[发明专利]一种综合利用富氦天然气液化尾气的多目标分离工艺

说明书

本发明提供了一种综合利用富氦天然气液化尾气的多目标分离工艺，属于石油化工领域。来自天然气液化装置的含氦尾气，首先以液化装置副产的轻烃为溶剂，通过深冷吸收分离甲烷，用于生产液化天然气，然后将吸收尾气依次通过催化氧化、多级膜分离和深冷脱水单元，获得粗氦气，灌装送往高纯氦气装置。通过多种技术的无隙匹配和协同增效，可以高效率且高收率地将氦气和甲烷分离出来，实现天然气液化尾气的综合利用。采用本发明的多目标分离工艺，对于氦气浓度为4.60vol％的天然气液化尾气，甲烷收率超过98.5％，氦气收率达到93.5％，纯度达到97.0vol％，每标方液化尾气的分离单耗不超过0.51度电。

技术领域

本发明涉及一种多技术耦合实现富氦天然气液化尾气综合利用的多目标分离工艺，属于石油化工领域。

背景技术

天然气是天然蕴藏于地壳层中的轻烃组分和非烃类气体的混合物，是优质的燃料和化工原料。商品化天然气对燃烧热值有严格要求，根据2012年修订发布的中国国家标准《天然气GB17820-2017》，一类天然气的热值指标为36MJ/Nm³，二氧化碳含量不超过2.0vol％。天然气中常见的非烃类气体主要有氮气、二氧化碳、硫化氢、氢气以及氦气，大多数为不可燃烧组分。为了保证商品化天然气的热值指标，需要专门的分离单元来脱除这些非烃类气体。

表1中国某地天然气液化装置副产的富氦天然气液化尾气

天然气液化工艺通过加压以及降温使甲烷和可凝性烃类组分液化，从而与氮气等不凝性气体分离，是提高商品化天然气热值的关键生产过程。除此之外，液化工艺使天然气从气体状态转变为液体状态，体积减小600多倍，对于输送和储存十分有利。随着甲烷、乙烷和丙烷等烃类组分在低温下液化，氢气、氦气以及氮气等超低沸点气体在不凝气中富集，形成天然气液化尾气。对于含氦天然气，通过天然气净化单元(脱除二氧化碳、硫化氢、水分)和液化单元(乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、重烃以及大部分甲烷)的处理之后，液化尾气中的氦气含量可以浓缩30～50倍。以中国某地含氦天然气液化装置为例，根据实际运行数据，原料气的氦含量约为0.14vol％，通过-150℃和0.30MPaG条件下的深冷液化，氦气含量可以提升至4.60vol％左右，远高于普通富氦天然气的标准。表1中给出了上述天然气液化装置副产的富氦天然气液化尾气的组成。根据该天然气液化装置的液化尾气实际流量，尾气中的氦气总量超过38000标方/年，甲烷总量超过584000标方/年。根据氦气的浓度和产量，以富氦天然气液化尾气为原料生产高纯氦气具有非常大的回收价值；此外，基于液化装置的低温制冷单元，对液化尾气中的甲烷进行回收，从而增产液化天然气，也具有重要意义。

如何高效率且高收率地将氦气和甲烷分离出来，是综合利用富氦天然气液化尾气的关键问题。常用的气体分离技术包括低温冷凝、吸收、膜分离和变压吸附等。由于富氦天然气液化尾气组成的特殊性，单一分离技术很难有效地将氦气和甲烷从液化尾气中分离出来。富氦天然气液化尾气已经是深冷分离的不凝气，因此低温冷凝技术难以满足分离需求；吸收是一种溶剂选择性溶解的气体分离技术，但氮气、氢气在各种吸收剂中的溶解度非常低，难以满足氦气浓缩和提纯的需求；膜分离是一种基于渗透速率差异的分离技术，不依赖分离体系的相平衡，但是氢气和氦气的渗透性质很接近，氮气和甲烷的渗透性质很接近，仅依靠膜分离也难以满足天然气液化尾气的分离需求；变压吸附是一种基于多孔材料表面选择性吸附的分离技术，大多数吸附剂的氮气/甲烷选择性不高，难以满足然气液化尾气的分离需求。

针对常用气体分离技术难以满足富氦天然气液化尾气综合利用的需求，本发明提出一种集成深冷吸收单元、催化氧化单元、多级膜分离单元和深冷液化脱水单元的多目标分离工艺。通过多种分离技术的无隙匹配和协同增效，本发明所述的多技术集成分离工艺可以高效率且高收率地实现富氦天然气液化尾气的综合利用，以较低的能耗生产液化天然气和粗氦气。

发明内容