张家口国储液化天然气有限公司 河北张家口 075000
摘要：天然气作为一种清洁能源，越来越受到人们的青睐，我国政府已把天然气利用作为优化能源结构、改善大气环境的主要措施，大力推广洁净能源的消费。因此，随着能源价格的不断上涨和国家对环境保护力度的逐步加大，LNG实现产业化已成为一种趋势，具有良好的发展空间。基于此，本文主要对液化天然气生产中重烃分离技术进行分析探讨。
关键词：液化天然气；生产；重烃分离；技术探究
1 前言
液化天然气领域，重烃通常是指C5及以上烃类。C5及以上重烃组分虽然在天然气中占很少比重，但是其特性的微小变化将显著影响天然气相特性的变化。在天然气液化工艺中重烃若脱除不彻底，会在液化低温段堵塞换热器流道而使冷箱冻堵，降低了液化率，能耗增加，冻堵严重时会导致装置停车。因而，重烃分离对天然气液化工程具有重大意义。
2 液化天然气生产中重烃分离技术
从上面的分析可知，天然气液化过程中易冻堵的重烃组分种类多，分离要求也不尽相同，因而对重烃分离方法的分离性能要求也高。针对天然气组分变化和重烃分离的要求，目前应用于天然气液化过程的重烃分离方法主要有固体吸附法、溶剂吸收法、冷凝分离法、膜分离法，或上述方法组合的分离方法。
2.1 固体吸附法
固体吸附法利用固体不同温度下吸附容量不同的原理分离天然气中重烃，是利用具有多孔结构的固体吸附剂对烃类组分吸附能力的差异使烃类气体得以分离的方法。目前工业上的成熟吸附法脱重烃工艺多采用两塔或三塔流程，在塔内交替完成吸附和解吸的过程。目前应用在天然气脱重烃的吸附工艺主要是变温吸附(TSA)。利用吸附剂对混合气的平衡吸附量随温度升高而降低的特性，采用常温吸附、升温脱附的工艺操作方法，用预热气体吹扫吸附床层进行吸附剂的再生。常用的吸附剂有硅胶和活性炭，可根据不同烃露点调整吸附剂的配比。硅胶分子式为SiO2·xH2O，为多孔极性吸附剂，平均孔径2～20nm，硅胶作为吸附剂有较大的吸附容量，对于极性分子和不饱和烃有很强的选择性。活性炭为非极性吸附剂，对于不带电物质的吸附力较强，易于吸附非极性或极性很低的吸附质，易于吸附芳香族有机物，同时易于吸附3个碳原子以上的其他有机物，对分子质量大的化合物的吸附力大于分子质量小的化合物。
2.2 溶剂吸收法
溶剂吸收法采用“相似相溶”原理以有机溶剂吸收天然气中的重烃。研究者提出了以异戊烷分离天然气中苯的方法，国内液化天然气专利商中原绿能高科即采用此种方式在原料气重烃组分中苯含量较高的流程中使用，净化后的天然气中苯含量能够降低至10×10－6以下。异戊烷溶解法脱重烃是含苯天然气进入脱苯塔的底部，异戊烷介质送入脱苯塔的顶部而使异戊烷与天然气逆流接触，吸收里面的重烃。溶解溶剂也可利用冷箱中液化的重烃作为洗涤液，不过由于原料气中物料组分并不稳定等原因，仍需要异戊烷来调节。
洗涤塔工艺方案适应性强，对天然气中的重烃含量没有限制。当原料气中重烃含量变化不大时，液体吸收剂和处理气流量相对稳定，操作简单，操作过程中吸收剂可选用装置产生的重烃。但重烃洗涤塔方案也存在诸多问题，这种方法流程复杂，吸收剂再生时消耗大量能量，被分离的重烃还要进入后续的脱乙烷塔以回收轻烃，无法快速适应气源组分波动。当气源组分快速变化时，需要调节吸收剂的用量，易出现液泛等非正常工况，使得重烃吸收精度不能满足要求，不合格气体直接进入深冷段，导致冷箱冻堵。装置本身重烃产量不稳定，当原料气中重烃含量较低时，需要补充异戊烷作为洗涤剂。
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2.3 冷凝分离法
冷凝分离法又称低温精馏法，利用熔沸点的不同进行气液分离。它是将天然气冷却至烃露点温度以下所需低温，得到部分富含较重烃类的凝液，实质就是气体液化的技术。而生产液化天然气(LNG)本身就是气体液化过程，因此采用冷凝分离法可以将重烃分离与天然气液化过程耦合，因此工程中多用此法分离重烃。该方法将天然气预冷至－30℃～－60℃后经重烃分离器一级或多级分离/精馏。
冷凝分离法分离重烃几乎不受重烃含量的限制，适用范围广.对易冻堵组分的控制精度高，能够将其他工艺无法处理的新戊烷含量很容易地控制在允许含量以下,该方法同时副产LPG产品，附加值甚至高于LNG产品，经济优势明显。该工艺的不足之处主要体现在工艺中设置精馏装置，需要增加塔设备，增加了工艺复杂性和投资费用;为适应原料气中重烃含量的波动，对塔设备操作弹性和稳定性要求高，塔设计和工艺设计难度大。因此，冷凝分离法的重点在于合理的工艺及控制方案以及塔设备设计，这也是该方法应用研究的热点。
2.4 膜分离法
目前用于气体分离的膜材料按材质大致分为多孔质膜和非多孔质膜，它们的渗透机理完全不同。多孔质膜分离是依靠各种气体分子渗透速度的不同达到分离目的。而非多孔质膜分离属于溶解扩散机理，气体渗透过程分为3个阶段:气体分子溶解于膜表面，溶解的气体分子在膜内扩散移动，气体分子从膜的一侧解吸。目前轻烃(包括其他气体)回收分离上常用的是非多孔质膜。
研究者采用碳化酚醛树脂对表面活性层进行上述类似实验研究，发现多组分气体中强吸附性组分对吸附过程有决定性作用，其浓度的增加会抑制其他组分渗透。目前此技术主要应用在海上平台的燃气发电系统中，因为这种方法在使用中会造成甲烷的损失，且能耗较高，仅适用于对甲烷收率要求不高的场合。另外，该方法仅在天然气“浅脱”重烃应用较多，目前尚未有文献报道该方法可以满足液化天然气对重烃深度脱除的要求，因而在液化天然气领域尚无应用案例。
虽然如此，与冷凝及变压吸附法脱烃相比，气体膜分离技术具有工艺简单、操作方便、维修简便以及弹性高等优点，这些优势是其他技术无可比拟的。若在选择性上有所突破，膜分离法将成为最具竞争力的天然气脱重烃技术。
2.5 组合工艺
鉴于以上脱重烃的方法各有优缺点，工程技术人员尝试将2种不同技术组合的方法对天然气液化过程中分离重烃工艺进行合理优化，以期两者互补，比较突出的主要有以下2种组合:①固体吸附+冷凝分离。一般来说，采用吸附法使重烃的含量降到天然气液化要求的很低浓度是不可能的。原料气中重组分含量比较多时，多采用吸附法和深冷分离法相结合的方式。有研究者提出一种吸附剂与低温分离相结合的装置脱除天然气中重烃，天然气在脱重烃吸附剂床层中脱除气体中大部分重烃，而后进入冷箱中进一步低温分离剩余重烃，经处理后的天然气中C6和C6+重烃组分脱除至LNG可溶解的程度。另外一种做法是将富含重烃的气体先通入冷箱低温分离，之后再进入脱重烃吸附剂床层进一步脱除剩余的重烃。相比较而言，后一种组合方式更能发挥固体吸附和冷凝分离两者的优势。②浅冷+深冷。
3 结语
脱重烃是液化天然气工程的重要问题。固体吸附剂技术成熟，操作弹性大，特别适合于重烃含量小于500×10－6的贫气工况，该技术的不足是吸附容量小，选择性差，进一步开发选择性好、吸附容量大的吸附剂是该技术发展的主要方向。在具体选择时应结合天然气气源组成、重烃含量及波动范围、液化工艺和业主需求做综合考虑，从而设计出稳定、可靠、高效、易操作的流程和工艺。
参考文献：
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论文作者:李晓刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/26
标签：天然气论文; 吸附剂论文; 组分论文; 气体论文; 工艺论文; 分离法论文; 戊烷论文; 《防护工程》2018年第5期论文;