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天然气液化工艺
天然气液化工艺
工业上,常使用机械制冷使天然气获得液化所必须的低温。
典型的液化制
冷工艺大致可以分为三种:
阶式(Cascade)制冷、混合冷剂制冷、带预冷的混合
冷剂制冷。
一、阶式制冷液化工艺
阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。
这是利用常压沸点不同的冷剂逐
级降低制冷温度实现天然气液化的。
阶式制冷常用的冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。
图 3-5[1]表示了阶式制冷工艺原理。
第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲
烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循
环为天然气提供冷量。
制冷剂丙烷经压缩机增压,在冷凝器内经水冷变成饱和
液体,节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约-40℃),把冷量传给经脱酸、脱
水后的天然气,部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发,使增压后的乙烯过热蒸气冷凝
为液体或过冷液体,两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机,完成丙烷的一次
制冷循环。
冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作,压缩机出口的乙烯过热蒸气由
丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体,节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温
度约-100℃),使天然气进一步降温。
最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作,
使天然气温度降至接近-160℃;经节流进一步降温后进入分离器,分离出凝液和
残余气。
在如此低的温度下,凝液的主要成分为甲烷,成为液化天然气(LNG)。
阶式制冷是 20 世纪六七十年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。
若仅
用丙烷和乙烯(乙烷)为冷剂构成阶式制冷系统,天然气温度可低达近-100℃,
也足以使大量乙烷及重于乙烷的组分凝析成为天然气凝液。
阶式制冷循环的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外,还使
冷量传给蒸发温度较低的冷剂,使其液化并过冷。
分级制冷可减小压缩功耗和
冷凝器负荷,在不同的温度等级下为天然气提供冷量,因而阶式制冷的能耗低、
气体液化率高(可达 90%),但所需设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。
图 3-6[3]为阶式制冷液化流程。
为了提高冷剂与天然气的换热效率,将每
种冷剂分成 2~3 个压力等级,即有 2~3 个冷剂蒸发温度,这样 3 种冷剂共有
8~9 个递降的蒸发温度,冷剂蒸发曲线的温度台阶数多,和天然气温降曲线较
接近,即传热温差小,提高了冷剂与天然气的换热效率,也即提高了制冷系统
的效率,见图 3~7[6]。
和图 3-8[6]。
上述的阶式制冷工艺,制冷剂和天然气
各自构成独立系统,冷剂甲烷和天然气只有热量和冷量的交换,实际上是闭式
甲烷制冷循环。
近代已将甲烷循环系统改成开式,即原料气与甲烷冷剂混合构
成循环系统,在低温、低压分离器内生成 LNG。
这种以直接换热方式取代常规
换热器的间壁式换热,提高了换热效率。
二、混合冷剂制冷液化工艺
混合冷剂制冷循环(Mixed Refrigerant Cycle,简称 MRC)是美国空气产品
和化学品公司予 20 世纪 60 年代末开发成功的一项专利技术。
混合冷剂由氮、
甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷组成,利用混合物各组分不同沸点,部分冷凝
的特点,进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量,以达
到逐步冷却和液化天然气的目的。
混合冷剂液化工艺既达到类似阶式液化流程
的目的,又克服了其系统复杂的缺点。
由于只有一种冷剂,简化了制冷系统。
图 3-9[3]所示的混合冷剂制冷液化流程,主要由两部分构成:
密闭的制冷系统
和主冷箱。
冷剂蒸气经过压缩后,由水冷或空冷使冷剂内的低压组分(即冷剂内
的重组分)凝析。
低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱,接受冷量后
凝析为混合冷剂液体,经 J-T 阀节流并在冷箱内蒸发,为天然气和高压冷剂冷
凝提供冷量。
在中度低温下,将部分冷凝的天然气引出冷箱,经分离分出 C5+
凝液,气体返回冷箱进一步降温,产生 LNG。
C5+凝液需经稳定处理,使之符合
产品质量要求。
在混合制冷剂液化流程的冷箱换热可以是多级的,提供冷量的混合工质的
液体蒸发温度随组分的不同而不同,在换热器内的热交换过程是个变温过程,
通过合理选择制冷剂,可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平。
与阶式液化流程相比,其优点是:
①机组设备少、流程简单、投资省,投
资费用比经典阶式液化流程约低 15%~20%:
②管理方便;③混合制冷剂组分可
以部分或全部从天然气本身提取与补充。
缺点是:
①能耗较高,比阶式液化流
程高 10%~20%左右;②混合制冷剂的合理配比较为困难;③流程计算须提供各组
分可靠的平衡数据与物性参数,计算困难。
三、带预冷的混合冷剂制冷液化工艺
丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC:
Propane-Mixed Refrigerant
Cycle),结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点,流程既高效又简
单。
所以自 20 世纪 70 年代以来,这类液化流程在基本负荷型天然气液化装置
中得到了广泛的应用。
目前世界上 80%以上的基本负荷型天然气液化装置中,
采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。
图 3-10[3]。
是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。
流程由三部
分组成:
①混合制冷剂循环;②丙烷预冷循环;③天然气液化回路。
在此液化流
程中,丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气,而混合制冷剂循环用于深
冷和液化天然气。
混合冷剂由氮、甲烷、丙烷等组成,平均相对分子质量约为 25。
混合冷剂
蒸气压缩后,先由空气或水冷却,再经压力等级不同的三级丙烷蒸发器预冷却
(温度达-40℃),部分混合冷剂冷凝为液体。
液态和气态混合冷剂分别送入主冷
箱内,液态冷剂通过 J-T 阀蒸发时,使天然气降温的同时,还使气态混合冷剂
冷凝。
冷凝的混合冷剂(冷剂内的轻组分)在换热器顶端通过 J-T 阀蒸发,使天
然气温度进一步降低至过冷液体。
流出冷箱的液态天然气进闪蒸罐,分出不凝
气和 LNG,不凝气作燃料或销售气,LNG 进储罐。
由上可知,天然气在主冷箱内
进行二级冷凝,由冷剂较重组分提供温度等级较高的冷量和由较轻组分提供温
度等级较低的冷量。
预冷的丙烷冷剂在分级独立制冷系统内循环。
不同压力级别的丙烷在不同
温度级别下蒸发气化,为原料气和混合冷剂提供冷量。
原料天然气预冷后,进
入分馏塔分出气体内的重烃,进一步处理成液体产品;塔顶气进入主冷箱冷凝为
LNG。
因而,预冷混合冷剂制冷过程实为阶式和混合冷剂分级制冷的结合。
由热力学分析,带丙烷预冷的混合制冷剂液化流程,“高温”段用丙烷压
缩机制冷,按三个温度水平预冷原料气到-60℃;“低温”段的换热采用两种方
式:
高压的混合冷剂与较高温度原料气换热,低压的混合冷剂与较低温度原料
气换热,最后使原料气深冷到-162℃而液化,充分体现了热力学特性,从而使
比较项目
C3/MR
阶式液化流
程
DMR
单位 LNG 液化成本
设备投资成本
能耗
操作弹性
低
中
高
中
高
高
低
差
低
低
中
高
制冷循环方式
能 耗
3
kW·h/m 天然气
3
kJ/m 天然气
阶式
混合冷剂
带预冷混合冷剂
0
.32
0.33~0.375
0
.39
1152
1200~1350
1404
热效率得到最大限度的提高。
此工艺具有流程简单,效率高,运行费用低,适
应性强等优点,是目前采用最广泛的天然气液化工艺。
这种液化流程的操作弹
性很大。
当生产能力降低时,通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合
制冷剂循环的效率。
当需液化的原料气发生变化时,可通过调整混合制冷剂组
成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力,也能使天然气高效液化。
预冷的混合
冷剂采用乙烷和丙烷时(DMR 法),工艺效率比丙烷预冷高 20%,投资和操作费用
也相对较低。
以上三种制冷循环的能耗见表 3-3。
表 3-3 天然气液化制冷循环能耗比较
表 3-4 列出了丙烷预冷混合制冷剂液化流程 C3/MR、阶式液化流程和双混
合制冷剂液化流程 DMR 的比较。
表 3-4 C3/MR、阶式液化流程和 DMR 的比较
四、其他方法
(一) CII 液化流程
天然气液化技术的发展要求液化制冷循环具有高效、低成本、可靠性好、
易操作等特点。
为了适应这一发展趋势,法国燃气公司的研究部门开发了新型
的混合制冷剂液化流程,即整体结合式级联型液化流程(Integral
Incorporated cascade),简称为 CII 液化流程。
CII 液化流程吸收了国外 LNG
技术最新发展成果,代表天然气液化技术的发展趋势。
上海建造的我国第一座调峰型天然气液化装置采用了 CII 液化流程。
该流
程如图 3-11 所示,流程的主要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设
备和整体式冷箱三部分。
整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循
环两部分。
在天然气液化系统中,预处理后的天然气进入冷箱 12 上部被预冷,在气液
分离器 13 中进行气液分离,气相部分进入冷箱 12 下部被冷凝和过冷,最后节
流至 LNG 储槽。
在混合制冷剂循环中,混合制冷剂是 N2 和 C1~C5 的烃类混合物。
冷箱 12
出口的低压混合制冷剂蒸气被气液分离器 1 分离后,被低压压缩机 2 压缩至中
间压力,然后经冷却器 3 部分冷凝后进入分馏塔 8。
混合制冷剂分馏后分成两
部分,分馏塔底部的重组分液体主要含有丙烷、丁烷和戊烷,进入冷箱 12,经
预冷后节流降温,再返回冷箱上部蒸发制冷,用于预冷天然气和混合制冷剂;分
馏塔上部的轻组分气体主要成分是氮^甲烷和乙烷,进入冷箱 12 上部被冷却并
部分冷凝,进气液分离器 6 进行气液分离,液体作为分馏塔 8 的回流液,气体
经高压压缩机 4 压缩后,经水冷却器 5 冷却后,进入冷箱上部预冷,进气液分
离器 7 进行气液分离,得到的气液两相分别进入冷箱下部预冷后,节流降温返
回冷箱的不同部位为天然气和混合制冷剂提供冷量,实现天然气的冷凝和过冷。
CII 流程具有如下特点:
(1) 流程精简、设备少。
CII 液化流程出于降低设备投资和建设费用的考
虑,简化了预冷制冷机组的设计。
在流程中增加了分馏塔,将混合制冷剂分馏
为重组分(以丁烷和戊烷为主)和轻组分(以氮、甲烷、乙烷为主)两部分。
重组
分冷却、节流降温后返流,作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂;轻
组分气液分离后进入冷箱下部,用于冷凝、过冷天然气。
(2) 冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器,体积小,便于安装。
整体式冷箱
结构紧凑,分为上下两部分,由经过优化设计的高效钎焊铝板翅式换热器平行
排列,换热面积大,绝热效果好。
天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左
右液体,减少了漏热损失,并较好地解决了两相流体分布问题。
冷箱以模块化
的形式制造,便于安装,只需在施工现场对预留管路进行连接,降低了建设费
用。
(3) 压缩机和驱动机的形式简单、可靠、降低了投资与维护费用。
(二) 天然气膨胀液化流程
膨胀机液化流程(Expanaer-Cycle),是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机
绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程。
气体在膨胀机中膨胀降温
的同时,能输出功,可用于驱动流程中的压缩机。
当管路输来的进入装置的原
料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时,液化过程就可能不要“从外
界”加入能量,而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷,使进入装置的天然气液
化。
流程的关键设备是透平膨胀机。
天然气膨胀液化流程,是指直接利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输
出管道压力而使天然气液化的流程。
这种流程的最突出优点是它的功耗小,但
液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低。
膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大,对系统的安全性要求
较高。
天然气膨胀液化流程见图 3-12。
原料气经脱水器 1 脱水后,部分进入脱
CO2 塔 2 进行脱除 CO2。
这部分天然气脱除 CO2 后,经换热器 5~7 及过冷器 8
后液化,部分节流后进入储槽 9 储存,另一部分节流后为换热器 5~7 和过冷器
8 提供冷量。
储槽 9 中自蒸发的气体,首先为换热器 5 提供冷量,再进入返回
气压缩机 4,压缩并冷却后与未进脱 CO2 塔的原料气混合,进换热器 5 冷却后,
进入膨胀机 10 膨胀降温后,为换热器 5-7 提供冷量。
对于这类流程,为了能得到较大的液化量,在流程中增加了一台压缩机,
这种流程称为带循环压缩机的天然气膨胀液化流程,其缺点是流程功耗大。
图 3-12 所示的天然气直接膨胀液化流程属于开式循环,即高压的原料气经
冷却、膨胀制冷与回收冷量后,低压天然气直接(或经增压达到所需的压力)作
为商品气去配气管网。
若将回收冷量后的低压天然气用压缩机增压到与原料气
相同的压力后,返回至原料气中开始下一个循环,则这类循环属于闭式循环。
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