天然氣提氦技術(shù)探討與研究

第27卷第4期天然氣與石油vol.27,N.42009年8月Natural Gas And OilAug. 2009天然氣提氦技術(shù)探討與研究龍增兵,琚宜林,鐘志良,蒲遠洋(中國石油工程設計有限公司西南分公司,四川成都610017)摘要:介紹了氦氣在不同領(lǐng)域的應用和國內外主要提氦工藝技術(shù)。針對某氣田含氦天然氣,重點(diǎn)對三種低溫提氪技術(shù)進(jìn)行比選研究,通過(guò)比選研究發(fā)現后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離工藝無(wú)論是工藝綜合能耗、操作條件,還是工藝的穩定性、靈活性以及裝置的綜合效益都較其它兩種低溫提氦工藝要妤。故推薦后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離工藝作為天然氣提氦的首選工藝?？偨Y工藝的主要特點(diǎn),提出了降低該工藝能耗以及生產(chǎn)成本可行的措施關(guān)鍵詞:天然氣;氦氣;低溫法;提氦;膨脹制冷;氪循環(huán)制冷文章編號:1006553912009)04002804文獻標識碼:A表1原料氣組成情況0引言組分組成/(mol%)氦氣因其獨特的性質(zhì),在國防軍工和科學(xué)研究0.03ChS中有著(zhù)重要的用途。利用其-268.9℃的低沸點(diǎn),液7-72氦可以用于超低溫冷卻;在火箭和航天中用作液氫0.0020.03-0.05燃料系統的清洗介質(zhì)和加壓推進(jìn)劑;在懸浮列車(chē)等2.3~2.8領(lǐng)域中廣受關(guān)注的超導體應用中,氦氣也是不可或0.16-0.2缺的。此外,氦氣在醫療領(lǐng)域的核磁共振成像設備0.001-0.00150飽和水中用作超導電磁體冷卻、在核發(fā)電裝置用作傳熱介質(zhì)、在光纖生產(chǎn)中用作冷卻和情性氣體保護以及在儀器分析方面用作氣相色譜等的載氣等方面都得到其主要技術(shù)指標:生產(chǎn)規模按50×10·m3d考廣泛的應用。慮粗氦問(wèn)收率≥98%,粗氦濃度為70%左右。產(chǎn)氦氣在空氣中含量極少(約000%)并無(wú)工業(yè)品天然氣外輸壓力:1.0MPa提氦價(jià)值。氦氣主要存在于天然氣中,其含量在世界各地各有不同有的氮氣含量最高達8%。因此2提氦技術(shù)概述從天然氣中提取氦氣仍是氦氣的主要工業(yè)來(lái)源。目前國內外天然氣提氦工藝主要包括非低溫法和低溫法。提氦工藝研究氣質(zhì)條件及技術(shù)指標2.1非低溫法提氦技術(shù)本文研究提氦技術(shù)的原料氣采用某氣田含氦天非低溫法主要采用膜分離和變壓吸附。我國研然氣(氣質(zhì)組成見(jiàn)表1)。溫度:30~40℃,壓力:2.5究的膜分離技術(shù)采用國產(chǎn)聚砜/硅橡膠中空纖維膜,MPa(g)。常溫下經(jīng)一級膜分離可使氦濃縮5~5.5倍,氪收率收稿日期:20090402作者簡(jiǎn)介:龍增兵(1982-),四川德陽(yáng)人,助理工程師,碩士,主要從事天然氣處理與加工設計工作。電話(huà):(028)86014540。第27卷第4期龍增兵,等:天然氣提氮技術(shù)探討與研究達到63%~75%。但該工藝技術(shù)還沒(méi)工業(yè)化,同時(shí)對于前端原料氣預冷方案,根據具體原料氣氣質(zhì)條膜的可靠性和穩定還需進(jìn)一步研究證明2。在此件,一般采用膨脹制冷、外部制冷(如 PRICO混合冷研究的基礎上,我國研究人員提出了用膜分離+低劑制冷循環(huán))以及膨脹制冷+外部制冷的方式3溫分離聯(lián)合法從天然氣中提取氦氣。利用膜分離預目前在低溫提氦工藝中主要有兩種工藝應用較為廣濃天然氣中的氦氣,在相同氦氣產(chǎn)量的情況下,可大泛,分別是:克勞特循環(huán)工藝和膨脹制冷+氮氣循環(huán)度降低低溫分離的規模及投資費用,但同樣存在制冷分離工藝膜分離膜中分離膜的技術(shù)問(wèn)題3。而沒(méi)有真正意2.2.1克勞特循環(huán)工藝義上的工業(yè)化典型的克勞特循環(huán)制冷工藝流程見(jiàn)圖1所示。在國外俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院研究于原料氣經(jīng)過(guò)氨預冷器,再經(jīng)膨脹機膨脹制冷后進(jìn)入2006年研究出一種采用非低溫法從天然氣中分離原料氣冷卻器冷卻然后進(jìn)入一級提濃塔,塔頂的氦氣的新工藝。該工藝利用極為細小的玻璃微珠組次粗氦氣體進(jìn)二級提濃塔,二級提濃塔塔頂分離出成的膜將氦氣從氣流中吸附出來(lái)但目前該工藝尚產(chǎn)品粗氦,一級提濃塔底出來(lái)的大部分液甲烷先進(jìn)未投入規?；I(yè)生產(chǎn)中,還有待進(jìn)一步的研究開(kāi)入原料氣冷卻器回收冷量后進(jìn)入膨脹機增壓端增壓發(fā)后進(jìn)入商品天然氣外輸管線(xiàn),另一部分液甲烷經(jīng)節流作為一級提濃塔塔頂的冷源,再進(jìn)入原料氣冷卻2.2低溫提氦技術(shù)器回收冷量,最后經(jīng)過(guò)低壓尾氣壓縮機增壓后進(jìn)入低溫法提氦工藝,國內外一般采用氮氣循環(huán)制商品天然氣外輸管線(xiàn)。二級提濃塔塔頂的冷源采用冷技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足低溫法提氮工藝中所需的制冷溫度。氮循環(huán)制冷6。商品天然氣至外輸管線(xiàn)膨脹機組深冷器粗氮含氦天然氣氨預冷器X■X■z補充氮氣低壓尾氣壓縮機原料氣冷卻器一級提濃塔二級提濃塔緩沖罐圖1克勞特循環(huán)制冷提氦工藝流程圖2.2.2膨脹制冷+氮氣循環(huán)制冷兩塔分離工藝2.2.2.1前膨脹工藝該工藝方案包括兩種,一種是采用前膨脹,另前膨脹+氮循環(huán)制冷工藝方案(工藝流程如圖種采用后膨脹。2):含氦天然氣進(jìn)入原料氣冷卻器冷卻到一定溫度商品天然氣至外輸管線(xiàn)膨脹機組冷器含氦天然氣X■補充氮低壓尾氣壓縮機原料氣冷卻器級提濃塔二級提濃塔緩沖罐圖2前膨脹提氦工藝流程圖天然氣與石油2009年后,經(jīng)膨脹制冷后再次進(jìn)入原料氣冷卻器進(jìn)一步冷3):含氦天然氣進(jìn)入原料氣冷卻器換冷后進(jìn)入一級卻,然后進(jìn)人一級提濃塔,塔頂的一次粗氦氣體進(jìn)二提濃塔塔頂的一次粗氦氣體進(jìn)二級提濃塔,在二級級提濃塔,二級提濃塔塔頂分離出產(chǎn)品粗氦,一級提提濃塔塔頂分離出產(chǎn)品粗氦,一級提濃塔塔底出來(lái)濃塔塔底出來(lái)的大部分液甲烷先進(jìn)入原料氣冷卻器的大部分液甲烷先進(jìn)入原料氣冷卻器回收部分冷回收冷量后進(jìn)入膨脹機增壓端增壓后進(jìn)入商品天然量,再經(jīng)膨脹制冷后進(jìn)入原料氣冷卻器回收冷量后氣外輸管線(xiàn),另一部分液甲烷經(jīng)節流作為一級提濃形成中壓尾氣再進(jìn)膨脹機增壓端增壓后進(jìn)入天然氣塔塔頂的冷源,再進(jìn)人原料氣冷卻器回收冷量,最后產(chǎn)品外輸管線(xiàn),另一部分液甲烷經(jīng)節流作為一級提經(jīng)過(guò)低壓尾氣壓縮機增壓后進(jìn)入商品天然氣外輸管濃塔塔頂的冷源后,再進(jìn)入原料氣冷卻器問(wèn)收冷量線(xiàn)。二級提濃塔塔頂的冷源釆用氮循環(huán)制冷。最后經(jīng)過(guò)低壓尾氣壓縮機增壓后進(jìn)入商品天然氣外2.2.2.2后膨脹工藝輸管線(xiàn)。二級提濃塔塔頂的冷源采用氮循環(huán)制冷。后膨脹+氮循環(huán)制冷工藝方案(工藝流程如圖商品天然氣至外輸管線(xiàn)膨脹機組冷器含氦天然氣缸預冷器氮氣壓縮機補充氮氣低壓尾氣壓縮機原料氣冷卻器級提濃塔二級提濃塔圖3后膨脹提氮工藝流程圖通過(guò)以上介紹,非低溫提氦工藝可能在能耗和循環(huán)制冷兩塔分離工藝中的前膨脹制冷與后膨脹制材料消耗上優(yōu)于低溫法。但現階段非低溫工藝在天冷兩方案作詳細的技術(shù)研究。然氣提氦工業(yè)中尚未成熟到足以大規?；a(chǎn)的地為了滿(mǎn)足低溫法提氦工藝的要求,原料氣天然步。據最近統計數據,在俄羅斯,共有5座氦生產(chǎn)氣中的H2S含量需≤4×10-°,CO2含量≤100廠(chǎng),包括奧倫堡氦氮廠(chǎng)均采用低溫工藝。同時(shí)根據美106,H2O含量≤1×106。故在進(jìn)入低溫提氦裝置國氦年報的報道,目前美國14套從天然氣中提取粗之前還需要采用醇胺溶液進(jìn)一步脫硫脫碳,并采用氦的裝置在運行,除2套外均采用了低溫法提氦工分子篩進(jìn)行深度脫水。故本文釆用脫硫脫碳、脫水藝。故本文采用低溫法對表l所示的含氮天然氣進(jìn)后的干氣作為低溫提氦技術(shù)比選的原料氣(壓力為行氦氣提取并作相關(guān)的比選研究。22MPa),借助 HYSYS軟件對后膨脹工藝和前膨脹工藝進(jìn)行模擬計算比選研究結果見(jiàn)表2所示。3低溫提氦工藝技術(shù)優(yōu)選研究表2低溫提氮方案比選研究數據方案二項目前面介紹的三種低溫法提氦工藝,對于克勞特后膨脹工藝前膨脹工藝循環(huán)制冷工藝,其主要在20世紀60,70年代應用較對數平均溫差C產(chǎn)品粗氦最高濃度/v(%)為廣泛,該時(shí)期的膨脹機等熵效率較低同時(shí)膨脹機氦氣回收率/(%)7065和板翅式換熱器制造水平相對落后,故須采用外部氮氣壓縮機軸功率/W124制冷預冷原料氣(一般采用氨制冷系統),再經(jīng)過(guò)膨尾氣縮機軸功率AW脹機膨脹制冷才能到達進(jìn)一級提濃塔進(jìn)料條件。該裝置成低操作溫度/℃-18522382317工藝能耗大投資費用高。隨著(zhù)低溫機械設備設計裝置綜合能耗/Md42和制造水平的不斷發(fā)展,克勞特循環(huán)制冷工藝已逐步被后兩個(gè)工藝所取代。本文將對膨脹制冷+氮氣從比選結果可以看出,方案二中操作溫度低第27卷第4期龍增兵,等:天然氣提氮技術(shù)探討與研究(最低可達-192℃),不僅不利于節能,而且對塔體的差異與保冷效果也會(huì )對提氦裝置能耗產(chǎn)生重大影材質(zhì)要求高,其主要原因是由于方案二的操作壓力響。另外氦生產(chǎn)成本還取決于附加產(chǎn)品,如液化氣低所造成的。而且方案二的粗氦最高濃度較方案一(丙丁烷)輕油等產(chǎn)品的產(chǎn)量、天然氣組成、工廠(chǎng)所低,這將導致粗氦精制成本大幅度的增大,如果人為在地及地區用氣輸氣條件。作者建議可采用以下幾的提高方案二粗氦產(chǎn)品的濃度,不僅會(huì )使能耗急劇項措施來(lái)降低低溫提氮工藝生產(chǎn)成本及能耗的增大,同時(shí)要選擇滿(mǎn)足更低溫位的塔體材質(zhì)也很困難。此外,若采用前膨脹工藝,由于膨脹機出口壓5.1工藝設計力直接決定了提濃塔的操作壓力,為了使裝置穩定a在可能的情況下,提氦裝置應向大規模生產(chǎn)運行,膨脹機操作彈性將受到較大的限制,而使裝置發(fā)展;變工況下的適應性降低。b在生產(chǎn)合格產(chǎn)品粗氮以及滿(mǎn)足氦氣收率的對于方案一,不僅較方案二產(chǎn)品粗氦濃度髙,操前提下,進(jìn)一步優(yōu)化提濃塔塔頂冷凝器負荷,氮氣循作溫度高綜合能耗低、投資費用低,而且該工藝可環(huán)制冷系統操作壓力等參數從而降低裝置的能耗;利用膨脹比靈活控制進(jìn)一級提濃塔的流體溫度,且c.若原料氣中含C3組分含量較多,可在低溫不影響換冷及分離的其他環(huán)節。故本文推薦史先進(jìn)提氦工藝的基礎上分離出價(jià)值較高的液化氣和輕可靠操作更靈活、能耗史低的后膨脹+氮循環(huán)制冷油若條件允許,可生產(chǎn)一定量的LNG,使裝置產(chǎn)品兩塔分離提氦工藝來(lái)提取天然氣中的氦氣多樣化的同時(shí)提高裝置經(jīng)濟效益。4后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦5.2設備選型工藝特點(diǎn)a原料氣預冷器、深冷器等冷換設備均選用板翅式換熱器,其熱端溫差應≤2℃為最佳。膨脹機選本文推薦的后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦用等嫡效率高的透平膨脹機;工藝有如下特點(diǎn):b.提濃塔建議選用壓降小,塔效率高,操作彈.采用雙塔提氦工藝,并配以先進(jìn)高效的板翅性大的規整填料塔。式換熱器,利用透平膨脹制冷的同時(shí),充分回收裝置自身冷量來(lái)預冷原料天然氣而不需要其它外部冷5.3保冷源來(lái)預冷原料氣,使裝置的能耗降低;由于低溫提氦工藝操作溫度低,為了減少冷損,采用后膨脹制冷,不僅操作壓力較前膨脹制建議工藝中主要低溫設備均設置在一個(gè)冷箱內統冷工藝高同時(shí)能夠在膨脹機允許的范圍內改變膨保冷。脹比,來(lái)調節原料氣預冷溫度,且不影響后續操作壓最后希望通過(guò)本文的研究能對我國天然氣提力。裝置操作穩定、靈活氦技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供很好的借鑒作用。c.裝置釆用獨立的氮循環(huán)制冷系統,不儀能提參考文獻:供近-190℃的低溫位,而且獨立的制冷系統,能夠[1]趙力軍,吳國奇氦氣市場(chǎng)及應用[門(mén).低溫與特氣很好適應變工況操作條件。997,(4):8-10.[2]疏朝龍莊震萬(wàn)時(shí)鈞膜法天然氣提氮[門(mén)]南京化5結論與建議工學(xué)院報,1994,16(1):6165[3]陳華蔣國梁膜分離法與深冷法聯(lián)合用于從天然低溫法工藝是目前工業(yè)上主要的提氦工藝,本氣中提氦[J].天然氣T業(yè),1995,15(2):71-73文通過(guò)對不同低溫法提氦工藝方案比選研究推薦4張興俄羅斯科學(xué)家研制出從天然氣中分離氮氣新濟效益好的后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離工藝作為(5),藝N].地質(zhì)助查導報2060124(3)操作穩定可靠、不同工況適應能力強、能耗低以及經(jīng)landley J R, Miler W C. Process Requirements and En-hanced Economics of Helium Recovery from Natural Gas天然氣提氦的首選工藝。但相對于工業(yè)化程度不高[J]. SPE Mid-Continent Gas Symposium, 1992, (4): 13-的非低溫提氮℃藝而言,該低溫法提取氦氣是高耗能的過(guò)程,單位氮的生產(chǎn)成本及能耗不僅與天然氣[6]廖維仁:透平膨脹機制冷天然氣提氮新工藝工業(yè)試驗氦氣濃度和裝置處理能力成反比,并且工藝設備J.天然氣工業(yè),1993,13(5):8286