專利名稱：一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)。
背景技術：
天然氣作為化學能源之一，因其巨大的儲藏量和低污染性，被漸漸提升為 及煤、石油之后的主要能源支柱，具有廣闊的應用前景。天然氣的貿(mào)易形式主
要通過管道輸送和液化天然氣(LNG)運輸，LNG在進入天然氣用戶管網(wǎng)前，需 要A^液化狀態(tài)氣化至常溫，其氣化過程將產(chǎn)生巨大的冷量?？諝夥蛛x裝置通過 充分利用LNG的氣化冷能，可以大大降低電耗、增加液體的生產(chǎn)量，提高產(chǎn)品 在市場銷售中的竟爭力。利用LNG冷能的空分系統(tǒng)一般比常規(guī)的系統(tǒng)要節(jié)電 50。/。以上，例如一套日產(chǎn)液氧320T，液氮290T，液氬10T的液體空分，以85bara， -15rC的LNG為冷源，包含氧氮氬的分離功，平均電耗耗僅O. 25KW/kg液體。 相同裝置的常規(guī)液體空分平均單耗0. 65KW/kg以上。LNG冷能空分裝置經(jīng)濟效 益十分明顯。但由于空分系統(tǒng)是氧氣富集區(qū)，天然氣作為碳氫化合物，大氣烴 含量偏高，是極為敏感的有害物質(zhì)，因此，對LNG冷能的利用通常采用中間介 質(zhì)置換冷能，避免LNG與空分系統(tǒng)的直接接觸?？v觀國內(nèi)外LNG冷能空分聯(lián)合 裝置，普遍存在其流程組織過于復雜，且能耗較高，實施不易，操作控制不方 便或安全可靠性欠佳現(xiàn)象。比如采用多臺壓縮機、多臺膨脹機、分離罐等，換 熱器通道多，尤其是LNG為高壓，其換熱器通道多，造成成本急劇增加。此外 流程組織復雜，閥門、測量點等電氣元件較多的區(qū)域需防爆，為裝置的安全性 帶來隱患。
如中國發(fā)明專利說明書CN101033910公開了一種集成空氣分離與液化天然氣冷量回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)乂人分餾上塔頂部引出的氮氣經(jīng)過液氮液空過冷器、主 換熱器的復熱后，經(jīng)壓縮增壓后進入液化天然氣換熱器進行預冷換熱。冷卻后 的氮氣經(jīng)汽液分離器分離后，部分液氮節(jié)流后在液氧換熱器、主換熱器中復熱 完成氮氣循環(huán)。這套系統(tǒng)中的循環(huán)氮氣在液化天然氣換熱器進行預冷換熱時， 如果一旦高壓的液化天然氣泄漏，隨著管道進入液氧換熱器、主換熱器，將對 這些主冷設備的安全產(chǎn)生威脅，并造成對液氧產(chǎn)品，液氮產(chǎn)品的污染。此外，
該套系統(tǒng)釆用從上塔頂部引出的低壓氮氣低壓氮(~ 10KPaG )循環(huán)完成氮氣循 環(huán)，為了達到中壓透平壓縮機的工作壓力2. 5MPa-5. 0 MPa，即使是按照2. 5MPa， 其壓縮比也至少需要l. 1: 25,壓縮級數(shù)多，至少需要三段，此外整個過程中， 物流數(shù)量多，能耗偏高，投資高，為了提高主冷的安全性需另外排放液氧，同 時需配置氣液分離器等，十分復雜。
中國發(fā)明專利說明書CN101392981,公開了 一種利用液化天然氣冷量獲得 液氮的方法和裝置，同上所述，其液氮產(chǎn)品易受高壓天然氣換熱器泄漏污染的 威脅；此外裝置中采用了兩級增壓透平膨脹機，依賴膨脹機轉(zhuǎn)移冷量，而增壓 透平膨脹機轉(zhuǎn)換效率受到限制，能耗因中間環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換反而高，裝置復雜因動設 備多而復雜，投資高，可靠性差，同時需配置氣液分離器等，十分復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種安全可靠、流程簡潔、操作控制方便， 成本低廉、適用范圍廣、高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)。
為了解決以上技術問題，本發(fā)明包括空分系統(tǒng)和液化天然氣冷量回收系統(tǒng) 以及循環(huán)氮系統(tǒng)；所述空分系統(tǒng)至少包括分餾塔，主換熱器；其特征在于還 包括氮-氮換熱器；所述液化天然氣冷量回收系統(tǒng)至少包括LNG-氮換熱器、循 環(huán)壓縮機；所述氮-氮換熱器包括循環(huán)液氮回熱通道和氮氣放熱通道；所述LNG-氮換熱器包括天然氣回熱通道、循環(huán)壓力氮氣放熱通道、循環(huán)中壓氮氣放熱通 道、循環(huán)高壓氮氣放熱通道，循環(huán)壓力氮氣放熱通道依次與循環(huán)壓縮機的低壓
段、循環(huán)中壓氮氣放熱通道、循環(huán)壓縮機高壓段、循環(huán)高壓氮氣放熱通道連通； 所述主換熱器包括循環(huán)氮氣回熱通道；所述氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道、 主換熱器的循環(huán)氮氣回熱通道、LNG-氮換熱器的循環(huán)壓力氮氣放熱通道、循環(huán) 中壓氮氣放熱通道、循環(huán)高壓氮氣放熱通道，以及在上述循環(huán)通道和壓縮機管 道內(nèi)的循環(huán)氮構成循環(huán)氮系統(tǒng)；液化天然氣經(jīng)LNG-氮換熱器的天然氣回熱通道 復熱至常溫輸出；從分餾下塔頂部引出的氮氣進入氮-氮換熱器的氮氣放熱通 道冷凝成液氮。
以上利用LNG冷能的空分系統(tǒng)，以壓力氮氣作為封閉循環(huán)介質(zhì)，設有LNG-氮換熱器和氮-氮換熱器兩組換熱器，液化天然氣在LNG-氮換熱器中將冷量傳 遞給循環(huán)氮；循環(huán)氮在氮-氮換熱器中將冷量傳遞給空分精餾塔的壓力氮，空 分不與循環(huán)介質(zhì)直接接觸，避免天然氣進入空分裝置而帶來的危險。進入循環(huán) 壓力氮氣放熱通道的壓力氮壓力(~ 370 KPaG),無需低壓氮到壓力氮的壓縮過 程，采用兩個壓力等級液氮液氮過冷。不設置低壓氮過冷，簡化LNG-氮換熱器。 壓縮機僅兩段壓縮，壓縮比小(約10-12)，壓縮級數(shù)少，物流數(shù)量少，能耗低， 受外界干擾影響小，操作簡單；通過低溫循環(huán)壓縮機兩段壓縮，利用LNG冷能 冷卻，降低壓縮功耗，獲得超臨界壓力氮，在LNG-氮換熱器中吸收LNG的冷量。 在LNG-氮換熱器對高壓氮進行液化過冷，但不深度過冷，采用較高溫度的循環(huán) 系統(tǒng)的液氮在氮-氮換熱器中復熱。
更進一步的改進是，所述分餾塔為雙塔；下塔的頂部設置有冷凝器；上述 系統(tǒng)還包括過冷器，所述過冷器包括液氮放熱通道、液空》丈熱通道、液氧》文熱 通道、低壓氮氣回熱通道、污氮回熱通道；所述主換熱器還包括氮氣回熱通道、污氮回熱通道、空氣》文熱通道；
潔凈的壓縮空氣經(jīng)主換熱器的空氣放熱通道被冷卻后進入分餾塔下塔；從 分餾下塔頂部引出的氮氣經(jīng)所述氮-氮換熱器的氮氣放熱通道冷凝成液氮；從 分餾下塔頂部引出的一部分氮氣經(jīng)冷凝器冷凝得到的液氮，與進入上述氮-氮 換熱器的壓力氮氣放熱通道冷凝的液氮匯合后，其一部分液氮作為分餾下塔的 回流液下流，另一部分液氮進入過冷器，過冷的液氮一部分作為產(chǎn)品液氮輸出， 一部分進入上塔。分餾下塔底部引出的液空進入過冷器液空放熱通道過冷，節(jié) 流后進入上塔精餾；精餾得到的氮氣、污氮及液氧分別經(jīng)過冷器氮氣回熱通道、 污氮回熱通道、主換熱器的氮氣回熱通道、污氮回熱通道復熱；精餾得到的液 氧經(jīng)過冷器液氧放熱通道過冷，得到的過冷產(chǎn)品液氧輸出。
產(chǎn)品液氮來自空分系統(tǒng)而非LNG-氮換熱器，這樣可降低LNG-氮換熱器冷 箱投資及保證液氮產(chǎn)品質(zhì)量，同時可降低能耗。所有的液體產(chǎn)品均來自空分系 統(tǒng)，產(chǎn)品與循環(huán)氮隔離。提高了設備的安全性。
更進一步的改進是，從分餾上塔下部引出的氬餾分，去制氬裝置。
更進一步的改進是，所述分鎦塔為單塔；系統(tǒng)還包括一過冷器，所述過冷器 包括液氮放熱通道、氮氣回熱通道；低壓氮回熱通道；所述主換熱器還包括氮 氣回熱通道、污氮回熱通道、低壓氮回熱通道、液空》文熱通道、空氣放熱通道； 潔凈的壓縮空氣經(jīng)主換熱器的空氣放熱通道被冷卻后進入分餾塔下部；從分餾 i荅頂部引出的氮氣經(jīng)所述經(jīng)氮-氮換熱器的氮氣放熱通道冷凝成液氮；所述分餾 塔的頂部設置有冷凝器，從分餾塔頂部引出的一部分氮氣經(jīng)冷凝器冷凝得到的 液氮，與進入上述氮-氮換熱器的壓力氮氣放熱通道冷凝的液氮匯合后，其一部 分液氮作為分餾塔的回流液下流，另一部分液氮進入過冷器的液氮放熱通道， 過冷的液氮一部分作為產(chǎn)品液氮輸出， 一部分節(jié)流經(jīng)過冷器、主換熱器復熱后，得到氮氣。從分餾塔下部產(chǎn)生的液空經(jīng)主換熱器液空放熱通道過冷，液空節(jié)流 后進入分餾塔冷凝器作為冷源蒸發(fā)，再經(jīng)主換熱器復熱，獲得復熱污氮。
更進一步的改進是，LNG-氮換熱器的循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸出端分成 三路，分別連接氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道的輸入端、LNG-氮換熱器內(nèi) 的循環(huán)壓力氮氣放熱通道、循環(huán)中壓氮氣放熱通道。為彌補LNG高品位冷量的 不足，高壓液氮經(jīng)兩路不同壓力節(jié)流。循環(huán)壓力氮氣進入LNG-氮換熱器冷卻， 匯合過冷高壓液氮而復熱的壓力氮進入低溫循環(huán)壓縮機壓縮，壓縮到一定壓力 進入LNG-氮換熱器冷卻，并匯合液化過冷高壓液氮而復熱的中壓氮進入低溫循 環(huán)壓縮機繼續(xù)壓縮，再次進入LNG-氮換熱器冷卻液化并過冷，分成三股，其中 一股節(jié)流到中壓氮壓力返回換熱器， 一股節(jié)流到壓力氮壓力返回換熱器，其余 液氮節(jié)流進入空分冷箱系統(tǒng)氮-氮換熱器，液氮被汽化，進入主換熱器復熱作 為循環(huán)氮氣。
更進一步的改進是，所述液化天然氣冷量回收系統(tǒng)還包括液體膨脹機和節(jié) 流旁通閥，LNG-氮換熱器的循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸出端分成兩路， 一路節(jié) 流后連接LNG -氮換熱器內(nèi)的循環(huán)中壓氮氣放熱通道， 一路連接液體膨脹機和 旁通節(jié)流閥的輸入端，膨脹機和旁通節(jié)流閥的輸出端分成兩路，分別連接氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道的輸入端、LNG-氮換熱器內(nèi)的循環(huán)壓力氮氣^L熱 通道。從循環(huán)高壓氮氣放熱通道輸出的高壓氮氣分流為兩股，其中一股節(jié)流到 中壓氮壓力返回換熱器，其余經(jīng)液體膨脹機膨脹， 一部分壓力氮返回換熱器， 其余液氮進入空分冷箱系統(tǒng)氮-氮換熱器，液氮被汽化，進入主換熱器復熱作 為循環(huán)氮氣。采用液體膨脹機回收能量，可以更好的彌補LNG高品位冷量的不 足，并可通過節(jié)流閥旁通作為膨脹機停用的備用手段。
更進一步的改進是，所述循環(huán)壓力氮氣放熱通道通過壓縮機管道輸出的高 壓氮氣壓力為超臨界壓力，壓力值為50-60bar。常用壓力值為36-60bar。
更進一步的改進是，所述循環(huán)中壓氮氣放熱通道的輸入端與循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸入端之間設有可開關的連接管路。當液化天然氣冷量不足時，可 以打開連接管路，循環(huán)氮不再進入兩級壓縮機壓縮放熱。所述分餾下塔頂部或 分餾塔頂部的氮氣出口設置有與氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道輸出端和主 換熱器的循環(huán)氮氣回熱通道輸入端連接的可開關的管道?？梢栽谠O備運行初期 或循環(huán)系統(tǒng)的氮量不足時，打開連接管路，從空分裝置中為氮循環(huán)系統(tǒng)提供循 環(huán)氮。
更進一步的改進是，還包括低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)；包括冷庫冷媒換熱器； 包括循環(huán)冷卻劑換熱器，以及其連接的LNG-氮換熱器的天然氣回熱通道的低溫 液化天熱氣輸出管道，以及其連接的液化天然氣輸入管道，以及其連接的空分 裝置的空氣壓縮機，以及其連接的冷庫冷媒換熱器；包括冷庫冷媒換熱器和空 分裝置的空氣壓縮機的連接通道；連接通道內(nèi)釆用封閉循環(huán)的低溫冷卻劑冷 卻。所述主換熱器的氮氣回熱通道、污氮回熱通道輸出端與冷庫冷媒換熱器的 冷源輸入端連接。循環(huán)冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，利用LNG 的低品位冷能冷卻冷卻劑，冷卻劑冷卻其他壓縮機各級冷卻器。低溫冷卻劑循 環(huán)系統(tǒng)適合于LNG冷能充足的情況?？諌簷C及各類油冷卻器均采用低溫冷卻劑 冷卻，冷卻劑處于封閉循環(huán)，因此補充損耗少，節(jié)約了大量水。冷庫冷媒冷源 系統(tǒng)利用空分產(chǎn)生的氮和污氮進行調(diào)和滿足冷庫含氧要求。利用低溫循環(huán)冷卻
資，且更安全。
采用上述裝置，其具有以下優(yōu)勢
安全由于氮循環(huán)系統(tǒng)完全封閉，不參與精餾，盛裝液氧液氮產(chǎn)品的大型 貯槽不會遭受污染，液體貯存安全。分餾塔冷凝器由于大量排放產(chǎn)品液氧，烴 類難以在冷凝器富集，因而更安全。由于LNG-氮換熱器冷箱，流程組織簡單， 防爆測量和控制元件銳減，系統(tǒng)更安全。
簡潔本發(fā)明液體產(chǎn)品均來自空分系統(tǒng)，空分系統(tǒng)流程組織自然、簡潔；
LNG高壓液化器無低壓過冷，物流通道少，控制簡單。低廉由于流程組織合理簡潔，控制部件少，投資降低，尤其LNG高壓液
化器成本降低，調(diào)節(jié)閥、測點、管道等投資大大降低。
可靠流程簡潔，部件越少越可靠，風險小，易于操作，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。 產(chǎn)品質(zhì)量好由于產(chǎn)品來自空分，完全不必擔心高壓LNG泄露，即使泄露
也不影響產(chǎn)品純度，兩者是隔離的。由于主冷液氧大量作為產(chǎn)品排放，液氧產(chǎn)
品含烴較少。
節(jié)能本發(fā)明換熱器溫差合理，不可逆損失小，可通過閥門進行調(diào)節(jié)，避 免重復換熱帶來的不可逆損失，設計緊湊，減少了設備、管路、閥門等系統(tǒng)冷 損，因而能耗低。
適用范圍廣LNG冷能品質(zhì)不同，冷量回收程度不同，則壓縮機進口溫度 和流量不同。


本發(fā)明將通過實施例并參照附圖的方式說明，其中
圖1本發(fā)明實施例1生產(chǎn)液氧液氮液氬的典型裝置。
圖2本發(fā)明實施例2生產(chǎn)液氧液氮的典型裝置。
圖3本發(fā)明實施例3生產(chǎn)液氮的典型裝置。
圖4本發(fā)明實施例4生產(chǎn)液氧液氮液氬的裝置。
圖5本發(fā)明實施例5生產(chǎn)液氧液氮的裝置。
圖6本發(fā)明實施例6生產(chǎn)液氮的裝置。
AF1001:空氣過濾器，TC1001:空壓機，MS1201/2:吸附器
EH1201:加熱器，El:主換熱器，E2:過冷器，Cl:下》荅，Kl:主冷，C2:上;荅
E3:氮-氮換熱器，K701:粗氬冷凝器，C701:粗氬一》荅
C702:粗氬二塔，K702:精氬冷凝器，K703:純氬蒸發(fā)器C703:純氬i荅，ArP701:工藝氬泵 E-LNG-N2: LNG-氮換熱器，NC601:低溫循環(huán)壓縮機 E801:循環(huán)冷卻劑^:熱器，501:冷卻劑循環(huán)泵 E501:冷庫冷媒換熱器，ET601:液體膨脹機 Vl:補氣閥，V2j文空閥，V3:啟動閥，V4:節(jié)流旁通閥 CB-ASU:空分冷箱，CB-LNG-N2:天然氣氮換熱冷箱
具體實施例方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互 相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除 非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非 特別敘述，每個特征只是一 系列等效或類似特征中的一個例子而已。
實施例1
如圖1所示為本發(fā)明生產(chǎn)液氧液氮液氬的典型裝置。
1空分系統(tǒng)
1. 1壓縮冷卻及純化
外界空氣100經(jīng)空氣過濾器AF1001過濾，進入空氣壓縮才幾TC1G01壓縮冷 卻，冷卻劑采用低溫循環(huán)冷卻劑冷卻。
工藝空氣102進入用來吸附除去水份、二氧化碳、部分碳氫化合物的吸附 器MS1201/2, —臺吸附，另一臺則由來自冷箱中的G麗污氮氣133通過加熱器 EH12G1加熱后進行再生。
1.2空氣精餾
出空氣純化系統(tǒng)的潔凈工藝空氣103( 460 KPaG)進入空分冷箱CB-ASU內(nèi)的主換熱器El,被返流出來的氣體冷卻，接近露點的空氣104進入精餾下塔 Cl的底部，進行第一次分餾。在精餾下塔中，上升氣體與下流液體充分接觸， 傳熱傳質(zhì)后，上升氣體中氮的濃度逐漸增加。下塔頂部獲得純壓力氣氮(~460 KPaG),部分壓力氣氮111進入氮-氮換熱器E3冷凝成液氮112,從天然氣氮換 熱冷箱CB-LNG-LN來的液氮610進入氮-氮換熱器纟皮汽化成氣氮611 (~ 400 KPaG)，進入主換熱器E1復熱作為循環(huán)氮氣601(~ 390 KPaG);部分氣氮115 進入下塔頂部的主冷凝蒸發(fā)器K1被冷凝成液氮113,在氣氮冷凝的同時，主冷 凝蒸發(fā)器中的液氧得到汽化，作為上塔C2的上升氣體。 一部份液氮114作為 下塔的回流液下流，另一部分液氮116經(jīng)過冷器E2過冷后，部分作為產(chǎn)品液 氮118抽出外，其余液氮119節(jié)流后送入分餾上塔。
在下塔中產(chǎn)生的液空105也經(jīng)過冷器E2過冷，液空106節(jié)流后進入上塔參 與精餾，在上塔內(nèi)，經(jīng)過再次精餾，得到氮氣120、污氮130及液氧201,分 別經(jīng)過冷器E2換熱，液氧經(jīng)過冷作為產(chǎn)品202;氮氣121,污氮131再經(jīng)主換
熱器復熱，獲得^f氐壓氮氣產(chǎn)品122,污氮132。
分餾下塔頂部的氮氣出口設置有氣氮611的輸出端和主換熱器的循環(huán)氮氣 回熱通道的輸入端連接的可開關的管道。在設備運行初期或循環(huán)系統(tǒng)的氮量不 足時，打開補氣閥V1連接管路，從空分裝置中為氮循環(huán)系統(tǒng)提供循環(huán)氮613。 也可以不需要該連接管路，而采用外部供氮裝置，該裝置通過連接管道、啟動 閥V3連通天然氣氮換熱冷箱CB-LNG-LN與氮-氮換熱器之間的液氮輸出通道， 為氮循環(huán)系統(tǒng)提供循環(huán)氮612。低壓氮氣產(chǎn)品122通過管道、放空閥V2連接主 換熱器復熱輸出的循環(huán)氮氣601至天然氣氮換熱冷箱的循環(huán)壓力氮氣^L熱通道 輸入管道。
1. 3氮-氮換熱
下塔頂部部分壓力氣氮111( 460 KPaG)進入氮-氮換熱器冷凝成液氮112;液化冷箱來的液氮610被汽化成氣氮611(~ 400 KPaG)，進入主換熱器復熱作 為循環(huán)氮氣601。 1.4氬的制取
與常規(guī)空分類似。氬的制取采用全精餾制氬技術，為了制取氬，從分餾塔 上塔C2下部的適當位置引出一股氬餾份氣送入粗氬一塔C701進行粗餾，使氧 的含量降低，粗氬塔I的回流液體是由粗氬二塔C702底部引出經(jīng)液體泵ArP701 輸送來的液態(tài)粗氬。從精氬一塔C701頂部引出的氣體進入粗氬二塔C702并在 其中進行深度氬氧分離，經(jīng)過粗氬二塔C702的粗餾，在其頂部得到含氧量合 格的粗氬氣，粗氬二;荅C702的頂部裝有冷凝蒸發(fā)器K701，以過冷器后引出的 液空108經(jīng)節(jié)流后送入其中作為冷源，絕大部分的粗氬氣經(jīng)冷凝蒸發(fā)器K701 冷凝后作為粗氬i^的回流液。其余部分由粗氬二》荅C702頂部引出并送入精氬 塔C703，精氬塔的底部裝有一臺蒸發(fā)器K703,以下塔底部引出的壓力氮氣123 作熱源使液氬蒸發(fā)，同時氮氣被液化。在精氬塔的頂部裝有冷凝器K702,以液 氮126作為冷源，使絕大部分上升氣體冷凝作為精氬塔的回流液，經(jīng)過精氬塔 的精餾，在精氬^荅底部得到精液氬，作為產(chǎn)品液氬701引出冷箱。
2 天然氣氮換熱冷箱CB-LNG-LN
來自用戶的高壓^f氐溫LNG 801 (4-9. 5MPa)作為冷源進入LNG冷量回收冷 箱系統(tǒng)的LNG-氮換熱器E-LNG-N2，自身被復熱汽化，復熱至常溫天然氣803 進入用戶管網(wǎng)，部分較低溫度的天然氣802從LNG-氮換熱器引出，進入循環(huán)冷 卻劑換熱器E801與冷卻劑換熱，復熱至常溫天然氣804并入用戶管網(wǎng)。
循環(huán)壓力氮氣601進入LNG-氮換熱器冷卻到一定溫度，匯合過冷高壓液氮 而復熱的壓力氮，壓力氮602進入低溫循環(huán)壓縮機NC601低壓段壓縮，壓縮到 一定壓力獲得中壓氮603進入LNG-氮換熱器，并匯合液化過冷高壓液氮而復熱的中壓氮，中壓氮604進入低溫循環(huán)壓縮機NC601高壓段繼續(xù)壓縮，高壓氮605 再次進入LNG板式冷卻液化并過冷成液氮606，分成三股，其中一股液氮608 節(jié)流到中壓氮壓力返回換熱器， 一股液氮608節(jié)流到壓力氮壓力返回換熱器， 大部分液氮609節(jié)流進入空分冷箱系統(tǒng)氮-氮換熱器。低溫循環(huán)壓縮機的各段 入口溫度與LNG的壓力溫度及LNG冷量回收程度相關，在冷量充足的情況下， 降低壓縮機入口溫度，壓縮功耗降低，但需注意壓縮機入口要高于液化溫度并 有足夠安全溫差，確保壓縮機進氣不帶液，因此本發(fā)明適用的范圍很廣，存在 衍生系列，例如當一段壓縮出口溫度與二段壓縮入口溫度一致時，則開啟循環(huán) 中壓氮氣放熱通道的輸入端與循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸入端之間的連接管 路(圖中未示出)，氮壓縮后不與天然氣換熱冷卻，但這屬于本發(fā)明的保護范 圍。中壓壓力由壓縮機壓縮比決定，回收越徹底，能耗越高，兩段壓縮最終高 壓壓力須高于臨界壓力，氮的臨界壓力為33.94 bara,經(jīng)才莫擬計算末級壓力 36 bara以上均能順利通過，方案均可實施，壓力越高，越有利于吸收高溫端 冷量，但需兼顧壓縮機壓縮比，綜合考慮， 一般為50-60bar, —段壓縮出口中 壓氮壓力則根據(jù)壓縮機的情況及總壓縮比決定分段壓縮比獲得最佳壓力。
例如一套日產(chǎn)液氧3MT，液氮290T,液氬10T的液體空分，以8Sbara,-151 。C的LNG為冷源，LNG要復熱到〉rC，不含冷庫系統(tǒng)，其典型參數(shù)壓縮機入 口溫度~-12(TC，高壓氮壓力 60bara，中壓段壓力~ 17bara，LNG每天需求量 為-1170T，含氧氮氬的分離功耗，平均電耗耗僅O. 25KW/kg液體。
例如一套日產(chǎn)液氧320T，液氮290T，液氬10T的液體空分，以85bara，-l51 。C的LNG為冷源，LNG要復熱到〉27。C,無冷庫系統(tǒng)，采用循環(huán)水冷卻系統(tǒng)冷卻 空壓機各類冷卻器，采用空分氮水塔回收空分》丈散的氮氣、污氮，其典型參數(shù) 壓縮機入口溫度 -8(TC，高壓氮壓力~ 60bara，中壓4爻壓力~ 17bara,LNG每天需求量為~ 673T，平均功耗則要增加很多。
上述例子也可變更壓縮機壓力，如壓縮機末級排壓為~ 42 bara，中段排壓-14 bara。因此本發(fā)明根據(jù)情況不同參數(shù)可靈活變更，不便于——例舉。
3低溫循環(huán)壓縮系統(tǒng)C601
循環(huán)壓力601氮氣進入LNG-氮換熱器E-LNG冷卻到一定溫度，匯合過冷高 壓液氮而復熱的壓力氮，壓力氮602進入低溫循環(huán)壓縮機C601壓縮，中壓氮 603進入換熱器冷卻，并匯合液化過冷高壓液氮而復熱的中壓氮，中壓氮604 進入低溫循環(huán)壓縮才幾C601繼續(xù)壓縮，高壓氮605再次進入換熱器冷卻液化并 過冷，高壓液氮606分成三股，其中一股液氮608節(jié)流到中壓氮壓力返回換熱 器， 一股液氮607節(jié)流到壓力氮壓力返回換熱器，大部分液氮609節(jié)流進入空 分冷箱系統(tǒng)氮-氮換熱器E 3 。
4低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)
低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)利用LNG低品位冷能，并非必需系統(tǒng)，若不考慮能耗， 可以采用傳統(tǒng)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)適合于LNG冷能充足的 情況。
空壓機及各類油冷卻器均采用低溫冷卻劑冷卻，冷卻劑處于封閉循環(huán)，因 此補充損耗少，節(jié)約了大量水。壓縮機吸入溫度越低，能耗越低，冷能空分降 低能耗的重要措施是降低壓縮機入口溫度，但由于空氣含有水分，需保證在水 點以上。
冷卻劑504與低溫天然氣802或啟動初期與LNG801在循環(huán)冷卻劑換熱器 E-801換熱，獲得較低溫度的冷卻劑501，經(jīng)冷卻劑循環(huán)泵P-501獲得的冷卻 劑502與冷庫氣體在冷庫冷媒換熱器E501進行熱交換，冷卻劑503與空壓機 TC1001,其他壓縮機及各類油冷卻器、空調(diào)系統(tǒng)等換熱，冷卻劑通過冷卻劑循環(huán)泵P-5Q1循環(huán)。 5冷庫冷源系纟克
冷庫冷源系統(tǒng)只是利用LNG低品位冷能，并非必需系統(tǒng)，冷庫冷源系統(tǒng)適 合于LNG冷能充足的情況。
利用空分產(chǎn)生的氮122和污氮132進行調(diào)和滿足冷庫含氧要求。利用低溫 循環(huán)冷卻劑502作為冷源與冷庫氣體在冷庫冷J 某換熱器E501進行熱交換，減 少高壓LNG換熱器投資，且更安全。
實施例2
如圖2所示，與實施例1比較，沒有制氬系統(tǒng)，其他同實施例1。獲得的空 分產(chǎn)品為液氧和液氮。 實施例3,
如圖3所示，與實施例l比較，分餾塔C1為單塔，空氣進入分餾塔后，從 分餾;荅頂部獲得的部分壓力氣氮111進入氮-氮換熱器E3冷凝成液氮112,天 然氣氮換熱冷箱CB-LNG-N2來的液氮610 ;波汽化成氣氮611 ( ~ 180 KPaG),進 入主換熱器El復熱作為循環(huán)氮氣601 (- 170 KPaG);部分純氮115進入分餾塔 頂部的主冷凝蒸發(fā)器Kl凈皮冷凝成液氮113。一部份液氮114作為下塔的回流液 下流，另一部分液氮116經(jīng)過冷器E2過冷后，部分作為產(chǎn)品液氮118抽出， 其余液氮119節(jié)流后經(jīng)過冷器E2、主換熱器E1復熱后，得到氮氣1"。
在下塔中產(chǎn)生的液空105經(jīng)主換熱器E1過冷，液空106節(jié)流后進入分餾塔 上部參與精餾，在分餾^t荅內(nèi)，經(jīng)過再次精餾，得到污氮130，再經(jīng)主換熱器復 熱，獲得污氮132。分餾塔內(nèi)獲得的富氧液空201引出節(jié)流后安全排放。
分鎦塔頂部的氮氣出口設置有氮-氮換熱器的氣氮611的輸出端和主換熱器 的循環(huán)氮氣回熱通道的輸入端連接的可開關的管道。其他同實施例1。
實施例4
與實施例1比較，液化天然氣冷量回收系統(tǒng)還包括液體膨脹機ET601和節(jié) 流旁通閥V4。循環(huán)壓力氮氣601進入LNG-氮換熱器冷卻到一定溫度，匯合過 冷高壓液氮而復熱的壓力氮，壓力氮602進入j氐溫循環(huán)壓縮才幾NC601 j氐壓萃殳壓 縮，壓縮到一定壓力獲得中壓氮603進入LNG-氮換熱器，并匯合液化過冷高壓 液氮而復熱的中壓氮，中壓氮604進入^f氐溫循環(huán)壓縮才幾NC601高壓_^殳繼續(xù)壓縮， 高壓氮605再次進入換熱器冷卻液化并過冷成液氮，高壓液氮606分成兩股， 其中一股液氮607節(jié)流到中壓氮壓力返回換熱器，另一股高壓液氮經(jīng)液體膨脹 機ET601膨脹后(液體膨脹機停用時通過V4節(jié)流旁通)， 一股壓力氮608返回 換熱器，大部分液氮609進入空分冷箱系統(tǒng)氮-氮換熱器E3。
實施例5
其與實施例2不同的是，液化天然氣冷量回收系統(tǒng)還包括液體膨脹機和節(jié) 流旁通閥。所增加的液體膨脹機和節(jié)流旁通閥連接關系和工藝同實施例4的液 體膨B4fL和節(jié)流旁通閥的描述。
實施例6
其與實施例3不同的是，液化天然氣冷量回收系統(tǒng)還包括液體膨脹機和節(jié) 流旁通閥。所增加的液體膨脹機和節(jié)流旁通閥連接關系和工藝同實施例4的液 體膨脹機和節(jié)流旁通閥的描述。
LNG冷能的空分系統(tǒng)能耗高低與LNG壓力、溫度相關，LNG壓力、溫度越 高，高品位冷量(低溫端冷量)越少。 一般LNG汽化供氣壓力很高，高品位冷 量不足，低品位冷量(高溫端冷量)過剩。為了充分利用LNG低品位冷量，通 常的方法液化裝置是通過膨脹獲得低溫冷量，膨脹能量由壓縮機獲得，同時將氮壓縮到高于超臨界壓力吸收冷量，增壓膨脹方式涉及動設備，操作復雜投資 高，因存在增壓膨脹機的增壓端膨脹端效率有限，多次轉(zhuǎn)換導致能耗增加。本 發(fā)明通過壓縮獲得超臨界高壓氮，通過高壓液氮節(jié)流和壓力液氮返回補充冷 量，并可利用液體膨脹機回收能量。氮的壓力越高，吸收效果越好，但要受設 備制約。通過利用液化天然氣的冷量，壓縮和超臨界氮吸收足夠冷量，可大大 降低液體產(chǎn)品的電力消耗，起到節(jié)能環(huán)保和高效運營的作用，達到變廢為寶、 提高能源綜合利用率的目的。獲得液體氧氮氬，運輸方便，銷售市場很大。
本發(fā)明實現(xiàn)了循環(huán)氮氣與空分精餾介質(zhì)完全隔離，兩段氮壓縮循環(huán)兩級補 充冷量實現(xiàn)高壓液氮液化過冷，液體膨脹機回收能量，換熱器通道數(shù)目極少、 流程組織簡潔，安全可靠，操作控制方便，成本低廉、適用范圍廣。
本發(fā)明不局限于前述的具體實施方式
?？蓴U展到任何在說明書中披露的新 特征或新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1、一種高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，包括空分系統(tǒng)和液化天然氣冷量回收系統(tǒng)以及循環(huán)氮系統(tǒng)；所述空分系統(tǒng)至少包括分餾塔，主換熱器；其特征在于還包括氮-氮換熱器；所述液化天然氣冷量回收系統(tǒng)至少包括LNG-氮換熱器、循環(huán)壓縮機；所述氮-氮換熱器包括循環(huán)液氮回熱通道和氮氣放熱通道；所述LNG-氮換熱器包括天然氣回熱通道、循環(huán)壓力氮氣放熱通道、循環(huán)中壓氮氣放熱通道、循環(huán)高壓氮氣放熱通道；循環(huán)壓力氮氣放熱通道依次與循環(huán)壓縮機的低壓段、循環(huán)中壓氮氣放熱通道、循環(huán)壓縮機高壓段、循環(huán)高壓氮氣放熱通道連通；所述主換熱器包括循環(huán)氮氣回熱通道；所述氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道、主換熱器的循環(huán)氮氣回熱通道、LNG-氮換熱器的循環(huán)壓力氮氣放熱通道、循環(huán)中壓氮氣放熱通道、循環(huán)高壓氮氣放熱通道，以及在上述循環(huán)通道和壓縮機管道內(nèi)的循環(huán)氮構成循環(huán)氮系統(tǒng)；液化天然氣經(jīng)LNG-氮換熱器的天然氣回熱通道復熱至常溫輸出。
2、 如權利要求l所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述分餾塔為雙塔；還包括過冷器，所述過冷器包括液氮放熱通道、液空》t熱通道、液氧;j文熱通 道、〗氐壓氮氣回熱通道、污氮回熱通道；所述主換熱器還包括氮氣回熱通道、污氮回熱通道、空氣》欠熱通道； 潔凈的壓縮空氣經(jīng)主換熱器的空氣放熱通道被冷卻后進入分餾塔下塔；從 分餾下塔頂部引出的氮氣經(jīng)所述氮-氮換熱器的氮氣放熱通道冷凝成液氮；下塔 的頂部設置有冷凝器，從分餾下塔頂部引出的一部分氮氣經(jīng)冷凝器冷凝得到的液氮，與進入上述氮-氮換熱器的氮氣放熱通道冷凝的液氮匯合后，其一部分液 氮作為分餾下塔的回流液下流，另一部分液氮進入過冷器，過冷的液氮一部分 作為產(chǎn)品液氮輸出， 一部分進入上塔。分餾下塔底部引出的液空進入過冷器液空放熱通道過冷，節(jié)流后進入上塔精餾；精餾得到的氮氣、污氮及液氧分別經(jīng)過冷器氮氣回熱通道、污氮回熱通 道、主換熱器的氮氣回熱通道、污氮回熱通道復熱；精餾得到的液氧經(jīng)過冷器 液氧;^文熱通道過冷，得到的過冷產(chǎn)品液氧輸出。
3、 如權利要求2所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述分餾上塔的下部引出的氬餾分，去制氬裝置。
4、 如權利要求l所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述分餾塔為單塔；還包括一過冷器，所述過冷器包括液氮》文熱通道、氮氣回熱通道、低壓氮回 熱通道;所述主換熱器還包括氮氣回熱通道、污氮回熱通道、〗氐壓氮回熱通道、液 空i文熱通道、空氣》文熱通道；潔凈的壓縮空氣經(jīng)主換熱器的空氣放熱通道被冷卻后進入分餾塔下部；從分餾塔頂部引出的氮氣經(jīng)所述氮-氮換熱器的氮氣放熱通道冷凝成液氮；所述分 餾塔的頂部設置有冷凝器，從分餾塔頂部引出的一部分氮氣經(jīng)冷凝器冷凝得到 的液氮，與進入上述氮-氮換熱器的壓力氮氣放熱通道冷凝的液氮匯合后，其一 部分液氮作為分餾i荅的回流液下流，另一部分液氮進入過冷器的液氮放熱通道， 過冷的液氮一部分作為產(chǎn)品液氮輸出， 一部分節(jié)流經(jīng)過冷器、主換熱器復熱后， 得到氮氣。從分餾塔下部產(chǎn)生的液空經(jīng)主換熱器液空放熱通道過冷，液空節(jié)流后進入分餾塔冷凝器作為冷源蒸發(fā)，再經(jīng)主換熱器復熱，獲得復熱污氮。
5、 如權利要求1-4任一項所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征 在于LNG-氮換熱器的循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸出端分成三路，節(jié)流后分別 連接氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道的輸入端、LNG-氮換熱器內(nèi)的循環(huán)壓力氮 氣放熱通道、LNG-氮換熱器內(nèi)的循環(huán)中壓氮氣;^文熱通道。
6、 如權利要求5所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述液化天然氣冷量回收系統(tǒng)還包括液體膨脹機和節(jié)流旁通閥，LNG-氮換熱器的 循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸出端分成兩路， 一路節(jié)流后連接LNG -氮換熱器內(nèi)的 循環(huán)中壓氮氣放熱通道， 一路連接液體膨脹機和旁通節(jié)流閥的輸入端，膨脹機 和旁通節(jié)流閥的輸出端分成兩路，分別連接氮-氮換熱器的循環(huán)液氮回熱通道的 輸入端、LNG-氮換熱器內(nèi)的循環(huán)壓力氮氣放熱通道。
7、 如權利要求5所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述循環(huán)壓力氮氣放熱通道通過壓縮機管道輸出的高壓氮氣壓力為超臨界壓力， 壓力值為36-60bar。
8、 如權利要求7所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于:所 述壓力值為50-60bar。
9、 如權利要求5所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于所 述循環(huán)中壓氮氣放熱通道的輸入端與循環(huán)高壓氮氣放熱通道的輸入端之間設有 可開關的連接管路；所述分餾下塔頂部或分餾塔頂部的氮氣出口設置有與氮-氮的可開關的管道。
10 、 如權利要求5所述的高效利用液化天然氣冷能的空分系統(tǒng)，其特征在于 還設置有低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)；所述低溫冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)包括冷庫冷媒換熱器；包括循環(huán)冷卻劑換熱器，以及其連接的LNG-氮換熱器的天然氣回熱通道的低溫 液化天熱氣輸出管道，以及其連接的液化天然氣輸入管道，以及其連接的空分 裝置的空氣壓縮機，以及其連接的冷庫冷媒換熱器；包括冷庫冷媒換熱器和空 分裝置的空氣壓縮機的連接通道；連接通道和管道內(nèi)采用封閉循環(huán)的低溫冷卻 劑冷卻；所述主換熱器的氮氣回熱通道、污氮回熱通道輸出端與冷庫冷媒換熱 器的冷源輸入端連才妄。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效利用LNG冷能的空分系統(tǒng)。包括LNG-氮換熱器和氮-氮換熱器兩組換熱器，以壓力氮氣作為封閉循環(huán)介質(zhì)，液化天然氣在LNG-氮換熱器中將冷量傳遞給循環(huán)氮；循環(huán)氮在氮-氮換熱器中將冷量傳遞給空分精餾塔的壓力氮，空分不與循環(huán)介質(zhì)直接接觸，避免天然氣進入空分裝置而帶來的危險。循環(huán)氮利用LNG冷能冷卻，降低壓縮功耗，獲得超臨界壓力氮，為彌補LNG高品位冷量的不足，高壓液氮一路節(jié)流到中壓壓力，另一路可通過液體膨脹機膨脹回收能量后，部分進入LNG-氮換熱器對高壓液氮進行深度過冷，其余液氮進入空分系統(tǒng)，換熱器通道數(shù)目極少、流程組織簡潔，安全可靠，操作控制方便，成本低廉、適用范圍廣。
文檔編號F25J5/00GK101532768SQ200910059100
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權日2009年4月27日
發(fā)明者易希朗, 黃震宇 申請人:四川空分設備(集團)有限責任公司