如今世界能源体制加快转变,天然气作为一种重要的、可持续发展的清洁能源越来越受到重视。同时,氦气也是高端产业中不可缺少的战略性资源,具有特殊价值。随着我国天然气液化技术的不断发展,国内对氦的需求不断增加,而传统的液化过程能耗高,BOG资源浪费大,氦依赖进口等问题日益突出。针对这一现状,本文拟从理论分析、流程设计和参数优化三个方面展开研究,以降低系统总能耗和提高氦气回收效率等方面为目标,为氦气资源自主生产提供参考。 本文对三种典型的天然气液化流程(氮气膨胀循环制冷、丙烷预冷式混合制冷、双极混合制冷)和低温、膜分离、变压吸附这三种常见天然气提氦方法进行比较研究。在理论分析的基础上,利用化工仿真软件Aspen HYSYS对其工艺进行了仿真模拟和优选。其中,氮气膨胀循环制冷技术具有设备简单、安全可靠、能量消耗低(压缩能耗16080.58kW)等突出优点,是液化过程的核心技术。此外,设计出了低温-膜分离的提氦工艺,将低温精馏和二级膜分离相结合,使氦回收率达到95.66%,氦气浓度高达99.89%,效果明显好于单一提氦工艺。 将确定的氮气膨胀循环制冷液化工艺和低温-膜分离提氦工艺联合,本文设计出一种联产技术——天然气液化与BOG提氦联产工艺,将氮气膨胀循环制冷产生的冷量供给给提氦过程,实现冷能梯级高效利用。热力学计算结果表明,上述联产工艺流程的总能耗为84477.31 kW,系统(火用)效率为59.89%,其中膨胀机(火用)损失占比最大,达到43.4%。粗氦浓度、精氦浓度、氦气回收率分别为63.62%、99.89%、95.66%。 基于响应面分析方法,建立了关于系统总能耗和LNG液化率的二次回归模型。通过运用多目标粒子群优化算法进行动态优化,确定了最优的工艺参数组合:一级提氦塔进料温度设定为-114℃,制冷剂流量为8900 kmol·h^-1,制冷循环低压保持在250 kPa,分离器进料压力设定为350 kPa,进料温度则为-161.4℃。在这一优化参数组合下,系统总能耗显著降低了16.9%,由优化前的84477.31 kW下降至70202.50 kW,同时液化率也实现了显著提升,从93.05%升至98.42%。