煤层气含氮量对液化影响

前言

煤层气是一种以甲烷为主要成分的煤矿伴生气，是一种优质高效的能源。煤层气液化是一种高效的储运技术，为煤层气从产地到用户的输送提供了一种便捷方式。[1]与普通天然气相比，煤层气中通常含较多氮、氧、二氧化碳等，因此相应的液化流程的技术方案也会有所不同。由于氮是煤层气中较重要的成分，对流程的影响也最大，因此本文假定煤层气仅含甲烷和氮两种成分，以重点考察氮含量对煤层气丙烷预冷氮气膨胀液化流程的影响。

1 液化流程的初选

氮气膨胀液化流程结构简单、紧凑，较适用于一般来说规模不大的煤层气液化装置；但其能耗较高。在此流程中引入丙烷预冷，可以在高温区利用这一效率较高的制冷方式，从而有效降低能耗。因此，本流程使用带丙烷预冷的氮膨胀液化流程[2-4]。

在初步分析中，对流程进行了适当简化，压缩和膨胀过程均只考虑一级，如图1所示。

其工作过程为：由甲烷和氮组成的煤层气原料气（点7）压缩后分别经水冷器冷却、丙烷预冷和氮气冷却，并经节流阀2降压，最后在气液分离器中分离出LNG产品，而分离出的气体产物引入换热器3及换热器1回收冷量。丙烷预冷为一个带回热的蒸汽压缩式制冷循环。氮气膨胀循环中，氮气经压缩和水冷后在换热器1中预冷，接着在膨胀机中膨胀产生冷量，最后为换热器3提供冷量[5]。

2 流程主要参数计算

以单位液化产品功耗为主要指标，首先分别固定液化率、甲烷回收率两个重要指标考察含氮量的影响。最后计算不同丙烷制冷温度下的流程功耗，并得出不同氮气含量时的最佳丙烷制冷温度。

2.1 流程中已知参数

天然气液化过程中：原料气NG（7）温度t7=35℃，压力p7=101.325kPa，摩尔流量qn7=1kmol/h；产品LNG （13）压力p13=101.325 kPa；经水冷器冷却后温度t9=35℃，经丙烷预冷后温度t10=－28℃，经氮气冷却后压力p11=500kPa；回收冷量部分t15=－20℃，t16=30℃。

丙烷预冷过程中：冷凝温度t3=35℃，过冷温度t4=30℃，蒸发温度t5=－33℃。

氮膨胀过程中：经水冷器冷却后温度t19=35℃，经丙烷预冷后温度t20=－28℃，膨胀后压力p21=200kPa，t21=t11，t17=－20℃。

各压缩机效率为85%，膨胀机效率为80%，各换热器压降为0。

2.2 计算方法

固定液化率时，采用热平衡法[6]计算过程如下：

1)通过液化率和含氮量的固定，可得到点11的温度，由此流程中各点的状态参数均可得出。

2)计算氮气摩尔流量qn2：通过对换热器3进行热平衡计算，可求得

3)计算丙烷摩尔流量q n3：通过对换热器1进行热平衡计算，可求得

图1 简化的丙烷预冷氮膨胀液化流程

图2 液化率为95%时点11温度随含氮量的变化图

4)计算系统单位摩尔产品功耗：

固定甲烷回收率时，计算过程与上述相同；考察丙烷制冷温度的影响时，固定液化率为95%，改变丙烷蒸发温度t5，并取天然气及氮气经丙烷预冷后的温度比t5高5度，同样可按上述过程进行计算。

2.3 计算结果及分析

2.3.1 固定液化率y

以原料气液化率95%为例按上述公式进行计算，可得到不同含氮量下的点11（节流阀前）温度，进而算得氮气摩尔流量和丙烷摩尔流量，并最终可得到系统单位功耗。

计算出的节流阀前温度和制冷剂流量见图2和3。随着原料气含氮量增加，节流前所需达到的温度显著下降，膨胀氮气流量明显下降，丙烷流量略有下降。

图3 液化率为95%时制冷剂摩尔流量随含氮量的变化

图图4 不同液化率下系统单位功耗随天然气含氮量的

变化

图5 不同甲烷回收率下单位功耗随天然气含氮量的变化

单位产品功耗的变化是本文考察的重点。在不同含氮量下，原料气液化率为100%，95%，90%，85%，80%时的单位功耗计算结果见图4。其中，对于液化率为100%时的情况，由于氮气含量过高时将导致点11的温度过低，使循环不能完成，所以仅考虑含氮量变化范围为0～30%。

由计算结果可知，液化率越高，相同含氮量下的流程单位产品功耗也越大；在液化率不变的条件下，随着含氮量的增加，流程单位功耗先增大后减小。这主要是由于氮气沸点较低，较甲烷难液化，因此含氮量增加时，必定会消耗更多的液化功；但由于随含氮量的增加，制冷剂流量减少，使得单位功耗又有减小的趋势。

2.3.2 固定甲烷回收率

由计算结果可知，固定甲烷回收率时，随含氮量的增大，系统单位功耗单调增加；相同含氮量下，随甲烷回收率的不同，系统单位功耗的变化趋势较为复杂：低含氮量下，单位功耗随回收率的增加而增加，高含氮量下却随回收率的增加而减小。在实际应用中，我们主要关心的是甲烷能否被回收，所以可以把甲烷回收率，即液态产品中甲烷的摩尔流量占煤层气原料气中甲烷摩尔流量的比率作为主要控制指标进行计算。与固定液化率时计算方法相同，可得到不同甲烷回收率下单位产品功耗随含氮量的变化情况。如图5所示。

随着氮含量的增加，在一定的甲烷回收率下，液化率减小，系统所需功耗也将减小，但由于产品流量减小，使得系统单位功耗增大；而在一定的含氮量下，一方面，甲烷回收率越大，液化率也越大，使流程单位功耗越大，另一方面，甲烷回收率越大，产品流量也越大，使得单位功耗又有变小的趋势，且随着含氮量的增加，产品流量对单位功耗的影响大过液化率的影响，使得在较高含氮量下低甲烷回收率的单位功耗反而大过高回收率下的单位功耗。

2.3.3 丙烷制冷温度的影响

丙烷制冷的温度越高，循环效率越高，但为氮气膨胀循环减少的负荷也越少；丙烷制冷的温度越低，为氮气膨胀减少的负荷也越多，但自身能耗急剧增大。因此，丙烷制冷应该有一个最佳的温度。

考察丙烷制冷温度，即丙烷蒸发温度t5的变化对流程功耗的影响。其中天然气及氮气经丙烷预冷后的温度取为比丙烷制冷温度高5度。流程的液化率固定为95%。计算结果如图6所示。

由计算结果可知，不同含氮量下使得系统单位功耗最低的丙烷制冷温度为-60℃至-75℃范围内。但是这一温度范围低于丙烷常压沸点-42℃，会带来两个问题：一是会使系统一部分处于高压状态，另一部分处于负压状态，不利于系统防泄漏；二是随着蒸发温度降低，压缩机吸入口蒸气密度急剧下降，制冷剂单位容积制冷量随之急剧下降，为得到所需制冷量压缩机尺寸急剧增大，经济上不合理。

因此，在理论计算结果的基础上结合实际情况综合考虑，可将最佳蒸发温度取为略高于丙烷常压沸点的

-40℃，使系统维持正压，压缩机的尺寸不至过大，系统单位功耗也较小。

3 完整的煤层气液化流程

综合以上分析，我们构建了一个完整的煤层气丙烷预冷氮气膨胀液化流程：将煤层气液化及氮膨胀部分的压缩和膨胀过程设为两级；二级膨胀前的氮气进入换热器LNG-102被膨胀完成后的冷氮气冷却至较低温度；将膨胀机K-105输出功用于驱动压缩机K-103以减少系统整体功耗；各水冷器和换热器压降设为10kPa。该流程如图7所示。

各参数设定：丙烷制冷温度设为-40℃；相应经丙烷冷却后的天然气温度和氮气温度为-35℃；天然气回流冷气体经换热器LNG-102后温度为-40℃；天然气压缩终压为3000kPa；氮气压缩终压为3500kPa。其余参数与前述相同。

该煤层气丙烷预冷氮气膨胀液化流程下，系统的单位产品功耗为：

其中W0～W4分别为压缩机K-100~K-104的功耗，W5和W6分别为膨胀机K-105和K-106的功耗，q n16为LNG产品的摩尔流量（kmol/h）。

由于膨胀机K-105的输出功直接用于驱动压缩机K-103，因此该公式可简化为：

当含氮量为30%，液化率为95%时，通过HYSYS模拟分析可得出系统单位产品功耗为12.86kWh/kmol，即

4.63×104kJ/kmol。与前述分析计算结果相比，该值已经相对较优。