含CO2天然氣的霜點及帶壓液化流程的研究.pdf

1、海洋天然氣豐富的儲量以及在新發(fā)現(xiàn)資源中絕對主導(dǎo)的地位，表明全球天然氣資源開發(fā)從陸地走向海洋已成為一種必然趨勢。浮式液化天然氣（FLNG）技術(shù)集液化天然氣生產(chǎn)儲卸于一體，具有投資低、建設(shè)工期短、可重復(fù)利用等優(yōu)點，是海洋天然氣開發(fā)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)，也是未來最具應(yīng)用潛力的海洋工程技術(shù)。然而，當(dāng)前的FLNG生產(chǎn)面臨著空間受限的突出問題，同時還備受能效、安全等問題的困擾。為解決這幾大問題，本文針對核心的天然氣液化工藝進(jìn)行了研究。
　　為減小

2、占地面積，本文以天然氣脫CO2環(huán)節(jié)為突破口，開展CO2霜點研究，在此基礎(chǔ)上引入帶壓液化技術(shù)設(shè)計了多系列的天然氣帶壓液化流程，省去了占地面積很大的CO2預(yù)處理裝置。除了流程結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新設(shè)計，本文在制冷劑的選擇上也進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計，避免使用危險性較高的C3H8制冷劑以提高流程安全性。此外，為提高能效，本文以能耗為目標(biāo)函數(shù)，對各流程進(jìn)行了模擬優(yōu)化研究，并圍繞占地、能效、安全等方面，對各流程進(jìn)行了熱力學(xué)分析比較。本文的具體研究內(nèi)容如下：
　

3、　為給新型流程設(shè)計提供依據(jù)，本文首先開展了CO2霜點的實驗研究。采用氣固相平衡實驗裝置，在153.15-193.15 K溫區(qū)，200-3100 kPa壓區(qū)內(nèi)，測試得到了不同配比的CH4-CO2二元系、CH4-CO2-C2H6和CH4-CO2-N2三元系中CO2的霜點數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明溫度在高溫區(qū)對霜點CO2含量影響較明顯，壓力在低壓區(qū)對霜點CO2含量影響較明顯；少量C2H6或 N2的加入對CO2的霜點無明顯影響，但最高霜點壓力隨著C2H

4、6含量的增加而降低，隨著N2含量的增加而升高。
　　作為實驗研究的重要延展，本文緊接著對CO2霜點進(jìn)行了理論計算研究。根據(jù)氣固相平衡的原理，分別采用理想氣體法、PR狀態(tài)方程法和Hysys模擬法對CH4-CO2二元系、CH4-CO2-C2H6和CH4-CO2-N2三元系中CO2的霜點進(jìn)行了計算，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明理想氣體法精度較低，其平均相對偏差為0.89%，PR狀態(tài)方程法和Hysys模擬法精度較高，其平均相

5、對偏差分別為0.46%和0.49%。
　　在 CO2霜點的研究基礎(chǔ)上，本文按照級聯(lián)式、膨脹式和混合制冷劑三種制冷方式，分別進(jìn)行了新型帶壓液化流程的設(shè)計和優(yōu)化研究。針對級聯(lián)式液化流程，采用帶壓液化技術(shù)，將常規(guī)三級級聯(lián)式液化流程的制冷循環(huán)去掉一級，簡化成兩級級聯(lián)式液化流程。首先，為CO2含量低于0.5%的天然氣，設(shè)計了CH4-C2H6、CH4-C2H4和C2H4-C3H8級聯(lián)式天然氣帶壓液化流程。然后，根據(jù)CO2的霜點特性，為CO2含

6、量在0.5%至30%之間的天然氣，設(shè)計了結(jié)合凝華脫除CO2的CH4-C2H6、CH4-C2H4和C2H4-C3H8級聯(lián)式天然氣帶壓液化流程。以LNG產(chǎn)品比功耗為目標(biāo)函數(shù)，采用序貫尋優(yōu)法對常規(guī)三級級聯(lián)式液化流程和本文所設(shè)計的6種級聯(lián)式流程進(jìn)行了 Hysys模擬和優(yōu)化，并對各流程進(jìn)行了熱力學(xué)分析比較。結(jié)果表明本文所設(shè)計的級聯(lián)式流程比常規(guī)三級級聯(lián)式流程的換熱面積小13-66%，設(shè)備數(shù)量少25-35%，省去了CO2預(yù)處理裝置。
　　針對膨

7、脹式液化流程，引入帶壓液化技術(shù)，設(shè)計了膨脹式天然氣帶壓液化流程。為拓寬其CO2適用范圍，又設(shè)計了結(jié)合凝華脫除CO2的膨脹式天然氣帶壓液化流程。在此基礎(chǔ)上，為降低能耗，又設(shè)計了結(jié)合凝華脫除CO2的預(yù)冷膨脹式天然氣帶壓液化流程。選擇 N2、50%N2+50%CH4和CH4三種工質(zhì)作為膨脹制冷劑，C3H8、R407C和CO2三種工質(zhì)作為預(yù)冷制冷劑。以LNG產(chǎn)品的比功耗為目標(biāo)函數(shù)，采用序貫尋優(yōu)法，對FLNG裝置上應(yīng)用的AP-N流程和本文設(shè)計的9

8、種膨脹式流程進(jìn)行了 Hysys模擬和優(yōu)化，并將各流程的性能進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明，整體上本文所設(shè)計的膨脹式液化流程比AP-N流程占地面積更小，能耗更低，設(shè)備數(shù)最多可減少65%，能耗最多可降低39%。CH4作為膨脹制冷劑比N2更節(jié)能，CO2是替代C3H8預(yù)冷劑的最佳選擇。此外，研究了原料氣中CO2含量的變化對液化流程的影響，結(jié)果表明液化流程的比功耗隨著CO2含量的增加而增加。
　　針對混合制冷劑式液化流程，基于帶壓液化技術(shù)，分別設(shè)

9、計了SMR天然氣帶壓液化流程、結(jié)合凝華脫除CO2的SMR天然氣帶壓液化流程、結(jié)合凝華脫除CO2的預(yù)冷MR天然氣帶壓液化流程?？紤]到安全性，在主制冷循環(huán)中，嘗試了使用不含C3H8組分的混合制冷劑替代含C3H8組分的混合制冷劑；在預(yù)冷循環(huán)中，嘗試了使用不含C3H8組分的混合制冷劑替代常規(guī)的純C3H8制冷劑。以LNG產(chǎn)品的比功耗作為目標(biāo)函數(shù)，采用序貫尋優(yōu)法，對FLNG裝置上應(yīng)用的PRICO流程和本文設(shè)計的6種混合制冷劑式流程進(jìn)行了 Hysys

10、模擬和優(yōu)化，并將各流程的性能進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，整體上本文所設(shè)計的流程比PRICO流程的比功耗低22-46%，應(yīng)用于FLNG生產(chǎn)將具備能效高的突出優(yōu)點。此外，不使用C3H8制冷劑可以獲得和使用C3H8制冷劑相當(dāng)?shù)哪苄Ш驼嫉孛娣e，且不使用C3H8制冷劑安全性更高，因此，F(xiàn)LNG生產(chǎn)中可考慮不使用C3H8制冷劑組分。
　　綜上研究，天然氣帶壓液化（PLNG）流程可以有效地提升液化流程對CO2的容忍度，省去占地面積巨大的CO2預(yù)處