一种液化天然气轻烃回收方法与流程

本发明属于轻烃回收工艺，尤其涉及一种适用于液化天然气接收站的新型轻烃回收方法。
背景技术：
：液化天然气(lng)是当今世界增长迅猛的清洁能源，对世界各国的节能减排起到了良好的促进作用。从国内进口国外lng的现状来看，国内2017年进口lng总量高达3789万吨，预估2020年国内将进口310×108～560×108m3，2025年将进口130×108～560×108m3。全球lng产能稳步提高，即将进入产能集中释放期。目前，全球lng贸易主要集中在亚太地区。据国际天然气联盟统计，2017年亚太地区lng进口量占全球的50.3％，其中，日本、中国、韩国居lng全球进口量前三位。由于不同产地的lng其气质组成有所不同，我国进口的lng主要分为贫lng和富lng两种，一般c2+含量较多的lng为富lng，含量少的为贫lng。其中，国内从澳大利亚、卡塔尔、阿尔及利亚等国家和地区进口的lng的中c2+组分普遍较高，部分进口lng产品乙烷摩尔组分能达到9％以上，c2+含量可高达12％以上。然而，乙烷作为一种优质的乙烯原料，在国民生产中发挥着重要的作用。据资料显示，截止2014年，世界范围内乙烷裂解制乙烯的比重已达35％，2020年有望达到40％；而国内利用轻烃制乙烯的比例仅有14％，与世界轻质原料制乙烯的水平相差较远，其中很重要的原因之一就是国内对天然气中轻烃的回收不够重视。如果国内进口的富lng直接汽化后供给用户，不仅会给lng运营和销售企业造成不小的经济损失，而且会给国内乙烷制乙烯工业造成更大的原料负担，使国民生产和国家能源安全战略布局面临更大的安全隐患和挑战。从国内的天然气的热值规定上分析，我国民用天然气的高位热值最小为31.4mj/m3，但是进口lng中轻烃组分较高时，热值可高达40mj/m3及以上，热值偏差达27.3％及以上。在燃气中的热值过高和用户总热负荷不变的情况下，管网中运行的气量也会有所减小，直接威胁着天然气管网的安全、高效运行。此外，民用燃气设备一般有设计的使用热值，热值提升后，设备燃烧工况会发生一定的变化，可能使民用燃气燃烧不完全，热值得不到充分的利用，也可能给环境造成其它破坏。因此，从国内进口富lng中回收轻烃，对lng能源的安全、高效使用也有着重要意义。国外发展lng轻烃回收技术比国内要早，如美国在1960年就开始从lng中回收轻烃，并设计了众多lng轻烃回收流程，如us3837172、us5114451、us5588308、us6604380b1、us6907752b2等。此外，国外较早研究lng的相关分离技术的还有日本和澳大利亚等国家，并取得了较好的研究成果。随着国内lng进口量的逐步增加，国内学者也对lng的轻烃分离技术进行了大量的研究，取得了较大的突破，在设备的换热优化和冷能的梯级利用方面成果显著。但是，结合国内外lng的轻烃分离研究现状，我国的lng轻烃回收技术也出现了一些不足之处，主要的问题有：(1)部分lng轻烃回收流程采用了较多的压缩机设备，增加了回收流程复杂程度和整体流程运行能耗，使流程参数上更难控制。(2)部分流程中仅分离出气质较贫的天然气和c2+产品，虽然一定程度上可以降低产品热值，但是乙烷和lpg产品没有得到有效分离，难以直接销售和利用，导致经济效益不明显。(3)部分流程中的换热网络较为单一，没有充分采用热集成的设计原则，造成了流程的冷量利用率差和热量能耗过大，给流程产生的经济效益造成了较大的影响。(4)部分流程中分离的甲烷产品全部为气相，在天然气需求量增大时，其调峰能力跟不上或者无法进行天然气调峰。(5)部分流程中乙烷或lpg产品大多是气相，需要额外的能耗才能将产品液化，不利于产品进一步的储存或者销售。技术实现要素：本发明主要是提供了一种新型的液化天然气的轻烃回收方法，解决了目前lng轻烃分离技术上的一些不足之处。该方法主要有以下特点：流程加热和加压设备少，流程中设备的参数易于控制；基于热集成的思想，冷能得到充分的梯级利用；该流程中的乙烷和lpg的回收纯度和回收率都非常高，经济效益显著。为了达到上述目的，本发明的技术方案通过下述方案实现：第一部分、原料lng的预热：a、原料lng首先通过lng增压泵增压至1.2mpa，压力提升后与脱甲烷塔中分离出来后分流的低温甲烷气进行第一次换热，液化了低温甲烷气。b、原料lng经过a步骤预热后再与脱乙烷塔塔顶的乙烷气进行换热。经过换热后，脱乙烷塔塔顶气相乙烷被lng原料部分液化。原料lng被进一步加热后进入脱甲烷塔。第二部分、脱甲烷：c、原料lng经过两级预热后进入脱甲烷塔，塔顶出来的甲烷气被分流器分成两股物流，一股占20％的物流被原料lng液化后节流降压进入lng储罐进行储存，另外一股占80％的物流则通过换热器与步骤b中没有完全液化的乙烷物流进行换热，将部分液化的乙烷产品完全液化。脱甲烷塔底部的c2+产品物流经过节流阀降低压力至0.83mpa后与一股完全液化后的低温乙烷产品物流进行换热，c2+物流温度进一步降低至-21℃后进入脱乙烷塔。第三部分、脱乙烷：d、经过步骤c降温处理的脱甲烷塔底部c2+物流进入脱乙烷塔进行乙烷的分离，乙烷从脱乙烷塔塔顶出来，c3+产品从脱乙烷塔塔底出来。为了增强脱乙烷塔的乙烷脱离效果，步骤c中的液相乙烷物流被分流出一股后增压进入脱乙烷塔回流。第四部分、产品的换热：e、步骤a中被原料lng液化后的低温甲烷除了进罐储存外，还需要在天然气调峰期间汽化后输往天然气干线参与调峰。f、步骤c中完全液化后的乙烷产品被分流器分流成两股物流，一股占65％的物流与脱甲烷塔底部节流降温后的c2+组分进行换热，换热后仍保持液态；另一股占35％的物流则被乙烷增压泵增压至0.78mpa进入脱乙烷塔回流。g、步骤d中脱乙烷塔塔底的c3+产品物流节流后通过换热器与步骤c中将乙烷完全液化的低温甲烷气物流进行换热，最后被完全液化成便于储存和运输的常压低温lpg产品。本发明的有益效果：能够从原料lng中得到高纯度的甲烷、乙烷及lpg，甲烷纯度可达97.54％，回收率可达99.99％；乙烷产品纯度可达98.78％，乙烷回收率可达97.72％，lpg产品回收率可达98.86％；该流程系统采用了热集成思想，充分利用了lng的冷能将各产品液化，部分脱甲烷气被液化后作为调峰储备气源，能有效缓解天然气需求旺盛时期的供气紧张局面；基于冷能梯级利用和系统收益最大化的原则，设计了一种高效的换热网络，使整个轻烃回收流程以最小的运行能耗达到最大的经济效益。附图说明图1为本发明的工艺设备流程示意图。其中，附图中的附图标记所对应的名称为：p1为lng增压泵，e1为低温甲烷气换热器，e2为乙烷换热器，t1为脱甲烷塔，vlv1为节流阀，e3为c2+物流换热器，t2为脱乙烷塔，e4为乙烷换热器，tee1为甲烷气分流器，tee2液相乙烷分流器，p2液相乙烷增压泵，e5为lpg产品换热器，vlv2为液相甲烷节流阀，vlv3为c3+物流节流阀，v1为贫lng调峰储罐，m1为外输天然气混合器。具体实施方式结合附图和具体的实施案例对本发明进行进一步的说明。如图1所示，一种新型液化天然气轻烃回收方法，包括以下步骤：a、原料气的预热：原料lng通过增压泵p1增压至1.2mpa后在换热器e1与20％的脱甲烷塔顶气物流进行换热，换热后的原料lng的温度升高至-141～-137℃；原料lng经过脱甲烷气换热后进入到换热器e2与脱乙烷塔顶部的气相乙烷进行换热，原料lng的温度升高至-122℃后进入脱甲烷塔t1。b、脱甲烷：原料lng进入脱甲烷塔t1后，塔顶压力为1.075mpa，塔底压力为1.175mpa；甲烷气从塔顶分离出来，随后被分流成两股物流，其中一股物流占20％；脱甲烷塔底部的c2+产品物流节流至0.83mpa后被液相乙烷产品冷却至-21℃进入脱乙烷塔。c、脱乙烷：c2+物流进入脱乙烷塔后，塔顶压力为0.8mpa，塔底压力为0.9mpa，理论塔板数为15，回流液相乙烷从塔顶开始的第5块塔板进入；气相乙烷从塔顶脱出，c3+产品从塔底脱出。d、产品的换热：从脱甲烷塔顶部甲烷气分流出来的20％物流被原料lng液化至-137～-125℃，经过节流减压至0.6mpa进入储罐v1作为调峰使用。从脱乙烷塔顶部脱出的气相乙烷被原料lng部分液化后继续与脱甲烷塔顶部甲烷气分流出来的80％物流换热，被完全液化至-60～-50℃。从脱乙烷塔底部出来的c3+产品节流降压后与将乙烷完全液化后的甲烷气物流换热，被液化成lpg产品进行常压低温储存。实验例一处理量为440.5t/h，lng的原料温度-162℃，压力0.12mpa，摩尔含量情况为：甲烷81.0％，乙烷11.0％，丙烷4.1％，正丁烷2.4％，正戊烷0.6％，氮气0.9％。a、原料气的预热：原料lng的温度为-162℃，压力为0.12mpa，首先经过lng增压泵p1增压至1.2mpa，增压后通过换热器e1与脱甲烷塔顶部甲烷气分流出来的58.1t/h的物流换热，lng的温度升至-141.7℃。原料lng经过第一次换热后再通过换热器e2与脱乙烷塔顶部气相乙烷换热，温度升高至-122℃后进入脱甲烷塔。b、脱甲烷：原料lng进入脱甲烷塔后，塔顶甲烷气流量为290.6t/h，压力为1.075mpa，温度为-118.5℃；脱甲烷塔底部c2+物流的流量为149.8t/h，压力为1.175mpa，温度-8.6℃，经过节流阀vlv1节流后压力降低至0.83mpa，通过换热器e3与液相乙烷产品换热后的温度降低至-21℃，最后进入脱乙烷塔。c、脱乙烷：c2+物流进入脱乙烷塔后，脱乙烷塔顶部气相乙烷的流量为109.8t/h，温度为-37.9℃，压力为0.8mpa；脱乙烷塔底部的c3+产品流量为78.4t/h，压力为0.9mpa，温度为40.6℃，经过节流阀vlv3减压至150kpa与低温甲烷气换热；液相乙烷产品的回流流量为38.4t/h，回流压力为0.78mpa，温度为-49.9℃。d、产品的换热：从脱甲烷塔顶部甲烷气分流出来的20％的甲烷气物流被完全液化至-125℃，经过节流阀vlv2节流后减压至0.6mpa后进罐储存作为调峰气使用。脱乙烷塔顶部的气相乙烷与lng原料换热后被部分液化至温度-40.7℃、压力0.75mpa，气相分数0.44，再与脱甲烷塔顶部甲烷气分流出来的80％物流进行换热，被完全液化至温度-50℃、压力0.73mpa。完全液化后的乙烷再被分流成两股，一股占比为65％，流量为71.4t/h，与脱甲烷塔底部节流后的c2+物流换热后温度为-42.8℃，压力为0.715mpa，仍可保持液相进行储存和运输。从脱乙烷塔底部出来的c3+产品节流后通过换热器e5与低温甲烷气换热后被液化成压力为0.12mpa、温度为-40℃的常压低温lpg产品进行储存和销售。轻烃回收工艺物流模拟结果如表1所示。表1实验例一中轻烃回收工艺物流模拟结果续表1表2所示为整个轻烃回收流程各个设备的能耗以及整个流程的总能耗，系统总能耗计算为59160.3kw，其中能耗较高的设备为脱甲烷塔和脱乙烷塔，与目前国内其它学者提出的轻烃回收流程相比，该流程系统的能耗较低，能很好地适用国内大部分的lng轻烃回收站。表2实验例一中轻烃回收的设备总能耗单元名称功率(kw)脱甲烷塔t144520.4脱乙烷塔t214285.6lng增压泵p1352.9液相乙烷增压泵p21.4整个系统的能耗59160.3上述流程对lng轻烃回收工艺进行了换热网络的设计和优化，采用热集成的思想优化了换热系统，以较低的能耗将乙烷和lpg产品全部液化成低压低温形式进行储存，在液相轻烃产品分离产量较多时经济效益明显，且将部分脱出的甲烷气液化成贫lng作为调峰气源，对城市燃气的调峰产生巨大积极作用。通过此流程，lng接收站的轻烃回收的运行经济性会显著改善，管理效率也会得到极大提高。本领域的相关技术工作者可能会意识到，本文所述的案例可以更好地帮助读者理解该发明专利的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限此案例。本邻域的相关技术工作者可以根据本发明公开的这些技术启示做出一些不脱离本发明实质的其它变形的组合流程，但是这些流程的变化形式仍在本发明的保护范围之内。当前第1页12