管道天然气重烃脱除单元及重烃脱除方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] 表1 LNG生产需脱除的重烃组分及凝固点温度
[0005]
[0006] 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：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 重烃储罐7,用于存储从天然气中脱除的重烃。
[0014] 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。
[0015] 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（C 4+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：
[0016] 1.无法适应多气源供气的管输气组分变化时的供气特点。
[0017] 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°C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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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, ppll8-120)。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。
[0021] 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：
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 重烃储罐7,用于存储从天然气中脱除的重烃。
[0029] 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C 6+组分。
[0030] 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C 6+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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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：
[0034] 1.需要新增加设备。
[0035] 2.仍然无法适应气源较快的波动。
[0036] 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。
[0037] 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吨异戊烧为例,约增加运行费用近1000万元）。
[0038] 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C 6+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。
[0039] 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】
[0040] 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。
[0041] 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：
[0042] 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；
[0043] 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；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048] 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。
[0049] 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。
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