第27卷第4期天然氣與石油Vol 27. No 42009年8月Natural Gas And oilAug. 2009天然氣提氦技術(shù)探討與研究龍?jiān)霰?琚宜林,鐘志良,蒲遠(yuǎn)洋中國(guó)石油工程設(shè)計(jì)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(yīng)用和國(guó)內(nèi)外主要提氯工藝技術(shù)。針對(duì)某氣田含氦天然氣,重點(diǎn)對(duì)三種低溫提氦技術(shù)進(jìn)行比選研究,通過(guò)比選研究發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性、靈活性以及裝置的綜合效益都較其它兩種低溫提工藝要好。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(jié)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;提氰;膨脹制冷;氮循環(huán)制冷文章編號(hào):10065539(2009)0402804文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A表1原料氣組成情況0引言組成/(mol%)氦氣因其獨(dú)特的性質(zhì),在國(guó)防軍工和科學(xué)研究0.02中有著重要的用途。利用其-268.9℃的低沸點(diǎn)液6.7~7.2氦可以用于超低溫冷卻;在火箭和航天中用作液氫0,+Ar燃料系統(tǒng)的清洗介質(zhì)和加壓推進(jìn)劑;在懸浮列車等0.03-0.05領(lǐng)域中廣受關(guān)注的超導(dǎo)體應(yīng)用中,氦氣也是不可或H0.16~0.2缺的。此外,氦氣在醫(yī)療領(lǐng)域的核磁共振成像設(shè)備0.001-0.0015H, O飽和水中用作超導(dǎo)電磁體冷卻、在核發(fā)電裝置用作傳熱介合計(jì)質(zhì)在光纖生產(chǎn)中用作冷卻和情性氣體保護(hù)以及在儀器分析方畝用作氣相色譜等的載氣等方面都得其主要技術(shù)指標(biāo):生產(chǎn)規(guī)模按50×10m3d考廣泛的應(yīng)用。慮粗氦冋收率≥98%,粗氦濃度為70%左右。產(chǎn)氮?dú)庠诳諝庵泻繕O少(約0.005%)并無(wú)工業(yè)品天然氣外輸壓力:10MPa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?dú)夂孔罡哌_(dá)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(guó)內(nèi)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(biāo)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(guó)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(guó)產(chǎn)聚砜/硅橡膠中空纖維膜,MPa(g)。常溫下經(jīng)一級(jí)膜分離可使氦濃縮5~5.5倍,氪收率中國(guó)煤化工收稿日期:20090402作者簡(jiǎn)介:龍?jiān)霰?1982-),四川德陽(yáng)人,助理工程師,碩土,CNMHG工作。電話:(028)86014540第27卷第4期龍?jiān)霰?等:天然氣提氮技術(shù)探討與研究達(dá)到63%~75%。但該工藝技術(shù)還沒(méi)工業(yè)化,同時(shí)對(duì)于前端原料氣預(yù)冷方案,根據(jù)具體原料氣氣質(zhì)條膜的可靠性和穩(wěn)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(chǔ)上,我國(guó)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S溫分離聯(lián)合法從天然氣中提取氦氣。利用膜分離預(yù)目前在低溫提氦工藝中主要有兩種工藝應(yīng)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?dú)庋h(huán)幅度降低低溫分離的規(guī)模及投資費(fèi)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(guó)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(yù)冷器,再經(jīng)膨脹機(jī)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(jí)提濃塔,塔頂?shù)暮獾男鹿に?。該工藝?yán)脴O為細(xì)小的玻璃微珠組次粗氦氣體進(jìn)二級(jí)提濃塔,二級(jí)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(jí)提濃塔底出來(lái)的大部分液甲烷先進(jìn)未投入規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中,還有待進(jìn)一步的研究開原料氣冷卻器回收冷量后進(jìn)入膨脹機(jī)增壓端增壓后進(jìn)入商品天然氣外輸管線,另一部分液甲烷經(jīng)節(jié)流作為一級(jí)提濃塔塔頂?shù)睦湓?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(jī)增壓后進(jìn)入低溫法提氦工藝,國(guó)內(nèi)外一般采用氮?dú)庋h(huán)制商品天然氣外輸管線。二級(jí)提濃塔塔頂?shù)睦湓床捎美浼夹g(shù)來(lái)滿足低溫法提氦工藝中所需的制冷溫度。氮循環(huán)制冷°。商品天然氣至外輸管線膨脹機(jī)組深冷器粗氮含氦天然氣氨預(yù)冷器補(bǔ)充氮?dú)獾蛪何矚鈮嚎s機(jī)原料氣冷卻器一級(jí)提濃塔二級(jí)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膨脹制冷十氮?dú)庋h(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膨脹機(jī)組深冷器含氦天然氣中國(guó)煤化工低壓尾氣壓縮機(jī)原料氣冷卻器級(jí)提濃CNMHG圖2前膨脹提氦工藝流程圖天然氣與石油009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(jí)卻,然后進(jìn)入一級(jí)提濃塔,塔頂?shù)囊淮未趾怏w進(jìn)二提濃塔,塔頂?shù)囊淮未趾怏w進(jìn)二級(jí)提濃塔,在二級(jí)級(jí)提濃塔,二級(jí)提濃塔塔頂分離出產(chǎn)品粗氦,一級(jí)提提濃塔塔頂分離出產(chǎn)品粗氦,一級(jí)提濃塔塔底岀來(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(jī)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,另一部分液甲烷經(jīng)節(jié)流作為一級(jí)提濃形成中壓尾氣再進(jìn)膨脹機(jī)增壓端增壓后進(jìn)入天然氣塔塔頂?shù)睦湓?再進(jìn)人原料氣冷卻器回收冷量,最后產(chǎn)品外輸管線,另一部分液甲烷經(jīng)節(jié)流作為一級(jí)提經(jīng)過(guò)低壓尾氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入商品天然氣外輸管濃塔塔頂?shù)睦湓春?再進(jìn)入原料氣冷卻器同收冷量線。二級(jí)提濃塔塔頂?shù)睦湓瘁娪玫h(huán)制冷。最后經(jīng)過(guò)低壓尾氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入商品天然氣外2.2.2.2后膨脹工藝輸管線。二級(jí)提濃塔塔頂?shù)睦湓床捎玫h(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膨脹機(jī)組深冷器含氦天然氣預(yù)冷器補(bǔ)充氯氣℃低壓尾氣壓縮機(jī)原料氣冷卻器級(jí)提濃塔二級(jí)提濃塔緩沖罐圖3后膨脹提氦工藝流程圖通過(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(xiàn)階段非低溫工藝在天冷兩方案作詳細(xì)的技術(shù)研究。然氣提氦工業(yè)中尚未成熟到足以大規(guī)模化生產(chǎn)的地為了滿足低溫法提氦工藝的要求,原料氣天然步。據(jù)最近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),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,包括奧倫堡氮廠均采用低溫工藝。同時(shí)根據(jù)美106,H2O含量≤1×10。故在進(jìn)入低溫提氦裝置國(guó)氦年報(bào)的報(bào)道,目前美國(guó)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(yùn)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(duì)表1所示的含氦天然氣進(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2.2MPa),借助 HYSYS軟件對(duì)后膨脹工藝和前膨脹工藝進(jìn)行模擬計(jì)算比選,研究結(jié)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(shù)據(jù)項(xiàng)目前面介紹的三種低溫法提氦工藝,對(duì)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(jì)60,70年代應(yīng)用較對(duì)數(shù)平均溫差C5.6產(chǎn)品粗氦最高濃度v(%)70為廣泛,該時(shí)期的膨脹機(jī)等熵效率較低同時(shí)膨脹機(jī)氦氣回收率/(%和板翅式換熱器制造水平相對(duì)落后,故須采用外部氮?dú)鈮嚎s機(jī)軸功率W脹機(jī)膨脹制冷才能到達(dá)進(jìn)一級(jí)提濃塔進(jìn)料條件。該”。寶W制冷預(yù)冷原料氣(一般采用氨制冷系統(tǒng)),再經(jīng)過(guò)膨尾氣壓縮機(jī)軸功l101131R5中國(guó)煤化工2317工藝能耗大,投資費(fèi)用高。隨著低溫機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)裝置和制造水平的不斷發(fā)展,克勞特循環(huán)制冷工藝已逐CNMHG 50 3-步被后兩個(gè)工藝所取代。本文將對(duì)膨脹制冷+氮?dú)鈴谋冗x結(jié)果可以看出,方案二中操作溫度低第27卷第4期龍?jiān)霰?等:天然氣提氮技術(shù)探討與研究(最低可達(dá)-192℃),不僅不利于節(jié)能,而且對(duì)塔體的差異與保冷效果也會(huì)對(duì)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、工廠所低,這將導(dǎo)致粗氦精制成本大幅度的增大,如果人為在地及地區(qū)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(xiàng)措施來(lái)降低低溫提氦工藝生產(chǎn)成本及能耗的增大,同時(shí)要選擇滿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(jī)出口壓5.1工藝設(shè)計(jì)力直接決定了提濃塔的操作壓力,為了使裝置穩(wěn)定a在可能的情況下,提氦裝置應(yīng)向大規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)行膨脹機(jī)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(yīng)性降低b在生產(chǎn)合格產(chǎn)品粗氦以及滿足氮?dú)馐章实膶?duì)于方案一,不僅較方案二產(chǎn)品粗氦濃度高操前提下,進(jìn)一步優(yōu)化提濃塔塔頂冷凝器負(fù)荷,氮?dú)庋鳒囟雀呔C合能耗低、投資費(fèi)用低,而且該工藝可環(huán)制冷系統(tǒng)操作壓力等參數(shù)從而降低裝置的能耗;利用膨脹比靈活控制進(jìn)一級(jí)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(jié)。故本文推薦更先進(jìn)提氮工藝的基礎(chǔ)上分離出價(jià)值較高的液化氣和輕可靠、操作更靈活、能耗更低的后膨脹+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(jì)效益。4后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦52設(shè)選型工藝特點(diǎn)a原料氣預(yù)冷器、深冷器等冷換設(shè)備均選用板翅式換熱器,其熱端溫差應(yīng)≤2℃為最佳。膨脹機(jī)選本文推薦的后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離提氦用等熵效率高的透平膨脹機(jī)工藝有如下特點(diǎn)b提濃塔建議選用壓降小,塔效率高,操作彈且.采用雙塔提氦工藝,并配以先進(jìn)高效的板翅性大的規(guī)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(yù)冷原料天然氣,而不需要其它外部冷53保冷源來(lái)預(yù)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,b.釆用后膨脹制冷,不僅操作壓力較前膨脹制建議工藝中主要低溫設(shè)備均設(shè)置在一個(gè)冷箱內(nèi)統(tǒng)冷工藝高同時(shí)能夠在膨脹機(jī)允許的范圍內(nèi)改變膨保冷。脹比,來(lái)調(diào)節(jié)原料氣預(yù)冷溫度,且不影響后續(xù)操作壓最后希望通過(guò)本文的研究,能對(duì)我國(guó)天然氣提力。裝置操作穩(wěn)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(dú)立的氮循環(huán)制冷系統(tǒng),不僅能提參考文獻(xiàn):供近-190℃的低溫位,而且獨(dú)立的制冷系統(tǒng),能夠[1]趙力軍,吳國(guó)奇氮?dú)馐袌?chǎng)及應(yīng)用[].低溫與特氣,很好適應(yīng)變工況操作條件。1997,(4):8-10.[2]疏朝龍莊震萬(wàn),時(shí)鉤膜法天然氣提氦[].南京化5結(jié)論與建議工學(xué)院報(bào),1994,16(1):6165[3]陳華蔣國(guó)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].天然氣工業(yè),1995,15(2):71-73文通過(guò)對(duì)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?dú)庑虏僮鞣€(wěn)定可靠、不同工況適應(yīng)能力強(qiáng)、能耗低以及經(jīng)工藝[N].地質(zhì)典查導(dǎo)報(bào),200601-24(3濟(jì)效益好的后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離工藝作為【s] Handley J R, Miler Wc. 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(duì)于工業(yè)化程度不高中國(guó)煤化工im,199,(4):13的非低溫提氦工藝而言,該低溫法提取氦氣是高耗能的過(guò)程,單位氦的生產(chǎn)成本及能耗不僅與天然氣[6CNMH形水饑而入熱飛提氮新工藝工業(yè)試驗(yàn)中氦氣濃度和裝置處理能力成反比,并且工藝設(shè)備[J].天然氣工業(yè),1993,13(5):8286