關(guān)鍵詞：天然氣;液化;脫氮;甲烷回收率
天然氣液化處理能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣的便捷運(yùn)輸，有效回收邊緣天然氣。天然氣主要成分是烴類，但是國(guó)內(nèi)外很多含油氣盆地產(chǎn)出的天然氣中含氮量較高。當(dāng)天然氣中含氮量較高時(shí)，不僅熱值低、集輸過(guò)程中能耗大，而且不能直接用作某些化工原料和汽車燃料。因此脫除其中的氮?dú)?，是提高天然氣綜合利用價(jià)值的重要途徑。目前，普遍應(yīng)用的脫除天然氣中氮?dú)獾姆椒ㄊ巧罾涿摰猍1～3]，國(guó)外主要采用俄羅斯渦流管制冷器液化工藝，國(guó)內(nèi)主要采用膨脹機(jī)膨脹制冷工藝。
1 高含氮天然氣的液化工藝
1.1 渦流管制冷器液化工藝
渦流管制冷器液化工藝主要采用了俄羅斯專利設(shè)備渦流管進(jìn)行制冷[4]，其流程如圖1所示。進(jìn)入液化單元的原料凈化氣先經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮到約20MPa，與經(jīng)過(guò)壓縮的循環(huán)氣(20MPa)混合進(jìn)入預(yù)冷換熱器，利用預(yù)冷系統(tǒng)提供的冷量，將混合氣預(yù)冷到約-20℃，再進(jìn)入主換熱器，利用循環(huán)氣的冷量，將混合氣的溫度降至-80℃左右，其中一股通過(guò)渦流管制冷器降壓后進(jìn)入分離器1，另一股通過(guò)渦流管制冷器降壓后進(jìn)入分離器2。分離器1的氣相分為兩部分：一部分作為循環(huán)氣回到主換熱器與混合氣交換熱量，冷卻混合氣;另一股作為分離器2的熱源輸入(相當(dāng)于再沸器)，經(jīng)冷卻冷凝后進(jìn)入分離器3，液相作為分離器2的冷源，氣相則為含氮量較高的氮甲烷混合氣，到換熱器復(fù)熱后排放作為他用(比如燃料)。分離器1的液相進(jìn)入分離器2，進(jìn)一步與渦流制冷器出口的混合物在分離器2中進(jìn)行氣液分離，液相作為液化天然氣(LNG)，送往LNG儲(chǔ)罐，氣相被卷吸進(jìn)渦流管制冷器1。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)氣(BOG)被卷吸進(jìn)渦流管制冷器2。該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，液化操作彈性好。
1.2 膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝
膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝通常是將制冷劑壓縮后，經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)膨脹至低溫，提供天然氣預(yù)冷、冷凝、過(guò)冷的冷量，從而使天然氣得以液化[5～12]，其工藝流程如圖2所示。
制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到1.5MPa左右，再經(jīng)膨脹機(jī)增壓端繼續(xù)增壓、冷卻器冷卻后(40℃)進(jìn)入冷箱，在冷箱中經(jīng)過(guò)預(yù)冷，一部分制冷劑進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，降溫降壓，進(jìn)入主換熱器作為主要的冷源，另一部分制冷劑在主換熱器中過(guò)冷后經(jīng)過(guò)節(jié)流降溫，作為精餾脫氮塔上部冷卻器的冷源，產(chǎn)生回流液。
原料凈化天然氣進(jìn)入預(yù)冷換熱器預(yù)冷，之后作為精餾脫氮塔塔底再沸器的熱源進(jìn)入精餾塔塔底換熱，溫度繼續(xù)降低，從精餾塔再沸器出來(lái)后，進(jìn)入主換熱器換熱至天然氣全部液化，液化后的天然氣經(jīng)過(guò)節(jié)流后，進(jìn)入精餾塔脫氮，脫氮后的飽和LNG從塔底流出，經(jīng)過(guò)節(jié)流降溫過(guò)冷，進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐，生成的少量BOG去換熱器復(fù)熱作為燃料去其他單元。該工藝換熱器中流股較多，板式換熱器及冷箱制造較為復(fù)雜。
2 兩種工藝的對(duì)比分析
2.1 脫氮標(biāo)準(zhǔn)
目前國(guó)內(nèi)外LNG產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮?dú)獾暮慷紱](méi)有明確的規(guī)定。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1160-96，LNG產(chǎn)品中的氮含量(摩爾分?jǐn)?shù))應(yīng)小于5%，而經(jīng)驗(yàn)表明，只要控制LNG中氮含量小于1%，并加強(qiáng)蒸發(fā)氣的監(jiān)測(cè)，就可以避免LNG儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的翻滾現(xiàn)象[13]。而參考多種LNG組成，發(fā)現(xiàn)I.NG中氮含量基本上小于1%，大于1%的較少。因此，本例中暫以摩爾分?jǐn)?shù)小于1%作為脫氮評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 計(jì)算條件
天然氣液化規(guī)模設(shè)為每天生產(chǎn)相當(dāng)于3×104m3氣態(tài)氣的LNG，即1250m3/h，儲(chǔ)存壓力為0.3MPa。
原料凈化氣的組成如表1所示。
2.3 計(jì)算結(jié)果
利用Hysys過(guò)程系統(tǒng)模擬軟件，對(duì)原料凈化氣的液化過(guò)程進(jìn)行了模擬。采用兩種不同的液化工藝，各項(xiàng)性能參數(shù)對(duì)比如表2所示。
對(duì)比可知：①渦流管制冷器液化工藝的原料氣消耗量大于膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝，且有大部分冷氣作為循環(huán)氣，氣量為5080m3/h，即初始開(kāi)車時(shí)系統(tǒng)中要多出5080m3/h的原料凈化氣(折合12120m3/d)。②渦流管制冷器液化工藝液化單元功耗高于膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝(尤其是當(dāng)膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝采用氮甲烷制冷氣時(shí)，渦流管制冷器液化工藝液化單元功耗高出36%)。③渦流管制冷器液化工藝排放氣體中的氮含量大于膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝，甲烷的回收率低，導(dǎo)致其LNG中氮?dú)獾暮枯^大，如果按照小于1%含氮量(摩爾分?jǐn)?shù))的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該工藝不能滿足脫氮要求。④從整個(gè)液化單元(包括原料氣壓縮、遇冷系統(tǒng)、循環(huán)氣壓縮)的設(shè)備投資來(lái)看，渦流管制冷器液化工藝由于要將氣體壓縮到20MPa，所需設(shè)備防爆等級(jí)較高，設(shè)備投資也約高出膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝15%。⑤但是渦流管制冷器液化工藝操作靈活，進(jìn)入原料氣即可快速成液，生成LNG，這是其最大的優(yōu)越性。
3 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)高含氮量的天然氣液化，通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)渦流管制冷器液化工藝和膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝的主要工藝參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明在原料氣消耗量、液化單元功耗、LNG中氮?dú)夂?、設(shè)備投資等方面，膨脹機(jī)膨脹制冷液化工藝均優(yōu)于渦流管制冷器液化工藝。
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