管道天然氣重?zé)N脫除單元及重?zé)N脫除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域，特別是涉及管道天然氣液化裝置的一體化彈性重?zé)N脫除單 元，及其脫除重?zé)N的工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國(guó)現(xiàn)行的天然氣國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)重?zé)N含量或烴露點(diǎn)沒(méi)有做明確要求，但隨著 我國(guó)天然氣進(jìn)口量的日益提高，參考國(guó)外天然氣售氣標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)重?zé)N含量加以限制，將會(huì)是今 后的趨勢(shì)。
[0003] 對(duì)于利用管輸天然氣來(lái)進(jìn)行LNG (液化天然氣）生產(chǎn)的工廠來(lái)說(shuō)，由于上游氣源來(lái) 源的多樣性、摻混比例的非恒定及其他用戶用氣量隨季節(jié)等外界因素的波動(dòng)等，造成這類 LNG工廠在開(kāi)車及正常生產(chǎn)運(yùn)行中始終存在著氣源組分偏離設(shè)計(jì)值，且隨時(shí)可能發(fā)生新的 變化的問(wèn)題，這在華油天然氣有限公司的多個(gè)LNG工廠中都已發(fā)生，個(gè)別工廠甚至出現(xiàn)以 日為基準(zhǔn)的頻繁變化。而這些組分變化中尤以重?zé)N變化對(duì)系統(tǒng)影響較大，例如，芳香烴、環(huán) 烷烴及碳數(shù)高的烷烴等在低溫下極易造成冷箱冷劑回路"凍堵"，表1列出了 LNG生產(chǎn)需要 脫除的重?zé)N組分及純質(zhì)下的凝固點(diǎn)溫度：
[0004] 表1 LNG生產(chǎn)需脫除的重?zé)N組分及凝固點(diǎn)溫度
[0005]
[0006] 考慮到目前國(guó)內(nèi)的管輸天然氣液化裝置的規(guī)模特點(diǎn)（10萬(wàn)標(biāo)方/天~200萬(wàn)標(biāo)方 /天），部分冷凝分離罐重?zé)N脫除設(shè)計(jì)得到了最廣泛的應(yīng)用，其基本結(jié)構(gòu)及工藝如圖1所示， 主要設(shè)備包括：
[0007] 冷箱1，液化天然氣工廠的核心設(shè)備，是冷劑和天然氣的換熱器，通過(guò)冷劑側(cè)的冷 能降低天然氣的溫度至液化點(diǎn)以下，將天然氣液化。
[0008] 重?zé)N分離罐2,天然氣通過(guò)冷箱1上部降溫至重組分（部分C2-C5)的臨界溫度，將 部分的C2-C5以液相的形式析出。脫除重組分后的氣相返回至冷箱1液化。
[0009] 冷劑緩沖罐3,經(jīng)過(guò)壓縮降溫后的冷劑在冷劑緩沖罐3內(nèi)進(jìn)行氣液分離，氣相冷劑 直接進(jìn)入冷箱1，液相冷劑通過(guò)冷劑泵4泵送至冷箱1。
[0010] 冷劑泵4,將冷劑緩沖罐3中的液相冷劑增壓后通過(guò)低壓重?zé)N換熱器5、高壓重?zé)N 換熱器6后進(jìn)入冷箱1。
[0011] 低壓重?zé)N換熱器5,利用液相冷劑將降壓后的重?zé)N洗滌塔洗滌出的重組分升溫，同 時(shí)冷卻液相冷劑。
[0012] 高壓重?zé)N換熱器6,利用液相冷劑將高壓的重?zé)N洗滌塔洗滌出的重組分升溫，同時(shí) 冷卻液相冷劑。
[0013] 重?zé)N儲(chǔ)罐7,用于存儲(chǔ)從天然氣中脫除的重?zé)N。
[0014] 經(jīng)過(guò)脫酸、干燥脫汞合格的凈化天然氣首先被冷箱1預(yù)冷至重組分的臨界溫度， 然后通過(guò)重?zé)N分離罐2進(jìn)行氣液分離。被分離出的液相進(jìn)入高壓重?zé)N換熱器5及低壓重?zé)N 換熱器6被復(fù)溫后再次分離，液相進(jìn)入重?zé)N儲(chǔ)罐7。氣相返回冷箱1下部，被進(jìn)一步被冷卻、 液化成LNG產(chǎn)品。
[0015] 上述冷凝分離罐重?zé)N脫除設(shè)計(jì)是單回路混合冷劑整體循環(huán)（PRICO)LNG液化工藝 中的重?zé)N脫除設(shè)計(jì)（參見(jiàn)美國(guó)專利US5657643、US6295833)，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，對(duì)于裝置 規(guī)模小、氣源組分相對(duì)穩(wěn)定且重?zé)N總量偏低（C 4+含量）的液化裝置，可以有效降低設(shè)備投 資，且能夠有效去除造成冷箱"凍堵"的組分。但是，對(duì)于管輸天然氣液化裝置而言，其缺點(diǎn) 也是顯而易見(jiàn)的：
[0016] 1.無(wú)法適應(yīng)多氣源供氣的管輸氣組分變化時(shí)的供氣特點(diǎn)。
[0017] 2.無(wú)法對(duì)管輸氣組分快速變化進(jìn)行快速響應(yīng)，造成因重?zé)N突破現(xiàn)有的重?zé)N脫除單 元而造成冷箱冷劑回路"凍堵"。冷端換熱溫差過(guò)大（20°C以上），會(huì)使得產(chǎn)能迅速下降，從 而形成操作瓶頸。倘若停車，對(duì)冷箱升溫解凍，會(huì)造成裝置停產(chǎn)、大量天然氣放火炬等嚴(yán)重 的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。
[0018] 3.在不改變根本工藝的前提下，僅通過(guò)更換設(shè)備及閥門(mén)選型（更大的E1、V1、E3、 E4及與之相連的液相調(diào)節(jié)閥甚至LNG產(chǎn)品線上的控制閥），會(huì)在增加設(shè)備投資的同時(shí)，降低 產(chǎn)品收率，且單位產(chǎn)品能耗升高。
[0019] 4.裝置操作及開(kāi)車難度大大提高，在極端情況下（窮盡裝置安全操作可能的手 段）裝置將完全無(wú)法通過(guò)目前現(xiàn)實(shí)的控制手段（自動(dòng)或手動(dòng)）恢復(fù)連續(xù)平穩(wěn)的運(yùn)行，且大 大增加了設(shè)備損壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
[0020] 為了有效去除造成冷箱"凍堵"的重?zé)N組分，目前也有采用部分冷凝分離罐和 重?zé)N洗滌塔相結(jié)合的設(shè)計(jì)（參見(jiàn)"液化天然氣工廠脫苯工藝的改造"，天然氣工業(yè)，2007， Vol. 27, No. 6, ppll8-120)。重?zé)N洗滌（或稱吸收法）原本是用在輕烴回收工廠的工藝設(shè) 計(jì)，在凈化處理的工業(yè)中應(yīng)用較少，主要是在焦?fàn)t煤氣脫苯等場(chǎng)合有應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是指氣態(tài) 的輕烴分子溶解進(jìn)入更重的液態(tài)烴的溶液中的物理過(guò)程。對(duì)于常規(guī)的輕烴回收應(yīng)用，該過(guò) 程可以在常溫下進(jìn)行；當(dāng)需要回收更輕的烴類，如丙烷甚至是乙烷時(shí)，需要結(jié)合冷卻的方法 進(jìn)行。
[0021] 圖2顯示了一實(shí)際工程案例中，LNG裝置的重?zé)N洗滌法流程，其主要設(shè)備包括：
[0022] 冷箱1，液化天然氣工廠的核心設(shè)備，是冷劑和天然氣的換熱器，通過(guò)冷劑側(cè)的冷 能降低天然氣的溫度至液化點(diǎn)以下，將天然氣液化。
[0023] 重?zé)N分離罐2,天然氣通過(guò)冷箱1上部降溫至重組分（部分C2-C5)的臨界溫度，將 部分的C2-C5以液相的形式析出。脫除重組分后的氣相返回至冷箱1液化。
[0024] 冷劑緩沖罐3,經(jīng)過(guò)壓縮降溫后的冷劑在冷劑緩沖罐3內(nèi)進(jìn)行氣液分離，氣相冷劑 直接進(jìn)入冷箱1，液相冷劑通過(guò)冷劑泵4泵送至冷箱1。
[0025] 冷劑泵4,將冷劑緩沖罐3中的液相冷劑增壓后通過(guò)低壓重?zé)N換熱器5、高壓重?zé)N 換熱器6后進(jìn)入冷箱1。
[0026] 低壓重?zé)N換熱器5,利用液相冷劑將降壓后的重?zé)N洗滌塔洗滌出的重組分升溫，同 時(shí)冷卻液相冷劑。
[0027] 高壓重?zé)N換熱器6,利用液相冷劑將高壓的重?zé)N洗滌塔洗滌出的重組分升溫，同時(shí) 冷卻液相冷劑。
[0028] 重?zé)N儲(chǔ)罐7,用于存儲(chǔ)從天然氣中脫除的重?zé)N。
[0029] 液烴泵8,通過(guò)液烴泵8將重?zé)N分離罐2分離出的液相重組分泵送至重?zé)N洗滌塔 9，洗滌原料氣中的C 6+組分。
[0030] 重?zé)N洗滌塔9,通過(guò)液相的重組分或異戊烷在重?zé)N洗滌塔9內(nèi)將原料氣中的C6+組 分洗滌掉。洗滌出的C 6+以及重組分或異戊烷在塔底，然后通過(guò)換熱后至重?zé)N儲(chǔ)罐7存儲(chǔ)。 "洗滌干凈"的天然氣通過(guò)交叉換熱器10換熱后進(jìn)入冷箱1液化。
[0031] 交叉換熱器10,進(jìn)入重?zé)N洗滌塔9的原料氣和重?zé)N洗滌塔9塔頂"干凈"的原料氣 換熱，有效降低入塔原料氣的溫度。
[0032] 從圖2中可以看出，該工藝是在重?zé)N分離罐2的基礎(chǔ)上增加了重?zé)N洗滌塔9,而交 叉換熱器10可以對(duì)進(jìn)入重?zé)N洗滌塔9的天然氣進(jìn)行預(yù)冷，而洗滌液來(lái)自重?zé)N分離罐2的被 冷卻后的液相，其通過(guò)液烴泵8送入重?zé)N洗滌塔9塔頂?？紤]到"貧"、"富"氣的不斷波動(dòng) 造成重?zé)N分離罐2中冷凝液的不穩(wěn)定，又增加異戊烷補(bǔ)充線，以穩(wěn)定重?zé)N洗滌塔9的操作。
[0033] 該方法成功脫除了造成"凍堵"的重?zé)N組分，但是也帶來(lái)了一系列問(wèn)題：
[0034] 1.需要新增加設(shè)備。
[0035] 2.仍然無(wú)法適應(yīng)氣源較快的波動(dòng)。
[0036] 3.需要外排天然氣，對(duì)于無(wú)下游管網(wǎng)的場(chǎng)合需要放火炬，即使"貧氣"的場(chǎng)合也需 要每日外輸超過(guò)8萬(wàn)標(biāo)方氣體，加大浪費(fèi)。
[0037] 4.對(duì)于貧氣的場(chǎng)合，需要補(bǔ)充異戊烷，這會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用（以年8000小時(shí)消耗 1760噸異戊燒為例,約增加運(yùn)行費(fèi)用近1000萬(wàn)元）。
[0038] 綜合分析以上工程實(shí)際案例不難發(fā)現(xiàn)，目前裝置脫重?zé)N設(shè)計(jì)之所以無(wú)法提供足夠 的彈性，甚至造成整個(gè)裝置生產(chǎn)瓶頸的核心原因是這一設(shè)計(jì)不能適應(yīng)目前國(guó)內(nèi)管輸天然氣 的特點(diǎn)：天然氣中的重組分C 6+含量普遍偏低。由于輕烴回收裝置投資高，產(chǎn)品量低，無(wú)法 有效回收投資，造成上游鮮有天然氣液體回收裝置。
[0039] 然而盡管總量很低，但是此類管輸氣的重組分中卻多數(shù)含有C6+(多數(shù)在 100-1300ppm之間）包括芳烴、環(huán)烷烴或長(zhǎng)鏈烷烴等的重組分，且這些組分會(huì)在甚至以天為 單位的時(shí)間段內(nèi)大范圍的波動(dòng)（濃度ppm值變動(dòng)幅度可達(dá)數(shù)百倍）。這些新的特點(diǎn)是目前 設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單的閃蒸為基礎(chǔ)的（相當(dāng)于1塊理論板的精餾單元）中間分離罐無(wú)法完全勝任 的。同樣，組分的快速變化及大范圍波動(dòng)使得以精餾為基礎(chǔ)的分離設(shè)計(jì)也難以提供足夠的 快速響應(yīng)和操作彈性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0040] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是提供一種管道天然氣重?zé)N脫除單元，它可以有效 脫除管道天然氣中的重?zé)N，且能適應(yīng)重?zé)N組分的大范圍波動(dòng)。
[0041] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的管道天然氣重?zé)N脫除單元，包括：
[0042] 重?zé)N吸附器，設(shè)置在分子篩脫水單元下游，用于脫除天然氣中的芳香烴、環(huán)烷烴和 C6以上的長(zhǎng)鏈烷烴；該重?zé)N吸附器包含有兩個(gè)重?zé)N吸附床，其中一個(gè)重?zé)N吸附床為在線吸 附床，另一個(gè)重?zé)N吸附床為再生床；
[0043] 再生氣加熱器，與重?zé)N吸附器底部出口連接，用于加熱來(lái)自重?zé)N吸附器底部出口 的部分再生氣，并將加熱后的再生氣逆流送入需加熱的重?zé)N吸附床；
[0044] 重?zé)N再生氣換熱器，與重?zé)N吸附器頂部出口連接，用于部分冷凝來(lái)自重?zé)N吸附器 頂部出口的再生氣；
[0045] 再生氣重?zé)N分離罐，與重?zé)N再生氣換熱器頂部出口連接，用于對(duì)重?zé)N再生氣換熱 器出來(lái)的再生氣進(jìn)行氣、液分離；
[0046] 高壓節(jié)能器，與再生氣重?zé)N分離罐頂部出口連接，并設(shè)置在再生脫水單元的分子 篩之前，用于對(duì)再生氣重?zé)N分離罐分離出的氣相進(jìn)行復(fù)溫。
[0047] 較佳的，該管道天然氣重?zé)N脫除單元還包括有粉塵過(guò)濾器，設(shè)置在重?zé)N吸附器和 再生氣加熱器之間、液化單元之前，用于濾除由重?zé)N吸附器帶來(lái)的粉塵雜質(zhì)。
[0048] 較佳的，該管道天然氣重?zé)N脫除單元還包括有再生氣冷卻器，設(shè)置在重?zé)N吸附器 和重?zé)N再生氣換熱器之間（還可以同時(shí)與再生氣加熱器出口連接），用于冷卻脫除重?zé)N后 的再生氣。
[0049] 較佳的，該管道天然氣重?zé)N脫除單元還包括有低壓節(jié)能器，設(shè)置在重?zé)N儲(chǔ)罐之前， 并與再生氣重?zé)N分離罐底部出口和高壓節(jié)能器底部入口連接，用于對(duì)再生氣重?zé)N分離罐分 離出的液相進(jìn)行復(fù)溫，并對(duì)進(jìn)入高壓節(jié)能器的液體冷劑進(jìn)行預(yù)冷；所述高壓節(jié)能器頂部出 口還與重?zé)N再生氣換熱器頂部入口連接。
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