LNG冷能由煤制天然气低温甲醇洗装置回收利用的可行性研究

王双生

(中海油大同煤制气项目筹备组，山西 大同 037100)

2018年4月26日，国家发展改革委、国家能源局印发了《关于加快储气设施建设和完善储气调峰辅助服务市场机制的意见》[1](发改能源规〔2018〕637号)，要求加快补足储气能力短板，明确政府、供气企业、管道企业、城镇燃气企业和大用户的储气调峰责任与义务，建立和完善辅助服务市场机制，形成责任明确、各方参与、成本共担、机制顺畅、灵活高效的储气调峰体系，为将天然气发展成为我国现代能源体系中的主体能源之一提供重要支撑。煤制天然气企业作为供气企业，按照《意见》要求，承担季节(月)调峰责任和应急责任，应当建立天然气储备装置，到2020年拥有不低于其年合同销售量10%的储气能力，满足所供应市场季节(月)调峰以及发生天然气供应中断等应急状况时的用气要求。 按照《意见》要求，年产40亿m3煤制天然气项目应该具备10%产能的储气能力，即储气量(标准状态)达4亿m3，折合液化石油气(LNG)约28.57万t，即66万m3LNG。

根据北方天然气市场消费特点及调峰要求，储存的LNG集中在冬季(11月、12月、1月、2月)供应市场，经气化复热后进入长输管道。考虑到北方冬季天然气市场月度不均匀性，12月及1月市场对天然气需求量较大，4个月LNG气化量按照总储存量的20%、30%、30%、20%考虑，即12月、1月气化量(标准状态)为400万m3/d(约120 t/h LNG)，11月、2月气化量为267万m3/d(约80.1 t/h LNG)。

1 LNG冷能回收方案

LNG温度一般在-162 ℃左右，将其气化复热到0 ℃需要耗费大量的能量。LNG蕴含大量的高品质的冷能，约830 kJ/kg[2-3]。在LNG接收站或小型LNG气化站，通常采用海水开架式气化器或空温式气化器进行气化，LNG蕴含的冷量得不到利用[4]。对于LNG冷能利用方式的探究，国内外学者做了大量的研究[5-7]，但位于北方天然气项目LNG冷能的利用却尚未研究。本调峰装置毗邻煤制天然气装置，而后者具有稳定的用冷需求，通过工艺流程优化，可以实现冷能的综合利用。

结合煤制天然气工艺流程特点，本研究提出LNG气化冷能在低温甲醇洗装置利用方案。利用LNG冷能冷却甲醇，替代部分氨制冷能力。

1.1 低温甲醇洗装置

低温甲醇洗装置的功能是脱除粗合成气中CO2和H2S及少量有机硫。该工艺为典型物理吸收法，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的特性，以冷甲醇为吸收溶剂脱除原料气中的酸性气体。低温甲醇洗工艺在低温(-35～-55 ℃)下操作，低温甲醇吸收CO2和H2S的同时，会放出大量热，导致甲醇溶液升温，从而影响到甲醇溶液的吸收效率，因此需要在系统中补充冷量以维持甲醇溶液的低温状态。冷量的补充是通过液氨与富甲醇溶液换热进入低温甲醇洗系统的。换热后液氨变成气氨温度上升，再进入氨制冷系统进行压缩降温液化循环。

1.2 冷能在低温甲醇洗装置的回收利用方案

煤制天然气装置中的低温甲醇洗装置需要通过外部能源提供冷量，在LNG气化时段考虑与低温甲醇洗装置结合，减少制冷消耗，从而达到冷能利用和降低调峰成本的目的。LNG冷能利用不但可以节约资源，还可以产生可观的经济效益，降低煤制天然气项目调峰成本。根据LNG在冬季的气化量，由-162 ℃复温至0 ℃，可回收的冷量在11月和2月约为18 928 kW，12月和1月约为26 560 kW，气化冷能合计6.59x107kW·h。

冷能利用方案为通过低温甲醇洗洗涤塔上塔甲醇直接与LNG进行换热，来降低甲醇的温度，并使LNG复热后送入首站，增压后进入管网。

流程简述：在冬季，来自储罐的LNG(-162 ℃)通过换热器与低温甲醇洗洗涤塔上塔出来的吸收CO2的甲醇进行换热；换热后LNG成为气态(0 ℃)，在低温甲醇洗装置制冷介质热交换复热，回收利用冷能后，通过压缩机加压汇入管网；甲醇被冷却到-35℃后进入洗涤塔中段。流程如图1所示。

图1 LNG冷能在低温甲醇洗回收利用流程

低温甲醇洗利用LNG气化释放的冷能后，制冷系统的氨压缩机可根据实际情况停掉1个或几个系列的压缩机或适当降低氨压机负荷。

2 经济评价

某年产40亿m3煤制天然气项目正常生产时低温甲醇洗单系列需要的冷量分别是：碎煤气化30 056 kW、粉煤气化19 040 kW，其中由氨压机提供的制冷量分别为18 720 kW和11 620 kW，剩余冷量通过SNG低位热吸收制冷获得。从冷量匹配来看，LNG可回收的冷量在12月和1月为26 560 kW，可替代2台碎煤气化氨压机及1台粉煤气化氨压机制冷要求，保留1台粉煤气化氨压机正常运行即可；LNG可回收的冷量在11月和2月为18 928 kW，可替代碎煤气化系列2台氨压机制冷要求，2台粉煤气化氨压机正常运行。

通过对LNG冷能的回收利用，可降低低温甲醇洗装置中氨压缩机的功率，使得整个工厂的经济效益提升。见表1。

表1 LNG冷能回收利用经济效益评价

*计算价格基础：高压蒸汽：100元/t，循环水0.2元/t[8]。

3 结 语

由于国家调峰要求，煤制天然气项目配套建设LNG储罐势在必行。通过利用LNG气化冷能，既可以找到气化LNG的热源，又可以降低煤制天然气项目的操作费用，节约运行成本。

由于调峰LNG需要在冬季释放后投入市场，导致冷能不能连续释放，从而给冷能利用带来较多困难。虽然LNG在低温甲醇洗单元中气化会给装置平面布置以及操作人员的操作带来一定困难。但通过LNG气化冷能在低温甲醇洗装置的利用，可使得LNG释放的高品质的冷能得到有效利用和回收。通过计算可见，LNG气化冷能较强的经济价值，LNG气化冷能利用会给煤制天然气项目带来较大的经济效益。