LNG轻烃回收流程中换热模拟研究

2020-04-17吴学谦文子彦

云南化工 2020年3期

吴学谦，文子彦

（西安石油大学，陕西西安 710065）

1 研究背景及进展

在经济高速发展的今天，人们对绿色能源的需求越来越大。从2017年开始，我国超过日本成为最大的LNG进口国。在去年的1～11月，我国累计进口天然气达417.2亿美元，同比上涨8.5%。其中，液化天然气进口额为286.6亿美元，同比上涨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接收站接受能力以达到12260万吨/年。进来，新奥燃气舟山LNG接收站、深圳市迭福北LNG项目一期相继完工，预计在2023年，我国LNG接收站接受能力能达到14660万吨/年[2]。

随着LNG的使用越来越多，与之相关的研究也在积极进展。国外在19世纪60年代就开始了LNG轻烃分离回收的研究，发展到逐步减少轻烃回收工艺所需设备，摆脱了制冷剂、制冷阀、膨胀机等装置的依赖，流程也更加简便，成本更低[3]。目前，国外轻烃回收的研究向提高LNG冷能利用率方向发展。国内的研究起步较晚，在2006年由华南理工大学的华贲团队发布了中国第一个LNG轻烃回收流程，后续发布了一些流程，增加了甲烷、乙烷的回收率，以及含有调峰功能的LNG轻烃回收流程[4]。上海交通大学的高婷团队研究了脱甲烷塔内高低压的影响[5]，发现高压操作流程在空间局限或物料条件变化大是更合适，低压流程更容易深度脱烃[6]。国内研究主要以节能和高效为主。本文将从提高LNG换热水平以达到节能的目的。

2 LNG轻烃分离回收流程

LNG物流在-162℃、常压的条件下，经过泵的加压，通过换热器预热，在分离器中发生气液分离，一部分气体向上排出，通过压缩机加压后通过换热器，利用LNG的冷能进行冷凝。分离器下方排出的液体进加压后进入脱甲烷塔。脱甲烷塔上方排出高纯度甲烷气，该部分气体通过换热器冷凝为液态排出，脱甲烷塔下方排出液态C2+组分，进入脱乙烷塔。在脱乙烷塔中再进行加热，使得高纯度乙烷上排，富含丙烷、丁烷等C3+组分的LPG在下方排出。

现在以沿海某LNG接受站的LNG原料组分来运行。该原料LNG含有87.97%（摩尔分数，下同）的甲烷，7.08%的乙烷，2.87%的丙烷，乙烷含量较大，有回收价值。见表1。

原料LNG在101.3kPa，-162℃的状态下经过泵1加压到1500kPa，在第一个LNG换热器中温度升高，但是未发生相变，只使用了LNG的显冷。经过第二个换热器时，LNG物流发生汽化，产生0.51的气体，气体的甲烷含量为99.04%，纯度高，改部分气体通过压缩加到2500kPa，经过第二个换热器，由于LNG发生相变释放显冷，大量冷能使得这部分气体液化。分离器外排液体通过泵2加压到1800kPa，然后进入T-100脱甲烷塔。见图1。

表1 原料LNG成分表

图1 LNG轻烃回收工艺流程图

进入脱甲烷塔的气体经过加热得到甲烷含量为99.23%的高纯度甲烷气，该部分气体通过第一个换热器，冷凝成液体外排。脱甲烷塔下部是乙烷含量为57.88%的C2+组分，该部分液态物流进入脱乙烷塔。经过脱乙烷塔处理，生产出乙烷含量为98.8%的乙烷气，以及液态LPG。

该流程生产的天然气甲烷含量为99.12%。甲烷回收率为99.95%。生产的乙烷纯度为98.8%，乙烷回收率为91.98%。流程的主要耗能设备为泵、压缩机、精馏塔的再沸器，能耗数据如表2。

从表2看出：1）压缩机做功远的能耗于泵，所以在LNG轻烃回收流程中要减少压缩机的使用；2）两个精馏塔的能耗占到了总能耗的93.36%，降低两个精馏塔的能耗是节能的关键所在。

表2 主要设备能耗表

3 LNG换热流程优化及参数调节

添加一个加热器，放置在LNG预热阶段，将脱乙烷塔中的热能Q-6用来加热LNG，其余部分保持不变。见图2。

调节加热后的LNG物流4的温度，主要设备功率变化见表3。由表3发现，在增加换热后，主要设备的能耗均有减小，主要设备（泵1功率不变）能耗和均小于未加换热器前的32446.51kW。同时能发现，在温度为-105℃时设备的能耗最低，为25687kW，节省了20.8%的能耗。此时排出天然气的甲烷含量为98.75%，甲烷回收率为97.95%，乙烷含量为99.96%，乙烷回收率是87.48%，C3+组分的LPG回收率为99.24%。