[发明专利]回收利用LNG冷能的氮气液化系统

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。