甲烷深冷分离装置提高LNG产量的方法探讨

甲烷深冷分离装置提高 LNG产量的方法探讨

李文凯

新疆广汇新能源有限公司， 新疆 哈密 839303

摘要：甲烷是结构最简单的碳氢化合物，是优质洁净的气体燃料，也是生产合成气和许多化工产品的重要原料。甲烷深冷分离装置的工作原理是利用原料气中各组分沸点的不同，通过物理降温与精馏的方法达到分离甲烷的目的。来自上游工段低温甲醇洗装置出来的原料气，首先经分子筛过滤器脱除微量甲醇和一氧化碳等，然后进入冷箱，经换热器冷却至约－１５７℃，此时大量的甲烷被冷凝下来，再经精馏塔蒸发、冷凝后，其中大部分甲烷被分离出来，从精馏塔底部出来的液态甲烷产品送入ＬＮＧ储罐，精馏塔塔顶出来的气体（主要为氢气和一氧化碳等）被送至甲醇合成系统。当甲烷深冷分离装置入口原料气中甲烷含量高于设计值时，系统就会出现ＬＮＧ液化冷量不足的问题，造成原料气中部分甲烷无法液化成ＬＮＧ，影响ＬＮＧ产量。甲烷气体对于后续甲醇合成装置来讲是惰性气体，会造成甲醇合成装置合成效率下降，弛放气放空量增大，同时也会影响甲醇合成装置的产量。

关键词：甲烷；深冷分离；提高ＬＮＧ产量

引言

由于我国煤炭资源相对丰富，煤制甲醇、合成氨、尿素装置等相应得到不断发展，净化后的合成气中含有一定量的甲烷，通过低温分离方式分离甲烷，可以得到高附加值的LNG产品。本文着重对深冷分离甲烷生产LNG的工艺技术进行探讨。

1深冷分离流程

来自低温甲醇洗的净化冷合成气送入合成气净化站，净化器站设有两台合成气净化器（内装分子筛吸附剂），脱除可能在冷箱里冻结的甲醇和二氧化碳等杂质。采用交替作业方式，其中一台正常操作，另一台同时再生。吸附处理后的净化气进入合成气过滤器中，以除去合成气中可能夹带的吸附剂粉尘。处理后的合成气被送至甲醇洗回收冷量后进入冷箱。经回收冷量的合成气在常温下进入深冷净化部分。合成气首先在给料气冷却器中预冷后，进入给料气冷凝器深冷冷凝，在合成气分离器中，富氢气在回收冷量后送至ＰＳＡ装置提纯氢气。液相送入闪蒸罐减压闪蒸，回收少量氢气，闪蒸气回收冷量后，送低温甲醇洗循环气压缩机回收氢气和ＣＯ。深冷冷凝液送入ＣＯ／Ｎ２塔，以提高ＣＯ纯度，液氮经回收冷量后并入再生气低压氮气流股再生吸附剂。提纯的ＣＯ流股经减压膨胀，再经给料气冷凝器、给料气冷却器回收冷量，常温送出冷箱。经冷箱装置深冷分离出合格的ＣＯ，送至ＣＯ压缩机组，分别增压至０．８ＭＰａ（ａ）和３．６ＭＰａ（ａ）后，再送至乙二醇装置和醋酸装置使用。

2未提高产量前的基本情况

2.1甲烷深冷分离装置现状

我国西北某甲醇企业配置有两套同等规模的甲烷深冷分离装置，原设计时进甲烷深冷分离装置原料气中甲烷含量为１５．１６％（见表１），而实际生产中原料气中甲烷含量为２０％～２２％。原料气中因甲烷含量的增加，系统对冷量的需求也会相应增大，同时出现膨胀机的膨胀端与增压端动力不匹配的问题，造成原设计的膨胀机无法正常运行，虽节流制冷能回收部分冷量，但效率低，还是会损失部分膨胀制冷量。因系统冷量不足，造成部分甲烷无法液化而进入至膨胀机增压端气量增大，从而出现膨胀机增压端出力不足，出甲烷深冷分离装置的合成气出口压力只有１．１５ＭＰａ（ｇ）。为整个大系统的平衡，在原始设计的出口管径已定的情况下，因出口压力的降低造成输送量减少，部分合成气未进入甲醇合成装置而被直接放空至火炬，无法为下游甲醇合成装置提供充足的原料，影响甲醇产量，且合成气压力降低造成下游合成气压缩机出力增加，操作难度增加。甲醇合成系统由于甲烷含量高，使得弛放气放空量加大，全厂火炬燃烧强度增大。

2.2影响甲烷产能数据分析

原设计时甲烷深冷分离装置的高品质冷量全部来自于冷剂气节流制冷与原料气膨胀效应制冷。以下通过各种数据对比分析，估算比较各种工况下因冷量减少可能影响的ＬＮＧ产量。

2.2.1冷量来源分析

单套甲烷深冷分离装置原始设计时冷剂气即冷剂压缩机处可提供的冷量为７９２４．５ｋＷ，膨胀机处可提供的冷量为１９４８ｋＷ，节流阀处能提供的冷量为１６１ｋＷ；装置原始设计ＬＮＧ产能为２５２９２．４ｋｇ／ｈ。用总冷量除以ＬＮＧ小时产量，可估算出每吨ＬＮＧ产品的冷量消耗，经计算每旽ＬＮＧ消耗系统冷量为（７９２４．５＋１９４８＋１６１）ｋＷ／２５２９２．４ｔ·ｈ－１＝３９６．７ｋＷ／（ｔ·ｈ－１）。

2.2.2影响产量估算

单套甲烷深冷分离装置，实际工况下原始设计混合冷剂气体组分，在冷剂压缩机出口压力为２７５０ｋＰａ（ｇ）时，冷剂压缩机提供的冷量为６９２０．７ｋＷ。冷剂压缩机因出口压力未达到设计值，估算损失的ＬＮＧ产量为（７９２４．５－６９２０．７）ｋＷ／３９６．７ｋＷ／（ｔ·ｈ－１）＝２．５３ｔ·ｈ－１，折两套甲烷深冷分离装置影响ＬＮＧ产量为２．５３×２４×２＝１２１．４ｔ／ｄ。

3提高ＬＮＧ产量的方法

3.1深冷分离装置操作调整

正常运行中保持Ｖ０３２排污导淋微开，当ＣＯ产品浓度低于设计指标９８．５％时，通过适当开大Ｖ０３２导淋排污，可以降低ＣＯ产品中甲烷的含量。排放液中含有较高浓度的ＣＯ，由于加大排放液，会导致系统部分冷量损失，为保持系统能量平衡、保证深冷装置操作稳定，要及时对产品ＣＯ进行分析，分析合格后对排放液进行调整关小。

3.2变换装置优化调整控制

甲烷化反应是变换的副反应，甲烷化反应是强放热反应，理论上变换炉控制温度越低，发生甲烷化副反应会越多。在正常生产情况下，适当调整水汽比和变换温度，可以减少甲烷化副反应。水汽比是调节变换反应指标的一个重要控制手段，当水汽比较高时，主要发生ＣＯ的变换反应，几乎不会有甲烷化副反应发生。当水汽比较低，特别是床层热点温度高时，则容易发生甲烷化副反应，造成床层飞温。不同的催化剂由于制备方法和组分的不同，对发生甲烷化副反应所要求的最低水汽比也不同。

3.3冷量输入系统整体工艺方案

在混合冷剂循环系统中，从冷剂压缩机出口冷却器出来的混合冷剂温度为３５℃，压力为３．３５ＭＰａ（ｇ），流量为３３００００ｋｇ／ｈ，进入混合冷剂分离罐，分离出来的气相混合冷剂通过关闭切断阀不直接进入冷箱，先进入气相冷剂冷冻水换热器将温度降至１５℃后，依靠自身压力送入气相冷剂分离罐进一步进行气液分离，分离的气相再进入冷箱，分离的液相通过第二液相冷剂泵加压进入混合冷剂分离罐；混合冷剂分离罐分离的液相，通过第一液相冷剂泵送入液相冷剂冷冻水换热器降温至１５℃后，再进入冷箱。气相冷剂冷冻水换热器与液相冷剂冷冻水换热器，分别向系统中输入的冷负荷正常量分别按４６９０ｋＷ与１００５ｋＷ进行设计。

结语

目前国家对环保的要求越来越严格，部分燃煤已被天然气所取代，为此我国每年需从海外大量进口ＬＮＧ，提高我国自身ＬＮＧ产量可减轻对海外ＬＮＧ的依存度。用余热回收制取的冷量，通过对甲烷深冷分离装置进行改造，增加部分低温冷水换热器，可向原甲醇深冷分离装置的系统中输入更多的冷量，把更多甲烷气体液化成ＬＮＧ，同时又能增产甲醇，能够为整体装置提高产能、减少消耗，可提升企业市场竞争能力。

参考文献

［1］潘奇峰．浅谈甲烷深冷分离装置的调试运行［J］．小氮肥，2013，41（7）：24－26．

［2］刘新波，孙乃良，杨延奇，等．一种提高甲烷深冷分离ＬＮＧ收率的系统：ＣＮ，206546060［P］．2017－10－10．

［3］浅谈合成气深冷分离技术[J].李永强.化工管理. 2017(27).