中原油田天然气液化工艺研究

中原油田天然气液化工艺研究杨志毅张孔明王志宇陈英烈王保庆叶勇刘江旭中原石油勘探局457001e-mail:[e-mail]摘要：本篇参考了国内外有关液化天然气（LNG）方面大量的技术资料，结合中原石油勘探局天然气应用技术开发处LNG工厂建设过程中的实践经验，简要介绍了目前国内外LNG产业的发展状况和LNG在国内发展的必要性以及发展前景。其中LNG发展状况部分，引用大量较为详实的统计数据，说明了我国目前LNG发展水平同国外水平间的差距与不足，并介绍了我国天然气资源状况，包括已探明的储量。工艺介绍部分，简要介绍了目前国外已用于工业生产的比较成熟的工艺方案，同时以大量篇幅介绍了中原石油勘探局天然气应用技术开发处，针对自身气源特点，设计出的三套液化工艺的技术性能及经济比较，旨在为大家今后从事LNG产业开发、利用提供一些有益的帮助。同时本篇还介绍了中原石油勘探局天然气应用技术开发处正在建设中的LNG工厂的工艺路线及部分参数。引言能源是国民经济的主要支柱，能源的可持续发展也是国民经济可持续发展的必不可少的条件。目前，我国能源结构不理想，对环境污染较大的煤碳在一次能源结构中占75%，石油和天然气只占20%和2%，尤其是做为清洁燃料的天然气，与在世界能源结构中占21.3%的比例相比，相差10倍还要多。所以发展清洁燃料，加快我国天然气产业的发展，是充分利用现有资源，改善能源结构，减少环境污染的良好途径。从我国天然气资源的分布情况来看，多分布于中西部地区，而东南沿海发达地区是能源消耗最大的地区，所以要合理利用资源，解决利用同运输间的矛盾，发展LNG产业就成了非常行之有效的途径。液化天然气（LNG）的性质及用途：液化天然气（liquefiednaturalgas）简称LNG，是以甲烷为主要组分的低温、液态混合物，其体积仅为气态时的１／625，具有便于经济可靠运输，储存效率高，生产使用安全，有利于环境保护等特点。LNG用途广泛，不仅自身可以做为能源利用,同时可作为LNG汽车及LCNG汽车的燃料，而且它所携带的低温冷量，可以实施多项综合利用，如冷藏、冷冻、空调、低温研磨等。液化天然气（LNG）产业国内外发展情况：1．国外LNG发展情况：液化天然气是天然气资源应用的一种重要形式，目前LNG占国际天然气贸易量的25%，1997年已达7580万吨，（折合956亿立方米天然气）。LNG主要产地分布在印度尼西亚、马来西亚、澳大利亚、阿尔及利亚、文莱等地，消费国主要是日本、法国、西班牙、美国、韩国和我国台湾省等。LNG自六十年代开始应用以来，年产量平均以20%的速度持续增加，进入90年代后，由于供需基本平衡，海湾战争等因素影响，LNG每年以6～8%的速度递增，这个速度仍高于同期其它能源的增长速度。2．国内LNG概况在我国，液化天然气在天然气工业中的比重几乎为零，这无法满足我国经济发展中对液化天然气的需求，也与世界上液化天然气的高速度、大规模发展的形势相悖，但值得称道的是，我国的科研人员和从事天然气的工程技术人员为我国液化天然气工业做了许多探索性的工作。目前，有三套全部国产化的小型液化天然气生产装置分别在四川绵阳、吉林油田和长庆油田建成，三套装置采用不同的生产工艺，为我国LNG事业发展起到了很好的示范作用。3．我国天然气资源优势我国年产天然气201多亿Nm3,天然气资源量超过38万亿M3，探明储量只有4.3%，而世界平均为37%，这说明我国天然气工业较落后，同时说明了我们大力发展天然气工业是有资源保证的，是有潜力的。目前几种成熟的天然气液化工艺介绍天然气液化过程根据原理可以分这三种。第一种是无制冷剂的液化工艺，天然气经过压缩，向外界释放热量，再经膨胀（或节流）使天然气压力和温度下降，使天然气部分液化；第二种是只有一种制冷剂的液化工艺，这包括氮气致冷循环和混合制冷剂循环，这种方法是通过制冷剂的压缩、冷却、节流过程获得低温，通过换热使天然气液化的工艺；第三种是多种制冷剂的液化工艺，这种工艺选用蒸发温度成梯度的一组制冷剂如丙烷、乙烷（或乙烯）、甲烷，通过多个制冷系统分别与天然气换热，使天然气温度逐渐降低达到液化的目的，这种方法通常称为阶式混和制冷工艺或复迭式制冷工艺。中原油田天然气液化工艺研究天然气液化工艺包括净化单元和液化单元两大部分，净化单元脱除原料气中的水、重烃、酸性气体（H2S，CO2）、汞等不利于液化单元正常工作的有害物质；液化单元主要是利用外加冷源和自身压力能使气态天然气转化为液态的工艺过程。1．中原油田天然气及气质情况：中原油田年产天然气13亿立方米，文23块气田是全国有名的整装气田，以压力高且稳定，气质好、产量高而闻名全国。根据资料分析，文23块气田的压力在12MPa可以维持十年以上，该气田的天然气中甲烷含量达95%以上，CO2和C5以上组分含量很低，不含H2S和Hg。另外中原油田拥有丰富的中压和低压输气管网，为低成本运行的部分液化工艺提供了较优越的条件。2．净化工艺：脱水常用的方法是分子筛吸附法，这种方法可使天然气中水蒸气脱至1PPM，我们拟采用分子筛吸附法脱水，天然气中的酸性气体CO2和H2S的脱除常采用分子筛吸附法和溶剂吸收法，中原天然气中不含H2S，CO2含量在1.1%，我们采用溶剂（DEA）吸收法脱除CO2，C5以上重烃脱除常用的方法也有两种,就是活性碳吸附法和制冷分离法,根据中原天然气中C5以上的组分含量和天然气的压力、温度、流量等参数，采用低温分离法较合适。3。预选的液化工艺：工艺方案一：丙烷预冷+节流工艺（图1）净化后的原料气进液化装置压力为12Mpa、40℃，首先经过丙烷预冷至-35℃左右，再经尾气冷却后进行一次节流至1MPa，此时得到1Mpa的LNG和1Mpa不凝气，不凝气回流预冷天然气后进入1Mpa的外输管网，LNG再次节流至0.3Mpa，此时得到-146LC、0.3Mpa的LNG和不凝气，不凝气回流预冷一次节流前的天然气以回收冷量，降低能耗。LNG进入低温储罐储存。图1（略）工艺方案二：丙烷预冷+双膨胀机+节流（图2）净化后的高压天然气首先节流至8Mpa（考虑到国产膨胀机最大工作压力为8Mpa），经过丙烷或氨预冷至-30LC进入高压膨胀机，膨胀至3.2Mpa后进入一级分离器，气相再经过低温尾气预冷后进入中压膨胀机，膨胀至0.6Mpa，再进入二级分离器，气相的低温尾气回流预冷二级膨胀机前的天然气，液相经过节流至0.3Mpa进入LNG储罐，0.3Mpa低温尾气回流冷却原料气。0.3Mpa的LNG进入储罐。图2（略）工艺方案三：丙烷预冷+乙烯预冷+节流（图3）在充分吸取国外先进工艺技术的基础上，结合国内、国外有关设备的情况，我们又研究出第三套LNG工艺技术方案。图3（略）净化后的高压天然气，先经过丙烷预冷至-30LC再经过乙烯制冷系统冷却至-90LC，再经过一级节流产生1Mpa的LNG和低温尾气，然后进行二次节流至0.3Mpa，产生0.3Mpa的LNG和低温尾气，中低压低温尾气均回流预冷和过冷丙烷和乙烯两种制冷介质。丙烷制冷和乙烯制冷系统是两个相对独立又相互联系的系统，两个系统通过调节制冷剂温度和流量来控制天然气的温度，并设尾气冷量回收系统回收尾气的冷量，高压节流产生的冷量在装置中被充分利用。4。液化工艺方案技术经济比较方案一方案二方案三原料气量30×104m3/d30×104m3/d30×104m3/d能耗0.1Kwh/Nm30.08Kwh/Nm30.13Kwh/Nm3收率18%37.80%≥50%工艺优点工艺流程短,设备少装置可靠,能耗低。能耗较低,工艺流程简单收率较高收率高，各制冷系统相对独立，可靠性。、灵活性好。收率低，经济效益不装置高速转动部件工艺相对较复杂，须理想。多，操作复杂，极限两种制冷介质和循工艺缺点液化率37.8%。设备投资高。环。设备投资高。中原油田LNG工厂工艺方案简介从以上技术经济比较中，方案三虽然能耗较大，但其收率较其它两种方案高的多，且比较适合中原油田气源特点，故我们选择了方案三作为设计基础，并加以改进，形成了独特、合理的天然气液化工艺流程。该工艺流程如下图所示，120bar/27℃高压天然气进装置后，经高压分离罐分液，然后进入天然气脱ＣＯ２单元，本单元采用以一乙醇胺为吸收剂的溶剂吸收法脱除ＣＯ２，再用吸附效果较理想的分子筛脱水；净化后的高压原料气由丙烷预冷至-30℃左右，节流膨胀至53bar/-60℃左右，分离脱除重烃，再经乙烯冷凝，节流至10bar/-123℃，分离得中压尾气和中压LNG，中压LNG再经节流，得到3bar/-145℃左右的低压LNG，低压尾气同中压尾气一起经回收冷量后分别进入低压和中压管网，低z压LNG作为产品储存于储罐内。其收率达到51.4%,能耗为0.13Kwh/Nm3。七．结论本篇所研究的工艺方案均是部分液化工艺，充分利用了气源的高压力能，具有能耗低，成本低的特点，对全国有类似气源的油气田有一定的借鉴意义。天然气液化技术使得中、西部地区丰富的天然气资源低成本地走向东、南发达地区成为可能，缓解了我国天然气资源分布不均的矛盾；天然气作为汽车燃料和城市民用清洁燃料，减小了对大气的污染，对城市环境污染问题的解决十分有利；天然气液化技术的发展，给中、老油区寻找新的经济增长点，解决资源不足问题提供了新的思路；天然气液化工艺技术的发展，将促进我国低温技术、低温设备制造、化工生产行业的发展，给我国经济的高速快速发展注入一份新的生机。