天然气液化技术介绍
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天然⽓液化技术介绍
天然⽓液化技术介绍
1.概述
天然⽓液化,⼀般包括天然⽓净化和天然⽓液化两个过程。
常压下,甲烷液化需要降低温度到- 162℃,为此必须脱除天然⽓中的硫化氢、⼆氧化碳、重烃、⽔和汞等腐蚀介质和在低温过程中会使设备和管道冻堵的杂质,然后进⼊循环制冷系统,逐级冷凝分离丁烷、丙烷和⼄烷,得到液化天然⽓产品。
2.天然⽓的净化
液化天然⽓⼯程的原料⽓来⾃油⽓⽥⽣产的天然⽓,凝析⽓或油⽥伴⽣⽓,其不
同程度的含有硫化氢、⼆氧化碳、重烃、⽔和汞等杂质,在液化前必须进⾏预处理,
以避免在液化过程中由于⼆氧化碳重烃、⽔等的存在⽽产⽣冻结堵塞设备及管道。
表3-1列出了LNG⽣产要求原料⽓中最⼤允许杂质的含量。
表3-1
1)酸性⽓体脱除
天然⽓中常见的酸性⽓体: H2S(硫化氢)、 CO2(⼆氧化碳)、 COS(羰基)
危害:
H2S微量会对⼈的眼睛⿐喉有刺激性,若体积百分数达到0.6%的空⽓中停留2分钟,危及⽣命;
酸性⽓体对管道设备腐蚀;
酸性⽓体的临界温度较⾼,在降温下容易析出固体,堵塞设备管道;
CO2不会燃烧,⽆热值,若参与⽓体处理和运输不经济.
⽅法:化学吸收法,物理吸收法,化学-物理吸收法,直接转化法,膜分离法。
其中以醇胺法为主的化学吸收法和以砜胺法为代表的化学-物理吸收法是采⽤最多的⽅法。
2)化学吸收法
化学吸收法是以碱性溶液为吸收溶剂,与天然⽓中的酸性⽓体(主要H2S、CO2)反
应⽣成化合物。
当吸收了酸性⽓体的溶液温度升⾼,压⼒降低时,该化合物⼜分解释放出酸性⽓体。
化学吸收法具有代表性的是醇胺(烷醇胺)法和碱性盐溶液法。
醇胺法
胺类溶剂:⼀⼄醇胺(MEA),⼆⼄醇胺(DEA),⼆异丙醇胺(DIPA),⼆⽢醇
胺(DGA) ,甲基⼆⼄醇胺(MDEA)
醇胺类化合物分⼦结构特点是其中⾄少有⼀⼀个羟基和⼀⼀个胺基。
羟基
可降低化合物的蒸⽓压,并能增加化合物在⽔中的溶解度,可以配成⽔溶
液;⽽胺基则使化合物⽔溶液呈碱性,以促进其对酸性组分的吸收。
醇胺与H2S、CO2的反应均为可逆反应。
醇胺法特别适⽤于酸性组分分压低、重烃含量⾼的天然⽓脱硫。
醇胺的腐蚀性较⾼,对设备会造成腐蚀;
需要能耗⾼,溶剂损耗⼤。
MEA常⽤于酸性组分分压低的场合,属于伯醇胺,其反应能⼒,挥发度
和腐蚀性最强,可很容易将H2S含量降低到5mg/m3以下,但MEA既可
脱除H2S,也可脱除CO2,⼀般⽆选择性。
DEA与MEA相⽐,与H2S和C02的反应热较⼩,碱性和腐蚀性较弱,蒸
发损失较⼩,投资和操作费⽤相对较低,但DEA对H2S也没有选择性。
MDEA是叔醇胺,再⽣能耗低,腐蚀性⼩,可选择性吸收H2S。
活性热钾法
◆⽆机溶剂:加有活化剂的碳酸钾溶液
◆具有代表性的是BENFIELD法和CATACARD法
◆适合脱除C02的场合
3)物理吸收法
利⽤H2S和CO2等酸性组分与甲烷等烃类在溶剂中的溶解度不同⽽完成脱硫任务。
⼯业应⽤的物理溶剂有:甲醇,多⼄⼆醇⼆甲醚,碳酸丙烯醋等。
物理吸收法⼀般在⾼压,低温下进⾏,溶剂不易变质,腐蚀性⼩,能脱除有机硫;适合酸性⽓体分压⾼的天然⽓。
常⽤的⽅法有:SELEX0L法(聚⼄⼆醇⼆甲醚)和RECTIS0法(冷甲醇)。
4)化学-物理吸收法(联合吸收法)
使⽤的溶剂是醇胺、物理溶剂和⽔的混合液;
砜胺法:烷醇胺和环丁砜;
净化程度⾼,能耗低,腐蚀⼩,可脱除有机硫化合物。
5)净化⽅法的选择
常⽤的⽅法:醇胺法,砜胺法,热钾法
对于酸性⽓体含量低,酸⽓分压⼩于350KPa的原料⽓,适宜采⽤醇胺法;
砜胺法对中⾼酸性⽓体分压的天然⽓有⼴泛的应⽤,⽽且有良好的脱除有机硫的能⼒;
热钾碱法的BENFIELD溶剂,可同时脱除H2S和CO2,该法吸收温度⾼,净化程度好,特别适合含有⼤量CO2的原料⽓的处理。
3.脱⽔
按照现⾏标准,进⼊液化天然⽓⼯⼚的管输天然⽓的⽔露点,在交接点的压⼒和
温度条件下,应⽐最低环境温度低5℃,此时不满⾜深冷液化的要求,为防⽌低温液
化过程中产⽣⽔合物,堵塞设备和管道,在液化前,必须将原料⽓中的⽔份含量降低
到⼩于0.1X10-6 (体积分数)。
常⽤的天然⽓脱⽔⽅法有:冷却法、吸附法、和吸收法等。
1)冷却法
天然⽓中的饱和含⽔量取决于天然⽓的温度,压⼒和组成。
⼀般来说,天然⽓中
的饱和含⽔量随压⼒升⾼,温度降低⽽减少。
冷却脱⽔就是利⽤⼀定的压⼒下,天然⽓含⽔量随温度降低⽽减少的原理来实现天然⽓脱⽔。
2)吸收法
吸收法脱⽔是采⽤⼀种亲⽔液体(脱⽔吸收剂)与天然⽓逆流接触,吸收天然⽓中的⽔蒸⽓,从⽽脱除⽔分。
常⽤的脱⽔吸收剂有⽢醇和CaCL,⽔溶液。
由于三⽢醇的露点降可达-40°C以上,热稳定性好,成本低,运⾏可靠,在⽢醇类脱⽔吸收剂中应⽤效果最好。
3)吸附法
吸附法脱⽔是利⽤吸附原理,选择某些多孔性固体吸附剂吸附天然⽓中的⽔蒸⽓。
由于吸附脱⽔可以达到很低的⽔露点,因此适⽤于深冷分离⼯艺要求⽓体含⽔量很低
的场合。
天然⽓脱⽔常⽤的固体吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分⼦筛等。
4)脱⽔⽅法的选择
冷却脱⽔受温度压⼒限制,脱⽔深度受限,常作为初级脱⽔,由于天然⽓液化原
料⽓处理要求露点在-100℃以下,很少使⽤。
⽢醇法适⽤于⼤型天然⽓液化装置中脱除原料⽓所含的⼤部分⽔分。
⽢醇法投资
较低,连续操作,压降较⼩。
再⽣能耗⼩。
采⽤汽提再⽣时,⼲千⽓露点可降到约-60℃。
但⽓体含有重烃时,易起泡,影响操作,增加能耗。
分⼦筛法适⽤于要求千⽓露点低的场合,可以使⽓体中的体积分数降低到1x10-6
以下。
该法对温度流速压⼒等变化不敏感,腐蚀起泡问题不存在,对于处理量⼩,脱
⽔深度⼤的装置特别适合。
实际使⽤中,对于露点要求⼤的装置,可以采⽤分段脱⽔,先⽤⽢醇法除去⼤部
分⽔,再⽤分⼦筛法深度脱⽔到所要求的低露点。
4.天然⽓的液化⼯艺
⼯业中,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
可以分为三种:阶式(CASCADE) 制冷、混合冷剂制冷、膨胀机液化。
1)阶式(CASCADE) 制冷⼯艺
也称级联式液化⼯艺。
利⽤常压沸点不同的冷剂逐级降低制冷温度实现天然⽓的
液化。
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。
常⽤的冷剂是丙烷、⼄烯、甲烷。
图3-1是阶式制冷原理图。
第⼀级丙烷制冷循环为天然⽓/⼄烯/甲烷提供冷量;第⼆级⼄烯制冷循环为天然⽓/甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循环为天然⽓提供冷量;
阶式(CASCADE)制冷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负荷,在不同的温度下为天然⽓提供冷量,能耗低,⽓体液化率⾼(可达90%以上),但
所需设备多,投资⼤,制冷剂⽤量多,流程复杂。
2)混合冷剂制冷⼯艺
混合冷剂制冷循环(MRC)是美国空⽓产品和化学品公司于20世纪60年代末开发的⼀项专利技术。
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,以达到逐级冷却天然⽓的⽬的。
主要由两部分构成:密闭的制冷系统和主冷箱。
优点:
1)机组设备少,流程简单,投资省,投资费⽤⽐经典阶式(CASCADE)液化流程约低15%~20%;
2)管理⽅便;
3)混合制冷剂可以部分或全部从天然⽓本⾝提取与补充。
缺点:
1)混合冷剂的合理配备困难;
2)流程计算必须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数,计算困难。
3)膨胀机液化⼯艺
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。
能耗⾼,液化率低。
5.天然⽓的液化装置
天然⽓液化装置可以分为基本负荷型和调峰型两种,随着海上油⽓⽥的开发,近年⼜出现了浮式液化天然⽓⽣产储卸装置。
天然⽓液化装置⼀般由预处理、液化、
储存、控制及消防等系统组成。
1)基本负荷型天然⽓液化装置
基本负荷型天然⽓液化装置
主要⽤于天然⽓⽣产地液化后远洋运输,进⾏国际间的LNG贸易。
其液化和储存
连续运⾏,装置的能⼒⼀般在106m3/d以上。
全部设施由天然⽓预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统、装卸系统和消防系统等组成,是⼀个庞⼤复杂的系统⼯程。
阶式制冷的基本负荷天然⽓液化装置
优点是能耗低,各制冷循环及天然⽓液化系统独⽴分开,相互牵制少,操作稳定。
缺点是流程复杂,机组多,要有⽣产和储存各种制冷剂的设备,维修不⽅便。
混合冷剂制冷的基本负荷天然⽓液化装置
与级联式液化流程相⽐,该流程具有机组设备少,流程简单,投资少,操作管理⽅便等优点,缺点是混合冷剂各组分配⽐要求严格,流程计算困难。
丙烷预冷混合冷剂制冷的基本负荷天然⽓液化装置
丙烷预冷混合制冷液化流程(C3/MRC),结合了阶式液化流程和混合制冷液化流程的优点,流程⾼效简单。
⾃20世纪70年代来,这类流程在基本负荷型天然⽓液化装置
中得到了⼴泛的应⽤。
⽬前世纪上80%以上的基本负荷型天然⽓液化装置采⽤了丙烷预冷混合制冷液化流程。
液化流程主要经济技术指标⽐较(仅供参考)
2)调峰型天然⽓液化装置
调峰型天然⽓液化装置中主要采⽤以下三种类型的液化流程: 1)阶式液化流程; 2)混合制冷剂液化流程; 3) 膨胀机液化流程
6.天然⽓的液化设备
压缩机
往复式压缩机:处理量⽐较⼩( 100m3/min以下)
轴流式压缩机:主要⽤于混合冷剂制冷循环V离⼼式压缩机:⼤型液化装置
换热器:绕管式换热器、板翅式换热器
LNG泵
储罐
地下储罐
地上储罐:单容罐,双容罐,全容罐
槽车:也叫罐车,是固定在流动车架上的卧式储罐,分为压⼒槽车和常压槽车,其功能是专门⽤于运输危化品.(液化⽓体和常压液体)常温型:罐体为裸式,设计温度为-20?C⾄+50?C
低温型:罐体采⽤堆积绝热式,-20?C - -70?C
深冷型:罐体采⽤真空珠光砂绝热式或⾼真空多层包扎式,设计温度低于-150?C
罐体结构:安全阀,阀门箱,紧急切断装置,液位计,温度计,压⼒表,装卸阀门,⼈孔,导电接地装置,防冲板,铭牌等部件。