LNG轻烃回收流程模拟及参数优化.pdf

生产ProductionLNG轻烃回收流程模拟及参数优化重庆聚祥燃气有限公司摘要：根据进口LNG中组分的特点及其冷能特性，按照冷能梯级利用的原则和循环处理原理，设计出一种新型的LNG轻烃回收流程。其特点在于循环式结构有效提高了各产品的回收率及浓度，产品后期处理阶段不需要汽化器就可直接进入天然气高压管网；同时，分离获得的轻烃产品保持低压低温液相，方便产品的储存和运输。以进口澳大利亚LNG轻烃回收流程为例，通过模拟计算和参数优化，与经典工艺相比，该优化流程甲烷摩尔浓度提高1.2 4%，乙烷回收率提高3.4 6%，能耗降低3 2%。关键词：LNG轻烃回收流程模拟参数优化2006年总投资达2 9 1 亿元的深圳大鹏LNG项目正式投产，标志着我国正式迈入新型能源行列。LNG以高效、节能、清洁等众多优点，迅速在沿海地区占据一席之地。截至目前，已投产、在建和规划建设的LNG接收站项目共有9 2 个。其中，已经建成投产的有2 7 个，正在建设的有1 8 个，处于前期研究中的有4 7 个。2 0 2 1 年从国外进口LNG约1087亿m，根据已签署的项目合同和已建成LNG接收站的规模，预计到2 0 2 5年将达3 0 0 0 亿m32。由于从国外进口的LNG中有相当一部分含有乙烷、丙烷等C2+轻烃组分，其摩尔组分达1 0%以上，如深圳LNG接收站进口的澳大利亚西北大陆架LNG，其中C2+轻烃摩尔组分高达1 1%2 。C2+轻烃是一种优质的化工原料，作为乙烯原材料可使乙烯装置投资节省3 0%，能耗降低3 0%4 0%，综合成本降低 1 0%3 。国外早在1 9 6 0 年就有从LNG中回收轻烃的专利。利用LNG在高压下其液化温度高于LNG部分汽化温度这一条件，近些年欧美等国家又陆续开发出来多种新型的LNG轻烃分离工艺。这些工艺降低了压缩机的负荷，但液态甲烷需汽化后才能进入高压天然气管网，汽化甲烷所需的热量往往通过泵抽取海水来完成，整个系统能耗依旧很大。鉴于国内在LNG轻烃回收装置的应用还处于萌芽阶段，本文根据LNG冷量的特性对工艺流程进行了优化改进，设计了一种只用压缩机就能直接完成气化且进入高压管网的LNG轻烃回收工艺，以克服LNG何友祥轻烃回收中能耗较大的技术难题。1典型LNG轻烃回收流程美国专利US6941771B24是近几年使用比较典型的LNG轻烃分离工艺。该工艺具体的分离流程，如图1 所示。压缩机O+增压泵分流器高压泵图1 美国专利US6941771B2轻烃分离流程图1 中，LNG原料首先经过增压泵进行增压，再由分流器分流成大小两股：较大的一股首先在换热器中预热，部分气化后进入闪蒸塔中进行气液分离。从闪蒸塔顶部获得分离出的气态甲烷，富含C2+轻烃的LNG从闪蒸塔底部分离出，进入脱甲烷塔中进一步分离；从分流器中分出的另一股LNG直接进入脱甲烷塔，作为塔顶回流。经脱甲烷塔分离后的甲烷全部以气相从塔顶分出，C2+轻烃产品以液态从塔底分出。将从闪蒸塔顶和脱甲烷塔顶分离出的两股甲烷气体混合，经压缩机提高压力后再与过冷的LNG原料换热，使气态甲烷全部液化。液化后的甲烷通过高压泵增压到外输压力后送入气混合器闪蒸塔换热器脱甲烧塔口上海煤气2 0 2 3 年第5期 1生产Production化装置。在此流程中，LNG的冷量主要用于轻烃分离以及气态甲烷的再次液化。通过深入分析发现上述专利若直接接入高压天然气管网，还存在以下不足：(1）专利中分离出来的液态甲烷需要全部汽化后才能进入天然气管网系统。与国内通过海水完成LNG汽化的做法不同，明显增加了企业的投资成本，同时也增加了该装置的功耗。(2）从脱甲烷塔塔底分离出来的液体为C2+轻烃。通过分析可知其中乙烷摩尔浓度并不高，若直19LNG泵23换热器11815该轻烃分离流程可分为4 个部分：原料预热、脱甲烷、脱乙烷和循环分离。(1）原料预热。常压LNG原料(物流1，其中数字代表设备出口物流包，下同)通过LNG泵增压后，在换热器1 中与脱甲烷塔塔顶气换热，升温后的甲烷进入换热器2 与脱乙烷塔顶冷凝气进行热交换而部分气化，随后进入脱甲烷塔进行分离。(2）脱甲烷。LNG部分气化后进入脱甲烷塔预分离，从塔顶分离出气态甲烷(物流5)，该部分经过换热器1 与LNG进料热交换后进入闪蒸塔进一步分离。从闪蒸塔塔顶分离出甲烷气体(物流8)，送入压缩机增压后输入天然气管网。(3）脱乙烷。脱甲烷塔的塔釜液为C2+轻烃(物流6)，其中含有大量乙烷、丙烷及少量C4+轻烃，将其节流降压后送入脱乙烷塔进一步精馏分离，在塔顶得到高纯度的常压液态乙烷产品(物流1 3)，在塔底得到常压LPG产品(物流1 4)。(4)）循环分离。闪蒸塔的塔釜液(物流9)中仍含有大量甲烷，该部分再次送入脱甲烷塔中进行分离，实现循环分离。2）2 0 2 3 年第5期上海煤气接用于乙烯生产，会变向增大乙烯产业的成本。2LNG轻烃回收流程优化本文基于美国专利US6941771B2工艺流程，利用过程冷量梯级利用的原则对换热网络进行优化设计，提出了一种新型轻烃回收工艺流程。该工艺能够得到高浓度的气态甲烷、低温低压液态乙烷以及LPG，较好地解决了现有技术的不足。新型轻烃回收优化流程，如图2 所示。4换热器287压缩机1310脱甲烧塔闪蒸塔脱甲烷塔组9图2 LNG轻烃回收优化流程3应用实例以我国第一个LNG接收站项目一一深圳大鹏LNG进口的3 7 0 万 t/a 的澳大利亚 LNG为例，其摩尔组分为：甲烷摩尔浓度7 8.0 0%，乙烷摩尔浓度12.40%，丙烷摩尔浓度6.3 0%，异丁烷摩尔浓度1.40%，正丁烷摩尔浓度1.8 0%，氮摩尔浓度0.1 0%。利用图2 所示的轻烃回收优化流程将LNG的C2+轻烃分离出来。通过工艺流程仿真模拟软件Hysys对整个分离流程进行模拟计算，热力学方法选用彭-罗宾森方程即PR方程，并对整个流程中的工艺参数进行优化选择。通过计算，选择的操作工艺如下：常压的LNG原料先通过LNG泵升压至1.6 0 MPa，再流经换热器1、换热器2 进行两次加热，加热后的LNG原料部分气化，其气相摩尔浓度约为50%。部分气化的LNG进入脱甲烷塔，该塔操作压力为1.50 MPa。通过分离在塔顶得到甲烷摩尔浓度为9 8.3 0%的气态甲烷，该股物流在换热器1 中与LNG进料进行热交换后进入闪蒸塔进一步分离。在脱甲烷塔塔釜脱乙烧塔161126节流阀17脱乙烷塔组14生产Production得到液相C2+轻烃，其中乙烷摩尔浓度约56.2 7%；离出摩尔浓度为9 9.6 4%的富甲烷天然气，温度约为其余部分为C3+轻烃，该股物流节流降压至一1 1 3.2 0 C，经压缩机直接升压至7.0 0 MPa后外0.20MPa后进入脱乙烷塔进一步分离，该塔操作压输，温度为一1 1.8 7，其塔釜液中甲烷摩尔浓度力为0.1 1 MPa，脱甲烷塔内的理论塔板数为1 6。通仍高达约9 4.59%，该股物流再次送入脱甲烷塔进行过精馏分离得到乙烷摩尔浓度为9 4.0 4%的常压液循环分离。整个流程的模拟结果见表1。态产品，塔釜为常压液相LPG产品。从闪蒸塔顶分表1 轻烃回收优化流程模拟结果物流名称1温度/-162.00压力/MPa0.10气相摩尔浓度/%0质量流率/(t:h-)422.40甲烷摩尔浓度/%78.00乙烷摩尔浓度/%12.40C3+摩尔浓度/%9.60从表1 可知，LNG通过回收装置处理后，原料中C2+轻烃的摩尔浓度从原来的2 2.0 0%(物流1)降低到0.3 6%(物流8)，其中分离后的最后组分包，即物流8 中的甲烷摩尔浓度为9 9.6 4%，乙烷摩尔浓度为0.2 3%。从原料中可分离出乙烷约6 5.6 9 万t/a，C3+约8 2.7 6 万t/a。分离出来的乙烷及C3+产品为0.11MPa的低压液体，便于低压储存和运输，也可以利用保温管线直接输送至乙烯裂解装置。进入压缩机之前的甲烷温度约一1 1 3.2 0，此部分冷量可以用于低温粉碎、冷库、冷量发电、燃气轮机进气冷却、乙烯深冷分离及空气分离等冷量利用项目。若使用典型的美国专利US6941771B2流程，与上述优化流程相关参数的对比结果见表2。表2 美国专利US6941771B2流程与优化流程相关参数对比结果美国专利流程名称US 6941771 B2LNG泵1.84功耗/MW压缩机脱甲烷塔的热负荷/MW脱乙烷塔的热负荷/MW换热器耗能/MW甲烷摩尔浓度/%乙烷回收率/%由表2 可知相对US 6941771B2流程(总功耗为67.09MW)，优化流程功耗(总功耗为4 5.6 6 MW)可5-100.001.50100350.4098.301.530.17优化流程0.462.7311.1924.5332.3601.6538098.4099.6490.8594.3164.861.550168.00056.2743.738113.201.50100254.3099.640.230.13降低约3 2%，甲烷摩尔浓度可提高1.2 4%，乙烷回收率可提高3.4 6%。优化流程与US6941771B2流程相比，一方面流程出口不需要汽化器就可实现天然气入网，可降低功耗，降低成本；另一方面可以获得纯度较高的甲烷、乙烷产品，若用作乙烯裂解原料则有利于提高原料的利用率及降低操作成本。4结语本文在美国专利US 6941771B2 LNG轻烃回收流程的基础上分析比较了典型的LNG轻烃分离流程的优缺点。结合优化换热结构，提出了一种相对高产量、高浓度、低消耗的LNG轻烃回收优化流程。根据对目前投入建设的LNG接受站的运营能力估算，到2 0 2 5年我国将进口LNG达3 0 0 0亿m，在其轻烃组分占1 0%的条件下，通过LNG轻烃回收可从中获得约1 2 3 7 亿t的C2+轻烃产品，可用于生产约6 7 4 亿t的乙烯。由此可见，应用LNG轻烃分离技术，把我国乙烯工业产业同LNG轻烃回收整合起来，不仅有助于缓解我国乙烯原料短缺的问题，而且还能给企业带来巨大的经济利益。参考文献：1中国LNG工厂与接收站分布图、数据库 DS/OL.http:/ lngplants&terminalsmapsc.htm.9-113.201.50096.1094.595.110.3011-11.877.00100254.3099.640.230.131386.520.11074.99096.413.59(下转第1 3 页)14-33.180.15092.9605.5294.48上海煤气2 0 2 3 年第5期3应用Application4结语着非常大的环境效益。在三段式利用路线中，增加了绿色电能，减少了CO2的排放，缓解了局部海域传统LNG接收站中,在第一阶段(LNG深冷段)的冷污染问题，降低了水冷系统的电能，整体可以就将大部分冷能进行利用，导致后续冷能利用方式降低接收站的运营成本，是一种绿色高效的冷能利受限，冷能利用率通常为4 0%50%，而冷能三段用路线。对LNG接收站而言，降低自身运营的能式梯级利用路线可将LNG的冷能综合利用率提高耗有利于项目启动和投产。至1 0 0%。三段式梯级利用冷能也对LNG接收站有Research on Three-stage Cascade Utilization Route of Cold Energy in LNG TerminalsShanghai Energy Construction Engineering Design and Research Co.,Ltd.Abstract:In the traditional liquefied natural gas(LNG)terminal,the temperature of LNG in the storage tank isabout-160 C,and the cold energy contained in its gasification will be discharged into the sea.Only in someLNG terminals the LNG cold energy has been made use of and the industry chain of cold energy utilization hasbeen put forward,but it is difficult to achieve the effective docking of process parameters.In this paper,the currentoperation datum of LNG terminals are investigated,and three stages utilization of cold energy in LNGgratification are proposed according to the characteristics of LNG cold energy,in order to form a new green andefficient three-stage cascade utilization route of cold energy.Keywords:LNG terminals,cold energy,cascade utilization(上接第3 页)2朱治双,廖华,周游,等.LNG贸易与全球天然气市场一体化研究 .中国能源,2 0 2 2,4 4(1 2):2 3-3 2.3花贲,熊永强,李亚军,等.液化天然气轻烃分离流程模拟Process Simulation and Parameter Optimization of LNG Light Hydrocarbon RecoveryAbstract:Based on the characteristics of the components in imported liquefied natural gas(LNG)and its coldenergy,a new type of LNG light hydrocarbon recovery process is designed according to the principles of coldenergy cascade utilization and cyclic treatment.Its characteristics are that the cyclic structure effectively improvesthe recovery rate and concentration of each product and the product can directly enter the high-pressure natural gaspipeline network without the vaporizer in the later stage of treatment.Simultaneously,the light hydrocarbonsobtained through the separation under low-pressure and low-temperature liquid-phase conditions,facilitating thestorage and transportation of the products.Taking the imported Australian LNG light hydrocarbon recoveryprocess as an example,through simulation calculation and parameter optimization,compared with the classictechnology,the optimized process has an increase of about 1.24%in methane molar content,an increase of about3.46%in ethane recovery rate,and a reduction of 32%in energy consumption.Keywords:LNG,light hydrocarbon recovery,process simulation,parameter optimizationWU LiufengShanghai LNG Co.,Ltd.Chongqing Juxiang Gas Co.,Ltd.ZHANG RunyuanZHONG Juner与优化 .天然气工业,2 0 0 6,2 6(5):1 2 7-1 2 9.4 REDDICK K.,BELHATECHE N.Liquid natural gasprocessing:United States,6941771 B2P.2005-09-13.HE Youxiang上海煤气2 0 2 3 年第5期 1 3