化工尾气制LNG工艺的流程对比与分析

黄振荣(广西河池化工股份有限公司,广西 河池 547000)

天然气作为一种清洁、高效的能源，越来越受到广泛关注。化工尾气制取液化天然气产品(LNG)是一项新兴的技术。该技术充分利用尾气中的甲烷成份，经过低温精馏与液化，生产高附加值的LNG产品。然而，由于各化工企业的工艺路线、原材料等的差异，其尾气的组分、压力、温度等也不尽相同。另外，有的客户仅要求LNG的产量，而有的客户则希望将其中的氢气、一氧化碳等有效成分加以回收利用。所以选择合适的工艺流程是LNG装置的设计关键。下面介绍了几种常规的工艺流程，便于选择和参考。

化工尾气中的甲烷含量一般较低，一般需要通过低温精馏的办法进行提纯。同时，尾气中一般还含有氢气、氮气、氩气、一氧化碳等也需要分别进行处理。根据甲烷精馏的次数可以分为以下几种工艺：

1 单塔精馏工艺

单塔精馏即指仅有一台精馏塔的工艺流程。一般的，在塔底部将得到高纯度的LNG产品，原料气中的其他组分则从精馏塔顶排除。为保证足够的精馏负荷，一般在精馏塔顶部设置有冷凝器，冷凝器的冷源一般需要通过高压液氮的节流来获取；在精馏塔底部设置有再沸器，热源则来自于经过初步冷却的制冷剂或者原料气本身。此种工艺流程的优点是流程简单，操作方便；消耗分离功少，相对能耗较低；操作余度大，可控性强。缺点主要是尾气的其他组分未进行处理。适合于仅需要提取甲烷的场合。

2 双塔精馏工艺

双精馏塔分离工艺在单塔基础上进一步对尾气进行了分离。对于含有甲烷、氢气、氮气、氩气的化工尾气，由于氢气的露点最低，所以在精馏塔I中会首先被分离出来。氢气有很高的利用价值，可以返回到化工过程中继续参与反应，也可进一步提纯获得高纯度的氢气。通过调节精馏塔I的负荷，甚至可以获得期望的氢气纯度。剩余的组分进入精馏塔II继续精馏，LNG产品将在塔底部产出。剩余的氮气、氩气在塔顶排除。此种工艺流程非常适合合成氨尾气的处理。在生产LNG的同时，返回的氢气可以明显地提高合成氨的产量，可谓一举两得。由于一氧化碳的沸点介于氮气和氩气之间，当尾气中含有一氧化碳时，一般会在精馏塔II的顶部富集，有需要时，也可以加以利用。精馏塔顶部根据需要设置冷凝器，冷源一般有高压液氮节流提供；精馏塔底部根据需要设置再沸器，利用初步换热的冷剂或者原料气作为热源。该方案能耗虽然略高，但提高了尾气的综合利用率，综合能耗反而有所降低。但是由于两台精馏塔相互制约和影响，操作略有复杂，过程控制相对较严格。

3 多塔精馏工艺

当尾气中要求的分离组分达到3个及以上时，将需要三塔或以上的精馏工艺。下面仍以合成氨尾气的成分为例，简要介绍一下工艺流程。首先在精馏塔I顶部分离出氢气，塔底为剩余组分。剩余组分进入精馏塔II中，在其顶部分离出高纯度的氮气。剩余组分进入精馏塔III进行最终的分离。精馏塔III顶部将得到高纯度的氩气，底部将得到LNG产品。由于产品种类多、纯度高，各精馏塔的操作指标均在两个以上，所以操作难度较大。该流程适合于有特殊要求的用户。

选定了合适的精馏工艺后，下一步需要选择合适的制冷工艺。常规的天然气液化流程按制冷方式可以分为三中：①级联式液化流程；②混合制冷剂液化流程；③带膨胀机的液化流程。由于化工尾气的产量一般在10万方/天以内，并且大部分处于5万方/天以下，通常采用小型的混合制冷剂流程和氮气膨胀制冷流程。

混合制冷剂流程以C1至C5的碳氢化合物及N2等四种以上的多组分混合制冷剂为制冷工质，经过压缩后，进行逐级冷却、节流得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却液化天然气的目的。混合制冷剂流程较膨胀机制冷能耗低，且利用阀门节流制冷，无低温运转设备，可靠性好。缺点主要是混合冷剂储存和配比系统复杂；混合冷剂含有易燃易爆介质，压缩机要求高；投资成本高，占地面积大。另外，混合制冷剂由于组分的限制，最低制冷温度仅能达到-165℃左右。由于化工尾气中氮气、一氧化碳等均需要部分液化方能建立精馏工况，所需要更低的制冷温度。所以，混合冷剂流程中通常还需要配套氮气循环节流系统，才能满足精馏工况的要求。

氮气膨胀制冷流程主要利用高压氮气通过膨胀机的绝热膨胀的克劳德循环制冷。气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机，进一步提高了制冷效率。即所谓的增压透平膨胀机。具有流程简单，设备紧凑，启动迅速，易操作等优点。以氮气为制冷工质，安全可靠，压缩机投资成本低。由于氮气可以制取更低温度的冷量，可以同时作为各精馏塔的低温冷源，进一步简化了工艺流程。

综上，可根据工厂实际需求选择合适的精馏工艺，并没有适用于所有条件的最佳工艺流程。应依据化工尾气中的有效组分的多少评估回收的必要性，同时考虑投资成本和运营成本的高低等因素，选择最合适的流程组织形式，方能实现最佳的综合效益。

[1]顾安忠.液化天然气技术.北京：机械工业出版社，2003，54-66.