t s o f NG L r e c o v e r y p r o j e c t w e r e p r e d i c t e d . T h e r e s u l t s s h o w t h a t ,mo s t o f n a t u r a l g a s h a s h i g h c o n t e n t o f h y d r o c a r b o n c o mp o n e n t s a b o v e e t h a n e . wh i c h i s f a v o r f o r NGL r e c o v e r y . NGL i s ma i n l y c o mp o s e d o f e t h a n e . p r o p a n e an d b u t a n e s . an d i t c an b e u s e d a s e t h y l e n e f e e d s t o c k s . Ke y wo r d s Na t u r a l g a s ; NGL r e c o v e r y E t h y l e n e f e e d s t o c k s 在 乙烯生 产 过程 中 ,原 料 成 本 占生 产成 本 6 0 %~8 0 %,并直接影响其下游产品的成本 ,因此 , 乙烯生产企业非常重视廉价、 优质裂解原料的选用。 目前, 世界乙烯原料主要有乙烷、 丙烷、 丁烷、 液化石油气、拔头油、抽余油、石脑油、加氢裂化 尾油 、柴油等。随着乙烯原料轻质化 、优质化程度 的提高,国内外乙烯企业逐渐提高了乙烷、丙烷、 丁烷等原料的裂解比重。其中,以天然气为原料的 乙烷裂解得到了较快的发展。比如 ,中东和北美地 区由于具有天然气及天然气凝液 的资源和价格优 势 ,越来越多地采用乙烷作为裂解原料。2 0 1 2年 , 中东地区天然气凝液 N G L占乙烯原料的比例从 2 0 0 7 年的7 5 %上升到 7 7 %, 北美地区天然气液占乙 烯原料的比例从 2 0 0 7年的 6 5 %快速提升到 8 4 % 。 天然气不仅是清洁能源 ,而且是生产优质乙烯 的原料。 据统计, 截至 2 0 1 2 年底, 世界天然气探明 储量为 1 8 7 .3万亿 m 3 [ 。近年来,世界上富有天然 气的地区和国家,都致力于从廉价天然气中回收得 到乙烷、 丙烷 , 然后用于蒸汽热裂解装置生产 乙烯 , 从而大大提高了裂解制乙烯 的经济性 。由于从天然 气中回收得到的乙烷价格低廉,因此以乙烷为原料 的中东和北美地区的乙烯生产商具有巨大的成本优 势。美国乙烷基乙烯生产商的生产成本仅为 5 0 0 美 元/ t左右 ,约为东北 亚石 脑油基 乙烯生产成本 的 3 8 %。中东主要以乙烷生产乙烯 ,是世界原料成本 最低的地区,仅为 4 0 0 美元左右Ⅲ 。 随着国内天然气 田的开采和进 口液化天然气 的 大量增加 ,利用凝液 回收技术 ,从天然气中回收乙 烷以上烃类组分作为乙烯原料就显得十分必要。 本文针对国内主要天然气的组成特点 ,论述了 回收天然气凝液及其作为乙烯原料 的可行性 。 1 天然气组成 天然气的主要成分为甲烷及少量乙烷 、 丙烷 、 丁 烷、 戊烷及以上烃类气体, 并可能含有氮、氢、 二氧 化碳、硫化氢及水蒸气等非烃类气体及少量氦、氩、 氙等情l生 气体。 天然气的组成并非固定不变, 不仅不 同气 田中采出的天然气组成差别很大, 甚至同一油田 收稿 日期2 0 1 4 - 0 5 3 作者简介颜东亮 1 9 8 1 一 ,男, 甘肃兰州人,工程师, 硕士, 2 0 0 7年毕业于武汉大学, 从事原油原料计划采购工作。E - m a i l 3 1 0 1 5 3 9 6 q q . c o m 。 第4 3卷第 1 1期 颜东亮,等国内天然气回收乙烯原料的技术经济分析 2 4 4 5 的不同生产井采出的天然气组成也有差别。 国内主要气田和凝析气田的天然气组成见表 1 阁 。 表 1 国内主要气田和凝析气田的天然气组成 体积分数 T a b l e 1 Ma j o r d o me s t i c g a s a n d c o n d e n s a t e g a s fi e l d v o l u me f r a c t i o n % 气 田名称 甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊烷 正戊烷 C 6 C 7 C O 2 N2 H2 S 长庆气田 靖边 9 3 . 8 9 0 . 6 2 0 . 0 8 0 . 0 1 O .0 l 0 .0 0 1 0 . 0 0 2 5 . 1 4 0 . 1 6 O . 0 4 8 榆林 9 4 . 3 1 3 . 4 1 0 .5 0 0 . 0 8 0 . 0 7 0 .0 1 3 0 . 0 4 1 1 . 2 0 0 . 3 3 苏里格 9 2 . 5 4 4 . 5 0 0 .9 3 0 . 1 2 4 0 . 1 6 1 0 .0 6 6 O . 0 2 7 0 .0 8 3 0 . 7 6 O . 7 7 5 中原气田 气田气 9 4 . 4 2 2 . 1 2 O . 4 1 0 . 1 5 0 . 1 8 0 . 0 9 0 . 0 9 0 .2 6 1 . 2 5 凝析气 8 5 . 1 4 5 . 6 2 3 . 4 1 0 . 7 5 1 .3 5 0 . 5 4 O . 5 9 O .2 7 O . 8 4 塔里木气田 克拉. 2 9 8 . 0 2 0 . 5 1 0 . 0 4 O . O 1 O .0 l O .0 4 O . O 1 0 . 5 8 0 .7 牙哈8 4 .2 9 7 . 1 8 2 .0 9 青海 台南气田 9 9 . 2 O 0 . 0 2 0 .7 9 青海涩北一 l 气田 9 9 . 9 0 0 . 1 0 青海涩北. 2气田 9 9 . 6 9 0 . 0 8 0 . 0 2 0 .2 0 海南崖 1 3 - 1 气田8 3 . 8 7 3 . 8 3 1 . 4 7 0 . 4 0 0 .3 8 o . 1 7 0 . 1 0 1 . 1 1 7 . 6 5 新疆柯克亚凝析气 田 8 2 . 6 9 8 . 1 4 2 . 4 7 0 . 3 8 0 .8 4 0 . 1 5 0 . 3 2 0 . 2 0 0 . 1 4 0 .2 6 4 .4 4 华北苏桥凝析气田 7 8 . 5 8 8 . 2 6 3 . 1 3 1 . 4 3 0 . 5 5 O .3 9 5 . 4 5 1 . 4 1 O . 8 O 东海平湖凝析气田 8 1 . 3 O 7 . 4 9 4 .0 7 1 . 0 2 0 . 8 3 O . 2 9 0 . 1 9 O .2 0 0 . 0 9 3 . 8 7 0 .6 6 2 天然气凝液回收技术 从天然气中提取 c 、c 、c 、c 等较重的烃类 组分称为天然气凝液回收。从天然气 中回收凝液可 以改善天然气的质量,降低天然气的露点,防止天 然气在管输过程中有液态烃凝结,阻塞管道,从而 降低油气耗损。另一方面 ,从天然气 中回收的凝液 可作为燃料和化工原料 ,带来更大的经济效益和社 会效益。 天然气凝液回收方法包括吸附法、 油吸收法和 低温分离法 。 2 . 1 吸 附法 吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂 如 活性氧化铝或活性炭 对烃类组分吸附能力强弱的 差异而实现气体中重组分与轻组分的分离。一般用 于对较 重烃类含量较少 的天然气和伴生气进行加 工 ,处理规模小于 5 71 0 4 m / d 。 吸附法 的优点是工艺装置简单 ,不需特殊材料 和设备 ,投资费用较小 ;缺点是需要几个吸附塔切 换操作 ,产品局5 艮 J陛大,吸附剂再生能耗与运行成 本高 ,并且吸附剂的吸附容量未得到很好解决 。由 于吸附法的缺点较多 ,因而该方法未得到广泛的应 用 。 2 . 2 油吸收法 油吸收法系利用不 同烃类在吸收油中的溶解度 差异 ,从而将天然气中轻 、重烃组分得以分离。吸 收油一般为石脑油、煤油、柴油或装置自己得到的 稳定天然汽油 稳定凝析油 。按照吸收温度不同, 油吸收法又可分为常温、中温和低温油吸收法 冷 冻油 吸收法 三种。常温油吸收法吸收温度一般为 3 0 ℃左右 ;中温油吸收法吸收温度一般为一 2 O ℃ 以上 ,c , 收率约为 4 0 %左右 ;低温油吸收法吸收温 度一般在一 4 0 c I 左右 ,C , 收率一般为 8 0 %~9 0 %。 油吸收法是 2 O 世纪 5 0 、6 0 年代广泛使用的一 种凝液回收方法,尤其是在 2 0 世纪 6 0 年代初由于 低温油吸收法收率较高,压降较小,而且允许使用 碳钢,对原料气处理要求不高,且单套装置处哩量 较大,故一直在油吸收法中占主导地位。但因低温 油吸收法能耗及投资费用、运行成本较高,因而在 2 0世纪 7 O年代 以后 已逐渐被更加经济与先进的低 温分离法取代 。 目前 ,仅美国和国内个别 已建油吸 收法凝液回收装置仍在运行外 ,大多数装置均 三关 闭或改为采用低温分离法回收凝液。 2 . 3 低温分离法 低温分离法 ,也称之为冷凝分离法 ,该方法是 利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同 ,通 过将 原料气冷凝至一定温度 ,将沸点较高的烃类冷凝分 离出来,并经凝液精馏分离成合格产品的方法。该 方法最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原 料气降温 ,具有工艺流程简单 、运行成本低 、凝液 回收率高 c , 的回收率可达 9 0 %以上 等优点,在 凝液回收技术中处于主流地位。 按照提供冷量的制冷方法不同,冷凝分离发又 可分为冷剂制冷法、膨胀制冷法和联合制冷法 即 冷剂制冷法和直接膨胀制冷法的联合 三种。从加 工温度看 ,可分为浅冷法 一 3 5℃以上 、中深冷 化 工 2 0 1 4 年 月 一 8 0℃以上 和深冷法 一 1 0 0℃以下 。随着加 工深度的提高,加工温度逐渐转为深冷领域。 1 9 7 0年代 中期开始 以浅冷为主 ,采用氨吸收一 氨压缩一 丙烷制冷 ,主要回收 C s 以上重组分 , C , 回收率在 6 5 %以上,目前在 c 无需求地区依然采 用 。1 9 8 0年代初 ,随着乙烯工业的发展 , 对 C z 需求 的增长,深冷分离法开始大规模应用 。 目前 ,几种主要的天然气凝液 回收工艺的烃收 率如表 2 所示 。 表 2 常用天然气凝 液回收工艺的烃类收率 Ta b l e 2 Hy d r o c a r b o n y i e l d o f c o n d e n s a t e r e c o v e r y t e c h n o l o g y o f n a t ur a l g a s % 3 回收凝液的经济性分析 天然气组成决 定了天然气凝 液 回收技术 的经 济陛。并非所有的天然气都适合凝液回收,天然气 的凝液含量低,就不具备回收价值。对于大部分的 天然气来说 ,重组分含量高 ,凝液 回收量大 ,可对 凝液回收的经济陛进行探讨分析。 基于新疆柯克亚凝析气田的天然气组成 ,按透 平膨 胀机 制 冷工 艺 回收凝 液 ,天 然气 处理 量 为 1 0 0 x 1 0 4 Nm / d ,则该凝液回收工艺装置的经济效益 分析结果如表 3所示 。 表 3 天然气 凝液回收 经济效益分析表 T a b l e 3 NGL r e c o v e r y e c o n o mi c b e n e fi t a n a l y s i s t a b l e 原料及成本 天然气加工量,1 0 4 N m3 / a 3 3 3 0 0 年工作 3 3 3 d t / a 2 7 4 3 2 0 .7 4 年工作 3 3 3 d 天然气原料成本,7 7 f r_.,/ a 4 9 9 5 0 .0 0 按天 L 元 回 收 凝 液 生 产 成 本 , 万 元 ,a s s .5 0 篓 驾 3 { 回收凝液装置投资成本,万元,a 1 5 0 0 . 0 0 按装置寿命年数均摊 回收凝液经营成本,万元, a 3 3 3 1 . 5 0 按装置寿命年数均摊 合 计 5 3 2 8 1 .5 0 原 料 、 喜 定 投 资 天然气产量,i o 4 Nm 3 / a t / a 天然气销售总价,万元/ a 凝液产量,1 0 4 Nm 3 / a t , a 凝液销售总价,万元, a 合计 效益 按天然气到岸价 1 . 5 元 m3 核算 按油田液化气价格 5 5 0 0元/ l 核算 天然气、凝液的销售总 价之和 由表 3可知 ,对新疆柯克亚凝析气 田的天然气 凝液进行回收,每年可得到 6 3 2 1 6 .2 0 t 凝液,凝液 收入 3 4 7 6 8 . 9 1 万元。 经凝液回收后的天然气产量每 年减少 3 7 7 6 . 2 2 X 1 0 4 N m ,由此减少天然气销售收 人 5 6 6 4 . 3 3万元 。经过凝液回收效益分析,每年可 增加效益 2 5 7 7 3 . 0 8万元 , 说 明凝液回收项 目具有可 观的经济效益。 4 凝液用作 乙烯原料的可行性分析 回收的凝液组成及各组分用作蒸汽热裂解制乙 烯原料 的裂解收率如表 4 所示。 表 4 天然气凝液的组成及裂解收率矧 Ta b l e 4 Co m p o s i t i o n a n d c r a c ,k。.i n g y i e l d o f n a t ur a l g a s H q u i d 。 组分 罴 乙烷 4 6 . 2 5 7 9 . 8 8 1 .6 3 1 . 3 7 8 1 . 5 1 8 2 . 8 8 丙烷 2 3 . 4 9 4 1 .5 3 l 4 .4 7 3 . 7 2 5 6 . O 0 5 9 .7 2 正丁烷4 . 9 1 4 0 .7 8 1 6 .0 8 4 .2 4 5 6 . 8 6 6 1 . 1 0 异丁烷 1 O . 8 6 1 2 . 1 0 2 4 .8 0 0 .9 1 3 6 . 9 0 3 7 . 8 1 正戊烷 2 .4 1 4 1 . 8 2 1 6 .7 7 4 . 1 8 5 8 . 5 9 6 2 . 7 7 异戊烷 5 . 1 3 2 1 . 9 0 1 7 .3 0 4 .7 0 3 9 . 2 0 4 3 . 9 0 C 6 . 3 .8 3 C 3 . 1 2 由表 4可知,回收的凝液主要以乙烷、丙烷 、 异丁烷为主。其中,乙烷 、丙烷用作蒸汽热裂解制 乙烯原料时得到的乙烯收率较高,属于优质的乙烯 裂解原料;异丁烷裂解得到的乙烯收率较低、丙烯 收率较高,属于劣质乙烯原料。 天然气凝液组成中含有异丁烷 、异戊烷等 乙烯 收率较低的组分 ,这些组分对凝液用作乙烯原料时 的裂解产物收率有一定程度的抑制作用 。根据蒸汽 热裂解制乙烯的共裂解原理及规律嘲 分析,当凝液 用作乙烯原料时,占有较大比例的乙烷、丙烷组分 对碳 四以上组分的促进作用 ,大于碳 四以上组分对 乙烷 、丙烷的抑制作用 ,因此 ,上表中的天然气凝 液可用作乙烯原料。 天然气凝液用作乙烯原料时,既可将其作为单 独原料进入乙烯装置 ,也可将其与乙烷 、丙烷或油 田液化气混合后进人乙烯装置 。 根据以上分析 ,如将 回收的天然气凝液供 给炼 化企业的乙烯装置,这样可大幅度提高乙烯收率, 显著降低乙烯装置物耗和能耗, 提高国内乙烯装置 的综合竞争力 。 5 结 论 天然气凝液回收装置建设与否, 取决于天然气的 组成, 对国内大部分天然气来说, 乙烷及以上的重组 分含量高, 凝液回收经济效益可观。 下 转第2 4 5 6 页 加 醯 5 l 2 2 7 O 7 , ∞ 2 4 5 6 当 代 化 工 2 0 1 4年 l 1月 7 2 O 7 0 0 6 8 0 6 6 0 壹6 4 o 出6 2 0 60 0 5 8 0 5 6 0 5 4 0 图 4 发送压力 0 . 1 4 MP a , 压降随流量变化 Fi g . 4 Th e p r e s s u r e d r o p a l o n g wi t h t h e c h a n g e o f t h e g a s fl o w wh e n t h e s e n d i n g p r e s s u r e i s 0 . 1 4 M Pa 由图4 对比分析可知, 在该发送压力条件下, 计 算值与实验值的相对误差在2 . 8 % 左右, 相对误差在 可以接受的范围内,表明在该发送压力条件下该公 式准确性较高。 由图5 可知, 在该发送压力的条件下, 计算值和 实验值的相对误差较小,表明在该发送压力下公式 的准确度较高,可以在工程上进行应用。 流量/ 1Il .h 图 5 发送压力 0 . 2 2 MP a , 压降随流量变化图 F i g . 5 Th e p r e s s u r e d r o p a l o n g wi t h t h e c h a n g e o f t h e g a s fl o w wh e n t h e s e n d i n g p r e s s ur e i s 0 . 2 2 M Pa 由上述分析可知发送压力和流量都是影响压 降的因素,但是利用量纲分析法求解的压降计算公 式求解计算值时 ,在某种程度上保持流量不变的情 况下, 改变发送压力求解的计算值的相对误差较大, 必须对公式进行修正才能估算压降的数值。 5 结 论 1 本文是在实验室数据的基础上, 结合量纲 分析法,建立了的管道系统压降计算准数关联式, 并对计算值与实验数据进行了对比分析。 2 用量纲分析法求解压降的计算值与实验值 的总体趋势相同,偏差较小 ,对化工气力输送压降 计算有一定的实际意义。 3 在用量纲分析法求解压降计算值时, 对于 部分相对误差较大的公式进行修正 ,修正后的公式 基本能满足要求 ,说明量纲分析法建立准数关联式 求解压降的方法是可行的。 参考文献 [ 1]杨振起. 量纲分析及其应用[ J 1 . 济南交通高等专科学校学报 ,2 0 1 0 3 2 7 3 0 . 1 2 j LO H a i f e n g , G u o X i a o l e i , H u a n g Wa n j ie , e t a1 .F l o w c h a r a c t e ri s t i c s a n d p r e s s u r e d r o p a c r o s s t h e L a v a l n o z z l e i n d e n s e p h a s e p n e u ma t i c c o n v e y i n g o f t h e p u l v e ri z e d c o a l [ J ] .C h e mi c a l E n g i n e e r i n g a n d P r o c e s s i n g , 2 0 1 1 5 O 7 0 2 - 7 0 8 . 1 3 J S T I M L E R F J .D e m o n s t r a t i o n of p r o c e d u r e f o r d e s i n i n g i m p a c t b a g a t t e n u a t i o n s y s t e ms w i t h p r e d i c t a b l e p e rf o r m a n c e [ J ] . 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I s t a n b u l S i l e ,1 9 9 6 2 4 2 5 . 上接第 2 4 4 6页 天然气凝液属于高附加值产品, 作为乙烯裂解 原料时, 对于优化乙烯原料结构,降低低碳烯烃产 品成本,提高乙烯下游产品竞争力具有重大意义。 参考文献 [ 1 ] 徐海丰 , 朱和.中东j E 美乙烯生产优势及其对我 国的影响【 J J _国际 石油经济,2 0 1 3 1 1 1 1 - 1 1 5 ; 2 1 4 2 1 5 . [ 2] B P . 2 0 1 3 年 B P世界能源统计年鉴[ M] . L o n d o n B P ,2 0 1 3 . [ 3] 郑义.小型撬装 L N G装置液化技术研究【 D 1 . 天津 天津大学 , 2 0 1 0 . [ 4]王遇冬. 天然气处理与加工工艺【 M] . 北京 石油工业出版社, 1 9 9 9 . 1 0 3 -1 5 1 . [ 5]王国清 ,张兆斌 ,张利军,等. 轻质裂解原料性能研究『 J 1 .乙烯工 业 ,2 0 0 8 ,2 0 1 4 4 4 6 . [ 6] 邹仁鎏.石油化工裂解原理与技术[ M ] .北京 化学工业出版社 , 1 9 8 1 5 1 1 o 4 .