回收利用LNG冷能的氮气液化系统

摘要

本发明提出的一种回收利用LNG冷能的氮气液化系统，旨在提供一种结构简单，冷能利用率高，可降低氮气压缩机压力等级和换热器压力等级，节约能耗的氮气液化系统。本发明可以通过下述技术方案予以实现：空分塔塔顶氮气经常温压缩机压缩，在一级氮气预冷换热器中与节流复热低压低温天然气进行换热预冷，预冷后的低温氮气在二级氮气中冷换热器中与中压LNG进行换热得到中冷氮气；中冷氮气通过三级氮气深冷液化换热器吸收节流气化产生的超低温冷能液化，液化后的液氮温度降至-155℃至-158℃，液氮经节流阀节流后产生的大部分低压液氮作为产品进入液氮储罐，少部分低压氮气作为循环氮气，在一级氮气预冷换热器中复热后返流至氮气压缩机入口再压缩。

权利要求

1.一种回收利用LNG冷能的氮气液化系统，包括氮气液化循环系统和可程式控制器PLC控制系统，氮气循环液化系统包括按一级、二级、三级先后顺次连接的三组梯级冷换热器，其特征在于：氮气循环液化系统设有低温循环氮气管网系统和中压天然气输送管网系统，来自空分塔上塔顶部的氮气经常温压缩机(6)压缩后，在一级氮气预冷换热器(1)中与来自LNG节流阀(4)节流复热的低压低温天然气进行换热预冷，预冷至-100℃至-115℃；预冷后的低温氮气在二级氮气中冷换热器(2)中与中压LNG进行换热得到-135℃至-145℃的中冷氮气；中冷氮气通过三级氮气深冷液化换热器(3)吸收来自LNG经节流阀(4)节流气化产生的-160℃的超低温冷能液化，液化后的液氮温度降至-155℃至-158℃，液氮经节流阀(5)节流后产生的大部分低压液氮作为产品进入液氮储罐，少部分低压氮气作为循环氮气，在一级氮气预冷换热器(1)中复热后返流至氮气压缩机(6)入口再压缩。

2.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：来自空分塔上塔顶部精馏出的高纯氮气经复热后作为入口常温氮气，与返流氮气经常温压缩机(6)压缩至2.5MPa后，在一级氮气预冷换热器(1)中与LNG经节流阀(4)节流后产生的0.02MPa低压低温天然气进行换热预冷。

3.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：高压液氮经液氮节流阀(5)节流后产生-188℃至-196℃低压液氮和低压氮气，低压液氮作为产品和空分塔的冷源。

4.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：低压氮气作为循环氮气在一级氮气预冷换热器(1)中复热后返流至氮气压缩机(6)入口再压缩。

5.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：低压天然气经过一级氮气预冷换热器(1)后，经过常温天然气压缩机(7)压缩至0.4MPa中压，与经过二级氮气中冷换热器(2)后的0.4MPa中压天然气一起进入天然气中压管网供天然气用户使用。

6.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：LNG经节流阀(4)和液氮节流阀(5)由PLC控制其节流程度。

7.如权利要求1所述的回收利用LNG冷能的氮气液化系统，其特征在于：在三级氮气深冷液化换热器(3)的低温循环氮气管网输出端和LNG管网输入端，分别设有可程式控制器PLC控制节流度的LNG节流阀(4)和液氮节流阀(5)。

说明书

回收利用LNG冷能的氮气液化系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种回收利用LNG冷能的氮气液化系统，尤其涉及一种使氮气液化的LNG冷能回收利用系统。

背景技术

[0002] LNG(液化天然气)不仅蕴藏有巨大冷量，更重要的是它的冷量品质很高。随着LNG用量的持续增长，气化产生的冷量也相继增多。但传统的LNG气化站采用空浴式气化器将低温LNG(-160℃)加热至常温进入管网。气化过程中，大量的冷能聚集在气化器周边使周边的空气冷凝成水雾从而造成冷污染。

[0003] LNG气化过程中释放的冷能可采用直接或间接的方法加以利用。直接利用方法有冷能发电、空气液化分离、冷冻仓库、制造液化二氧化碳、海水淡化、空调和低温养殖栽培等；间接利用方法有空分得到的液氧、液氮来进行低温破碎、污水处理、低温医疗等。

[0004] 传统空气分离项目是对空气进行深度冷却分离，需要大量的冷量。LNG冷能的利用是将LNG的冷量传递给需要冷却的介质，达到冷能回收的目的。与其它LNG冷能利用方法相比，空分装置中循环氮气液化温度较低，在145～235K之间，与LNG的温差相对较小，冷能回收过程中的不可逆损失较小，是比较理想而高效的利用方法。

[0005] 目前应用最为广泛的空气分离产品是氧气、氮气、氩气三种气体。氧气是反应活跃的气体，主要用于冶金行业和化工行业，还可以用于医疗卫生，城市污水处理，金属焊接和切割，并且由于它对任何燃料都有充分的助燃性，氧气也用于燃烧工艺中；氮气可以被广泛应用于工业和研究领域。在大多数的应用中，氮气是作为一种物理的制冷剂或是一种化学的惰性气体；氩气最重要的化学特性是它的惰性，这一特性使其成为高温处理的保护气体，通常被用于冶金和焊接工艺中。

[0006] 现有空分技术分离出液氧、液氮等工业气体产品的方法通常用林德循环或其他改进型循环的低温液化空气分离法制造。这种方法首先把空气压缩到高压，用冷却水使被压缩的空气冷却到常温，让高压空气节流或膨胀产生低温，并利用自身产生的低温空气或分离出的低温氮气和低温氧气的回流来冷却高压空气，于是，高压空气将在较低温度下进行节流或膨胀产生更低的温度，如此循环继续，直至使空气液化。空气液化后，利用分馏塔根据空气中不同成分沸点不同进行分离，获得纯度很高的氧气、氮气、氩气或它们的液体。这种方法是要在-150℃～-191℃条件下进行，创造和维特低温要消耗大量电能，并产生空气分离的冷能损失。目前利用LNG冷能的空分装置的文献很少，经检索的国际有关专利也不多。美国专利解决使用的LNG冷源的空气分离装置，因LNG需求波动造成LNG冷量供应不足时，采用内部储存的惰性气体的液体气化补充冷量。美国专利公开的一种用高压氮流体把液化天然气的冷量传输给低温空气分离装置，该发明涉及用改善制冷性能的联合低温空分装置生产的氮液化的过程，温度很低的LNG在气化和输运同时被作为制冷剂，其特点是用高压的氮流体用作载冷剂，把LNG冷量传给压缩之前的空气和氮气，又用LNG的冷能使高压氮流体冷凝，另外又用高压氮经节流产生含有液体氮的湿蒸气，经分离生产出液体氮。日本专利：No：1090715公开的一种不用常规高压分馏塔而只用高压分馏塔冷凝段和低压分馏塔，通过把低压分馏塔生产的氮气再压缩，利用LNG冷却，采用氟里昂作低温LNG与压缩氮气及压缩空气之间的载冷剂等方法，原料空气只压缩到低压分馏塔操作压力，生产液氧、液空和液氩。这些方法分别从某个侧面提出了利用LNG冷能制氧、制氮的方法。目前用LNG冷能制取液氧和液氮的空气分离装置流程的不足之处在于：①消耗大量冷量的氧气液化和氮气液化所需温度低于LNG气化温度-161℃，必须由主动制冷法补充。②单纯压缩空气制冷不能平衡液氧和液氮所需的冷量，能耗很大。③不同组分的LNG物性不一样，甲烷含量越低，LNG气化产生冷量温度上移，可用冷量减小、品质降低。④系统要在不同温区下实现冷量的补充与平衡。⑤LNG冷能利用效率偏低。流程中采用的空分设备的部件多，有：空气过滤器，空气压缩机，空气冷却器，分子筛吸附系统，主热交换器，高压分馏塔，低压分馏塔，过冷器，氩气分馏系统，液氩储罐，液氮储罐，液氧储罐，液体空气节流阀，液体氮节流阀，液体氨开关阀，液体氧开关阀，液体氩开关阀以及连接管路和必要的吹除阀，液空乙炔吸附器，辅助系统的废氮气加热器等。还增设了以LNG冷能冷却的氮内循环和氮外循环制冷系统，以及采用LNG冷却的氟里昂为载冷剂冷却高压空气循环系统。这些新增系统流程是这样运行的：空气经空气过滤器过滤去除灰尘杂质后进入空气压缩机被压缩到0.5MPa以上，压缩空气在空气冷却器被氟利昂载冷剂降温至1～5℃，进入分子筛吸附系统，由分子筛吸附掉空气中的水份和二氧化碳后进入主热交换的高压空气换热通道；主热交换器为板式热交换器，还设有下进上出的中压循环氮气回热通道和低纯度废氮气通道，压缩空气被返流的-180℃左右的中压循环氮气和低纯度废氮气所冷却，成为饱和态湿空气，而后进入高压分馏塔入口；在高压分馏塔内空气与从塔顶流下的液氮在多层的塔板上反复冷凝和蒸发，含有较多液氧成分的富氧液空集于高压分馏塔的底部，氮气集于高压分馏塔的顶部，并与低压分馏塔底部液氧交换热量后氮气被冷凝成液体。高压分馏塔顶部液氮收集器收集的液氮由出口引出，经过冷器进一步降温，再经液体氮节流阀降压至0.14MPa左右，进入低压分馏塔顶部，作为低压分馏塔顶部的回流液，另一部分经调节阀后流放到液氮储罐储存。高压分馏塔底部的富氧液空从出口流出后经液空乙炔吸附器吸附掉乙炔，并经过冷器冷却，再经液体空气节流阀降压后，进入氩气分馏系统的粗氩塔，富氧液空在氩气分馏系统中被初步提取氩气后，又经低压分馏塔连接的液体空气的管路从低压分馏塔中部接流到低压分馏塔内；经低压分馏塔分馏后高纯度液氧集于低压分馏塔底部，并从接口经调节阀放至液氧储罐储存；低压分馏塔顶部流出的高纯氮气，经过冷器回收部分冷量后，进入低高压循环氮气热交换器的低压内循环氮气回热通道，把冷量传给上进下出的高压内循环氮气放热管的高压循环氮气，升温约至110～120K，而后进入中压氮气压缩机进行压缩，压缩至1.0MPa以上，出口温度超过220 K以后，进入液化天然气热交换器的次高压内循环氮气放热管，放出热量给LNG，温度降回到约110～120K，再进入高压氮气压缩机压缩至5.0MPa，再进入液化天然气热交换器的高压内循环氮气放热管放出热量给LNG，温度降至约110～120K后，再进入低高压循环氮气热交换器的高压内循环氮气放热管，进一步降温至约100K，而后经内循环氮节流阀节流降压到高压分馏塔操作压力约0.5MPa，产生大量液氮和部分饱和氮气，而后经交汇进入高压分馏塔的液氮入口。自高压分馏塔中上部的氮气出口引出的中压循环氮气，只是在装置刚开动初期，经单向阀，进主热交换器的中压循环氮气回热通道。在装置正常运行时外循环的氮气不再从高压分馏塔中上部的氮气出口引出，而引自氮节流阀节流后的低温氮气；约90～100 K的低温外循环氮气在主热交换器的中压循环氮气回热通道中把冷量传给压缩空气，同时自身回热到接近压缩空气进入主热交换器入口的温度，经调节阀调节到适合的流量，而后进入液化天然气热交换器的中压外循环氮气放热通道，重新被液化天然气冷却至-120℃左右，再进入外循环中压氮气压缩机。压缩机把氮气压缩到3～5MPa，循环氮气的温度约190K～200K(-83℃～-73℃)，而后进入液化天然气热交换器的高压外循环氮气放热管，吸收LNG冷量降温至120K左右、再进入低-高压循环氮气热交换器的高压外循环氮气放热管，再进一步降温至约关100K。当装置起动之初，关节流阀，开节流阀，让循环气进入分离塔，参与分馏。当循环管内已充满高纯氮气之后，关闭节流阀，开通外循环氮节流阀和调节阀，节流后压力也在约0.5MPa。低压分馏塔上部流出的低纯度氮气，与从高压分馏塔中部出口引出的、经氩气分馏系统的属于精氩提纯塔的换热器和制氩用液体污氮小节流N及换热器的氮气在处汇合，而后经过冷器换热后温度约在90K进入主热交换器的废氮气通道，在主热交换器吸收压缩空气的热量并被回热，最终在出口处被回热至略低于入口处压缩空气几度的温度。回热至室温的低纯氮气在废氮气加热器被电热器加热后，送到分子筛吸附系统，去脱附已饱和水蒸气的分子筛罐内分子筛中的水份和二氧化碳，使之再生，或由阀放空。

[0007] 利用LNG冷能进行空气分离的工艺流程有多种，国外典型的空分流程是将作为原料的空气进入空气过滤器，将空气中的灰尘除掉后进入空气压缩机。经压缩机压缩后压力为0.6MPa的空气进入空气预冷器中预冷却至283K。随后利用变压吸附的原理将二氧化碳、水分等杂质在分子筛中吸附除去以防止后续管道冻结堵塞。在低温换热器中气态空气被低温循环气态氮气和低纯度废弃氮气冷却至约100K后依次进入高压分馏塔、低压分馏塔与其中的低温液态氮气进行换热气态空气各组分依次液化。所得的液氧产品进入液氧储罐中储存，液氮产品进入液氮储罐中储存。含氩液态气体使用氢罐加氢催化脱氧后依次通过氩净化器和氩提纯塔进行净化和提纯所得液氩产品送入液氩储罐中储存。高压分馏塔流出的的循环气态氮气经过低温换热器与原料空气换热后，温度升至270K左右再进入主换热器与LNG换热温度降为120K左右，然后在循环氮压缩机中被压缩所得195K左右、2.5MPa左右的高压气态氮气，再次进入主换热器冷凝温度降为120K左右，通过氮节流阀节流降温降压至91K、0.4MPa左右后，进入高压分馏塔的液氮入口与空气换热气化后继续循环。低压分馏塔顶部流出的100K左右的低纯度氮气，经过低温换热器进行冷能回收，一部分在需要时通过电加热器加热后，用于空气净化器中分子筛的再生其余部分放空。110K的LNG经主换热器气化后，升温至250K左右，热量不足部分由天然气加热器进行补充调节或由系统中的空气预冷器等其他冷能回收装置补充调节。

[0008] 现有技术全液体空气分离装置采用低温精馏方法，是利用空气中各组分蒸发温度的不同将它们分离并得到液体产品，液氧、液氮、液氩。其全液体空分流程是由一系列连续的过程组成。每一个过程都是一个不可逆过程，如有温差的热交换、介质有阻力的流动过程、膨胀节流过程、空气多组分低温精馏、低温装置的跑冷过程等，都会产生有效能损失，也就是火用损，这些火用损的总和是实现这些过程所需要的功。该装置总的有效能损失主要是通过这几个单元设备损失掉，其中空压机、循环氮压机、高压换热器冷损所占的比例较大。对于全液体空分流程，空分装置中主要的能耗是空压机、循环氮压机，膨胀机，因此需要大量的冷量，能耗很高。传统的中压循环双膨胀制冷流程的全液体空分装置，单位液体能耗约为1.0kWh/m3(包括液氧液氮液氩)。具体工作原理是，在空分装置中经自洁式过滤器除去灰尘、机械杂质的空气进入压缩机，压缩至0.52MPa。压缩后的空气经预冷系统预冷，然后进入纯化系统，经分子筛吸附器净化，去除空气中的水份、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷等。净化后的空气在主换热器中被返流的上、下塔低温气冷却至液化温度，进入下塔进行初步分离。下塔底部为富氧液空，顶部为高纯度的氮气和液氮。液空、液氮节流进上塔进一步精馏，在冷凝蒸发器中得到液氧(≥99.6％O2)，作为产品引出。上塔中部抽出氩馏份(8％～
12％Ar)去制氩系统，经粗氩塔除氧，精氩塔除氮，最终在精氩塔底部得到精氩(≤2PPmO2，≤3PPmN2)产品。下塔顶部抽出压力氮，在循环氮压机中增压，膨胀节流得到小部分低压液氮，大部分低压氮气进入循环氮压机。

[0009] 利用LNG冷能流程特点传统的空分精馏是由节流阀和膨胀机制冷机提供冷量。采用低温循环氮压机，循环氮气先在液化器中冷却至150K左右再进入氮压机，且氮压机的级间冷却也在液化器中进行，在液化器中LNG的冷能只在-151℃～-73℃温度段被利用，高温段的冷量通过冷却乙二醇水溶液，使天然气复热至常温，被冷却的乙二醇水溶液去空压机的中间冷却器作级间冷却。

[0010] 综上所述，现有技术利用LNG冷能制取液氮等工业气体产品的方法，系统设备庞大，结构复杂，生产成本高昂，工作流程环节繁琐。

发明内容

[0011] 本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单，生产成本低，LNG冷能利用率高，可降低氮气压缩机压力等级和换热器压力等级，减少氮气循环量，节约能耗，回收利用LNG冷能进行氮气液化的系统。

[0012] 本发明的具体方案为：一种回收利用LNG冷能的氮气液化系统，包括氮气液化循环系统和可程式控制器PLC控制系统。氮气循环液化系统包括按一级、二级、三级先后顺次连接的三组梯级冷换热器，其特征在于：氮气循环液化系统设有低温循环氮气管网系统和中压天然气输送管网系统，在三级氮气深冷液化换热器3的低温循环氮气管网输出端和LNG管网输入端，分别设有可程式控制器PLC控制节流度的LNG节流阀4和液氮节流阀5；来自空分塔上塔顶部的氮气经常温压缩机6压缩后，在一级氮气预冷换热器1中与来自LNG节流阀4节流复热的低压低温天然气进行换热预冷，预冷至-100℃至-115℃；预冷后的低温氮气在二级氮气中冷换热器2中与中压LNG进行换热得到-135℃至-145℃的中冷氮气；
中冷氮气通过三级氮气深冷液化换热器3吸收来自LNG经节流阀4节流气化产生的-160℃的超低温冷能液化，液化后的液氮温度降至-155℃至-158℃，液氮经节流阀5节流后产生的大部分低压液氮作为产品进入液氮储罐，少部分低压氮气作为循环氮气，在一级氮气预冷换热器1中复热后返流至氮气压缩机6入口再压缩。

[0013] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

[0014] 结构简单。本发明按一级、二级、三级先后顺序连接的三组梯级冷换热器，通过可程式控制器PLC控制系统控制的LNG节流阀、液氮节流阀控制节流程度，LNG循环链短，解决了现有技术各环节梯级衔接难、LNG冷能利用率低的问题。

[0015] 降低了氮气循环液化系统的压力等级。本发明采用氮气阶梯式冷却、液化，相比于传统常规全液体空分，大幅降低氮气压缩机的压力等级并相应降低换热器及管道压力等级，减少了带压液氮节流的氮气循环量，降低了设备投资、提高产能同时节约了能耗。

[0016] 液氮产能提高，能耗降低。本发明采用氮气阶梯式冷却、液化，相比于传统常规全液体空分，减少了带压液氮节流的氮气循环量，提高液氮产能同时节大幅降低了单位产量能耗。

[0017] 消除了LNG空浴式气化时带来的冷雾污染。本发明充分吸收LNG冷能，减轻LNG空浴式气化器负荷同时消除了LNG空浴式气化时带来的冷雾污染。

[0018] 本发明利用氮气液化循环系统设置的一体化低温温循环氮气管网系统和LNG输送管网系统的梯级循环流程形式，使氮气一气呵成完成预冷却、中冷却至液化，不仅循环氮气压力等级降低，降低设备投资，还因减少循环氮气量提高液氮产量，从而降低单位液体产量能耗。本发明的液体产品能耗不高于350千瓦小时/吨，相对国际上最先进技术水平的常规全液体空分系统生产的液体能耗为850千瓦小时/吨，降低了58.8％。解决了现有技术空气直接膨胀循环冷流程、外循环膨胀制冷流程、预冷外循环膨胀制冷流程、外循环双膨胀制冷流程、外液化制冷循环流程、大型内压缩空分设备系统庞大，结构复杂，液体产品制备中产生的能耗较高的问题。

附图说明

[0019] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0020] 图1为本发明提供的一种利用LNG冷能进行常温氮气液化的工艺流程系统示意图。

[0021] 图中：1一级氮气预冷换热器、2二级氮气中冷换热器、3三级氮气深冷液化换热器、4LNG节流阀、5液氮节流阀、6常温氮气压缩机，7常温天然气压缩机。

具体实施方式

[0022] 参阅图1。在以下描述的实施例中，回收利用LNG冷能进行氮气液化的系统包括顺次连接的一组一级氮气预冷换热器1、一组二级氮气中冷换热器2、一组三级氮气深冷液化换热器3、一个LNG节流阀4、一个液氮节流阀5、一台常温氮气压缩机6和一台常温天然气压缩机7。氮气循环液化系统设有低温循环氮气管网系统和中压天然气输送管网系统，在三级氮气深冷液化换热器3的低温循环氮气管网输出端和LNG管网输入端，分别设有可程式控制器PLC控制节流度的LNG节流阀4和液氮节流阀5。来自空分塔上塔顶部精馏出的高纯氮气经复热后作为入口常温氮气与返流氮气经常温压缩机6压缩至2.0MPa～2.5MPa后在一级氮气预冷换热器1中与LNG经节流阀4节流后产生的0.1MPa～0.02MPa低压、低温天然气进行换热达到预冷目的。预冷后氮气温度范围为-100℃至-115℃。预冷后的低温氮气在二级氮气中冷换热器2中与0.3MPa～0.4MPa中压LNG进行换热得到中冷氮气，中冷后氮气温度范围为-135℃至-145℃。中冷氮气在三级氮气深冷液化换热器3中吸收LNG经节流阀4节流后气化产生的超低温(-160℃或以下)冷量并液化，液氮温度范围为-155℃至-158℃；高压液氮经液氮节流阀5节流后产生-188℃至-196℃低压液氮和低压氮气，低压液氮作为产品和空分塔的冷源，低压氮气作为循环氮气在一级氮气预冷换热器1中复热后返流至氮气压缩机6入口再压缩。低压天然气经过一级氮气预冷换热器1后经过常温天然气压缩机7压缩至中压(0.4MPa)与经过二级氮气中冷换热器2后的中压(0.4MPa)天然气一起进入天然气中压管网供天然气用户使用。LNG经节流阀4和液氮节流阀5由PLC控制其节流程度。