[发明专利]天然气低温提氦系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气低温提氦系统及方法。

背景技术

氦气因其独特的性质，在国防军工和科学研究中有着重要的用途。利用其-268.9℃的低沸点，液氦可以用于超低温冷却；在火箭和航天中用作液氢燃料系统的清洗介质和加压推进剂；在悬浮列车等领域中广受关注的超导体应用中，氦气也是不可或缺的。此外，氦气在医疗领域的核磁共振成像设备中用作超导电磁体冷却、在核发电装置用作传热介质、在光纤生产中用作冷却和惰性气体保护以及在仪器分析方面用作气相色谱等的载气等方面都得到广泛的应用。

随着世界经济的快速发展和产业结构的不断调整，各国经济正逐步融入到全球大市场之中。在未来两三年中，氦气的市场规模与经济增长将会同步保持稳定增长态势。根据预测，在未来多年内全球对氦气的需求量将以每年6%左右的速度增长，其需求总量可达到2.25～3亿立方米。由此推算，到2030年全球的氦气需求将短缺1.6～1.7亿立方米，其中亚太地区短缺约6000万立方米。而我由于国内氦气的消费量快速提升，每年都需要通过大量进口来弥补需求缺口。据有关部门统计，2007～2008年，氦气行业年均消费增量将会保持在0.37亿m³左右。 

氦气在空气中含量极少（约0.005%）并无工业提氦价值。氦气主要存在于天然气中，其含量在世界各地各有不同，有的氦气含量最高达8%。因此从天然气中提取氦气仍是氦气的主要工业来源。

目前国内外天然气提氦工艺主要包括非低温法和低温法。

非低温法主要采用膜分离和变压吸附。我国研究的膜分离技术采用国产聚砜/硅橡胶中空纤维膜，常温下经一级膜分离可使氦浓缩5~5.5倍，氦收率达到63%~75%。但该工艺技术还没工业化，同时膜的可靠性和稳定还需进一步研究证明。在此研究的基础上，我国研究人员提出了用膜分离+低温分离联合法从天然气中提取氦气。利用膜分离预浓天然气中的氦气，在相同氦气产量的情况下，可大幅度降低低温分离的规模及投资费用，但同样存在膜分离膜中分离膜的技术问题。而没有真正意义上的工业化。

在国外俄罗斯科学院西伯利亚分院研究于2006年研究出一种采用非低温法从天然气中分离氦气的新工艺。该工艺利用极为细小的玻璃微珠组成的膜将氦气从气流中吸附出来，但目前该工艺尚未投入规模化工业生产中，还有待进一步的研究开发。

低温法提氦工艺，国内外一般采用氮气循环制冷技术来满足低温法提氦工艺中所需的制冷温度。对于前端原料气预冷方案，根据具体原料气气质条件，一般采用膨胀制冷、外部制冷（如PRICO混合冷剂制冷循环）以及前膨胀制冷+外部制冷的方式。

非低温方法由于其膜分离元件的技术问题等问题，在天然气提氦工业中尚未成熟到足以规模化和工业化的程度。

低温法中，现有的外部制冷工艺虽可联产LNG，但能耗高，而前膨胀制冷工艺，提氦塔操作压力较低，操作温度低（最低-192℃），对塔体材质要求高，在到达相同氦气浓度的情况下，冷量需求大，能耗高，变工况能力较差。同时对数平均温差小，传热面积大，投资较高。 

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种天然气低温提氦系统及方法，采用后膨胀+氮循环制冷两塔分离技术，充分回收装置自身冷量来预冷原料天然气，不仅能适用含氦量极低的天然气，同时具有能耗低、氦气回收率高、投资省、操作灵活、变工况适应能力强等特征。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种天然气低温提氦系统，包括原料气冷却器、一级提浓塔、二级提浓塔、深冷器、膨胀机组、氮气压缩机和氮气缓冲罐，其中：

原料气冷却器左侧进口接含氦净化天然气，原料气冷却器底部出口与进口分别通过管线与一级提浓塔塔底的蒸发器进口与出口连接；原料气冷却器右侧出口通过管线与一级提浓塔中部进口连接；原料气冷却器右侧中部进口通过管线分别与一级提浓塔塔顶冷凝器上部出口、深冷器底部的低压气出口连接；原料气冷却器左侧中部出口接下游系统；原料气冷却器右侧下部进口通过管线与一级提浓塔塔底出口连接；原料气冷却器上部的出口与进口分别通过管线与膨胀机组的透平膨胀机进口与出口连接；原料气冷却器左侧的出口与膨胀机组的同轴压缩机进口连接，同轴压缩机出口接入下游系统；

一级提浓塔塔底出口通过管线与塔顶冷凝器进口连接，一级提浓塔塔顶冷凝器出口通过管线与二级提浓塔塔底蒸发器进口连接，塔底蒸发器出口接深冷器底部进口，深冷器中部出口接入二级提浓塔中部进口；二级提浓塔塔顶冷凝器出口接深冷器左侧上部进口，深冷器右侧上部出口为产品粗氦出口；二级提浓塔塔底部出口通过管线深冷器左侧下部进口连接；