LNG轻烃分离方法及设备优化设计

根据LNG中C⁺₂轻烃含量的不同，LNG可分为干气和湿气。湿气一般含有质量分数10%以上的C₂、C₃及少量C₄烃。由凝析气田和油田伴生气所生产的天然气都含有C⁺₂烃类。大部分LNG生产线是通过深冷换热脱除较重的烃类。这种工艺只能脱除大部分丙烷及更重的烃类，而不能脱出乙烷，所以所获得的LNG是湿气。由于要将湿气中的乙烷抽提出去，会增加天然气的液化成本，所以目前世界贸易中许多的LNG都是富气。产业链的优化组合决定，我国未来LNG的进口量中湿气将占有相当的比例。

由于轻烃含量高，LNG湿气的热值高于干气，且远高于“西气东输”天然气的热值。天然气工业的发展要求建立统一的热值标准，将湿气中的C⁺₂轻烃分离出来是一种非常经济、有效的热值调整方法，从而使进口的LNG同陆上管道天然气的热值相当。轻烃是一种优质的化工原料，用其代替石油作为乙烯原料，乙烯装置投资可节省30%，能耗降低30%～40%，综合成本降低10%。常压下的LNG是-162℃的液体，蕴藏了大量高品质的冷能。利用LNG冷量以较低的成本将湿气中的轻烃资源分离出来，有利于实现天然气资源的综合优化利用。因此，发展LNG轻烃分离技术，不仅能够为我国的石化企业提供大量优质的原料，优化我国乙烯工业的原料路线，增强乙烯装置的市场竞争力，而且可以节省大量用于生产乙烯的原油，缓解我国石油资源的短缺^[72～74]。

早在1960年，国外就有利用LNG轻烃分离的专利^[75]。在美国，从LNG中分离C⁺₂轻烃已成为调节天然气热值，使之符合国家燃气标准的重要手段。在早期的轻烃分离工艺中^[76～78]，分离完轻烃后的甲烷物流为气体，需采用大功率压缩机压缩才能达到管输的压力要求，能耗高。

近年来，美、日等国又开发了很多新型的LNG轻烃分离工艺^[79～83]。这些工艺都是通过压缩分离轻烃后的甲烷气体来提高其压力，并利用LNG原料的冷量，将甲烷气体在较高的压力下再次液化成LNG，再利用LNG泵将其压力提高至管输标准，最后汽化进入高压天然气管网，较好地解决了天然气的外输问题。但需使用压缩机压缩大量的甲烷气体，压缩机的能耗很大。美国专利US6941771B2^[81]的轻烃分离流程如图7-48所示。

图7-48 美国专利US6941771B2的轻烃分离流程图

该装置主要包括LNG泵1和泵2，换热器、闪蒸塔、脱甲烷塔及压缩机等设备。LNG原料首先经泵1增压，再由分流器分为大小两股：较大的一股（约为总流量的85%～90%）在换热器中预热而部分汽化，然后进入闪蒸塔中进行气液分离，甲烷气体从闪蒸塔顶部分出，富含C⁺₂轻烃的LNG从塔底分出后，输入脱甲烷塔中进一步分离；而从分流器中分出的另一小股LNG（约为总流量的10%～15%），则作为脱甲烷塔顶回流；经脱甲烷塔的分离，剩余的甲烷全部以气相从塔顶分出，塔底分出的液体则为C⁺₂轻烃产品。将从闪蒸塔和脱甲烷塔顶分离出来的两股甲烷气体混合后，经压缩机压缩提高压力，然后在换热器中与增压过冷的LNG原料换热而全部液化，再用高压泵2将液体甲烷增压到外输要求后，送入汽化装置。在此流程中，LNG的冷量主要用于轻烃分离，以及分离出来的甲烷气体的再液化。(www.xing528.com)

在该流程中，从闪蒸塔和脱甲烷塔顶分离出来的甲烷气体，其压力和经泵1增压后的LNG压力基本相当，由于LNG的显冷不足以将全部的甲烷气体液化，故甲烷液化需要利用一部分LNG的潜冷。为了能够利用LNG的潜冷，必须提高甲烷气体的压力，使其液化温度高于换热过程LNG部分汽化的温度。参考文献[79～83]都是通过采用压缩机做功来提高甲烷气体的压力，所以能耗较高。

近年来，我国也开展了这方面的研究工作。华南理工大学的华贲、熊永强等作了深入的研究。发明专利[84]利用LNG的部分冷量，从LNG中回收乙烷、丙烷等重组分后，大部分冷量仍然保存在低温液态甲烷中，仍可在再汽化时利用。该发明的工艺只有60%的甲烷气体需要压缩，降低了压缩机的功耗，且液态甲烷压力低，便于储存。之后，他们基于已有过程能量综合优化的研究成果，对低温冷量换热网络与轻烃分离过程进行了集成优化，使利用LNG的冷量将LNG分离为单体烃（C₁、C₂、C₃）的同时，剩余冷量还能够把甲烷在低温液化，并在较低的压力下储存。通过不断研究改进，设计了一种完全不用压缩机的LNG轻烃分离工艺^[85～87]。此项研究成果已经申请了相应的发明专利^[88]。该专利提供了一种具有调峰功能的LNG轻烃分离方法。通过将部分甲烷液体低压储存，起到天然气气源调峰的作用，同时回收LNG的冷量，将回收的C⁺₂轻烃过冷至低温，使其能够在低温、低压下液态储存，方便产品的储运和销售。使用该方法分离出轻烃后，外输的LNG温度在-100℃，仍具有大量可利用的冷能，其流程图如图7-49所示。华南理工大学天然气利用研究中心，已经利用这个专利技术，为深圳市制订了利用LNG的冷量和C⁺₂资源建设百万吨/年级LNG生态化工园区的规划。这对于开拓我国乙烯工业原料来源，减少对进口石油的依赖，具有重要的战略意义。

图7-49 LNG轻烃分离优化流程图

E—换热器 P—泵 V—阀门