LNG储罐BOG气体三塔-氮膨胀法低温提氦工艺设计与模拟优化

液化天然气(LNG)储罐产生的蒸发气(BOG)中氦气含量较高,故可以BOG为原料提纯氦气。传统两塔-膨胀制冷提氦工艺分离效率不高,生产的氦气产品浓度有限。为此提出了三塔-氮膨胀法低温提氦工艺,并利用HYSYS软件进行了模拟和优化。结果表明,三塔-氮膨胀法低温提氦工艺在LNG液化率、氦气产品浓度和氦气回收率等指标上明显优于传统两塔-膨胀制冷提氦工艺。三塔-氮膨胀法低温提氦工艺经过进一步优化,可在总能耗少量增加的条件下,使氦气产品浓度(物质的量分数)达到95.60%,氦气回收率达到99.99%。该工艺仅采用低温精馏即得到了高回收率高浓度的氦气,综合性能优势明显。

LNG接收站BOG回收与提氦联产工艺设计及优化

为了解决当前BOG回收工艺以及BOG提氦工艺存在回收率低和高能耗等问题,提出一种联产工艺,将LNG接收站BOG回收工艺与BOG提氦工艺相结合。使用HYSYS模拟单一工艺和联产工艺,分析影响工艺综合能耗及粗氦浓度的关键参数。保持粗氦浓度为92.61%,以综合能耗最小为优化目标,结合响应面法和遗传算法对关键参数进行优化,得到最优参数:BOG压缩机出口压力为600 kPa,低压泵出口压力700 kPa,海水泵出口压力4 000 kPa,深冷塔进料温度为-150℃,深冷塔进料压力为1 000 kPa。与单一工艺相比,该联产工艺有明显的节能优势,综合能耗减少16.17%,BOG回收率达到84.21%,粗氦的回收率和浓度分别达到95.83%和92.61%。结论表明:该联产工艺在能耗和投资成本方面具备明显的优势。

氮气双膨胀制冷提氦联产乙烷工艺设计与优化

国内某气田天然气中乙烷和氦气含量(物质的量分数)逐年升高,回收价值凸显。提出了一种氮气双膨胀制冷提氦联产乙烷工艺,采用HYSYS软件对该工艺进行了流程模拟,并对工艺流程的关键参数(低温分离器温度、脱甲烷塔塔顶回流比、二级提氦塔进料温度、二级提氦塔塔顶回流比、氮气膨胀端入口压力、氮气膨胀端出口压力和氮气制冷剂流量)对工艺指标的影响规律开展了研究。基于最优化理论,以C_(2)收率最大和二次粗氦浓度最大时装置总能耗最小为目标,采用Back Propagation(BP)神经网络算法对关键参数进行了寻优。结果表明,装置总能耗主要受低温分离器温度、氮气膨胀端出口压力和氮气制冷剂流量影响,C_(2)收率主要受低温分离器温度和脱甲烷塔塔顶回流比影响,氦收率主要受二级提氦塔进料温度影响。关键参数最佳组合为:低温分离器温度为-95.30℃,氮气制冷剂流量为1549.22 kmol/h,氮气膨胀端入口压力为3.25 MPa,氮气膨胀端出口压力为0.44 MPa,脱甲烷塔塔顶回流比为0.13,二级提氦塔进料温度为-150.57℃,二级提氦塔塔顶回流比为0.80。相比于优化前,优化后装置总能耗降低了1.46%,C_(2)收率提升了5.64%,二次粗氦浓度(物质的量分数)提升了1.81%。

提氦技术发展现状分析

氦(He)作为高科技稀有气体是一种重要的战略物质,我国是氦贫乏国家,其资源战略意义日趋突出。阐述了世界氦资源分布、我国氦资源利用和提氦技术现状,详细介绍了天然气提氦技术中的吸收法、吸附法、水合物法、膜分离法、低温法和联合法等,并指出这些方法的优缺点和应用水平,为今后提氦技术发展提供参考。

基于多级闪蒸与多塔蒸馏耦合的贫氦天然气低温提氦工艺

聚焦从低品位含氦天然气中提纯氦气这一工程问题,在分析已有深冷工艺发展现状与改进方向的基础上,针对原料天然气中氦气浓度低与提氦能耗高的问题,提出一种基于多级闪蒸与多塔蒸馏耦合的贫氦天然气低温提氦工艺,并借助ASPEN HYSYS软件模拟设计了新工艺流程。结果表明:采用设计工艺可从氦摩尔分数为0.05%的贫氦天然气中分离得到纯度(摩尔分数,下同)为99%的氦气,同时得到纯度为99.96%的甲烷和99%的氮气、液化天然气及燃料气,增强了提氦装置的产品方案灵活性;通过工艺内部流股节流膨胀制冷为分离系统提供冷量及工艺内部冷热物流间合理匹配换热,实现了系统的节能降耗;该多级闪蒸+多塔蒸馏耦合工艺的单位压缩功耗为0.058 kW·h kmol,远低于改进型ExxonMobil公司的提氦工艺(1.29 kW·h kmol);综合分析工艺产品纯度及能耗,说明设计的提氦工艺具有一定的应用潜力。

MOFs膜在氢氦甲烷分离和纯化工艺中的应用进展

金属有机框架(MOFs)材料具有高比表面积、可调孔隙性和高稳定性等良好特性,使得MOFs膜在气体吸附和分离领域具有良好的应用前景。然而,MOFs膜的工艺研究面临设计路线不明确和商业化落地难等问题,因此综述MOFs膜在氢气、氦气和甲烷分离和纯化技术中的研究进展及潜在应用具有重要意义。首先,介绍了MOFs材料的结构性质,以及分子模拟在MOFs材料筛选及性能预测中的应用;总结了实验制备的MOFs膜对氢气、氦气和甲烷的分离性能,包括材料的内部结构、分离机制、稳定性和适用工况。其次,鉴于MOFs膜在工业中的应用尚处起步阶段,探讨了其在含膜分离单元工艺中的可能应用,以及相关挑战和限制因素。再次,从MOFs膜对传统分离材料的替代,以及整体工艺向含膜工艺升级两方面,结合相关案例开展了经济性讨论,发现膜分离技术的引用升级具有可观的经济效益。最后,结合MOFs材料的优良特性,对未来该领域的研究工作进行了展望,旨在为MOFs膜在氢氦甲烷分离和纯化工艺中的应用提供参考。

中国天然气提氦产业链技术发展现状及展望

天然气提氦产业链的健康有序发展十分重要,关系到氦气资源供应安全。中国需要加快形成具有强劲支撑力的氦产业链,切实保障我国氦供应。从粗氦提取、粗氦精制、氦气液化、氦的储运等方面分析研究了天然气提氦产业链技术的发展现状。研究发现中国在粗氦提取、粗氦精制和气氦储运方面整体技术指标已达到国际先进水平,在氦气液化和液氦储运的装备大型化方面与国际先进水平还存在差距。为建立起技术成熟可靠和完整装备的天然气提氦产业链,需要加快氦分离膜、大型氦液化器、大型液氦罐箱研发和应用,同时加强氦领域相关标准规范体系建设,推动氦保护法的建立。

联产LNG天然气低温-膜分离提氦工艺模拟设计

为了解决传统提氦工艺单位能耗高、提氦效率低和经济成本高等问题,对天然气低温-膜分离提氦工艺和联产液化天然气(LNG)的天然气低温提氦工艺进行了分析,结合各工艺的优势,设计了联产LNG天然气低温-膜分离提氦工艺。使用Aspen HYSYS软件对3种工艺的装置综合能耗、氦气回收率、氦气含量(体积分数,下同)进行了模拟计算。结果表明,装置在最低操作温度为-188.3℃的情况下,联产LNG天然气低温-膜分离提氦工艺的氦气回收率最高(99.99%),提取氦气含量最高(99.95%),LNG产量为678.4 kmol/h,LNG液化率为94.6%。与天然气低温-膜分离提氦工艺和联产LNG天然气低温提氦工艺的相应运行参数相比,联产LNG天然气低温-膜分离提氦工艺压缩机总能耗降低了12.68%,装置综合能耗降低了18.75%。最终建立的联产LNG天然气低温-膜分离提氦工艺可以有效提高氦气回收率和纯度,降低了能耗和投资成本,实现了能量最大化利用,同时可以生产出两种产品(精氦和LNG)。

基于㶲分析的天然气提氦联产LNG工艺优化

㶲分析是评估能量品位和能量利用效率的有效手段。基于㶲分析结果,可以准确识别工艺流程中不可逆性损失的位置及其产生的原因,并可为工艺优化提供方向。为提高某天然气凝液回收提氦联产LNG装置其关键设备的㶲效率,降低装置整体能耗,在采用改进的㶲分析方法基础上,基于Aspen HYSYS软件,详细分析了该装置关键设备的效能,进而提出工艺优化方案。研究结果表明:①㶲损可划分为4类,改进的㶲分析方法能得出设备的各类㶲损占比,用于评估设备的改进潜力;②在大多数设备中,内源性㶲损大于外源性㶲损,压缩机和空冷器主要为可避免内源性㶲损,冷箱的主要㶲损类别各异,塔器主要为不可避免㶲损;③采用多级闪蒸提浓代替双塔提浓,即脱甲烷塔塔顶气先进入氦气提浓塔预提浓后,再进入液化单元进一步提浓,总压缩功较原方案降低11575 kW,有效能利用率更高。结论认为,改进工艺后的㶲损较原方案降低了约21648.4 kW,系统㶲效率提高了约14.75%,优化结果验证了改进㶲分析在天然气提氦联产LNG工艺中的可行性,为实际工程中提氦工艺的优化提供了参考。

天然气粗氦提取技术进展及展望

氦气是一种关系国家安全和高新技术产业发展的战略性资源。空气中氦含量仅有5.2 mL/ m^(3),而含氦天然气中的氦含量可以达到0.3%~8%,虽然可利用大型空气液化分离装置的不凝气进行工业化分离生产氦气,但从含氦天然气中提取氦气在经济上更具可行性,也是目前氦气的最主要来源。从含氦天然气中提取氦气,首先要将含氦天然气中大部分甲烷、氮气等组分脱除,提取粗氦,然后再进行粗氦精制。介绍了深冷技术、膜分离技术、膜分离及深冷联合技术、多联产技术等多种粗氦提取技术,并对未来发展适应中国国情的贫氦天然气低成本提氦成套技术与装备国产化提出了展望。

国内氦液化储运技术需求分析

为满足国内用氦需求的快速增长,有效保障国内的用氦安全和相关产业的平稳运行,从提氦液化技术、氦液化储存技术、液氦运输技术和产品应用等方面对国内氦液化和储运技术需求进行了分析,并对终端用户对液氦和氦回收技术需求进行介绍。与其他提氦工艺相比,深冷液化提氦具有效率高、纯度高,与下游储运流程兼容性好等优点,是目前全球应用最广泛的天然气提氦技术;液化储氦与高压氦气和储气库相比具有效率高、安全性高、纯度高和损耗少等优点;液氦在长距离、大容量运输方面优势较明显;40%以上的终端用户以液氦为介质,为避免氦资源损失,需保证液氦的有效利用、气化部分及时回收再液化。因此,氦液化技术和液氦储运技术是解决目前国内氦短缺和有效利用的关键,需要在提高国产关键设备性能和降低成本方面实现技术突破。

国内外氦气资源勘探开发现状及其对中国的启示

氦气是军事工业和高新技术产业发展不可或缺的稀有战略资源,但世界氦气资源分布极不均衡,供需矛盾突出,供给安全备受关注。特别是中国氦气供应长期依赖进口,资源调查评价与提氦利用技术研发起步较晚,资源安全形势严峻。笔者通过文献和市场调研对目前世界各国氦气资源勘探与提纯技术的进展进行了梳理,归纳了中国氦气勘查、开发现状,根据中国氦气资源总体需求提出“十四五”末氦气勘查利用须实现的基本目标和相关建议。研究表明,近年来世界氦气储量有所增加,年度产量基本稳定;中国氦气提纯利用技术和产能建设快速发展,特别是LNG-BOG提氦等低品位氦资源提取利用迅猛发展,氦气保障能力逐步加强,建议按照“用旧、找新、合作、储备”的思路,进一步加强氦气资源调查评价与提氦产能建设,分阶段实现中国氦气资源安全保障。

天然气提氦技术开发进展

氦气是一种稀有的战略性资源,随着宇宙探索、国防军工、低温超导等高科技领域发展,其重要性日益凸显。氦气主要从含氦天然气中提取,我国氦资源缺乏,天然气氦含量低,提氦成本高。近年来,在塔里木盆地及渭河盆地相继发现含氦天然气资源,为我国开展自主提氦提供了资源条件,而提氦技术成为制约氦气产业发展的关键因素。在分析天然气提氦发展历史、总结提氦方法的基础上,着重从传统提氦和集成提氦两个方面阐述了天然气提氦技术:(1)传统提氦技术主要有PSA法、膜分离法及深冷法等,其中,深冷法具有产品纯度和收率高的优点,是最主要的提氦方法;(2)集成提氦技术是将多种提氦技术共用或与天然气其他处理工艺联合应用,如天然气提氦与LNG联产、与膜分离耦合、与NRU集成等,不仅提高了氦的回收率及纯度,而且降低了提氦成本,具有广阔的发展前景。集成创新是未来提氦技术的发展方向。

膜分离法从天然气中提浓氦的实验研究

由于国内天然气中氦浓度低，致使目前的深冷法提氦成本较高。为降低提氦成本，膜分离—深冷联合法〔１〕颇具潜力。采用聚砜／硅橡胶中空纤维膜从天然气中提浓氦的现场实验，在进口压力１．４～１．９ＭＰａ，常温下经一级膜分离使氦浓缩５～５．５倍，氦收率达到６３％～７５％；此时膜的处理能力为１．０ｍ３／ｈ·ｍ２膜面积。

氦资源、应用、市场和提取技术

介绍了氦的资源、利用、市场和提取技术。

膜分离法与深冷法联合用于从天然气中提氦

膜分离法与深冷法联合用于从天然气中提氦，是一种新的从贫氦天然气分离氦的工艺流程。该工艺利用膜分离法从贫氦天然气制取富氦天然气，经深次分离及精制而获得纯氦。该方法使得在同样氦气产出的情况下，深冷分离的规模减小，在同样深冷分高规模下氦气产量增加。文章给出了膜分离单元工艺流程，举例测算了膜分离单元的工艺数据，以及膜分离法与深冷法联合用于从天然气中提氦的工艺流程和特点。

天然气提氦技术现状及建议

介绍了天然气提氦资源市场与技术现状,总结了天然气提氦工艺特点,综述公司天然气提氦技术的发展历程,并分析了该技术存在的主要问题,对下一步技术发展提出相关建议。

双塔天然气氦气回收工艺设计及(火用)分析

油田采用的深冷-膜分离联合法提氦工艺存在氦气回收率低、综合能耗高等缺点。提出了一种创新的天然气氦气回收方法,采用双塔提氦,将低温精馏与提氦工艺相结合,特点在于氦气提浓塔和氦气回收塔均采用具有温度梯度的多股进料方式。通过传统(火用)分析发现,该流程冷箱LNG-100(火用)损最大,占总(火用)损的47.48%。通过高级(火用)分析发现,该流程内源(火用)损远大于外源(火用)损,大多数设备的可避免内源(火用)损占比较高,这表明工艺改进应侧重于设备本身的性能改造,而不是工艺结构。改进冷箱LNG-100结构形式,提高压缩机效率,改进空冷器AC-302内部结构以及改善其他设备的工作状况能够有效降低设备(火用)损。塔设备的不可避免内源性(火用)损较大,改造这些设备受到一定的限制,并且塔内会发生精馏反应,使得提高有效能利用变得困难。

双塔天然气氦气回收工艺研究

针对现有天然气氦气回收方法存在的能耗高、流程复杂、氦气回收率低以及粗氦产品纯度低等缺点,提出了一种创新的天然气氦气回收方法。该方法采用双塔提氦工艺,特色在于氦气提浓塔和氦气回收塔均采用具有温度梯度的多股进料方式,氦气提浓塔和氦气回收塔部分塔底出料分别在主冷箱和氦气回收冷箱中升温后回流。通过对该流程进行特性分析发现,可以通过增加理论塔板数、增加吸收塔回流量、升高低温分离器温度等方法来提高氦气回收率。通过对该流程进行适应性分析发现,氦气回收率随着原料气中氦气含量的增多而升高;在相同制冷条件及其他条件下,较贫气质的氦气回收率要高于较富气质的氦气回收率。对于不同的气质,综合能耗都随着原料气中氦气含量的升高而增加,气质越富综合能耗越高。

基于绿色低碳的低温工程技术

清洁低碳能源是我国未来能源供应增量的主体,绿色低碳是能源技术创新的主要方向。四川空分以发展绿色、低碳、高效能源技术为目标,基于空分、液化天然气等低温技术优势,全面开展了绿色低碳的低温工程技术开发及工业应用。重点介绍了LNG冷能利用技术、低纯氧空分及CO_(2)压缩纯化技术、大型LNG装置BOG提取高纯氦气技术的开发及工业应用,并对绿色低碳的低温技术发展提出了建议。