[发明专利]一种天然气提氦的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种从含氦天然气中提取粗氦的方法。 

背景技术

目前，从天然气提氦多采用深冷分离的工艺，其主要原理是将净化合格的天然气通过制冷，低温精馏获得一次粗氦，再通过进一步提浓获得浓度30—80%的粗氦。 

如美国气体产品与化学公司申请的专利号为CN200710002320.0、发明名称为用于从包括氦和液化天然气的天然气体中制备产品的方法和装置的发明专利 ，涉及用于由天然气生产粗制氦、液化天然气产品、和任选地合成气的方法和装置。将含有氦和甲烷的天然气冷却以生成冷却的天然气。从冷却的天然气中将至少一部分氦和甲烷分离为含有氦的蒸气(从中获得粗制氦)和含有甲烷的液体。从该液体中将至少一部分甲烷分离为蒸气(任选地使其反应以制得合成气)和液体(从中获得液化天然气)。可以包括另外的热交换和分离步骤。该专利文献揭示了从含氦天然气中提取氦以及获得液化天然气的步骤和装置，在液化天然气的多个冷却阶段中，包括含氦的蒸气经冷却获得粗制氦和含有甲烷的液体的冷却阶段，在该冷却阶段中冷却温度的控制是提升氦气实收率最重要的步骤。如果冷却温度过高，甲烷无法有效液化，造成蒸气中甲烷含量太高、氦的纯度太低，装置生产不出氦产品或氦产品收率很低，无法实现提氦的目的；如果冷却温度过低，不仅增加了系统能耗，而且甲烷蒸气中将会有液化的甲烷，不利于后续对甲烷蒸气压缩处理，因为含有液体的甲烷蒸气一旦进入压缩机，将会造成压缩机的损害。该专利中提到的天然气提氦的深冷分离的冷源来源于一种或多种制冷剂，在实施过程中，通过制冷剂的添加量的控制，可以较为快捷的实现对冷却温度的控制，确保较高的氦气收率。 

已有工业实践证明，采用净化合格后天然气膨胀制冷及氮循环制冷也是一种有效的天然气提氦的方法，其工艺流程如下：原料天然气（1.7～2MPa）先进入分离器，脱除胺液和凝结水，并经干燥器（采用硅胶和5A 分子筛复合床层）脱除饱和水和少量CO2和H2S。净化后进入主换热预冷，气流被冷却到-70～-80℃后去涡轮膨胀机，膨胀后气流温度降至-83～92℃，并经主换热器进一步被冷却到-106～-120℃、 压力为1.1～1.5MPa气流进入粗氦分离塔（一塔）的塔底重沸器，兼作热源，然后入塔，在此条件下绝大部分甲烷和一小部分氮气被冷凝器冷凝下来。未冷凝的气相通过塔顶冷凝器，从塔顶排出不凝气（粗氦氦含量3%～4%），再进入第二粗氦分离塔（二塔），塔顶用常压蒸发的液氮冷却至-175～-185℃，使大部分氮气被冷凝下来，塔顶获得70%～75%的粗氦。这种提氦步骤和设备的液化天然气的多个冷却阶段所需要的冷源，是来自于含氦的原料天然气自身，即在深冷分离的各个流程中，随着对原料气的节流制冷、膨胀制冷等处理，原料天然气同时也作了冷源。与此工艺类似的还有如发明人申请的申请号为CN201010249718.6，发明名称为改良的天然气提氦的工艺的专利文献。上述两种工艺方法的缺点在于，由于工序长，通过制冷步骤所获得的制冷量与冷量消耗的平衡控制有一定的难度。现有方法是通过严格的计算来控制获得制冷量与消耗冷量来达到平衡，一旦系统中冷量控制不匹配，系统将会产生温度剧升剧降的现象，特别是会造成含氦蒸气的冷却温度高于或低于控制温度，当冷却温度过高时，无法实现提氦的目的；冷却温度过低时，除了无谓的增加能耗，还可能使蒸气冷却后产生的尾气中含液体，影响尾气压缩机的正常使用，造成压缩机损坏。此外尾气经主换热器进行热交换时，其含有的液体富集在主换热器内，堵塞主换热器通道。总之，一旦系统中冷量控制不匹配，会影响装置的安全平稳运行，影响天然气的液化和氦收率。为了平衡系统中的冷量，以获得各个冷却阶段中设计控制温度，目前主要由两种冷量平衡的控制方法。 

（1）对原料天然气的流量进行调整。如果蒸气冷却温度高了，即增加原料天然气的进气流量，并将分离塔塔顶获取一次初氦的阀门关小或者关闭，以减少对冷量的需求。如果蒸气冷却温度低了，则减少原料天然气的进气流量，和或将初氦提取阀门开大，增加冷量的消耗，提升冷却温度。但原料天然气作为冷源，走完整个工艺流程实现对蒸气冷却温度的控制，步骤多，耗时长，往往需要6-7个小时才能将蒸气冷却温度控制在需要的工艺温度。该种方法的氦气收率一般为85%。 

（2）在膨胀机的气体输入管道和输出管道之间连接一个旁通节流阀。当蒸气冷却温度过高，则加大从分离塔塔底引出的液体返流膨胀量，以增加膨胀制冷量，降低蒸气冷却温度。当蒸气冷却温度过低，则可以适当开启旁通节流阀，减少返流膨胀量，增加蒸气冷却温度。这种工艺虽较前一个工艺的温度控制平衡时间减少，但也仍需要约4个小时的时间。氦气收率一般为90%。