煤制天然气液化流程初步研究

鉴于煤炭清洁利用的必要性以及国内天然气供不应求的格局,煤制天然气(SNG)具有了一定的发展空间。以液化的方式储运煤制天然气是应对我国特殊的天然气市场结构的较好选择。而由于煤制天然气与常规天然气不同的组成,特别是氢气的存在,需要为其设计专门的液化流程。为了给流程的设计提供参考,在HYSYS软件上模拟分析了常规天然气液化流程(氮气膨胀流程和混合制冷剂流程)用于液化煤制天然气的可行性及其特点,发现常规天然气液化流程可以用于液化煤制天然气,只是流程的单位能耗稍有增加。另外,还通过模拟分析了精馏分离氢气对液化流程所产生的影响。

带膨胀机的煤层气液化流程计算及热力学分析

为了比较不同煤层气液化流程中的损失、能耗的差别,首先对制冷剂中甲烷(CH4)的摩尔分数对能耗的影响进行了优化计算,在此基础上应用流程优化软件和编程手段对2种典型的液化流程方案进行了理论计算,进而对其损失、能耗进行了比较和分析.结果表明:CH4摩尔分数为50%左右时耗功最小,有利于流程的优化;理论上"丙烷预冷的N2-CH4单级膨胀液化循环"的损失和能耗均小于"N2-CH4串联双级膨胀液化循环".

几种典型的煤层气液化流程计算及分析比较

针对3种典型的煤层气液化流程方案,采用Visual Fortran和物性程序,并结合流程分析软件Aspen Plus对状态点参数进行优化,计算得到流程各状态点状态参数等数据,进而对3种循环的损失、能耗进行了比较和分析。结果显示,丙烷预冷的N2-CH4单级膨胀液化循环方案的损失和能耗2项指标比N2-CH4串联双级膨胀液化循环和N2-CH4并联双级膨胀液化循环方案小。得到了天然气液化流程计算和优化的有效方法和途径,对实际工程有积极的指导意义和预测作用。

天然气膨胀预冷混合制冷剂液化流程操作条件优化

为获得液化流程最优性能,确定液化流程能耗水平,探究将其应用于城市天然气调压站调峰型液化天然气装置的可行性,对天然气膨胀预冷混合制冷剂（NGE-MR）天然气液化流程的操作条件进行了优化.建立了NGE-MR液化流程模拟及优化模型,分析了混合制冷剂组成、混合制冷剂循环高压压力等主要操作条件对流程性能的影响,在此基础上以比功耗最低为优化目标,采用定压比优化方法,对NGE-MR液化流程的操作条件进行了优化.结果表明：3种压比（10、9、8）下NGE-MR天然气液化流程的最优混合制冷剂组成基本相同,各组分摩尔分数分别为2％（N2）、32％（CH4）、60％（C2H6）、6％（C3H8）,最优混合制冷剂组成与压比相关性不大;NGE-MR液化流程的最优比功耗随压比的降低而逐渐降低,但幅度很小,基本维持在0.225～0.230 kW·h/kg,较C3-MR及级联式天然气液化流程分别降低23.9％和34.4％.NGE-MR液化流程节能优势明显,适用于城市天然气调压站的调峰型LNG装置,可高效节能地生产LNG并用于城市天然气调峰.

小型氮膨胀天然气液化流程的设计及优化分析

根据气源条件,设计了3套氮膨胀天然气液化流程,选择PR(Peng-Robinson)方程进行混合物的相平衡计算,采用大型数值模拟软件Aspen Plus进行了数值模拟计算;分析比较了不同液化流程的关键热力学参数,并进行了关键设备的可行性分析。结果表明:丙烷预冷氮膨胀液化天然气流程的比功耗比无预冷的单级氮膨胀天然气液化流程的低,比无预冷的两级氮膨胀天然气液化流程的稍高,两级氮膨胀天然气液化流程较难实现。综合分析结果,选用了丙烷预冷氮膨胀液化天然气流程。

利用吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化流程

煤层气液化是对煤层气进行开发利用的一种有效方式。而由于受抽采技术的限制,煤层气中常含有较多的氮气。因此在预净化处理后,还须在液化前进行变压吸附或液化后进行低温精馏实现氮和甲烷的分离,从而提高甲烷浓度。为此,构建了一种新型的吸附—液化一体化的氮膨胀液化流程,将吸附后排出的带余压氮气直接膨胀对浓缩后的煤层气进行预冷。通过HYSYS模拟计算考察了不同含氮量和不同吸附余压下系统单位产品液化功的变化情况,并与不带预冷的普通氮膨胀液化流程及丙烷预冷氮膨胀液化流程进行比较。结果表明,高含氮量下,一体化的流程能够大大降低系统功耗。

气体膨胀式天然气带压液化流程的设计与优化

天然气带压液化(PLNG)技术可在较高的压力和温度下储存液化天然气,为海上天然气的液化提供了可能,但对于PLNG流程的相关运行参数、性能优化方面的研究几乎还未见报道。为此,借鉴气体膨胀式天然气液化系统的优点,针对CO2含量较低的海上天然气设计了一种气体膨胀天然气带压液化流程,并利用HYSYS软件进行了模拟和优化。结果表明:①分别采用N2、50%N2+50%CH4、CH4作为制冷剂,以产品LNG的单位能耗为衡量指标,对流程的4个关键参数(进口天然气压力、LNG储存压力、气体制冷剂膨胀前压力及气体制冷剂膨胀前预冷温度)进行了优化分析,并得到了它们的最优值;②比较了N2、50%N2+50%CH4、CH4分别作为制冷剂时,流程的能耗情况,发现CH4是能耗最低的制冷剂;③将优化后的氮膨胀天然气带压液化流程与常规氮膨胀天然气液化流程进行比较,结果表明前者不仅占地面积小、流程简单、设备初始投资低,而且运行工况更优良、能耗更低(仅为0.218 9kWh/m3,比常规流程的能耗降低了46%)。

几种国外新型的小型天然气液化流程分析

液化流程的设计是小型天然气液化装置开发研制的关键。文中介绍了国外天然气液化装置研究机构和设计制造公司所提出的几种小型天然气液化流程,阐述和分析了其液化方法和特点,指出国外小型天然气液化流程制冷主要采用了天然气膨胀循环,制冷剂膨胀循环和混合制冷剂循环;其液化装置采取了模块化定制成撬块的思路,并且考虑了环保性。认为膨胀制冷方法在小型天然气液化流程中将得到广泛的应用。

小型天然气液化流程

小型天然气液化装置对利用边远小油气田的天然气(包括伴生气)是很有意义的,同时又为远离天然气管网的用户使用天然气提供了方便,并使汽车使用较为廉价的LNG成为了可能。为此,对小型天然气液化装置备选的液化流程进行了比较,通过分析选择了可能的最佳方案:混合制冷剂Brayton循环。该流程结构简单,设备可靠,便于集成一体化以适应车辆装载要求,可实现快速机动部署;还对其进行了工艺设计和系统分析,得出了小型天然气液化流程设计的相关结论。

基于HYSYS模型和遗传算法的天然气液化流程参数优化

主要基于HYSYS模型和遗传算法(GA)对天然气液化流程进行了优化,针对一种单循环混合冷剂液化流程(SMR)建立了优化模型,使用Matlab代码通过数据对象接口(Automation)创建HYSYS组件对象,调用HYSYS程序并传入数据,HYSYS即时计算出结果返回Matlab进行优化评价。这种优化方法大大提高了优化效率,并且由于其全局搜索的特点非常适用于在非线性、高度离散的优化模型,降低了液化装置的运行能耗,优化了液化流程的操作参数。结果表明:优化后的流程能耗,比优化前降低了6.4%,效率提高到34.74%。这种优化方法同样也适用于其他液化流程的模拟优化。

氢含量对含氢甲烷氮膨胀液化流程的影响

在以焦炉煤气或者煤制甲烷等含氢甲烷为原料生产液化天然气时,氢气含量会对液化流程产生较大影响。以氮气膨胀液化流程为考察对象,模拟了各种含氢量的含氢甲烷的液化流程。以单位功耗为第一优化目标优化流程,发现在回收率一定时,单位功耗随着含氢量的增加而增加;当含氢量一定时,随着回收率的提升,单位功耗显著增加。研究结果表明,仅采用液化而不采用精馏分离,可以从含氢天然气生产出高质量的LNG产品,流程的单位能耗和产品纯度均在可接受的范围。

两种撬装型天然气液化流程的参数比较

设计了两套典型的撬装型天然气液化流程,对流程进行了模拟计算,比较了两者的关键参数,并分析了各换热器中管路换热负荷-温度的分布情况。结果表明:在没有丙烷预冷的前提下,采用N2-CH4膨胀机液化流程优于混合制冷剂液化流程;较大的温差和换热负荷是造成换热器火用损失的主要原因;压缩机功耗对比功耗影响很大,应采用多级压缩、级间冷却方式。

丙烷预冷混合制冷剂液化流程中原料气与制冷剂匹配研究

针对高、中、低3种压力和2种成分组合而成的6种原料天然气,利用Aspen HYSYS流程模拟软件对丙烷预冷混合制冷剂液化流程(PPMR)进行了模拟研究,考虑了混合制冷剂高低压变化、混合制冷剂组分改变,从中获得了制冷剂组分与原料天然气Cp-T热力性质以及混合制冷剂高低压之间的相互关系.混合制冷剂组分的选择依赖于原料天然气Cp-T热力性质,而混合制冷剂高低压会影响制冷剂组分和流量.6种原料天然气在不同混合制冷剂高低压下的PPMR流程比功耗的比较结果表明:原料天然气的Cp-T性质是决定整个PPMR流程的功耗高低的关键因素,而混合制冷剂组分和高低压对系统功耗影响较弱.对于某一固定原料气,混合制冷剂的组分和高低压应当根据原料天然气进行合理选取以避免不必要的能耗增加.

天然气液化流程中的汽液相平衡计算

在天然气液化流程中，不可避免地涉及到天然气和制冷工质的相平衡计算。利用ＳＲＫ方程计算了烃类混合物的相平衡特性。计算结果与国外实验数据作了比较，计算值与实验值吻合得很好，说明用ＳＲＫ方程计算烃类混合物的相平衡特性是合理的。还计算了不同压力和温度下烃类混合物的相平衡。本计算程序能智能判别某一状态是处于两相区还是单相区。

C3/MRC液化流程中原料气成分及制冷剂组分匹配

针对两种代表性原料天然气No.1和No.2,利用AspenHYSYS流程模拟软件对C3/MRC天然气液化流程进行了动态模拟,考虑了混合制冷剂高低压变化、混合制冷剂组分改变,通过模拟研究获得了混合制冷剂各个组分N2、CH4、C2H6及C3H8在制冷系统中的不同作用,同时获得了制冷剂组分与混合制冷剂高低压以及原料天然气cp-T之间的依赖关系,全面动态地展示了制冷剂各组分在C3/MRC流程中的影响和作用。在此基础上,又对比了原料天然气No.1和No.2在不同混合制冷剂高低压下C3/MRC流程的能耗指标。研究结果表明:原料天然气的cp-T关系是决定整个C3/MRC流程能耗高低的关键因素,而混合制冷剂的组分或高低压的选择则对系统能耗影响较弱。混合制冷剂的组成及其高低压力的选择应根据原料天然气的cp-T关系进行合理选取,以确保流程设计更为合理。

利用天然气管网压力能的小型液化流程设计

针对城市天然气高中压管网调压站的压力能回收利用,综合考虑LNG储运过程中广泛面临的BOG(Boiloff gas)问题,提出了一种结合混合工质循环、利用天然气压力能生产高品质LNG的小型液化流程。研究分析了预冷温度、动部件效率、低温换热器性能及液化天然气温度对流程天然气液化比的影响,优化的流程结果参数表明,当所得液化天然气储存在4bar,-160℃时,流入系统18.26%的天然气可被液化,其余部分外输中压管网;提出了在LNG买卖市场中根据LNG品质议价的建议,以从根本上减少LNG储运、装卸及使用过程的BOG排放量,进而减少经济损失与能源浪费。该流程可应用于城市燃气调峰,也可进行二次销售,具有较好实用性和经济性。

利用吸附余压的煤层气半开式氮膨胀液化流程

煤层气（CBM）液化是对其开发利用的一种有效方式。我国煤层气中常常含有较多氮气，要作为能源加以利用，必须进行甲烷提浓。液化前通过变压吸附可以实现氮／甲烷的分离。构建了一种新型的吸附一液化一体化的氮膨胀液化流程，将吸附后排出的带余压氮气用于氮膨胀循环，为煤层气液化提供冷量。通过HYSYS软件模拟计算考察了不同含氮量和不同吸附余压下系统单位产品液化功的变化情况，并与普通氮膨胀液化流程进行比较。结果表明，高含氮量下，一体化的流程能够大大降低系统功耗。

混合制冷剂低温液化流程中LNG换热器的性能分析

对采用重烃和轻烃相结合的整合级联混合制冷剂低温液化流程进行了模拟计算。在目标函数最优值的基础上,对LNG板翅式换热器的性能参数展开深入分析,得到了多组元混合工质在换热器中相变耦合的性能曲线。研究表明,温度、压力和组分分率的同时变化,将对换热器中多组元工质的焓值、热流量以及UA值产生重要影响。

浮式海上油田伴生气液化流程设计与分析

针对南海某油田伴生气的气源组分和特点,设计了无预冷的混合制冷剂液化流程(MRC)和氮膨胀液化流程,在储存条件相同而且产量相同的情况下,分析比较了两种液化流程的性能参数和流程布局。结果表明,氮膨胀液化流程功耗高于MRC流程,但是流程装置简单紧凑,占地面积小,对气源条件变化有较好的适应性,操作安全可靠,对装置晃动不敏感,开停机迅速方便,对气源条件变化有较好的适应性,是比较适合于海上油田伴生气的液化流程。本文还对氮膨胀液化进行了分析,指出了流程中损失较大的设备。

吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂液化流程

煤层气(CBM)作为一种非常规的天然气,常常含有较多氮气,因此其液化方法也有所不同。文章提出了一种针对带压气源的新型吸附-液化一体化的煤层气混合制冷剂循环(MRC)液化流程。首先通过变压吸附实现氮/甲烷的分离,之后浓缩甲烷进入后续液化流程,而分离出的带余压氮气则直接膨胀对浓缩甲烷进行预冷。并根据浓缩甲烷预冷后不同的温度范围分别设计了3种MRC液化过程。通过HYSYS模拟优化得出了不同含氮摩尔分数及不同吸附余压下使MRC流程单位液化功最小的混合制冷剂配比,并比较了相应的一体化流程和不带预冷的普通MRC液化流程的系统单位产品液化功。结果表明,高含氮摩尔分数下,一体化流程能够大大地降低系统单位功耗。