煤層氣制液化天然氣工藝方案探討

摘 要

結(jié)合工程實(shí)例,探討了煤層氣制液化天然氣的凈化、液化工藝方案。

摘要:結(jié)合工程實(shí)例,探討了煤層氣制液化天然氣的凈化、液化工藝方案。
關(guān)鍵詞:煤層氣凈化;煤層氣液化;混合制冷劑制冷;脫氧;脫碳;脫硫;脫苯;
Discussion on Technological Scheme for Production of Liquefied Natural Gas by Coal-bed Methane
RUAN Jialin,GE Shuifu
AbstractThe purification and liquefaction process schemes for production of liquefied natural gas by coal-bed methane are discussed with an engineering case.
Key wordspurification of coal-bed methane;liquefaction of coal-bed melhane;mixed refrigerant refrigeration;deoxidation;decarbonizition;desulfurization;debenzolization;demercuration
1 概述
    我國煤層氣資源豐富,總儲(chǔ)量達(dá)36.8×1012m3,居世界第三。每年在采煤的同時(shí)產(chǎn)生的煤層氣約130×108m3/a,其中合理抽放的量可達(dá)到35×108m3/a左右,合理抽放的煤層氣有5×108m3/a現(xiàn)已利用,每年仍有30×108m3/a左右的剩余量沒有利用,加上地面鉆井開采的煤層氣50×108m3/a,可利用的總量達(dá)80×108m3/a,約折合標(biāo)煤1000×104t/a,如用于發(fā)電,每年可發(fā)電近300×108kW·h/a。2006年5月31日,國家發(fā)展和改革委員會(huì)第116次辦公會(huì)議,審議并原則通過了《煤層氣(煤礦瓦斯)開發(fā)利用“十一五”規(guī)劃》。根據(jù)“十一五”規(guī)劃,到2010年,新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量為3000×108m3。
    2006年,中國將煤層氣開發(fā)列入了“十一五”能源發(fā)展規(guī)劃。2007年以來,政府又相繼出臺(tái)了打破專營權(quán)、稅收優(yōu)惠、財(cái)政補(bǔ)貼等多項(xiàng)扶持政策,鼓勵(lì)煤層氣的開發(fā)利用,我國煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,產(chǎn)業(yè)化雛形漸顯[1~4]。
   在能源日益緊張的情況下,煤層氣的大規(guī)模開發(fā)利用勢(shì)在必行。煤層氣的開發(fā)利用可以提高瓦斯事故防范水平,具有安全效應(yīng);有效減排溫室氣體,產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng);同時(shí),作為一種高效潔凈能源,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如果把煤層氣利用起來,可以用于發(fā)電燃料、工業(yè)燃料和居民生活燃料;還可以液化后用作汽車燃料;也可以廣泛用于生產(chǎn)合成氨、甲醛、甲醇等化工產(chǎn)品的原料,成為一種熱值高的潔凈能源和重要化工原料,前景十分廣闊[5~8]。
    本文以山西陽泉的含氧煤層氣為例,處理氣量按33000m3/h來探討如何開發(fā)利用煤層氣,主要探討優(yōu)化方案的工藝技術(shù),同時(shí)將優(yōu)化方案與可行性研究方案進(jìn)行比較。
    本文中的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指絕對(duì)壓力為101.325kPa、溫度為0℃。
2 山西陽泉煤層氣條件
    原料煤層氣流量為33000m3/h,絕對(duì)壓力為131.325kPa,溫度≤40℃,其組成見表1。
表1 原料煤層氣組成
組分
CH4
N2
02
H20
其他
體積分?jǐn)?shù)/%
35.00
50.83
11.00
3.07
0.10
3 工藝流程
    山西陽泉煤層氣制液化天然氣工藝流程見圖1。
 

煤層氣經(jīng)計(jì)量增壓1單元加壓到0.3MPa后送到脫氧單元發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)后的氣體進(jìn)入增壓2單元被壓縮到5.2MPa,然后氣體再依次進(jìn)入脫碳單元、脫水單元、脫苯單元、脫汞單元,除去相應(yīng)的組分,然后氣體被送往液化冷箱單元進(jìn)行換熱精餾,最終得到合格的LNG產(chǎn)品,送入LNG儲(chǔ)罐單元進(jìn)行儲(chǔ)存。根據(jù)儲(chǔ)存情況和市場(chǎng)銷售情況將LNG儲(chǔ)罐單元的LNG經(jīng)LNG充裝單元加壓后送入LNG槽車,同時(shí)LNG儲(chǔ)罐單元和LNG充裝單元產(chǎn)生的氣體經(jīng)BOG回收單元加壓后返回到煤層氣計(jì)量增壓1單元。
3.1 脫氧單元
    本單元是將計(jì)量增壓1單元后的煤層氣(壓力為0.3MPa)通過耐硫催化劑床層,利用氧與甲烷的反應(yīng),將氧脫至體積分?jǐn)?shù)≤0.2%,達(dá)到后續(xù)單元的安全要求[9]。
    煤層氣經(jīng)計(jì)量增壓1單元壓縮至0.3MPa后,與部分脫氧循環(huán)壓縮氣混合,經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入反應(yīng)器,在一定的溫度范圍內(nèi)(反應(yīng)溫度控制在400~700℃),甲烷與氧在催化劑床層內(nèi)反應(yīng)生成C02和H2O。高溫脫氧氣體進(jìn)入廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽,出廢熱鍋爐的脫氧氣體進(jìn)入預(yù)熱器與反應(yīng)原料氣熱交換,最后經(jīng)冷卻得到常溫脫氧氣體。為控制脫氧反應(yīng)的溫度,可控制進(jìn)入反應(yīng)器前原料氣的氧含量,即讓一部分脫氧氣體經(jīng)加壓循環(huán)與原料煤層氣混合,以調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)器之前氣體的含氧量,從而達(dá)到控制反應(yīng)溫度的目的[10]。
3.2 脫碳單元
    本單元是利用甲基二乙醇胺(MDEA)溶液與原料氣充分接觸,吸收其中的H2S和CO2,處理后的脫碳煤層氣中C02體積分?jǐn)?shù)小于50×10-6,H2S體積分?jǐn)?shù)小于4×10-6,滿足下游單元的要求[11]71。
    從脫氧單元來的煤層氣經(jīng)增壓2單元壓縮后,從吸收塔下部進(jìn)入,自下而上通過吸收塔。再生后的MDEA溶液(貧液)從吸收塔上部進(jìn)入,自上而下通過吸收塔。逆向流動(dòng)的MDEA溶液和脫氧煤層氣在吸收塔內(nèi)充分接觸,氣體中的H2S和C02被吸收而進(jìn)入液相,未被吸收的組分從吸收塔頂部引出,進(jìn)入脫碳?xì)饫鋮s器和氣液分離器。出脫碳?xì)鈿庖悍蛛x器的氣體進(jìn)入煤層氣脫水單元,冷凝液去MDEA儲(chǔ)槽。
    吸收了H2S和C02的MDEA溶液稱為富液,至閃蒸塔,降壓閃蒸出的氣體(CH4體積分?jǐn)?shù)為90%,H2S和C02體積分?jǐn)?shù)約為10%)送往火炬。閃蒸后的富液與再生塔底部流出的溶液(貧液)換熱后,升溫到約98℃去再生塔上部,在再生塔進(jìn)行汽提再生,直至貧液的貧液度達(dá)到指標(biāo)。
    出再生塔的貧液經(jīng)過溶液換熱器、貧液泵進(jìn)入貧液冷卻器,被冷卻到約40℃,從吸收塔上部進(jìn)入。
    再生塔頂部出口氣體經(jīng)酸氣冷卻器,進(jìn)入酸氣氣液分離器,出酸氣氣液分離器的氣體(CH4體積分?jǐn)?shù)為6%,H2S和C02體積分?jǐn)?shù)為94%)送往火炬,冷凝液去MDEA儲(chǔ)槽。
3.3 脫水單元[12~14]
    本工藝是利用分子篩的吸水功能除去原料氣中的水分,脫水后的干燥原料氣H2O體積分?jǐn)?shù)不高于1×10-6,完全符合后續(xù)單元的條件[11]53~55。
    經(jīng)過脫碳合格后的氣體首先進(jìn)入分子篩干燥器頂部,經(jīng)分子篩干燥器深度吸附水后,進(jìn)入后續(xù)單元。
    為了保證系統(tǒng)水分含量(或露點(diǎn))合格,分子篩干燥器需進(jìn)行干燥、再生、冷卻,即:1臺(tái)處于干燥階段、1臺(tái)處于再生階段、1臺(tái)處于冷卻階段,周期性進(jìn)行切換使用。再生所需氣源采用液化冷箱單元來的氮?dú)猓獨(dú)膺M(jìn)入分子篩干燥器吸收水分,濕氮?dú)膺M(jìn)入排放系統(tǒng)。
3.4 脫苯、脫汞單元[15~16]
    脫苯單元通過吸附方式,脫除氣體中的苯類。脫苯單元與脫水單元原理基本相似,可采用3臺(tái)吸附,也可采用2臺(tái)吸附。
    脫汞單元采用載硫活性炭脫汞。原料氣中的汞與硫在反應(yīng)器中反應(yīng),活性硫?qū)⒐粤蚧锏姆绞焦潭ㄔ诨钚蕴康亩嗫捉Y(jié)構(gòu)上,達(dá)到脫汞目的。脫汞單元設(shè)置2臺(tái)吸附器,根據(jù)煤層氣含汞量不同有3種方式可選擇(1用1備,并聯(lián)使用,串聯(lián)使用)。當(dāng)活性炭吸附飽和后直接更換新的活性炭。
    通過脫苯及脫汞單元后,Hg質(zhì)量濃度≤0.01μg/m3[11]50,苯類體積分?jǐn)?shù)≤10×10-6,環(huán)烷烴類體積分?jǐn)?shù)≤10×10-6[17]。
3.5 液化冷箱單元[18~20]
    本單元采用混合制冷劑制冷工藝將煤層氣進(jìn)行液化?;旌现评鋭┲评涔に囈卜QMRC制冷工藝,混合制冷劑為N2、CH4、C2H6、C3H8、C5H12等組成的混合物[11]77)。
    來自脫汞單元的原料煤層氣送入液化冷箱單元(主要有主換熱器、低溫分離器、精餾塔、蒸發(fā)器、冷凝器)。在主換熱器的預(yù)冷段預(yù)冷至一定溫度后,進(jìn)入蒸發(fā)器被進(jìn)一步冷卻,再進(jìn)入精餾塔。在精餾塔頂部獲得體積分?jǐn)?shù)約99%的氮?dú)?,氮?dú)庖来谓?jīng)過主換熱器的過冷段、液化段、預(yù)冷段被復(fù)熱后作為脫水單元和脫苯單元的再生氣。精餾塔塔底分餾出來的摩爾分?jǐn)?shù)約98%液體甲烷(LNG)進(jìn)入到主換熱器的過冷段,與混合制冷劑換熱并被逐漸過冷,出液化冷箱單元的液化天然氣經(jīng)節(jié)流減壓至0.01MPa后送入LNG儲(chǔ)罐單元儲(chǔ)存。精餾塔的蒸發(fā)器采用原料煤層氣作為熱源,冷凝器的冷源則采用混合制冷劑。儲(chǔ)罐里的蒸發(fā)氣送入BOG回收單元。
3.6 混合制冷劑壓縮單元
    混合制冷劑壓縮單元主要是將壓力約0.2MPa的混合制冷劑壓縮到約3.8MPa,為液化冷箱單元里的原料煤層氣提供冷量?;旌现评鋭┭h(huán)使用,不夠時(shí)由混合制冷劑儲(chǔ)配單元補(bǔ)充。
    混合制冷劑儲(chǔ)配單元中的氮?dú)庥勺儔何街频獧C(jī)來(開車時(shí)使用液氮)、甲烷由凈化后的原料氣補(bǔ)充,其余制冷劑組分補(bǔ)充均來自系統(tǒng)設(shè)置的各組分儲(chǔ)槽。
    制冷劑分別經(jīng)各自的儲(chǔ)槽經(jīng)調(diào)節(jié)閥形成氣相后經(jīng)干燥器補(bǔ)充至混合制冷劑的吸入罐內(nèi)。系統(tǒng)配備一個(gè)混合制冷劑儲(chǔ)罐,可作為工廠停車時(shí)系統(tǒng)混合制冷劑排放儲(chǔ)存,同時(shí)可在正常生產(chǎn)過程中調(diào)節(jié)混合制冷劑組成時(shí)接收系統(tǒng)排出的液體制冷劑。
    由混合制冷劑儲(chǔ)罐來的壓力約0.2MPa的混合制冷劑進(jìn)入混合制冷劑壓縮單元,在此單元中混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)第一級(jí)壓縮后經(jīng)級(jí)間冷卻器冷卻至40℃,隨后進(jìn)入一級(jí)分離罐。氣相部分進(jìn)入混合制冷劑壓縮機(jī)第二級(jí)繼續(xù)加壓,經(jīng)二級(jí)冷卻器冷卻至40℃后進(jìn)入二級(jí)分離罐進(jìn)行分離,氣相部分繼續(xù)進(jìn)入制冷劑壓縮機(jī)加壓到約3.8MPa,并經(jīng)末級(jí)冷卻器冷卻至40℃,再進(jìn)入末級(jí)分離器進(jìn)行分離。一、二級(jí)分離器分離出來的液體分別經(jīng)制冷劑泵加壓到一定壓力后與末級(jí)分離器分離出的液體混合后進(jìn)入到主換熱器的預(yù)冷段,在預(yù)冷段過冷后經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫,與后續(xù)返流混合制冷劑混合后返回到預(yù)冷段共同為預(yù)冷段提供冷量,冷卻原料煤層氣、氣態(tài)混合制冷劑以及需過冷的液態(tài)混合制冷劑;末級(jí)分離器出來的氣態(tài)混合制冷劑進(jìn)入主換熱器預(yù)冷段冷卻后進(jìn)入低溫分離器分離,液相部分繼續(xù)進(jìn)入主換熱器的液化段過冷并節(jié)流降溫后與后續(xù)返流氣混合后返回到主換熱器,為液化段提供冷量;低溫分離器的氣相部分依次經(jīng)主換熱器的液化段和過冷段被冷卻至一定溫度,再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后成為返流氣,進(jìn)入主換熱器的過冷段,為過冷段提供冷量。
    在主換熱器中參與完換熱后的返流混合制冷劑經(jīng)制冷劑吸入罐緩沖后進(jìn)入混合制冷劑壓縮機(jī)入口,如此循環(huán)反復(fù),為煤層氣液化提供冷量。
3.7 LNG儲(chǔ)存單元[21]
    由液化冷箱單元出來的液化天然氣,經(jīng)低溫保冷管送進(jìn)LNG儲(chǔ)罐單元儲(chǔ)存。儲(chǔ)存容積一般按7d的產(chǎn)量計(jì)算。
3.8 LNG充裝單元
    儲(chǔ)罐中的LNG經(jīng)低溫泵送進(jìn)LNG槽車外賣。
3.9 BOG回收單元
    由LNG儲(chǔ)罐、LNG槽車產(chǎn)生的BOG氣體經(jīng)換熱器復(fù)熱后,經(jīng)BOG鼓風(fēng)機(jī)加壓到一定壓力后返回到煤層氣計(jì)量增壓1單元。
4 主要性能指標(biāo)
4.1 進(jìn)入液化冷箱單元前的原料煤層氣指標(biāo)
    進(jìn)入液化冷箱單元前的原料煤層氣壓力為5.0MPa,溫度為0~40℃(設(shè)計(jì)值為40℃),流量為26509m3/h,最大允許雜質(zhì)含量見表2,主要組成見表3。
表2 進(jìn)入液化冷箱單元前的原料煤層氣最大允許雜質(zhì)含量
02的體積分?jǐn)?shù)/%
≤0.2
H2O的體積分?jǐn)?shù)/10-6
≤1
CO2的體積分?jǐn)?shù)/10-6
≤50
H2S的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
≤3.5
總硫的質(zhì)量濃度/(mg·m-3)
10~50
Hg的質(zhì)量濃度/(μg·m-3)
≤0.01
苯類的體積分?jǐn)?shù)/10-6
≤10
環(huán)烷烴類體積分?jǐn)?shù)/10-6
≤10
表3 進(jìn)入液化冷箱單元前的原料煤層氣主要組成
氣體組分
CH4
N2
02
體積分?jǐn)?shù)/%
≥36.7
63.1
≤0.2
4.2 液化天然氣指標(biāo)
    LNG儲(chǔ)存壓力為0.01MPa,溫度為-162~-163℃,產(chǎn)量為170t/d。LNG產(chǎn)品組成見表4。
表4 LNG產(chǎn)品組成
產(chǎn)品組分
CH4
N2
02
體積分?jǐn)?shù)
≥98%
≤1.6%
≤0.2%
產(chǎn)品組分
C02
H2S
H20
體積分?jǐn)?shù)
≤50×10-4
≤4×10-4
≤1×10-4
5 與可行性研究方案比較
    經(jīng)過優(yōu)化后的方案與可行性研究方案(簡(jiǎn)稱可研方案)的比較見表5。
表5 優(yōu)化方案與可研方案比較
    項(xiàng)目
    可研方案
    優(yōu)化方案
LNG產(chǎn)量/(t·d-1)
150
 170
以氣態(tài)CH4計(jì)的產(chǎn)量/(m3·h-1)
8535
 9604
 CH4的體積分?jǐn)?shù)/%
≥95
≥98
產(chǎn)品收率/%
73.9
 83.2
脫氧單元
耐硫催化脫氧,O2的體積分?jǐn)?shù)≤0.5%
耐硫催化脫氧,O2的體積分?jǐn)?shù)≤0.2%
變壓吸附(PSA)
增壓至0.5MPa,采用兩段PSA裝置,將CH4體積分?jǐn)?shù)由35%提高至60%,降低后續(xù)單元的負(fù)荷。
取消
脫碳單元
增壓至5.2MPa,采用MDEA法,C02的體積分?jǐn)?shù)≤50×10-6,H2S的體積分?jǐn)?shù)≤4×10-6
同可研方
脫水單元
采用4A分子篩脫水,H2O的體積分?jǐn)?shù)≤1×10-6
同可研方案
制冷工藝
N2-CH4膨脹制冷
MRC制冷
LNG儲(chǔ)罐
儲(chǔ)存壓力為0.35MPa
儲(chǔ)存壓力為0.01MPa
氣體壓縮
原料氣壓縮
0.03→0.30MPa
 0.03→0.30MPa
脫氧氣循環(huán)
0.18→0.30
 0.18→0.30MPa
脫氧氣壓縮
0.18→0.50MPa(進(jìn)PSA)
0.18→5.2MPa
凈化氣壓縮
0.05→5.2MPa
建設(shè)總造價(jià)/元
2.390×108
 2.012×108
①設(shè)備購置費(fèi)/元
13850×104
 11600×104
②安裝工程費(fèi)/元
2900×104
 1950×104
③建筑工程費(fèi)/元
1850×104
 1680×104
④其他費(fèi)用/元
5300×104
 4890×104
電功率/kW
13120
 12671
處理成本/(元·m-3)
1.150
 0.868
6 結(jié)語
    經(jīng)過方案優(yōu)化,產(chǎn)品的產(chǎn)量和收率均有大幅度的提高,整個(gè)建設(shè)造價(jià)也有明顯下降,單位生產(chǎn)成本顯著下降,優(yōu)化方案中的LNG品質(zhì)明顯也得到了提高。
    在優(yōu)化方案時(shí)我們將進(jìn)入液化單元氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)分別按63.3%、50%、40%、30%、20%、10%進(jìn)行整個(gè)工藝裝置的模擬計(jì)算,獲得裝置的總體耗電量、建設(shè)造價(jià)、煤層氣的回收利用率。經(jīng)過比較分析發(fā)現(xiàn),不采用PSA脫氮(即直接進(jìn)入液化冷箱單元)的方案更加合理。
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(本文作者:阮家林 葛水福 杭州福斯達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 浙江杭州 311100)