小型LNG装置的预处理与液化流程研究

【摘要】： 小型LNG装置体积小可撬装、机动运输、开停方便,能对分散的天然气气田进行采集,在我国具有战略价值。本文针对这一装置实施的方案及其关键技术展开研究,提出了预处理模块化的概念,以及一种新型节能的整合级联混合制冷剂液化流程(SP-MRC),主要内容如下。 一、预处理与液化流程优选及设备建模。对于小型LNG装置,建议采用分子筛吸附法脱水脱硫,提出了预处理模块化的概念。混合制冷剂液化循环可能是小型装置的最佳选择。对净化设备、热传递设备、旋转设备、分离设备和管线设备进行了数学建模。 二、天然气预处理试验装置的设计与搭建。试验装置用于测试多元混合气体的干燥和净化数据,主要包括以下几个部分:(1)原料气注入系统;(2)混合器;(3)吸附系统;(4)测量系统;(5)取样分析系统;(6)安全系统。 三、首次试验研究了分子筛净化天然气的模块化吸附工艺,工作内容和结论包括:(1)测定了水分、CO2在3A、4A和13X分子筛上的动态透出曲线。(2)测定了H2S在RK-38分子筛上的透出曲线。(3)测定了天然气在复合吸附床(3A+13X分子筛)上的动态吸附曲线,采用竞争吸附理论对各吸附模块进行了优化组合与配置。(4)对两种分子筛脱除CO2的试验数据进行分析,结果表明13X分子筛的吸附分离效果要优于4A分子筛。(5)建立了多组分吸附分离模型,利用试验曲线确定吸附平衡和动力学参数,对天然气和二元吸附剂的透出曲线及温度、吸附量变化趋势进行了数值模拟。(6)对分子筛在不同压力和不同温度下的动态吸附进行了研究。(7)预处理模块的吸附顺序一般为“先脱水再脱硫最后脱碳”,而脱附顺序为“先脱碳再脱硫最后脱水”。(8)对于不同产地不同气质的天然气,预处理模块化工艺可以适应对各种气源进行液化的苛刻要求。 四、模拟计算主要围绕混合制冷剂液化流程和N_2-CH_4膨胀机液化流程展开,提出了一种新型的整合级联式混合制冷剂液化流程(SP-MRC)。研究内容包括:(1)设计了两套典型的撬装型天然气液化流程,对流程进行了模拟计算,比较了两者的关键参数,并分析了各换热器中管路换热负荷-温度的分布情况。(2)对三种液化流程(C_3/MRC、N_2-CH_4 Expander和SP-MRC)进行了模拟计算和关键参数比较,结果表明新型SP-MRC流程的比功耗、比制冷剂流量与C_3/MRC流程接近,比冷却水负荷介于C_3/MRC和N_2-CH_4流程之间。(3)新型液化流程采用重烃和轻烃相结合的整合式级联技术,在保证较高液化率和较低比功耗的前提下,能显著减少压缩机与换热器的数量和体积。 五、从热力学的角度出发,详细分析了节能新型SP-MRC的关键参数对流程性能(比功耗、液化率、比制冷剂流量和比冷却水负荷)的影响。利用HYSYS的Original模式,以LNG比功耗最小化为目标函数,对SP-MRC液化流程进行了优化。在目标函数最优值的基础上,对LNG板翅式换热器的性能参数展开深入分析,得到了多组元混合工质在换热器中相变耦合的性能曲线。研究表明,温度、压力和组分分率的同时变化,将对换热器中多组元工质的焓值、热流量以及UA值产生重要影响。 六、以中原油田文23气田1号集气站外输气为例,对小型LNG装置的模块化撬装进行了可行性研究,采用了特有的模块化复合吸附工艺和SP-MRC混合制冷工艺,得到了天然气净化与液化相耦合的全流程节点的温度、压力、摩尔焓、摩尔熵、摩尔流量、气相分率和气液两相组分的摩尔分数。结果表明:LNG回收率90%,该装置的能耗成本仅为0.379 kWh/Nm~3,相当于0.19元/m~3天然气。