天然气液化中重烃和氮气脱除工艺优化研究

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赵建辉

摘 要：在天然气液化过程中，因重烃和氮气含量较高所致的各种问题往往会直接影响液化天然气的生产效率。对此，基于液化天然气生产过程，针对重烃和氮气进行脱除工艺设计，参照控制变量原则分别就包括原料气预冷温度、脱重烃塔回流温度在内的影响因素进行分析，研究提高重烃和氮气脱除效果的最佳方案，进而有效提升液化天然气的生产质量。

关键词：重烃;氮气;脱除工艺;优化策略

0 引言

近年来，基于我国能源结构的逐步调整，现有能源消费体系对于一次能源的重视越来越高，同时，伴随着LNG的进一步推广，其在能源结构调整层面的应用价值愈发突显。但是，从实际液化天然气制备过程来看，通常需就天然气内的重烃组分和氮气进行去除以避免其影响液化天然气的制备效率，而在传统去除工艺中，多采用低温精馏法就氮气产量进行控制，并能够避免出现包括液化天然气储存罐翻滚事故在内的安全问题。对此，通过就低温精馏法进行工艺优化，提升重烃与氮气脱除的整体效果，有助于促进我国能源产业的进一步创新发展，并在积极响应国家可持续发展战略的基础上保障能源市场的发展活力。

1 天然气液化中重烃和氮气脱除工艺流程简述

天然气液化中重烃和氮气脱除工艺流程图如图1所示。

首先，经由换热器和冷箱就原料气进行处理，处理溫度达-30℃，待温度达到后就其导入脱重烃塔下部处理，同时，借助冷箱对脱重烃塔出口气相进行处理，温度设置为-65℃，待气液分离后经过回流泵增压处理以分为两股物流，一股约占92.3%，进而脱氮塔中部，另一股约占7.7，经过节流阀加压处理后在固定压强下进入脱氮塔下部;其次，针对脱氮塔底部液化天然气，就其导入冷箱进行过冷处理，待温度调节至-162℃后经过节流3至120kPa导入LNG储存罐，借助换热器对产生的闪蒸气进行换热处理，待达到30℃后导入氮气循环压缩机，同样形成两股物流，一股进入火炬系统，另一股与闪蒸气共同导入氮气循环压缩机;最后，针对工艺所需冷量，使用混合冷剂构建制冷循环系统，在气相进入混合冷剂后采用二级分离器进行压缩分离，最终形成制冷循环，以满足脱氮工艺的冷量需求。

2 天然气液化重烃及氮气脱除工艺的影响因素

2.1 原料气预冷温度

围绕原料气预冷温度对于天然气液化过程中重烃脱除的影响，以原料气预冷温度作为因变量，设计实验，分别研究不同原料气预冷温度对于重烃脱出效果的影响变化，形成如图2所示变化曲线。多与原料气预冷温度变化影响下脱重烃塔顶与塔底物料出口温度的随之变化有关。其中，当物料出口温度降低时，由脱重烃塔顶进入冷箱的气量会呈现降低趋势，这使得冷箱产生的冷凝液烃量发生变化。

此外，当原料气预冷温度发生变化时，位于脱重烃塔回流罐出口气相区域的重烃含量会发生一定变化，变化曲线如图3所示。其中，当原料气预冷温度由以往的-25℃转变为-30℃时，脱重烃塔回流罐出口气相中的重烃摩尔分数明显增加，而当温度持续降低直到降低至-36℃时，重烃的摩尔分数则会继续增加至0.00747%，因此，本研究选取重烃摩尔分数相对稳定的-30℃。

2.2 脱重烃塔的回流温度

要想找到脱重烃塔回流温度和重烃脱除的效果间的关系，可以将原料气预冷温度调整为刚才-30℃。其中，当脱重烃塔回流温度由-64℃变化为-69℃时，处于脱重烃塔底部的重烃量显著升高，且回流罐出口气相中的重烃摩尔分数由0.0131%变化为0.0001%，这说明在脱重烃塔回流温度变化时，可以显著控制原料气中的重烃规模。同时，当回流温度降低时，针对处于脱氮塔底部区域的物料其温度也会发生一定变化，而这使得氮气无法被导离，因此会增加液化天然气产品中的氮含量，最终促进重烃含量的降低。在此基础上，若脱重烃塔回流温度超过-66℃，位于脱重烃塔回流罐出口气相区域的重烃含量也会随之发生改变，且其变化速率也会与以往有所不同，因此，本研究预定采用-66℃作为脱重烃塔的回流温度，其目的在于达到较好的重烃脱除效果。

2.3 脱氮塔下部进料量关系

在上述条件即将-30℃设置为原料气预冷温度、将-66℃设置为脱重烃塔回流温度的背景下，就脱氮塔氮气去除效果与脱氮塔下部进料量间的关系进行分析其中，当处于脱氮塔下部位置进料量明显上升时，LNG产品中的重烃摩尔分数会随之发生一定变化，且LNG产品量由原本的876.4kmol/h变874.1kmol/h，究其原因，多与脱氮塔下部进料量变化下氮气提取量的上升有关，同时，在脱氮塔下部进料量上升过程中，位于脱氮塔顶部出口气相区域的烃含量会显著上升，这意味着会减少LNG产品的产品量，因此，采用7.8%作为脱氮塔下部进料量的总料量摩尔比例，最终确保最佳氮气脱除效果的有效形成。

2.4 脱氮塔操作压力

围绕本工艺脱氮塔所采用的操作压力，常规情况下将氮气回流罐节流后的压力设置为-210kPa，将氮气回流罐液相出口节流的压力设置为-30kPa，在此基础上，研究液化天然气产量随操作压力发生的改变，其中，当操作压力明显上升时，脱除氮气中烃摩尔分数会明显降低，这一方面与较高操作压力环境下氮气与甲烷体系较难分离有关，另一方面也受到回流量增加等因素影响。同时，针对液化天然气产品中的BOG量，其会随着LNG产量的增加而增加，这意味着脱氮塔的氮气脱除量降低，因此，围绕本研究，将290kPa设置为脱氮塔的最佳操作压力。

3 结束语

综上，围绕天然气液化过程，对其重烃和氮气脱除的工艺进行深入的研究，同时也基于四个层面进行了系统优化和技术完善，其中，通过分析不同影响因素对于脱氮和重烃去除效果的影响，确定了最佳的技术工艺改善方案，有助于促进液化天然气应用效益的进一步提高。

参考文献：

[1]李占越，杨立雨.液化天然气工厂重烃脱除工艺方案比选[J].山东工业技术，2018（13）：85.

[2]代磊.液化天然气工厂重烃脱除技术应用探讨[J].当代化工研究，2017（11）：33-34.