高含氮天然气液化工艺的探讨

　　

1 引 言

天然气以其高效、洁净、方便等优势在整个能源结构中正逐步的进入鼎盛时期，开发和利用天然气是当今世界能源发展的主要潮流。液态天然气因为体积小、方便运输而成为天然气中非常重要的一种相态利用形式。天然气的主要成分是烃类，也含有少量的非烃类，如氮气等。当天然气中含氮量较高时，不仅热值低、在集输过程中能耗大，而且不能直接用作某些化工原料和天然气汽车燃料。根据相关资料，不同气源中含氮量一般在0.1~14.26%（摩尔分数），个别甚至大于20%，脱除其中的氮气，是提高天然气综合利用价值的重要途径。国内外脱氮方法主要有三种：深冷脱氮工艺、溶剂吸收工艺和变压吸附工艺^[1]。其中，因深冷脱氮工艺具有处理量大、氮气脱除率高、技术成熟、且与液化天然气同是低温过程能够节能降耗而成为液化工艺中脱氮的主要方法。

2 脱氮工艺

目前国内外对LNG产品规格的标准中，对氮气的含量都没有明确的规定。根据欧洲标准（EN 1160-96），LNG产品中的N₂含量（摩尔分数）应小于5%，而经验表明，只要控制LNG中氮气含量小于1%，并加强蒸发气的监测，就可以避免LNG储运过程中的翻滚现象^[2]。实际上，在目前LNG产品中氮气的含量小于5%即可以满足一般产品规格。在模拟过程中，设定氮气含量为3%，预留设备一定的操作弹性，保证最终产品中的氮气含量能够达标。

深冷脱氮工艺通常是将具有一定压力的天然气在有制冷剂提供冷量的条件下经过预冷、冷凝、脱氮、过冷，从而使天然气液化的过程。常用的制冷方法有氮气循环制冷^[3]、混合冷剂制冷^[4-5]和N₂-CH₄膨胀制冷^[6]。本文讨论的液化工艺由纯氮气和氮甲烷分别作为制冷剂。工艺流程图如图1。

图1 脱氮液化流程图

Figure 1 Liquefaction process with denitrification

制冷剂经过压缩机和膨胀机增压端增压、冷却器冷却后进入冷箱。在冷箱中经过预冷后，一部分进入膨胀机膨胀做功，降温降压，进入主换热器作为主要的冷源。另一部分制冷剂在主换热器中过冷后经过节流降温，作为精馏脱氮塔上部冷却器的冷源。

净化天然气进入预冷换热器预冷至约-50℃，引出分离重烃后作为精馏脱氮塔塔底再沸器的热源，温度继续降低，从精馏塔再沸器出来后，进入主换热器换热至天然气全部液化，然后经过节流进入精馏塔脱氮，脱氮过程要求生产LNG中的氮气摩尔比例约为3%，甲烷回收率为95%。脱氮后的饱和LNG从塔底流出，经过节流降温过冷，进入储罐，生成的少量BOG去换热器复热作为燃料去其他单元。

3 模拟过程与结果

进入液化单元原料气的成份如下：

表2 原料气体组成（摩尔分数）

Table 2 Component of raw natural gas (molar fraction)

组分	CH4	C2H6	C3H8	iC4H10	nC4H10	iC5H12	nC5H12	C6H14	CO2	N2
mol%	78.014	0.832	0.264	0.061	0.057	0.037	0.021	0.082	0.00	20.633

模拟采用过程系统软件HYSYS，液化规模为每天处理气量4.08×10⁴Nm³。

3.1 混合制冷剂操作条件的影响

图2 制冷剂操作温度和压力对功耗的影响

Figure 2 Effects of operating temperature and pressure of the refrigerants on the energy consumption

图2显示了中天然气温度进入冷箱的温度和压力与液化单元能耗的关系，散点为各条件下液化单元功耗，细实线为回归拟合曲线。从图2中可以看到，当制冷剂的循环温度逐渐增大时，液化单元功耗在不断地减小。对相同处理规模来说，制冷剂提供的冷量需相同（两端温差），也即制冷剂进出口温度均升高，这意味着膨胀机出口的低温制冷剂温度升高，膨胀机绝热效率不变，则进入膨胀机的制冷剂压力降低，也即压缩机压缩制冷剂功耗就降低。当制冷剂循环温度不变，压力变化时，从图2右图可以看出，液化单元功耗随着压力的增大以显著的幂函数逐渐降低。

3.2 原料天然气操作条件的影响

图3 原料天然气操作温度和压力对功耗的影响

Figure 3 Effects of operating temperature and pressure of the raw gas on the energy consumption

图3显示了原料天然气操作温度和压力变化时对液化单元功耗的影响。当原料天然气的操作温度增大时，液化单元功耗在呈明显的线性增长。对相同的处理规模来说，其进入冷箱的温度增大而出口温度不变（储存压力不变），需要的冷量也增加，能耗就增加。图3右图显示当原料气的温度不变时，液化单元功耗随着压力的增高液化单元功耗先减小后增大，最佳操作压力约为2.6MPaG。当原料天然气的压力升高时，液化温度升高（泡点），需要的冷量减少，出主换热器后的温度升高（此处为完全液化），节流后进入精馏塔的温度升高，如果精馏塔的操作条件和脱氮要求不变，塔顶冷凝器需提供的冷量增大，假定而预冷换热器和主换热器需要提供的冷量不变，则制冷剂总流量增大，压缩机功耗增大。如果制冷剂总量不变，则需要增大膨胀比，使膨胀后的温度降低，因膨胀后压力不变，就需要提高膨胀前的进气压力，这需要分成两部分分析。如果透平膨胀机的增压端能够提供增加的压力，则不必耗费压缩机功耗，甚至可以降低压缩机功耗（膨胀端传递给增压端轴功增大），否则也相应要增大压缩机压缩比，增大功耗。前者对应于随着压力的增大，功耗减小的情况，后者对应于随着压力增大，液化单元功耗增大的情况。

3.3 制冷剂配比的影响

当氮气和甲烷作为混合制冷剂时，两者之间的配比变化影响了液化单元的功耗。图4 显示了氮气在混合制冷剂中所占比例从0.5到1.0过程中液化单元功耗的变化情况。随着氮气所占比例的增大，液化单元功耗在逐步增大。这是因为氮气比例增大时，制冷剂降低温度需要的功耗增大。对于相同流量的制冷剂，如果膨胀机绝热效率与进出口压力、进口温度不变时，氮气比例大的制冷剂的出口温度较高，所能提供的冷量较少。要提供冷量，必须增大进气压力和进出口压力差，也就相应增大了压缩机的功耗。

图4 制冷剂中氮甲烷比例对功耗的影响 Figure 4 Effects of N2 to CH4 ratios on the energy consumption	图5 不同氮气比例制冷剂的露点 Fig.5 Dew point for the refrigerants with different N2 content

3.4 精馏塔操作条件的变化

图6表示在0.6MPaG~1.0MPaG操作压力范围内，当精馏塔压力增大时，要达到相同的分馏要求，塔顶需要提供更多的冷量，制冷剂冷量也增大，导致液化单元的功耗增大。

图6 精馏塔压力对液化单元功耗的影响

4 结论

高含氮天然气液化及深冷脱氮<

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