CN104893773B - 管道天然气重烃脱除单元及重烃脱除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道天然气重烃脱除单元，主要包括：重烃吸附器、再生气加热器、重烃再生气换热器、再生气重烃分离罐和高压节能器。重烃吸附器设置在分子筛脱水单元下游，包含有两个重烃吸附床，用于脱除芳香烃、环烷烃和C₆以上长链烷烃。本发明还公开了应用上述重烃脱除单元脱除管道天然气中的重烃的工艺方法。本发明先利用物理吸附脱除管道天然气中的“特重”组分，再利用冷凝分离去除其他“次重”组分，如此不仅实现了重烃的高效脱除，解决了可能的重烃积聚问题，还提高了装置的通用性，能更好地适应气源组分快速变化的场合。

Description

管道天然气重烃脱除单元及重烃脱除方法

技术领域

本发明涉及化工领域，特别是涉及管道天然气液化装置的一体化弹性重烃脱除单元，及其脱除重烃的工艺方法。

背景技术

目前，我国现行的天然气国家标准对重烃含量或烃露点没有做明确要求，但随着我国天然气进口量的日益提高，参考国外天然气售气标准，对重烃含量加以限制，将会是今后的趋势。

对于利用管输天然气来进行LNG(液化天然气)生产的工厂来说，由于上游气源来源的多样性、掺混比例的非恒定及其他用户用气量随季节等外界因素的波动等，造成这类LNG工厂在开车及正常生产运行中始终存在着气源组分偏离设计值，且随时可能发生新的变化的问题，这在华油天然气有限公司的多个LNG工厂中都已发生，个别工厂甚至出现以日为基准的频繁变化。而这些组分变化中尤以重烃变化对系统影响较大，例如，芳香烃、环烷烃及碳数高的烷烃等在低温下极易造成冷箱冷剂回路“冻堵”，表1列出了LNG生产需要脱除的重烃组分及纯质下的凝固点温度：

表1 LNG生产需脱除的重烃组分及凝固点温度

烃类名称	凝固点温度℃
		环己烷(Cyclohexane)	6.55
苯(Benzene)	5.53
		正癸烷(n-Decane)C10	-29.63
正壬烷(n-Nonane)C9	-53.48
		正辛烷(n-Octane)C8	-56.76
正庚烷(n-Heptane)C7	-90.55
		甲苯(Toluene)	-94.98
正己烷(n-Hexane)C6	-95.31

考虑到目前国内的管输天然气液化装置的规模特点(10万标方/天～200万标方/天)，部分冷凝分离罐重烃脱除设计得到了最广泛的应用，其基本结构及工艺如图1所示，主要设备包括：

冷箱1，液化天然气工厂的核心设备，是冷剂和天然气的换热器，通过冷剂侧的冷能降低天然气的温度至液化点以下，将天然气液化。

重烃分离罐2，天然气通过冷箱1上部降温至重组分(部分C₂-C₅)的临界温度，将部分的C2-C5以液相的形式析出。脱除重组分后的气相返回至冷箱1液化。

冷剂缓冲罐3，经过压缩降温后的冷剂在冷剂缓冲罐3内进行气液分离，气相冷剂直接进入冷箱1，液相冷剂通过冷剂泵4泵送至冷箱1。

冷剂泵4，将冷剂缓冲罐3中的液相冷剂增压后通过低压重烃换热器5、高压重烃换热器6后进入冷箱1。

低压重烃换热器5，利用液相冷剂将降压后的重烃洗涤塔洗涤出的重组分升温，同时冷却液相冷剂。

高压重烃换热器6，利用液相冷剂将高压的重烃洗涤塔洗涤出的重组分升温，同时冷却液相冷剂。

重烃储罐7，用于存储从天然气中脱除的重烃。

经过脱酸、干燥脱汞合格的净化天然气首先被冷箱1预冷至重组分的临界温度，然后通过重烃分离罐2进行气液分离。被分离出的液相进入高压重烃换热器5及低压重烃换热器6被复温后再次分离，液相进入重烃储罐7。气相返回冷箱1下部，被进一步被冷却、液化成LNG产品。

上述冷凝分离罐重烃脱除设计是单回路混合冷剂整体循环(PRICO)LNG液化工艺中的重烃脱除设计(参见美国专利US5657643、US6295833)，其优点是工艺简单，对于装置规模小、气源组分相对稳定且重烃总量偏低(C₄+含量)的液化装置，可以有效降低设备投资，且能够有效去除造成冷箱“冻堵”的组分。但是，对于管输天然气液化装置而言，其缺点也是显而易见的：

1.无法适应多气源供气的管输气组分变化时的供气特点。

2.无法对管输气组分快速变化进行快速响应，造成因重烃突破现有的重烃脱除单元而造成冷箱冷剂回路“冻堵”。冷端换热温差过大(20℃以上)，会使得产能迅速下降，从而形成操作瓶颈。倘若停车，对冷箱升温解冻，会造成装置停产、大量天然气放火炬等严重的经济损失和资源浪费。

3.在不改变根本工艺的前提下，仅通过更换设备及阀门选型(更大的E1、V1、E3、E4及与之相连的液相调节阀甚至LNG产品线上的控制阀)，会在增加设备投资的同时，降低产品收率，且单位产品能耗升高。

4.装置操作及开车难度大大提高，在极端情况下(穷尽装置安全操作可能的手段)装置将完全无法通过目前现实的控制手段(自动或手动)恢复连续平稳的运行，且大大增加了设备损坏的潜在风险。

为了有效去除造成冷箱“冻堵”的重烃组分，目前也有采用部分冷凝分离罐和重烃洗涤塔相结合的设计(参见“液化天然气工厂脱苯工艺的改造”，天然气工业，2007，Vol.27，No.6，pp118-120)。重烃洗涤(或称吸收法)原本是用在轻烃回收工厂的工艺设计，在净化处理的工业中应用较少，主要是在焦炉煤气脱苯等场合有应用，其实质是指气态的轻烃分子溶解进入更重的液态烃的溶液中的物理过程。对于常规的轻烃回收应用，该过程可以在常温下进行；当需要回收更轻的烃类，如丙烷甚至是乙烷时，需要结合冷却的方法进行。

图2显示了一实际工程案例中，LNG装置的重烃洗涤法流程，其主要设备包括：

冷箱1，液化天然气工厂的核心设备，是冷剂和天然气的换热器，通过冷剂侧的冷能降低天然气的温度至液化点以下，将天然气液化。

重烃分离罐2，天然气通过冷箱1上部降温至重组分(部分C₂-C₅)的临界温度，将部分的C2-C5以液相的形式析出。脱除重组分后的气相返回至冷箱1液化。

冷剂缓冲罐3，经过压缩降温后的冷剂在冷剂缓冲罐3内进行气液分离，气相冷剂直接进入冷箱1，液相冷剂通过冷剂泵4泵送至冷箱1。

冷剂泵4，将冷剂缓冲罐3中的液相冷剂增压后通过低压重烃换热器5、高压重烃换热器6后进入冷箱1。

低压重烃换热器5，利用液相冷剂将降压后的重烃洗涤塔洗涤出的重组分升温，同时冷却液相冷剂。

高压重烃换热器6，利用液相冷剂将高压的重烃洗涤塔洗涤出的重组分升温，同时冷却液相冷剂。

重烃储罐7，用于存储从天然气中脱除的重烃。

液烃泵8，通过液烃泵8将重烃分离罐2分离出的液相重组分泵送至重烃洗涤塔9，洗涤原料气中的C₆+组分。

重烃洗涤塔9，通过液相的重组分或异戊烷在重烃洗涤塔9内将原料气中的C₆+组分洗涤掉。洗涤出的C₆+以及重组分或异戊烷在塔底，然后通过换热后至重烃储罐7存储。“洗涤干净”的天然气通过交叉换热器10换热后进入冷箱1液化。

交叉换热器10，进入重烃洗涤塔9的原料气和重烃洗涤塔9塔顶“干净”的原料气换热，有效降低入塔原料气的温度。

从图2中可以看出，该工艺是在重烃分离罐2的基础上增加了重烃洗涤塔9，而交叉换热器10可以对进入重烃洗涤塔9的天然气进行预冷，而洗涤液来自重烃分离罐2的被冷却后的液相，其通过液烃泵8送入重烃洗涤塔9塔顶。考虑到“贫”、“富”气的不断波动造成重烃分离罐2中冷凝液的不稳定，又增加异戊烷补充线，以稳定重烃洗涤塔9的操作。

该方法成功脱除了造成“冻堵”的重烃组分，但是也带来了一系列问题：

1.需要新增加设备。

2.仍然无法适应气源较快的波动。

3.需要外排天然气，对于无下游管网的场合需要放火炬，即使“贫气”的场合也需要每日外输超过8万标方气体，加大浪费。

4.对于贫气的场合，需要补充异戊烷，这会增加运行费用(以年8000小时消耗1760吨异戊烷为例，约增加运行费用近1000万元)。

综合分析以上工程实际案例不难发现，目前装置脱重烃设计之所以无法提供足够的弹性，甚至造成整个装置生产瓶颈的核心原因是这一设计不能适应目前国内管输天然气的特点：天然气中的重组分C₆+含量普遍偏低。由于轻烃回收装置投资高，产品量低，无法有效回收投资，造成上游鲜有天然气液体回收装置。

然而尽管总量很低，但是此类管输气的重组分中却多数含有C₆+(多数在100-1300ppm之间)包括芳烃、环烷烃或长链烷烃等的重组分，且这些组分会在甚至以天为单位的时间段内大范围的波动(浓度ppm值变动幅度可达数百倍)。这些新的特点是目前设计的简单的闪蒸为基础的(相当于1块理论板的精馏单元)中间分离罐无法完全胜任的。同样，组分的快速变化及大范围波动使得以精馏为基础的分离设计也难以提供足够的快速响应和操作弹性。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种管道天然气重烃脱除单元，它可以有效脱除管道天然气中的重烃，且能适应重烃组分的大范围波动。

为解决上述技术问题，本发明的管道天然气重烃脱除单元，包括：

重烃吸附器，设置在分子筛脱水单元下游，用于脱除天然气中的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃；该重烃吸附器包含有两个重烃吸附床，其中一个重烃吸附床为在线吸附床，另一个重烃吸附床为再生床；

再生气加热器，与重烃吸附器底部出口连接，用于加热来自重烃吸附器底部出口的部分再生气，并将加热后的再生气逆流送入需加热的重烃吸附床；

重烃再生气换热器，与重烃吸附器顶部出口连接，用于部分冷凝来自重烃吸附器顶部出口的再生气；

再生气重烃分离罐，与重烃再生气换热器顶部出口连接，用于对重烃再生气换热器出来的再生气进行气、液分离；

高压节能器，与再生气重烃分离罐顶部出口连接，并设置在再生脱水单元的分子筛之前，用于对再生气重烃分离罐分离出的气相进行复温。

较佳的，该管道天然气重烃脱除单元还包括有粉尘过滤器，设置在重烃吸附器和再生气加热器之间、液化单元之前，用于滤除由重烃吸附器带来的粉尘杂质。

较佳的，该管道天然气重烃脱除单元还包括有再生气冷却器，设置在重烃吸附器和重烃再生气换热器之间(还可以同时与再生气加热器出口连接)，用于冷却脱除重烃后的再生气。

较佳的，该管道天然气重烃脱除单元还包括有低压节能器，设置在重烃储罐之前，并与再生气重烃分离罐底部出口和高压节能器底部入口连接，用于对再生气重烃分离罐分离出的液相进行复温，并对进入高压节能器的液体冷剂进行预冷；所述高压节能器顶部出口还与重烃再生气换热器顶部入口连接。

本发明要解决的技术问题之二是提供应用上述重烃脱除单元脱除管道天然气中的重烃的工艺方法。

为解决上述技术问题，本发明的管道天然气重烃脱除工艺方法，步骤包括：

1)将从分子筛脱水单元出来的天然气送入在线吸附床，脱除天然气中所含的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃；

2)将部分天然气送入液化单元，部分天然气用再生气加热器加热后送入再生床；

3)用重烃再生气换热器将再生气部分冷凝；

4)用再生气重烃分离罐分离再生气的液相和气相，分离出的气相进入高压节能器复温后，用于再生脱水单元的分子筛。

经过上述步骤1)的脱除后，天然气中所含的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃的浓度在1ppm以内。

较佳的，在步骤1)和2)之间，还包括步骤：用粉尘过滤器滤除由重烃吸附器带来的粉尘杂质。

较佳的，在步骤2)和3)之间，还包括步骤：用再生气冷却器冷却再生气。

步骤4)，分离出的液相可以用低压节能器复温后，回收至重烃储罐；液体冷剂在经过低压节能器、高压节能器的预冷后，送入重烃再生气换热器节流降温。

本发明的重烃脱除单元，根据国内管输气“贫”却含很重组分的特点，采用物理吸附法结合部分冷凝分离的设计方案，先利用工业成熟的变温吸附技术去除在装置深冷部分可能造成“冻堵”的“特重”组分，再利用原设计的冷凝分离去除其他“次重”组分，如此不仅有效脱除了管道天然气中的重烃，而且不会因吸附床尺寸过大而造成设备投资增加及能耗升高，对工厂的安全高效生产、提高经济效益和节约资源等具有重要意义。此外，由于使用了成熟高效的活性炭材料优化设计的吸附床，使得重烃的脱除不仅高效而且具有极高的操作弹性，能适应重烃组分的大范围波动，以及气源组分快速变化的场合。另外，再生出的重烃回收后，轻组分继续去再生分子筛，完全解决了轻组分闪蒸外输或放火炬的问题，避免了外排。

附图说明

图1是目前常用的部分冷凝分离罐重烃脱除单元的设备及工艺流程图。

图2是部分冷凝分离罐和重烃洗涤塔相结合的重烃脱除单元的设备及工艺流程图。

图3是本发明实施例1的管道天然气液化装置一体化弹性重烃脱除单元的设备及工艺流程图。

图中附图标记说明如下：

1：冷箱

2：重烃分离罐

3：冷剂缓冲罐

4：冷剂泵

5：低压重烃换热器

6：高压重烃换热器

7：重烃储罐

8：液烃泵

9：重烃洗涤塔

10：交叉换热器

11、12：重烃吸附床

13：粉尘过滤器

14：再生气加热器

15：再生气冷却器

16：重烃再生气换热器

17：再生气重烃分离罐

18：高压节能器

19：低压节能器

20～32：程控阀

具体实施方式

为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合附图，详述如下：

实施例1

本实施例在天然气(42℃，5610kpa，32360kg/h)脱除完酸气、水、汞之后，进入液化单元之前，安装了两只具有选择性吸附能力的活性炭吸附塔(即重烃吸附床11、12)，用来脱除如芳香烃、环烷烃及碳数高的烷烃等易于在低温下造成“冻堵”的组分。如图3所示，双床设计的重烃吸附器正常的工作状态为一床在线吸附、另一床处于再生的某一阶段或是处于备用状态。经过脱碳、干燥及脱除汞之后的天然气顺流进入在线的吸附床，其中所含的芳香烃、环烷烃被吸附至1ppm以内，C₆及以上的长链烷烃(C₆+)亦被吸附至1ppm以内；对于C₄-C₆(常规的气体处理行业将C₄+即认为重烃)的控制指标，被处理单元并不作要求，这可以显著优化吸附床的设计。脱除这些“特重”组分后的天然气进入吸附床后的粉尘过滤器13，以滤除由重烃吸附器可能带来的细粉等杂质，之后进入液化单元降温液化。

部分来自在线粉尘过滤器13出口的净化天然气(42℃，1270kpa，2680kg/h)在再生气加热器14内加热至200℃左右，逆流进入需加热的重烃吸附床，用作重烃吸附器再生气。含有脱附重烃的再生气依次进入再生气冷却器15被冷却后，进入重烃再生气换热器16，被部分冷凝后(降至-40℃)，进入再生气重烃分离罐17分离，分离出的液相节流后，进入低压节能器19，被复温后(23℃，270kpa，71.52kg/h)，送入重烃储罐，同时对进入高压节能器18的重冷剂进行预冷。再生气重烃分离罐17脱除重烃的气相进入高压节能器18被复温(-7.5℃，1170kpa，2608kg/h)，同时对进入重烃再生气换热器16节流降温的重冷剂进行再次预冷。复温后的脱除重组分的再生气用于再生脱水单元的分子筛。

这一重烃脱除单元设计有效地利用了活性炭脱除天然气中的C₆+重烃组分。进入该重烃脱除单元前的原料气组分见表2，其C₆+含量总和为1248ppmv；经该重烃脱除单元脱除后，C₆+含量总和不超过50ppmv，不会对冷箱造成冻堵，从而有效地解决了由于原料气组分的原因而导致的冷箱冻堵问题。

表2 进入实施例1的重烃脱除单元前的原料气组分表

组分	含量(摩尔百分比mol％)
		氮气	1.863
二氧化碳	0.613
		甲烷	94.2
乙烷	2.487
		丙烷	0.34
异丁烷	0.03262
		正丁烷	0.05025
异戊烷	0.01303
		正戊烷	0.01531
新戊烷	0.00374
		正己烷	0.00589
2,3-二甲基丁烷	0.00538
		3-甲基戊烷	0.00482

2,2-二甲基戊烷	0.01943
		苯	0.0312
甲苯	0.04293
		邻二甲苯	0.00216
对二甲苯	0.00204
		间二甲苯	0.00145
3-甲基己烷	0.00364
		2,4-二甲基己烷	0.00293
正庚烷	0.00215
		正辛烷	0.00075

另外，该重烃脱除单元对重烃吸附器再生气的处理也采用了全新设计。通过再生气冷却器15、重烃再生气换热器16、再生气重烃分离罐17、高压节能器18、低压节能器19，利用液相冷剂节流后产生的冷量，将再生气降温至C₆+重烃组分的临界温度后，液化分离重烃，分离“干净”的再生气中的气相部分继续利用去再生脱水单元的分子筛，从而有效地利用了天然气，节能降耗。

Claims (3)

1.管道天然气重烃脱除单元，其特征在于，包括：

重烃吸附器，设置在分子筛脱水单元下游，用于脱除天然气中的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃；该重烃吸附器包含有两个重烃吸附床，其中一个重烃吸附床为在线吸附床，另一个重烃吸附床为再生床；

再生气加热器，与重烃吸附器底部出口连接，用于加热来自重烃吸附器底部出口的部分再生气，并将加热后的再生气逆流送入需加热的重烃吸附床；

重烃再生气换热器，与重烃吸附器顶部出口连接，用于部分冷凝来自重烃吸附器顶部出口的再生气；

再生气重烃分离罐，与重烃再生气换热器顶部出口连接，用于对重烃再生气换热器出来的再生气进行气、液分离；

高压节能器，与再生气重烃分离罐顶部出口连接，并设置在再生脱水单元的分子筛之前，用于对再生气重烃分离罐分离出的气相进行复温；

还包括有再生气冷却器，设置在重烃吸附器和重烃再生气换热器之间，用于冷却脱除重烃后的再生气； 所述再生气冷却器的入口还与再生气加热器的出口连接；

还包括有低压节能器，设置在重烃储罐之前，并与再生气重烃分离罐底部出口和高压节能器底部入口连接，用于对再生气重烃分离罐分离出的液相进行复温，并对进入高压节能器的液体冷剂进行预冷；所述高压节能器顶部出口还与重烃再生气换热器顶部入口连接；

还包括有粉尘过滤器，设置在重烃吸附器和再生气加热器之间、液化单元之前，用于滤除由重烃吸附器带来的粉尘杂质。

2.管道天然气重烃脱除工艺方法，其特征在于，步骤包括：

1)将从分子筛脱水单元出来的天然气送入在线吸附床，脱除天然气中所含的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃，用粉尘过滤器滤除由重烃吸附器带来的粉尘杂质；

2)将部分天然气送入液化单元，部分天然气用再生气加热器加热后送入再生床，然后用再生气冷却器冷却再生气；

3)用重烃再生气换热器将再生气部分冷凝；

4)用再生气重烃分离罐分离再生气的液相和气相，分离出的气相进入高压节能器复温后，用于再生脱水单元的分子筛，分离出的液相用低压节能器复温后，回收至重烃储罐；液体冷剂经低压节能器、高压节能器预冷后，送入重烃再生气换热器。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，经过步骤1)的脱除后，天然气中所含的芳香烃、环烷烃和C₆以上的长链烷烃的浓度在1ppm以内。