天然气提氦技术探讨与研究

第27卷第4期天然气与石油vol.27,N.42009年8月Natural Gas And OilAug. 2009天然气提氦技术探讨与研究龙增兵,琚宜林,钟志良,蒲远洋(中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都610017)摘要:介绍了氦气在不同领域的应用和国内外主要提氦工艺技术。针对某气田含氦天然气,重点对三种低温提氪技术进行比选研究,通过比选研究发现后膨胀+氮循环制冷两塔分离工艺无论是工艺综合能耗、操作条件,还是工艺的稳定性、灵活性以及装置的綜合效益都较其它两种低温提氦工艺要妤。故推荐后膨胀+氮循环制冷两塔分离工艺作为天然气提氦的首选工艺。总结工艺的主要特点,提出了降低该工艺能耗以及生产成本可行的措施关键词:天然气;氦气;低温法;提氦;膨胀制冷;氪循环制冷文章编号:1006553912009)04002804文献标识码:A表1原料气组成情况0引言组分组成/(mol%)氦气因其独特的性质,在国防军工和科学研究0.03ChS中有着重要的用途。利用其-268.9℃的低沸点,液7-72氦可以用于超低温冷却;在火箭和航天中用作液氢0.0020.03-0.05燃料系统的清洗介质和加压推进剂;在悬浮列车等2.3~2.8领域中广受关注的超导体应用中,氦气也是不可或0.16-0.2缺的。此外,氦气在医疗领域的核磁共振成像设备0.001-0.00150饱和水中用作超导电磁体冷却、在核发电装置用作传热介质、在光纤生产中用作冷却和情性气体保护以及在仪器分析方面用作气相色谱等的载气等方面都得到其主要技术指标:生产规模按50×10·m3d考广泛的应用。虑粗氦问收率≥98%,粗氦浓度为70%左右。产氦气在空气中含量极少(约000%)并无工业品天然气外输压力:1.0MPa提氦价值。氦气主要存在于天然气中,其含量在世界各地各有不同有的氮气含量最高达8%。因此2提氦技术概述从天然气中提取氦气仍是氦气的主要工业来源。目前国内外天然气提氦工艺主要包括非低温法和低温法。提氦工艺研究气质条件及技术指标2.1非低温法提氦技术本文研究提氦技术的原料气采用某气田含氦天非低温法主要采用膜分离和变压吸附。我国研然气(气质组成见表1)。温度:30~40℃,压力:2.5究的膜分离技术采用国产聚砜/硅橡胶中空纤维膜,MPa(g)。常温下经一级膜分离可使氦浓缩5~5.5倍,氪收率收稿日期:20090402作者简介:龙增兵(1982-),四川德阳人,助理工程师,硕士,主要从事天然气处理与加工设计工作。电话:(028)86014540。第27卷第4期龙增兵,等:天然气提氮技术探讨与研究达到63%~75%。但该工艺技术还没工业化,同时对于前端原料气预冷方案,根据具体原料气气质条膜的可靠性和稳定还需进一步研究证明2。在此件,一般采用膨胀制冷、外部制冷(如 PRICO混合冷研究的基础上,我国研究人员提出了用膜分离+低剂制冷循环)以及膨胀制冷+外部制冷的方式3温分离联合法从天然气中提取氦气。利用膜分离预目前在低温提氦工艺中主要有两种工艺应用较为广浓天然气中的氦气,在相同氦气产量的情况下,可大泛,分别是:克劳特循环工艺和膨胀制冷+氮气循环度降低低温分离的规模及投资费用,但同样存在制冷分离工艺膜分离膜中分离膜的技术问题3。而没有真正意2.2.1克劳特循环工艺义上的工业化典型的克劳特循环制冷工艺流程见图1所示。在国外俄罗斯科学院西伯利亚分院研究于原料气经过氨预冷器,再经膨胀机膨胀制冷后进入2006年研究出一种采用非低温法从天然气中分离原料气冷却器冷却然后进入一级提浓塔,塔顶的氦气的新工艺。该工艺利用极为细小的玻璃微珠组次粗氦气体进二级提浓塔,二级提浓塔塔顶分离出成的膜将氦气从气流中吸附出来但目前该工艺尚产品粗氦,一级提浓塔底出来的大部分液甲烷先进未投入规模化工业生产中,还有待进一步的研究开入原料气冷却器回收冷量后进入膨胀机增压端增压发后进入商品天然气外输管线,另一部分液甲烷经节流作为一级提浓塔塔顶的冷源,再进入原料气冷却2.2低温提氦技术器回收冷量,最后经过低压尾气压缩机增压后进入低温法提氦工艺,国内外一般采用氮气循环制商品天然气外输管线。二级提浓塔塔顶的冷源采用冷技术来满足低温法提氮工艺中所需的制冷温度。氮循环制冷6。商品天然气至外输管线膨胀机组深冷器粗氮含氦天然气氨预冷器X■X■z补充氮气低压尾气压缩机原料气冷却器一级提浓塔二级提浓塔缓冲罐图1克劳特循环制冷提氦工艺流程图2.2.2膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离工艺2.2.2.1前膨胀工艺该工艺方案包括两种,一种是采用前膨胀,另前膨胀+氮循环制冷工艺方案(工艺流程如图种采用后膨胀。2):含氦天然气进入原料气冷却器冷却到一定温度商品天然气至外输管线膨胀机组冷器含氦天然气X■补充氮低压尾气压缩机原料气冷却器级提浓塔二级提浓塔缓冲罐图2前膨胀提氦工艺流程图天然气与石油2009年后,经膨胀制冷后再次进入原料气冷却器进一步冷3):含氦天然气进入原料气冷却器换冷后进入一级却,然后进人一级提浓塔,塔顶的一次粗氦气体进二提浓塔塔顶的一次粗氦气体进二级提浓塔,在二级级提浓塔,二级提浓塔塔顶分离出产品粗氦,一级提提浓塔塔顶分离出产品粗氦,一级提浓塔塔底出来浓塔塔底出来的大部分液甲烷先进入原料气冷却器的大部分液甲烷先进入原料气冷却器回收部分冷回收冷量后进入膨胀机增压端增压后进入商品天然量,再经膨胀制冷后进入原料气冷却器回收冷量后气外输管线,另一部分液甲烷经节流作为一级提浓形成中压尾气再进膨胀机增压端增压后进入天然气塔塔顶的冷源,再进人原料气冷却器回收冷量,最后产品外输管线,另一部分液甲烷经节流作为一级提经过低压尾气压缩机增压后进入商品天然气外输管浓塔塔顶的冷源后,再进入原料气冷却器问收冷量线。二级提浓塔塔顶的冷源釆用氮循环制冷。最后经过低压尾气压缩机增压后进入商品天然气外2.2.2.2后膨胀工艺输管线。二级提浓塔塔顶的冷源采用氮循环制冷。后膨胀+氮循环制冷工艺方案(工艺流程如图商品天然气至外输管线膨胀机组冷器含氦天然气缸预冷器氮气压缩机补充氮气低压尾气压缩机原料气冷却器级提浓塔二级提浓塔图3后膨胀提氮工艺流程图通过以上介绍,非低温提氦工艺可能在能耗和循环制冷两塔分离工艺中的前膨胀制冷与后膨胀制材料消耗上优于低温法。但现阶段非低温工艺在天冷两方案作详细的技术研究。然气提氦工业中尚未成熟到足以大规模化生产的地为了满足低温法提氦工艺的要求,原料气天然步。据最近统计数据,在俄罗斯,共有5座氦生产气中的H2S含量需≤4×10-°,CO2含量≤100厂,包括奥伦堡氦氮厂均采用低温工艺。同时根据美106,H2O含量≤1×106。故在进入低温提氦装置国氦年报的报道,目前美国14套从天然气中提取粗之前还需要采用醇胺溶液进一步脱硫脱碳,并采用氦的装置在运行,除2套外均采用了低温法提氦工分子筛进行深度脱水。故本文釆用脱硫脱碳、脱水艺。故本文采用低温法对表l所示的含氮天然气进后的干气作为低温提氦技术比选的原料气(压力为行氦气提取并作相关的比选研究。22MPa),借助 HYSYS软件对后膨胀工艺和前膨胀工艺进行模拟计算比选研究结果见表2所示。3低温提氦工艺技术优选研究表2低温提氮方案比选研究数据方案二项目前面介绍的三种低温法提氦工艺,对于克劳特后膨胀工艺前膨胀工艺循环制冷工艺,其主要在20世纪60,70年代应用较对数平均温差C产品粗氦最高浓度/v(%)为广泛,该时期的膨胀机等熵效率较低同时膨胀机氦气回收率/(%)7065和板翅式换热器制造水平相对落后,故须采用外部氮气压缩机轴功率/W124制冷预冷原料气(一般采用氨制冷系统),再经过膨尾气缩机轴功率AW胀机膨胀制冷才能到达进一级提浓塔进料条件。该装置成低操作温度/℃-18522382317工艺能耗大投资费用高。随着低温机械设备设计装置综合能耗/Md42和制造水平的不断发展,克劳特循环制冷工艺已逐步被后两个工艺所取代。本文将对膨胀制冷+氮气从比选结果可以看出,方案二中操作温度低第27卷第4期龙增兵,等:天然气提氮技术探讨与研究(最低可达-192℃),不仅不利于节能,而且对塔体的差异与保冷效果也会对提氦装置能耗产生重大影材质要求高,其主要原因是由于方案二的操作压力响。另外氦生产成本还取决于附加产品,如液化气低所造成的。而且方案二的粗氦最高浓度较方案一(丙丁烷)轻油等产品的产量、天然气组成、工厂所低,这将导致粗氦精制成本大幅度的增大,如果人为在地及地区用气输气条件。作者建议可采用以下几的提高方案二粗氦产品的浓度,不仅会使能耗急剧项措施来降低低温提氮工艺生产成本及能耗的增大,同时要选择满足更低温位的塔体材质也很困难。此外,若采用前膨胀工艺,由于膨胀机出口压5.1工艺设计力直接决定了提浓塔的操作压力,为了使装置稳定a在可能的情况下,提氦装置应向大规模生产运行,膨胀机操作弹性将受到较大的限制,而使装置发展;变工况下的适应性降低。b在生产合格产品粗氮以及满足氦气收率的对于方案一,不仅较方案二产品粗氦浓度髙,操前提下,进一步优化提浓塔塔顶冷凝器负荷,氮气循作温度高综合能耗低、投资费用低,而且该工艺可环制冷系统操作压力等参数从而降低装置的能耗;利用膨胀比灵活控制进一级提浓塔的流体温度,且c.若原料气中含C3组分含量较多,可在低温不影响换冷及分离的其他环节。故本文推荐史先进提氦工艺的基础上分离出价值较高的液化气和轻可靠操作更灵活、能耗史低的后膨胀+氮循环制冷油若条件允许,可生产一定量的LNG,使装置产品两塔分离提氦工艺来提取天然气中的氦气多样化的同时提高装置经济效益。4后膨胀+氮循环制冷两塔分离提氦5.2设备选型工艺特点a原料气预冷器、深冷器等冷换设备均选用板翅式换热器,其热端温差应≤2℃为最佳。膨胀机选本文推荐的后膨胀+氮循环制冷两塔分离提氦用等嫡效率高的透平膨胀机;工艺有如下特点:b.提浓塔建议选用压降小,塔效率高,操作弹.采用双塔提氦工艺,并配以先进高效的板翅性大的规整填料塔。式换热器,利用透平膨胀制冷的同时,充分回收装置自身冷量来预冷原料天然气而不需要其它外部冷5.3保冷源来预冷原料气,使装置的能耗降低;由于低温提氦工艺操作温度低,为了减少冷损,采用后膨胀制冷,不仅操作压力较前膨胀制建议工艺中主要低温设备均设置在一个冷箱内统冷工艺高同时能够在膨胀机允许的范围内改变膨保冷。胀比,来调节原料气预冷温度,且不影响后续操作压最后希望通过本文的研究能对我国天然气提力。装置操作稳定、灵活氦技术的进一步发展提供很好的借鉴作用。c.装置釆用独立的氮循环制冷系统,不仪能提参考文献:供近-190℃的低温位,而且独立的制冷系统,能够[1]赵力军,吴国奇氦气市场及应用[门.低温与特气很好适应变工况操作条件。997,(4):8-10.[2]疏朝龙庄震万时钧膜法天然气提氮[门]南京化5结论与建议工学院报,1994,16(1):6165[3]陈华蒋国梁膜分离法与深冷法联合用于从天然低温法工艺是目前工业上主要的提氦工艺,本气中提氦[J].天然气T业,1995,15(2):71-73文通过对不同低温法提氦工艺方案比选研究推荐4张兴俄罗斯科学家研制出从天然气中分离氮气新济效益好的后膨胀+氮循环制冷两塔分离工艺作为(5),艺N].地质助查导报2060124(3)操作稳定可靠、不同工况适应能力强、能耗低以及经landley J R, Miler W C. Process Requirements and En-hanced Economics of Helium Recovery from Natural Gas天然气提氦的首选工艺。但相对于工业化程度不高[J]. SPE Mid-Continent Gas Symposium, 1992, (4): 13-的非低温提氮℃艺而言,该低温法提取氦气是高耗能的过程,单位氮的生产成本及能耗不仅与天然气[6]廖维仁:透平膨胀机制冷天然气提氮新工艺工业试验氦气浓度和装置处理能力成反比,并且工艺设备J.天然气工业,1993,13(5):8286