Scheme comparison and selection of heavy hydrocarbon removal process in LNG plant
China Natural Gas Corporation Limited, Chengdu 610100, China
Abstract: Current situation and existing problem of heavy hydrocarbon removal process in the LNG plant were analyzed. Taking the existing devices in Guangyuan LNG plant of China Natural Gas Corporation Limited as example, the processing capacity of which was 1 000×103 m3/d(at 20 ℃ and 101.325 kPa), it is helpful to improve the effect of heavy hydrocarbon removal by adding a new adsorption equipment following the dehydration unit. Meanwhile, it can reduce the flow rate of flash gas, increase the liquefaction ratio of the natural gas, and decrease the unit energy consumption, as well as promote keeping the plant for a long-term and stable full load operation.
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[1-3]。
华油天然气股份有限公司(以下简称华气公司)所属LNG工厂有7座，LNG产能达730×104 m3/d(约5 000 t/d)，已建成投产的LNG工厂产能达630×104 m3/d。然而，目前国内管输气组分不太稳定，尤其是苯、环己烷等凝固点较高的组分在原料气中的含量对LNG工厂的运行有极大的影响。由于工艺设计时未能充分考虑气源变化的弹性范围，几套装置自投产以来，均不同程度地存在同一问题，即：因重烃脱除不彻底造成冷箱冻堵，装置只能维持较低负荷生产甚至停车。针对以上情况，对重烃脱除工段进行了优化改造，提高重烃脱除精度，促进工厂长期满负荷稳定运行，以提高经济效益。
1 装置存在的问题及原因分析
目前，国内管输气重烃体积分数一般在800×10-6以内，但波动较大。原因是部分井口气中LPG总含量较低，达不到投资净化厂的收益要求，特别是在冬季缺气时，大量未处理的井口气直接进入管网，加剧了气源重烃含量的波动。
华气公司现有多套装置的液化工段采用Black & Veatch开发的单循环混合冷剂制冷循环技术[4-6]。原料天然气经脱碳、脱硫、干燥等净化工序后进入液化、脱重烃工序，从主换热器中间引出低温气液混合物，在重烃分离器中脱除液态重烃，如图 1所示。如果重烃分离不彻底，被气相带进冷箱的深冷段，极易发生重烃冻结，造成设备堵塞。根据装置运行经验可知：当冷箱中部重烃分离罐顶部的气相苯体积分数低于10×10-6时，冷箱深冷通道的压差小于30 kPa，不影响装置的稳定生产。当使用分子筛、活性氧化物或硅胶进行脱水时，重烃可被部分脱除。在天然气液化过程中，通常是将天然气预冷达到重烃组分冷凝点，通过气液分离器回收液相重烃[7]。
目前，大多LNG装置采用低温分离的方式脱除重烃。当原料气中重烃含量较高时，在实际操作过程中，主要通过降低中间引出点的压力和温度控制重烃脱除精度。此法以增加冷剂压缩机能耗为代价，同时，也会增加闪蒸气流量，导致装置液化率降低。
当乙烷、丙烷等轻组分含量较高时，这种操作方式将产生大量的闪蒸气，此部分闪蒸气若增压后循环回到装置前端，会大大增加装置能耗，使得易冻堵组分在系统内累积，最终导致冷箱堵塞。广元LNG工厂为了避免上述问题，采用增压后外输的方案解决此问题，但因下游用气单位对气源组分要求较为严格，故增加了操作过程和外协工作难度。
2 技术方案比选与确定
天然气净化已有许多成熟的工艺技术[8]。天然气中的重烃脱除工艺包括：低温分离、固体吸附和溶剂吸收3大类。目前，广元LNG工厂所采用的方法是低温气液分离，液相分离出的重烃去重烃储罐，气相进入冷箱继续深冷分离出LNG产品。溶剂吸收通常利用“相似相溶”的原理，故LNG工厂可以选择产品LNG或产生的重烃作为吸收剂。固体吸附法通常采用硅胶、分子筛或活性炭等微孔材料作为吸附剂，吸附原料气中的重烃。
针对广元LNG工厂采用低温分离的方法能耗高、液化率低、闪蒸气量大等问题，提出以下两种工艺技术方案：方案A：低温分离+固体吸附方案，在原装置脱水装置后新增变温吸附单元；方案B：低温分离+溶剂吸收方案，在原有装置重烃分离器后新增洗涤塔装置。
2.1 增加变温吸附脱除装置
固体吸附采用工业上应用成熟的变温吸附(TSA)技术。变温吸附方案脱重烃工艺类似于目前广泛采用的脱水装置流程，如图 2所示。在脱水单元后采用双塔流程，一塔吸附一塔再生，经过脱碳、干燥及脱汞后的天然气进入吸附床，将天然气中重烃体积分数吸附至50×10-6以内。吸附剂再生后的再生气被冷凝，液相送至重烃储罐，气相作为前端分子筛再生气。固体吸附具有以下优点。
(1) 目前固体吸附剂技术非常成熟，先进的吸附剂对甲烷-重烃体系选择性很强，非常适合国内管输气乙烷、丙烷等含量不高但重烃含量较高的气源特点。
(2) 固体吸附剂的吸附弹性较大，可适应气源组分的快速变化。只要重烃含量在吸附剂的饱和吸附量以下，均可成功脱除。
(3) 再生气冷却重组分回收作为重烃产品，轻组分也可作为再生气给脱水单元分子筛再生，全部无需外排。
(4) 固体吸附装置可撬装化，成撬后现场安装时间短，对工厂正常生产影响小。
固体吸附的不足之处在于：
(1) 初期设备投资高，且需定期更换吸附剂。以华气公司广元LNG工厂为例，初步估算变温吸附装置的改造费用约900万元，增加的年运行费用约250万元。
(2) 若重烃含量非常高，设备尺寸过大，装填量增加，能耗较高。
2.2 增加重烃洗涤塔装置
重烃洗涤塔方案工艺流程见图 3。在冷箱中段增加重烃洗涤塔，结合原有重烃分离罐，天然气从吸收洗涤塔底部进入，之后在塔内自下向上流动并与从塔顶进入的洗涤液(吸收剂)逆流接触，天然气被洗涤后进入冷箱，洗涤液吸收天然气中的重烃后进入重烃储罐。
重烃洗涤塔方案存在以下优点：
(1) 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。
(2) 设备投资较少，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不足，包括：
(1) 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。
(2) 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。按洗涤剂用量的50%需补充异戊烷考虑，以华气公司广元LNG工厂为例，初步估算增加重烃洗涤塔装置的改造费用约750万元，年运行费用约350万元。
比较两种方案，方案A(低温分离+固体吸附)虽然比方案B(低温分离+溶剂吸收)设备投资高，但具有稳定性高、年运行费用较低、闪蒸气无需外输等显著优点。同时，结合目前管输气中乙烷摩尔分数约2%、C6+重烃体积分数在800 ×10-6以下，但变化频率很快的特点，采用方案B增加洗涤塔，需不断调节吸收剂循环量，以适应原料气中的重烃含量变化，增加了操作运行的不稳定性。选用高效吸附剂，可将C6+脱除至满足后续工艺要求的指标。综上，从工厂的长期稳定运行和运行成本角度来看，方案A更优。
3 技术改造的成效及建议
LNG工厂增加吸附装置后，可改变当前所采用的降低冷箱中部引出点温度和压力的操作方式。增加吸附装置，将原料气中的C6+组分体积分数从约800 ×10-6降低至50 ×10-6以下。既可确保重烃脱除精度，解决冷箱冻堵问题，进而促进装置长期稳定运行；又可以提高液化率，增加LNG产量，降低装置比功耗。
投资效益是影响投资决策的关键因素，结合改造项目的特点，财务分析采用“直接增量效益”的评价方式。所谓增量效益是指企业实施改建与假定不实施改建相比所增加的效益。以华气公司广元LNG工厂为例，技术改造后与改造前相比，液化率提高3.0%，LNG产量提高5.9%，能耗下降8.6%，外输气量下降100%。对增加吸附装置技术改造进行经济分析，年净利润较改造前增加872.4万元，税后投资财务内部收益率81.1%，税后投资回收期为2.5年。同时，改造后工厂能稳定运行，还存在一定的间接经济效益。以每年冷箱冻堵4次计，每次冷箱冻堵造成的停车损失约为50万元，每年减少损失约200万元。
增加吸附装置进行技术改造后，天然气进入冷箱前就将重烃体积分数脱除至50 ×10-6以内，冷箱中部引出的低温天然气在重烃分离罐中再次脱除剩余重烃，满足进入深冷的天然气中苯体积分数脱除至10 ×10-6以内的要求。同时，重烃吸附床的再生气经低温冷却回收重烃后，可直接作为脱水单元分子筛的再生气或蒸汽锅炉的燃料气。技改完成后不再采用降低冷箱中部引出天然气温度和压力的操作，可有效减少重烃闪蒸气量，提高天然气液化率，降低LNG产品的比功耗，促进装置长周期满负荷稳定运行。由于改造后闪蒸气量明显减少，完全可作为燃料气，不需再增压后外输至管网，无需考虑外输气是否满足下游工业用户对组分的严格要求，故降低了操作过程和外协工作的难度。
4 结语
综上论述，固体吸附方案具有能耗低、工艺流程简单、操作安全、可靠等优点。LNG工厂脱重烃工艺的改造可以提高装置的适应性和灵活性，提高企业的经济效益和社会效益。
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PRICE B C, MORTKO R A. PRICO-a simple, flexible proven approach to natural gas liquefaction, GASTECH, LNG, Natural Gas, LPG international conference[C]. Vienna: [s. n. ], 1996.
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STEBBING R, J O'BRIEN. An updated report on the PRICOTM process for LNG plants, GASTECH, LNG/LPG Technology Congress[C]. Paris: [s. n. ], 1975.
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顾安忠, 鲁雪生. 液化天然气技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.
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2015, Vol. 44