CC BY
28m
■'"boimirfû
Частичное сжижение природного газа в малотоннажных установках с блоком низкотемпературной очистки
С.П. Горбачев, профессор, гл. научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», д.т.н., И.С. Медведков, младший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
Предложена технология частичного сжижения природного газа в малотоннажных установках высокого и среднего давления с получением продукта высокой чистоты. Рассмотрено использование блока низкотемпературной очистки (БНО) с фракционным испарителем или ректификационной колонной в составе установок частичного сжижения природного газа для получения содержания метана в СПГ более 99 % и снижения молярной доли СО2 до уровня 50...100 ррт. Представлены основные характеристики установок сжижения с низкотемпературной очисткой и предложены рекомендации по выбору параметров их функционирования в зависимости от состава исходного газа и требуемой чистоты продукта.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, блок низкотемпературной очистки, очистка от диоксида углерода, производство СПГ высокого качества.
В настоящее время очистка сырьевого природного газа в установках сжижения производится при высокой температуре. Цель очистки - получить природный газ, компоненты которого не кристаллизуются в области низких температур, а продукт (СПГ) будет иметь требуемые теплофизические и эксплуатационные характеристики. Для этого в составе очищенного природного газа должно присутствовать не более 50...200 ррт диоксида углерода. Для высококачественного СПГ, применяемого как моторное топливо, суммарная молярная доля высококипящих углеводородов С2+ должна быть не более 1 % [1]. И если первое условие может быть достигнуто на современных высокотемпературных блоках адсорбционной очистки, то СПГ высокого качества возможно получить только разделением природного газа при криогенных температурах. Как показывают расчеты [2-4], на низкотемпературном уровне может быть решена и задача очистки природного газа от диоксида углерода, если будут соблюдены условия достаточной
растворимости кристаллизующихся компонентов в устройствах и аппаратах установок частичного сжижения.
При частичном сжижении природного газа с использованием простого дросселирования (рис. 1а) стоимость системы очистки может достичь 60 % стоимости установки сжижения.
За счет применения двухпоточной технологии [5] в схеме цикла частичного сжижения с расширяющим устройством (рис. 16) стоимость системы очистки может быть снижена в 6-10 раз [6], что связано с уменьшением количества адсорбента в блоке очистки.
а
б
Рис. 1. Схемы частичного сжижения природного газа с высокотемпературной очисткой по циклу простого дросселирования (а) и с расширяющим устройством (б): 1 - газ регенерации; 2 - источник природного газа высокого давления; 3 - блок высокотемпературной очистки (БВО); 4 - огневой подогреватель газа регенерации; 5 - адсорбционные колонны; 6 - газ регенерации, насыщенный влагой; 7 - обратный поток; 8 - дроссельный вентиль; 9 - сборник-сепаратор СПГ; 10 - СПГ; 11 - расширяющее устройство; ТО, TO1 - теплообменники
»ЮПФйявби
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.
а
б
Рис. 2. Схемы частичного сжижения природного газа с низкотемпературной очисткой в исполнении А по циклу простого дросселирования (а) и с расширяющим устройством (б): 1 - источник природного газа высокого давления; 2 - обратный поток; 3 - технологический поток; 4 - подогревающий теплообменник; 5 - перепускающий дроссель; 6 - БНО; 7 -продукционный поток; 8 - разделительный аппарат; 9 - сборник-сепаратор СПГ; 10 - дроссель продукционного потока; 11 - кубовая жидкость; 12 - дроссели; 13 - СПГ; 14 - расширяющее устройство; ТО, TO1 - теплообменники
При использовании установки частичного сжижения природного газа низкотемпературной очистки с блоком простого дросселирования (рис. 2а) предположительная стоимость этой системы составит не более 10___15 % стоимости высокотемпературной системы очистки в установке, представленной на рис. 1а. Стоимость двухпоточной установки частичного сжижения газа с расширяющим устройством и низкотемпературной очисткой будет как минимум в 2 раза ниже стоимости системы очистки в установке, представленной на рис. 16, за счет сокращения материалоемкости БНО по сравнению с высокотемпературным блоком.
Основной принцип работы БНО заключается в разделении сырьевого природного газа методами непрерывных испарения, конденсации и ректификации в разделительном аппарате (рис. 3), который состоит из устройства разделения (ректификационная колонна или простой сепаратор) и теплообменных аппаратов. Работа разделительного аппарата обеспечивается технологическим потоком,
состав которого соответствует составу сырьевого газа. Растворимость кристаллизующихся компонентов в нем обеспечивается корректным выбором температур и давлений [3]. От параметров технологического потока зависит давление в устройстве
разделения [3], а оно обусловливает вид основной характеристики разделительного аппарата - зависимости выхода чистого продукта (дистиллят) от состава сырьевого газа и требуемой чистоты СПГ.
Характеристика БНО непосредственно влияет на характеристики цикла, в который встраивается блок. Степень влияния БНО определяется сравнением цикла сжижения с БНО с исходными циклами сжижения. Исходный цикл сжижения - цикл частичного сжижения, в котором БНО заменен на изотермический сборник-сепаратор. Состав сырьевого газа, температура, давление и расход сырьевого газа на входе в установку, давление СПГ, температура и давление обратного потока на выходе из установки полностью идентичны тем же характеристикам для рассматриваемого цикла с БНО.
Коэффициент сжижения исходного цикла
- Со'
где 10 - расход получаемого СПГ в исходном цикле; G0 - расход поступившего на сжижение сырьевого газа.
В
F —
G 2
а
б
Рис. 3. Компоновки разделительного аппарата с фракционным испарителем (а) и ректификационной колонной с испарителем (б): 1 - конденсатор; 2 - устройство разделения (а - изотермический сепаратор; б -ректификационная колонна); 3 - испаритель; в - сырьевой продукционный поток; V- чистый пар из устройства разделения; С - кубовая жидкость; В - пар из испарителя; F- поток флегмы; Р - дистиллят
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.
t jBk ДШИ.....iTïïïïiffiiHi.,
m
■'"boimirfû
10 11 12
а
б
Рис. 4. Схемы частичного сжижения с низкотемпературной очисткой в исполнении Б по циклу простого дросселирования (а) и с расширяющим устройством (б): 1 - источник природного газа высокого давления; 2 - обратный поток; 3 - технологический поток; 4 - подогревающий теплообменник; 5 - перепускающий дроссель; 6 - БНО; 7 - продукционный поток; 8 - разделительный аппарат (ректификационная колонна без испарителя); 9 - сборник-сепаратор СПГ; 10 - дроссель продукционного потока; 11 - кубовая жидкость; 12 - дроссели; 13 - СПГ; 14 - расширяющее устройство; ТО, TO1 - теплообменники
Для установок сжижения с БНО (см. рис. 2а и 4а) исходным является цикл простого дросселирования (см. рис. 1а), для установок с БНО (см. рис. 26 и 46) - двухпоточный цикл сжижения с детандером (см. рис. 16). Влияние встраиваемого в исходные циклы БНО различной компоновки определяется изменением коэффициента сжижения цикла с низкотемпературной очисткой.
Характеристика, определяющая степень эффективности компоновки БНО, оценивается комплексом
К = -^< 1.
кь0
Здесь к=£/б0, где I - расход получаемого СПГ в цикле с БНО.
Чем больше комплекс К, тем эффективнее компоновка БНО (рис. 5). Расчет характеристик циклов сжижения происходил для модельных смесей, состав которых приведен в таблице.
Для анализа величины комплекса К для цикла высокого давления с БНО был рассмотрен цикл простого дросселирования с БНО, работающий
в диапазоне давлений 15,0_0,6 МПа. Проводились сжижение и очистка смеси 5 % ВКК + 3 % N + С02. При этом содержании СО2 рассматривалось в двух вариантах - 0,5 и 1 %. Разделительный аппарат - ректификационная колонна с десятью теоретическими тарелками. Температура окружающей среды - 293,15 К, недорекуперация на горячем конце предварительного теплообменника 10 К. Коэффициент сжижения в установках без БНО 0,19. Молярная доля СО2 в СПГ во всех случаях - 50 ррт. Проводилась отдувка азота до концентрации его в СПГ в 1%. Получено суммарное содержание ВКК в СПГ менее 1%.
Исследованные
Для двухпоточных циклов (рис. 6) к0 зависит от содержания диоксида углерода в сырьевом газе [7], но в диапазоне концентраций 0_5000 ррт он постоянен и составляет 0,124. Расчеты проводились для ректификационной колонны с десятью теоретическими тарелками. Сжижаемая смесь - 1 % ВКК + СО2 (см. таблицу). Полученное суммарное содержание ВКК в СПГ менее 0,1 %.
Для увеличения коэффициента сжижения в установках частичного сжижения с БНО могут быть применены предварительное охлаждение и утилизация кубовой жидкости. Часть энергии, затраченная на сжижение кубовой жидкости, может быть возвращена в цикл посредством различных технологических схем. Например, кубовой продукт может быть сжат до давления, при котором кристаллизация диоксида углерода не происходит, и испарение кубового продукта может быть получено за счет охлаждения прямого потока газа.
Таким образом, применение блока низкотемпературной очистки позволяет получить качественный продукт (СПГ) с низким содержанием высоко-кипящих компонентов, в том числе диоксида углерода. Компоновка и параметры применяемого блока низкотемпературной очистки в большей степени зависят от состава сырьевого газа и требований к чистоте СПГ. Чистота СПГ характеризуется наличием в нем диоксида углерода, поскольку при снижении его концентрации в 10 раз содержание других высококипящих компонентов сокращается в 100 раз. модельные смеси
Смесь Молярные доли компонентов
Метан, % Этан, % Пропан, % Бутан, % n2 , % й
Метан + CO2 < 100 - - - - 500...5000
ВКК 1 % + CO2 < 99 0,5 0,375 0,125 - 500...50000
ВКК 3 % + CO2 < 97 2 0,75 0,25 -
ВКК 5 % + CO2 < 95 3 1,5 0,5 -
ВКК 5 % + N2 3% + CO2 < 92 3 1,5 0,5 3
\ Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.
0,2
0,4 0,6
Комплекс К
0,8
Рис. 5. Сжижение смеси 5 % ВКК + 3 % N2 + С02 в циклах простого дросселирования с БНО и ректификационной колонной: исполнение А - см. рис. 2а; исполнение Б - см. рис. 4а
Уменьшение производительности установки сжижения при использовании в ней БНО составит от 10 до 40 % в зависимости от состава сырьевого газа и требуемой чистоты продукта. Потери такого рода в малотоннажных установках допустимы, поскольку основную долю в
Содержание С02 в СПГ, ррт
Рис. 6. Сравнение критерия эффективности двухпоточной установки сжижения с низкотемпературной очисткой в зависимости от требуемого содержания СО2 в СПГ. Сжижаемая смесь 1 % ВКК + СО2 (1000 ррт): 1 - БНО с ректификационной колонной в исполнении А (см. рис. 26); 2 - БНО с ректификационной колонной в исполнении Б (см. рис. 4б); 3 - БНО с фракционным испарителем в исполнении А (см. рис. 2б).
Сжижаемая смесь 1 % ВКК + СО2 (5000 ррт): 4 - БНО с ректификационной колонной в исполнении А (см. рис. 2б); 5 - БНО с ректификационной колонной в исполнении Б (см. рис. 4б).
формировании цены СПГ составляет амортизация основных фондов установки частичного сжижения, а эксплуатационные затраты при работе установки минимальны. При выборе компоновки блока низкотемпературной очистки рекомендуются следующие схемы.
При сжижении бедных смесей с низким содержанием ВКК (менее 1 %) и кристаллизующихся компонентов (менее 1000 ррт), а также при невысоких требованиях к чистоте СПГ (не менее 100.200 ррт СО2 в СПГ) следует применять БНО с фракционным испарителем.
• При содержании в сырьевом
жидкость при этом рекомендуется утилизировать сжатием криогенным насосом и испарением ее в горячем теплообменнике за счет охлаждения прямого потока сырьевого газа.
• Для увеличения производительности установки следует применять БНО с ректификационной колонной и испарителем. Кубовую жидкость при этом рекомендуется утилизировать сжатием ее в криогенном насосе и испарением в горячем теплообменнике за счет охлаждения прямого потока сырьевого газа. В двухпоточных циклах частичного сжижения с расширяющим устройством использование ректификационной колонны с испарителем не оправданно, если перепад давления в технологическом потоке менее чем десятикратный. Выигрыш производительности по сравнению с ректификационной колонной без испарителя в этом случае минимален.
Литература
газе СО2 более 1000 ррт, ВКК более 3 % и повышении требований к чистоте СПГ (до уровня менее 100 ррт СО2 в СПГ) следует применять ректификационную колонну без испарителя. Кубовую
1. Ходорков И.Л. Сжиженный природный газ (СПГ). Физико-химические, энергетические и эксплуатационные свойства. - С.-Пб.: Химиздат, 2003. - 22 с.
2. Мурин В.И. и др. Технология переработки природного газа и конденсата. Ч.1. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002.
- 517 с.
3. Горбачев С.П., Медведков И.С.
Совершенствование технологии сжижения природного газа на газораспределительных станциях с получением продукта повышенной чистоты // Технические газы.
- 2012. - № 4. - С. 31-36.
4. Пат. 2438081 РФ. Способ сжижения природного газа (варианты) и установка для его реализации (варианты) / Горбачев С.П. // БИ. - 27.12.2011.
5. Пат. 2212598 РФ. Способ частичного сжижения природного газа и установка для его реализации / Горбачев С.П. // БИ.
- 20.09.2003.
6. Горбачев С.П., Люгай С.В., Самсонов Р.О. Технология производства СПГ на газораспределительных станциях при повышенном содержании диоксида углерода в сетевом газе // Технические газы.
- 2010. - № 3. - С. 48-52.
7. Горбачев С.П., Медведков И.С. Влияние высококипящих компонентов при производстве СПГ на ГРС // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 2.
- С. 8-54.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (32), апрель 2013 г.
АН| ИШГ I шттпТгГГ!! Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ
