昌吉仪器煤层气混合制冷工艺液化流程技术分析

近年来，液化天然气（LNG）产业蓬勃发展。 我国液化天然气产业从起步到发展，在液化、储存、 运输等方面都取得了显著的进步。国新能源集团在 山西阳泉建设了一座具有调峰储气功能的液化天然 气工厂，原料气为煤层气，该液化工厂在冬季用气 高峰时或上游管道发生事故时，可为阳泉地区提供 调峰气源。日处理煤层气 5×105 Nm3 /d，根据进入工 厂前气体检测装置检测，原料气中含有 92.37%的甲 烷，还含有酸性气体、水、苯、重烃和机械杂质， 所以在进行液化前必须进行原料气预处理，防止在 液化过程中结晶堵塞管道或腐蚀管道设备。液化采 用 MRC 混合冷剂制冷的液化工艺技术，本文对预 处理阶段的脱酸流程、脱氮流程和液化流程进行重点阐述分析。

煤层气预处理主要工艺流程及运行情况技术分析

上海昌吉脱除酸性气体流程及运行情况技术分析 从再生塔来的活化 MDEA 溶液（贫液）经贫液 泵升压（～6.3 MPa、51 ℃）分成两路，一路直接 进入吸收塔顶部作为脱酸吸收剂，另一路经调节阀 控制流量后进入溶液过滤器，在溶液过滤器中过滤 炭的作用下在线脱除溶液中的杂质后进入贫液泵入 口。 加压后的原料煤层气中 CO2 含量≤3.5%，温度 为 40 ℃，当进入吸收器时，原料气自下而上通过 吸收塔，与自上而下的活化 MDEA 溶液（贫液）在 吸收塔内填料表面逆向流动，进行充分传质传热； 气体中的 CO2、H2S 等酸性气体被溶液大量吸收进 入液相，未被吸收的组分从吸收塔顶部流出。从塔 顶分离出的气体经冷却器降温至-40 ℃后，在分离 器中完成气液分离，气体从分离器顶部流出并进入 吸收塔顶过滤器，在吸收塔顶过滤器中分离掉机械 杂质及游离液体并调整压力后去脱水塔。从分离器 底部出来的液体和塔顶过滤器底部出来的液体混合 后进入闪蒸罐循环使用。

活化 MDEA 溶液吸收酸性气体后称为富液（～ 5.5 MPa、55～61 ℃），从吸收塔底流出，经调节阀 降压至 0.5 MPa 后进入闪蒸罐，在闪蒸罐中因降压 闪蒸出的气体从顶部流出，经调节阀控制压力后去 放散系统。为保证闪蒸罐压力稳定及避免溶液氧化， 引氮气进入闪蒸罐以形成氮封。从闪蒸罐底部流出 的液体通过贫富液换热器与贫液换热升温到 96 ℃ 左右，并经调节阀控制液位后进入再生塔顶部。再 生塔采用微正压汽提的方式完成对活化 MDEA 溶 液的再生，富液自上而下通过再生塔，在再生塔内 填料表面与自下而上的气提蒸汽逆向流动，进行充 分的传质传热。富液中的酸性气体被大量解析至气 相并伴随气提蒸汽从再生塔顶流出，富液中的酸性 气体被解析至满足要求后称为贫液，从塔底流出去 贫富液换热器换热降温后去贫液泵进口循环使用。 从再生塔顶部流出的气体经再生塔冷却器降温后 （0.03 MPa、40 ℃）进入再生塔顶气液分离器， 在气液分离器完成气液分离，气体从分离器顶部流 向酸气脱硫塔，脱硫后的气体从脱硫塔的顶部流出 并调整好压力后高点放空。

吸收塔实际运行参数与设计参数出现的差异主 要为吸收塔的工作压力和贫胺液入塔的温度。一是 煤层气入吸收塔的设计压力为 5.5 Mpa，但实际运 行压力直接由原料气压缩机排气压力决定，因本装 置中原料气压缩机电机电流在压缩机排气压力为 4.75 Mpa 左右时就达到额定电流，为确保压缩机及 电机正常平稳运行，将压缩机的排气压力控制在 4.75 Mpa，从而导致吸收塔工作压力低于设定压力。 二是贫液进吸收塔的设计温度为 50 ℃，可通过贫 液冷却器来调节（水冷）。在调试过程中发现适当将 胺液温度降低以减少和入塔天然气的温差使胺液吸 附酸气的效果更好，胺液调试中的最佳温度为 42 ℃左右，所以将运行温度设定为 42±1.0 ℃。进 入吸收塔的煤层气来自原料气压缩机冷却并分离后 温度较低，因原料气升压冷却后会初步分离出含烃 的液体，而冷却后温度越低分离效果越好，从而避 免了煤层气在进入吸收塔中析出烃类液体而污染胺 液，这样就使得入塔煤层气与贫液存在一定的温差， 两流体在接触后先发生热交换的物理反应然后进行 吸附化学反应，这使得吸收效率降低，所以适当降 低贫液温度会提高吸附效率。

脱氮工艺流程及运行情况技术分析

脱氮流程是在从煤层气脱除酸性气体(CO2、 H2S)、水和重烃之后进行的。一般有两种方法：一 是液化前进行变压吸附；二是氮气的常压沸点为 -195.8 ℃，低于甲烷沸点，因而脱氮是在更低的温 度下用精馏法脱除，脱出的氮气排放进入大气环境。 即液化后进行低温蒸馏将氮气从预净化后的煤层气 中分离出去。 煤层气主要组分甲烷在大气压力下的液化温度 约为 110 K,而氮在大气压力下的液化温度约为 77 K, 低于甲烷。煤层气含氮量越高，液化温度越低,，液 化能耗越大。根据欧洲标准(EN1160-96)，氮含量(摩 尔分数)应小于 5%，一般天然气中的氮含量不高， 但煤层气中的氮含量较高，在液化过程中要将氮气 脱除。本工艺气源为煤层气，气体组分中氮气含量 为 2.73%，而且 LNG 是以常压储存的，如果不脱除 氮会导致整个装置能耗较高，会影响 LNG 热值， 还容易引起 LNG 在储运过程中出现翻滚现象造成 压力升高。天然气中氮气含量超过 2%时就需开启 脱氮工艺。

目前，脱氮工艺试运行正常，完全符合设计工 艺。但是在调试过程中发现了一些问题：一个是脱 氮塔塔底温度与汽提流量的关系，汽提流量较小时 不能使塔底温度提升上来，影响脱氮效果，汽提流 量增加后，脱氮效果提升，但使脱氮塔出口流量增 加且高于 BOG 压缩机的回收量，使脱氮塔超压， 通过适当升高汽提气体的温度（-60 ℃升高至 -55 ℃）以减少汽提流量，使流量与温度达到平衡， 脱氮塔正常工作。二是脱氮塔内 LCBM 温度较高， 返回冷箱过冷时增加了制冷剂的负担，为确保 LCBM 处于过冷状态，需增加气相制冷剂流量，必 要时还需补充氮气进制冷剂循环中以增加制冷剂气 相中的氮气成分，这使冷箱调节难度增加。三是要 确保脱氮塔中上塔和下塔的工作压力，若上塔压力 过高会使氮气分离效果变差，压力过低会使排放的 氮气中天然气含量增多，因此要保持上塔和下塔压 力平衡。

煤层气液化流程

净化结束后的原料煤层气去与重烃及 BOG 回 收冷量后，于 12.97 ℃，5.195 MPa 进入液化工序。 液化单元的目的是将净化后原料气体液化以便于储 存，同时脱去大部分氮气以满足产品热值要求。 液 化系统采用 MRC 混合剂制冷，制冷装置包括板翅 式换热器、冷剂分离罐等。原料气在冷箱中被冷却 至-30 ℃后，进入重烃脱除单元，在重烃脱除单元 脱除重烃后的原料气返回冷箱继续冷却至-162 ℃。 当原料气中氮含量不高时，LCBM 可直接节流至 0.012 MPa 后进入 LCBM 储罐中储存；如果原料气 中氮含量偏高时，LCBM 需进入氮气脱除单元脱除 氮气，塔底得到满足要求的 LCBM 产品再返回冷 箱过冷，最后送入 LCBM 储罐。来自制冷剂压缩 机的混合工质制冷剂，进入冷箱，被预冷经阀节流 降温后作为制冷剂为煤层气液化提供冷量。


结束语
上海昌吉地质仪器有限公司依据国新能源煤层气混合制冷工艺液化项 目对预处理中的脱酸流程和脱氮流程及液化工艺流 程进行了技术分析，并对原设计参数与试运行阶段 实际运行参数进行比对，就发现的问题和解决办法 进行了重点阐述，实际运行效果良好，符合相关设 计要求，同时，对液化项目后期运行奠定理论基础。