許繼宗,李雪飛,袁崇亮,王永忠,張軍良,郭昊乾,李小亮

(1.窯街煤電集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730084;2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100013;3.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013;4.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100013)

0 引 言

氦氣是保障我國國防安全和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一種重要稀有戰(zhàn)略氣體,被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、軍工、尖端科研、高端制造等[1]。從含氦天然氣中提取是目前氦氣的主要來源。受限于天然氣資源缺少,我國屬于貧氦國家,嚴(yán)重受制于氦壟斷國家[2-4]。因此提出我國氦氣技術(shù)發(fā)展新方向極為重要。

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣,經(jīng)變壓吸附提濃制得的濃縮煤層氣主要成分與天然氣基本一致[5-7],且不存在C2以上重?zé)N及無機(jī)雜質(zhì),深冷提氦時(shí)無需復(fù)雜前處理過程,我國富煤、缺油、少氣的能源結(jié)構(gòu)也為從煤層氣中提氦提供了廣泛的資源條件[8-9]。煤層氣提氦工藝可作為煤炭資源高效清潔利用過程中的重要一環(huán),在提氦的同時(shí)還可與液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)生產(chǎn)工藝相結(jié)合提高經(jīng)濟(jì)效益[10-12]。

我國氦氣主要從天然氣或液化閃蒸氣(BOG)中提取,提氦技術(shù)主要有低溫法、膜分離法、變壓吸附法以及組合方法。羅堯丹等[13]采用深冷液化法對(duì)低含氦天然氣進(jìn)行提氦聯(lián)產(chǎn)液化天然氣(LNG)工藝研究,針對(duì)氦氣體積分?jǐn)?shù)0.21%的原料氣,制得粗氦產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)達(dá)65%,但未進(jìn)行粗氦精制研究。ALDERS等[14]提出了帶一級(jí)回流的兩級(jí)串聯(lián)膜天然氣提氦技術(shù),提氦過程天然氣流股壓降小,氦氣回收率高,可達(dá)99%,產(chǎn)品氦氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)92.5%。針對(duì)預(yù)處理后的天然氣,QUADER等[15]根據(jù)膜分離與深冷技術(shù)結(jié)合方式的不同,對(duì)以下4種含氦氣分別為0.1%、0.5%、1.0%和3.0%的原料氣提氦流程進(jìn)行經(jīng)濟(jì)及靈敏度分析,最終產(chǎn)品氦氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)99%以上。丁天[16]以較高CO2濃度的天然氣為原料氣,提出了另一種兩級(jí)膜分離與PSA組合提氦技術(shù),該工藝可用于含氦量較低(小于0.5%)的天然氣提氦,制備氦氣體積分?jǐn)?shù)96.9%以上,氦回收率達(dá)87%。張麗萍等[17]以液化閃蒸氣(BOG)為原料(氦體積分?jǐn)?shù)2.71%),采用深冷+膜分離+變壓吸附聯(lián)合工藝提氦,制備的高純氦氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)99.996 4%,氦回收率為99.57%。

綜上,氦氣提取技術(shù)研究均以天然氣和液化閃蒸氣(BOG)為主,鮮見煤層氣提氦相關(guān)報(bào)道。深冷法設(shè)備投資與能耗較高[18-19],筆者利用Aspen HYSYS對(duì)濃縮煤層氣深冷提氦聯(lián)產(chǎn)LNG工藝進(jìn)行模擬,比選深冷工藝、優(yōu)化深冷法煤層氣提氦工藝過程,以期開發(fā)出高效、節(jié)能的煤層氣提氦工藝技術(shù),對(duì)于指導(dǎo)煤層氣提氦技術(shù)工業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

1 煤層氣提氦工藝模擬概況

1.1 設(shè)計(jì)條件

煤層氣經(jīng)變壓吸附濃縮分離提氦后得到的濃縮煤層氣體作為深冷液化提氦的原料氣,原料氣量15 000 m3/d(標(biāo)況下,下同),常溫,壓力0.35 MPa,3種濃縮煤層氣組成見表1。

表1 3種濃縮提氦后原料氣組成Table 1 Composition of the three feed gas with helium extraction

1.2 工藝選擇

不同深冷提氦工藝及制冷方式比較見表2。通過流程工藝比選,濃縮煤層氣深冷提氦采用后膨脹+氮?dú)庋h(huán)制冷工藝。

表2 深冷提氦工藝對(duì)比[20-26]Table 2 Comparison of helium extraction by cryogenic liquefaction[20-26]

1.3 模擬方法與選擇

深冷提氦過程為氣液兩相分離,無復(fù)雜反應(yīng)過程。涉及物質(zhì)為甲烷、氮?dú)?、氦氣等非極性氣體,因此模擬采用PENG-ROB(PR)方程作為物性計(jì)算方法[27]。

模擬過程中涉及的設(shè)備在Aspen HYSYS軟件中均有對(duì)應(yīng)模塊。氮?dú)獾葴貕嚎s過程采用壓縮機(jī)與冷凝器并聯(lián)過程近似模擬。物流經(jīng)過設(shè)備的壓降參考實(shí)際工藝情況。LNG儲(chǔ)罐參考實(shí)際工藝情況,模擬閃蒸氣蒸發(fā)過程。

1.4 全流程模擬

根據(jù)所選工藝,整個(gè)模擬流程可分為提氦部分、LNG脫氮部分和氮?dú)庋h(huán)制冷3部分。模擬提氦工藝流程如圖1所示。濃縮后的含氦原料氣經(jīng)等溫壓縮后進(jìn)入原料氣冷卻器換冷通過兩級(jí)提氦塔,將原料氣提濃為粗氦,同時(shí)通過脫氮塔聯(lián)產(chǎn)LNG。深冷所需冷量通過氮?dú)馊?jí)壓縮兩級(jí)膨脹循環(huán)提供。

圖1 模擬提氦工藝流程Fig.1 Helium extraction process by simulation

選擇進(jìn)料組成1時(shí),模擬流程主要物流數(shù)據(jù)見表3,主要設(shè)備能耗(功率)見表4,主要設(shè)備費(fèi)用見表5。其中主要設(shè)備費(fèi)用為過程參數(shù)優(yōu)化后的結(jié)果。3種不同進(jìn)料組成模擬的產(chǎn)品結(jié)果對(duì)比見表6。

表3 模擬流程主要物流數(shù)據(jù)Table 3 Main logistics data of the simulation process

表4 主要設(shè)備能耗(功率)Table 4 Energy consumption(power) of major equipment

表5 主要設(shè)備費(fèi)用Table 5 Costs of major equipment

表6 不同進(jìn)料組成產(chǎn)品結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of the products with different compositions of feed gas

LNG液化率計(jì)算過程中,LNG產(chǎn)量為去除液化閃蒸氣(Boil Off Gas,BOG)后的產(chǎn)量。

2 過程模擬分析

根據(jù)全流程模擬結(jié)果,分析了一、二級(jí)提氦塔的進(jìn)料溫度、進(jìn)料壓力、回流比、氮?dú)庋h(huán)制冷中氮?dú)庥昧俊⒅评涓邏?、制冷低壓等主要工藝流程參?shù)對(duì)裝置能耗和主要目標(biāo)產(chǎn)品粗氦及LNG的影響。分析了提氦塔與脫氮塔理論板數(shù)與進(jìn)料位置和回流比或再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系。分析了不同濃縮煤層氣組成對(duì)產(chǎn)品的影響。

2.1 過程參數(shù)對(duì)能耗及產(chǎn)品影響

過程參數(shù)主要包括提氦塔參數(shù)與制冷參數(shù)2部分。模擬分析中用一級(jí)塔指代一級(jí)提氦塔,二級(jí)塔指代二級(jí)提氦塔;塔頂指代塔頂冷凝器,塔底指代塔底再沸器;一次提氦指代從一級(jí)提氦塔塔頂出來的粗氦,二次提氦指代從二級(jí)提氦塔塔頂出來的粗氦;氮?dú)庋h(huán)制冷高壓指氮?dú)獾谌?jí)壓縮機(jī)出口壓力,氮?dú)庋h(huán)制冷低壓指氮?dú)獾诙?jí)膨脹機(jī)出口壓力。

2.1.1 一級(jí)提氦塔進(jìn)料溫度對(duì)能耗及產(chǎn)品影響

進(jìn)料溫度直接決定入塔物料的焓值,影響一級(jí)提氦塔的出口物料和能耗。一級(jí)提氦塔進(jìn)料溫度對(duì)雙塔能耗、粗氦濃度和LNG產(chǎn)品影響如圖2所示。

圖2 一級(jí)塔進(jìn)料溫度對(duì)雙塔能耗、粗氦濃度和LNG產(chǎn)品影響Fig.2 Effect of feed temperature of the first stage tower on the energy consumption of double towers,the crude helium concentration and the LNG product

由圖2可知,隨著一級(jí)提氦塔物流進(jìn)料溫度升高,提氦塔需要更高能量來完成分離過程,同時(shí)塔頂塔底產(chǎn)出的粗氦和LNG產(chǎn)品濃度均下降。進(jìn)料溫度低有助于物料分離,但需更高氮?dú)庋h(huán)制冷產(chǎn)生的冷量來滿足。

2.1.2 一級(jí)提氦塔進(jìn)料壓力對(duì)能耗及產(chǎn)品影響

進(jìn)料壓力直接決定入塔物料的焓值,物料平衡和能量守恒會(huì)使一級(jí)提氦塔的出口物料和能耗發(fā)生變化。一級(jí)提氦塔進(jìn)料壓力對(duì)雙塔能耗、粗氦濃度和LNG產(chǎn)品的影響如圖3所示。由圖3可知,一級(jí)提氦塔進(jìn)料壓力升高,塔頂冷凝器能耗降低,其他能耗變化不明顯,一次粗氦濃度略增加,LNG產(chǎn)品液化率及回收率上升。對(duì)于一級(jí)提氦塔,隨進(jìn)料壓力升高,完成分離目標(biāo)所需能量越低,分離效果越好。

圖3 一級(jí)塔進(jìn)料壓力對(duì)雙塔能耗、粗氦濃度和LNG產(chǎn)品影響Fig.3 Effect of feed pressure of the first stage tower on the energy consumption of twin towers,the crude helium concentration and the LNG product

2.1.3 二級(jí)提氦塔進(jìn)料溫度壓力對(duì)粗氦產(chǎn)品影響

二級(jí)提氦塔操作參數(shù)對(duì)一級(jí)提氦塔能耗、粗氦濃度及LNG產(chǎn)品基本無影響。同時(shí)由于二級(jí)提氦塔處理量低于一級(jí)提氦塔,能耗占比低,參數(shù)改變對(duì)能耗的影響趨勢與一級(jí)提氦塔基本一致,故只分析二級(jí)提氦塔參數(shù)改變對(duì)粗氦濃度影響。二級(jí)提氦塔進(jìn)料溫度和進(jìn)料壓力對(duì)粗氦濃度的影響如圖4所示。

圖4 二級(jí)塔進(jìn)料溫度和壓力對(duì)粗氦濃度的影響Fig.4 Effect of feed temperature and feed pressure of the second stage tower on the crude helium concentration

由圖4可知,二級(jí)提氦塔進(jìn)料溫度增加,從塔底析出液氮減少、塔頂析出氦氣含量降低。二級(jí)提氦塔進(jìn)料壓力增加,塔頂物流減少,塔底物流增大,使氦氣濃度增加。

2.1.4 提氦塔回流比對(duì)能耗及產(chǎn)品影響

精餾塔操作中回流比不僅影響所需理論塔板數(shù)、塔徑和塔板結(jié)構(gòu)尺寸,還影響冷凝器和再沸器能耗。增大回流比可提高產(chǎn)品純度,但能耗與操作費(fèi)用增加,還會(huì)影響塔徑,增大設(shè)備投資。

一、二級(jí)提氦塔回流比對(duì)雙塔能耗和粗氦濃度的影響如圖5和6所示。由圖5和6可知,隨提氦塔回流比增大,提氦塔塔頂冷凝器和塔底再沸器能耗增加,且再沸器能耗增速更快。一級(jí)提氦塔回流比增大使一次提氦濃度略升高,二次提氦濃度略下降,但變化幅度不大。二級(jí)提氦塔回流比增大使粗氦產(chǎn)品濃度顯著上升。

圖5 一級(jí)塔回流比對(duì)雙塔能耗和粗氦濃度的影響Fig.5 Effect of reflux ratio of the first stage tower on the energy consumption of double and the crude helium concentration

圖6 二級(jí)塔回流比對(duì)雙塔能耗和粗氦濃度影響Fig.6 Effect of reflux ratio of the second stage tower on energy consumption of double towers and the crude helium concentration

2.1.5 循環(huán)制冷高壓、低壓和冷劑流量對(duì)能耗影響

氮?dú)鈮嚎s機(jī)將氮?dú)饧訅旱揭欢▔毫笸ㄟ^膨脹為整個(gè)流程提供冷量,是全流程中最主要的能耗設(shè)備,過大的氮?dú)饬髁繒?huì)造成冷量浪費(fèi),但流量過小不足以提供足夠冷量。

制冷劑高壓壓力、低壓壓力和制冷劑流量對(duì)能耗的影響如圖7所示。

圖7 制冷劑高壓壓力、低壓壓力和流量對(duì)能耗影響Fig.7 Effect of the high pressure,low pressure and flow of the refrigerant on the energy consumption

由圖7可知,當(dāng)?shù)獨(dú)庋h(huán)制冷高壓壓力升高時(shí),壓縮機(jī)需要更多能量使氮?dú)膺_(dá)到高壓要求,壓縮比增加,能耗增加。膨脹機(jī)隨著膨脹比增加,獲得更多輸出功。氮?dú)庋h(huán)制冷低壓壓力升高時(shí),膨脹機(jī)膨脹比降低,輸出功減少。氮?dú)膺_(dá)到相同高壓要求時(shí)壓縮機(jī)所需能量降低,壓縮比減少,能耗降低。隨制冷劑流量增加,壓縮機(jī)能耗及膨脹機(jī)輸出功率呈上升趨勢。

2.2 過程參數(shù)優(yōu)化

精餾塔模擬中滿足分離要求的塔進(jìn)料位置與理論板數(shù)不一定為最佳值。改變進(jìn)料位置與理論板數(shù)會(huì)影響塔回流比、能耗及產(chǎn)品。通過分析不同塔進(jìn)料位置或理論板數(shù)與回流比/再沸器熱負(fù)荷的關(guān)系,確定最佳進(jìn)料位置與理論板數(shù)[28],并進(jìn)行設(shè)備經(jīng)濟(jì)計(jì)算。

2.2.1 一級(jí)提氦塔參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果,在理論板數(shù)為8時(shí),考察不同進(jìn)料位置與回流比、再沸器熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果見表7。一般達(dá)到分離要求情況下,回流比最小時(shí)的進(jìn)料位置即為當(dāng)前理論板數(shù)下的最佳進(jìn)料位置。理論板數(shù)為8時(shí),最佳進(jìn)料位置為第3、4塊板。而第3塊板再沸器熱負(fù)荷低,所以選擇其為最佳進(jìn)料位置。

表7 進(jìn)料位置與回流比及再沸器熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 7 Relationship between feed position, reflux ratio and reboiler heat duty

回流比增大,所需理論板數(shù)減少,設(shè)備費(fèi)用下降,但同時(shí)塔內(nèi)上升蒸汽量增多,精餾塔塔徑、塔釜和冷凝器等設(shè)備費(fèi)用相應(yīng)增大,回流比增至一定數(shù)值時(shí),設(shè)備費(fèi)用反而增加。

對(duì)于一級(jí)提氦塔,在滿足氦氣完全從塔頂餾出情況下,從設(shè)備投資方面考慮理論板數(shù)與最佳進(jìn)料位置的選擇。依次修改理論板數(shù),得到最佳進(jìn)料位置與回流比,結(jié)果見表8。

表8 理論板數(shù)與回流比對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 8 Relationship between the number of theoretical plates and the reflux ratio

由表8可知,最佳理論板數(shù)取8,理論板數(shù)×回流比最小,此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)料位置為3。通過上述優(yōu)化,設(shè)備投資在理論上達(dá)到了最低。

2.2.2 二級(jí)提氦塔參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果,理論板數(shù)為9時(shí)考察了不同進(jìn)料位置與回流比及再沸器熱負(fù)荷和粗氦濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)果見表9。

表9 進(jìn)料位置與回流比及再沸器熱負(fù)荷和粗氦濃度關(guān)系Table 9 Relationship between feed position,reflux ratio,heat duty of reboiler and crude helium concentration

由表9可知,從二級(jí)提氦塔塔頂?shù)玫酱趾ぎa(chǎn)品,理論板數(shù)為7時(shí)回流比最小,此時(shí)粗氦產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)為35.28%,偏低。為提高后續(xù)精制工藝的可控性和經(jīng)濟(jì)性,選擇粗氦產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)60%～70%的進(jìn)料位置為適宜進(jìn)料位置。

依次修改理論板數(shù),得到適宜進(jìn)料位置與回流比,并計(jì)算理論板數(shù)×回流比,結(jié)果見表10。

表10 理論板數(shù)與回流比及粗氦濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 10 Relationship between the number of theoretical plates,reflux ratio and crude helium concentration

由表10可知,最佳理論板數(shù)取7,理論板數(shù)×回流比的值最小,此時(shí)對(duì)應(yīng)的適宜進(jìn)料位置為4。

2.2.3 脫氮塔參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)模擬過程,脫氮塔需將甲烷與氮?dú)夥蛛x,從塔底產(chǎn)出LNG。理論板數(shù)為5時(shí)即完成了分離過程。依次修改理論板數(shù),折中選擇進(jìn)料位置,得到回流比,并計(jì)算理論板數(shù)×回流比,結(jié)果見表11。

表11 理論板數(shù)與回流比對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 11 Relationship between the number of theoretical plates and the reflux ratio

由表11可知,理論板數(shù)為5時(shí),理論板數(shù)×回流比值最小,此時(shí)設(shè)備投資理論上最低。

2.3 原料氣組成對(duì)產(chǎn)品影響

2.3.1 原料氣組成對(duì)粗氦產(chǎn)品影響

原料氣中氦氣、甲烷和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)品粗氦濃度的影響如圖8所示。

由圖8可知,隨原料氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)升高,粗氦體積分?jǐn)?shù)、粗氦產(chǎn)量與之呈線性關(guān)系,不斷升高,氦氣回收率基本保持在99%以上。隨原料氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)升高,粗氦產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)不斷上升,產(chǎn)量下降,但粗氦產(chǎn)品回收率基本沒變。隨原料氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)上升,粗氦產(chǎn)品體積分?jǐn)?shù)、粗氦產(chǎn)品產(chǎn)量及氦氣回收率均明顯下降。因此煤層氣提氦工藝進(jìn)行中需嚴(yán)格控制原料中氮?dú)夂俊?/p>

2.3.2 原料氣組成對(duì)LNG產(chǎn)品影響

原料氣中氦氣、甲烷和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)LNG產(chǎn)品的影響如圖9所示。

圖9 原料氣中氦氣、甲烷和氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)LNG產(chǎn)品影響Fig.9 Effect of helium,methane and nitrogen concentration in feed gas on the LNG products

由圖9可知,隨原料氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)增加,LNG產(chǎn)品產(chǎn)量和回收率逐漸下降。與原料氣組成對(duì)粗氦產(chǎn)品影響相比,保持LNG與氦氣產(chǎn)量平衡較重要。隨原料氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)增加,LNG產(chǎn)品產(chǎn)率、回收率呈線性關(guān)系逐漸上升。隨原料氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)增加,LNG產(chǎn)品產(chǎn)量和回收率下降。原料氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)對(duì)LNG產(chǎn)品影響較氦氣和甲烷體積分?jǐn)?shù)更顯著。

3 結(jié) 論

1)濃縮煤層氣提氦工藝聯(lián)產(chǎn)LNG工藝主要耗能設(shè)備為氮?dú)庋h(huán)制冷過程中的壓縮機(jī)、冷凝機(jī)以及一級(jí)提氦塔的冷凝器、再沸器。通過降低壓縮機(jī)出口壓力和提高膨脹機(jī)出口壓力可降低設(shè)備能耗。通過調(diào)節(jié)一級(jí)提氦塔進(jìn)料參數(shù)可降低一級(jí)提氦塔能耗。

2)進(jìn)料溫度低、壓力高有利于氦氣分離,但低溫高壓需要更多冷量即能耗更高,需尋找平衡點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)效果。對(duì)于一級(jí)提氦塔,理論板數(shù)為8,進(jìn)料位置為3時(shí),滿足分離要求的理論板數(shù)×回流比值最低,此時(shí)設(shè)備投資在理論上最低。對(duì)于二級(jí)提氦塔,理論板為7,進(jìn)料位置為4時(shí),理論板數(shù)×回流比值相對(duì)最小,此時(shí)在滿足產(chǎn)品需求及濃度要求基礎(chǔ)上,設(shè)備投資理論上最低。對(duì)于脫氮塔,理論板數(shù)僅為5,從經(jīng)濟(jì)性考慮建議選擇填料塔進(jìn)行精餾操作。

3)原料氣組成對(duì)粗氦產(chǎn)品及LNG產(chǎn)品具有一定影響。同種物質(zhì)原料與產(chǎn)率之間呈正相關(guān)。其中最關(guān)鍵的是控制原料氣中氮?dú)夂坎灰诉^高。進(jìn)料組成為甲烷86.0%,氮?dú)?3.2%,氦氣0.8%時(shí),粗氦產(chǎn)量7.47 m3/h(0.333 4 kmol/h),粗氦體積分?jǐn)?shù)66.68%,回收率99.67%;進(jìn)料組成為甲烷90%,氮?dú)?%,氦氣1%時(shí),粗氦產(chǎn)量9.25 m3/h(0.412 9 kmol/h),粗氦體積分?jǐn)?shù)67.42%,回收率99.85%;進(jìn)料組成為甲烷93.0%,氮?dú)?.5%,氦氣1.5% 時(shí),粗氦產(chǎn)量13.28 m3/h(0.592 9 kmol/h),粗氦體積分?jǐn)?shù)70.49%,回收率99.93%。

4)對(duì)于原料氣日處理量15 000 m3生產(chǎn)規(guī)模,優(yōu)化后設(shè)備總投資約為1 946萬元,其中氮?dú)鈮嚎s機(jī)占比最大,約65.58%。