专利名称：一种生产液化天然气的方法
技术领域：
本发明涉及一种生产液化天然气的方法，具体涉及一种以天然气、煤层气或其它 富甲烷气为原料生产液化天然气的方法。
背景技术：
液化天然气(LNG)是指原料气(天然气、煤层气或其它富甲烷气)经过预处理、净 化脱除杂质之后通过低温深冷方法液化形成的低温液体混合物，是一种清洁、高效的能源。 天然气燃烧后二氧化硫和粉尘排放量减少近100%，产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤 的50%和20%，污染为液化石油气的1/4，煤的1/800。天然气液化后，体积缩小约600倍， 可以大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点，是一种非常清洁的能源。 随着社会的发展、科技的进步以及人类对环境保护的意识增强，近年来，液化天然气作为清 洁能源备受关注。液化天然气技术在国内起步较晚，九十年代才由中国科学院理化技术研究所(原 中国科学院低温技术中心)主持设计并制造了国内最早的两套小型LNG生产装置；进入21 世纪以后，随着国内天然气需求的不断增长，LNG工厂的建设进入了蓬勃发展的阶段，但由 于相关技术积累较薄弱以及受制于国内机械制造水平较低，我国的自主LNG生产技术远落 后于国外先进水平，尤其是大型LNG厂站的建设，基本被国外公司垄断。大型天然气液化装置基本上采用混合工质制冷技术，能耗低，可大大减少运行成 本。混合工质制冷循环主要有以下几种一是APCI公司的丙烷预冷加混合工质制冷循环， 即PPMR循环，预冷过程是根据丙烷在不同蒸发压力下提供冷量，该循环在世界LNG厂站建 设中应用实例很多，占有很重要的地位，然而该技术由于丙烷在不同压力下蒸发换热，提供 冷量，使得整个系统较为繁琐，同时使得丙烷压缩机的结构也变得复杂，对压缩机的要求很 高；一是BV公司发明的PRICO流程，是一种单级混合制冷流程，制冷剂只需单台压缩机压 缩，单个节流阀节流制冷，设备少，操作简单，目前生产能力已达130万吨/年，然而该技术 最大的缺点就是生产能力受制于单台压缩机的处理能力，尤其对于国产压缩机来说，采用 该流程的话，处理量较小；还有一种是双混合冷剂液化流程，即DMR流程，如Axens公司、壳 牌公司，DMR流程与PPMR流程相似，但用混合工质代替了丙烷制冷剂，在不同蒸发压力下提 供冷量，预冷段混合冷剂的组分一般为乙烷、丙烷、丁烷。然而该流程与PPMR流程相似，换 热过程繁琐，预冷段压缩机的结构复杂，要求较高，国产设备不易实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种以天然气、煤层气或其它富甲烷气为原料，生产液化天 然气的工艺。该工艺的主要特点是能耗低，易操作，成本低。为实现上述目的，本发明的基本思路是净化后的原料气的压力约1.0 S.OMPa， 使其进入液化冷箱装置，先进入第一换热器(也称为预冷器，该预冷器可采用切换式换热 器)，然后进入重烃分离器，分离出的气态流体进入第二换热器继续冷却降温，变成液态，减压节流后进入LNG气液分离器(也可在LNG储罐内闪蒸替代LNG气液分离器)，液态流体过 冷后出冷箱装置，送往LNG储罐，成为LNG产品(根据工艺需要，液态流体也可以不过冷，直 接送往LNG储罐)。若不选用LNG气液分离器，则从第二换热器出来的高压液态天然气直接送往LNG 罐区，在进罐前减压节流后，送入LNG储罐。从重烃分离器分出的液态流体以及从LNG气液分离器(或LNG储罐)分出的气态 流体(BOG)，都要送回到换热器复热，回收冷量后再出液化冷箱装置。上述第一换热器和第二换热器的冷量由混合工质制冷系统来提供，该混合工质制 冷系统分为高温区混合制冷系统(也称预冷区制冷循环)和低温区混合制冷系统。高温区混合制冷系统主要由混合工质压缩机、分离器、烃泵、换热器和节流阀组 成。该制冷系统的混合工质组分由戊烷、丁烷(也可不用)、丙烷(或丙烯)、乙烯(或乙 烷)组成。低温区混合制冷系统主要由低温混合工质压缩机、换热器和节流阀组成。该制冷 系统的混合工质组分由丙烷(或丙烯)、乙烯(或乙烷)、甲烷、氮气组成。本发明的技术方案具体如下本发明提供一种生产液化天然气的工艺，该工艺包括如下步骤(1)将净化后的原料气通入第一换热器中，进行预冷；(2)将经步骤(1)预冷后的原料气通入重烃分离器中，进行气液分离；(3)将步骤( 分离出的气态流体通入第二换热器中，进行液化，得到液态流体， 减压、节流，即可获得所述液化天然气；其中，所述第一换热器和所述第二换热器的冷量由双混合制冷系统来提供，该双 混合制冷系统包括高温区混合制冷系统和低温区混合制冷系统，所述高温区混合制冷系统 制冷过程如下高温混合冷剂通过第一压缩机压缩后，进入第一冷却器冷却，然后进入第一 气液分离器，分离出的气体制冷剂进入第二压缩机压缩后，进入第二冷却器冷却，接着进入 第二气液分离器，从第二气液分离器分离出的液体与从第一气液分离器分离出的液体混合 后，与从第二气液分离器分离出的高压气体混合，接着进入第一换热器，经换热后，从第一 换热器排出，接着通过第一节流阀减压节流制冷，然后返回第一换热器，从第一换热器出来 的气体返回第一压缩机，如此循环，为第一换热器提供冷量。优选地，在步骤(1)中，所述原料气的压力为1.0 8. OMpa，优选为2.0 6. OMpa， 更优选为4. 0 6. OMpa0优选地，经第一换热器预冷之后，原料气的温度为-30°C -70°C，优选 为-40°C _60°C，更优选为-45°C -55°C。优选地，经第二换热器换热之后，得到的液态流体的温度为-130°C -165°C，优 选为-140°C -160°C。优选地，所述高温混合冷剂为戊烷、丁烷、丙烷、丙烯、乙烯和乙烷中的两种或多 种；优选为戊烷、丁烷、丙烯和乙烯；更优选为戊烷、丙烷和乙烷；最优选为戊烷、丁烷、丙 烷、乙烯；进一步优选为戊烷、丙烷和乙烯。优选地，所述低温区混合制冷系统制冷过程如下低温混合冷剂通过第三压缩机 压缩压缩后，进入第三冷却器冷却，然后通过第四压缩机压缩后，进入第四冷却器冷却，冷却后的高压常温流体依次进入第一换热器和第二级换热器，经换热后，从第二换热器排出， 接着通过第二节流阀减压节流制冷，然后依次返回第二换热器和第一换热器，从第一换热 器出来的气体返回第三压缩机，如此循环，为第二换热器提供冷量。优选地，所述低温区混合制冷系统制冷过程如下低温混合冷剂通过第三压缩机 压缩压缩后，进入第三冷却器冷却，然后通过第四压缩机压缩后，进入第四冷却器冷却，冷 却后的高压常温流体依次进入第一换热器和第二级换热器，经换热后，从第二换热器排出， 接着通过第二节流阀减压节流制冷，然后返回第二换热器，从第二换热器出来的气体返回 第三压缩机，如此循环，为第二换热器提供冷量。优选地，所述低温混合冷剂为丙烷、丙烯、乙烯、乙烷、甲烷和氮气中的两种或多 种；优选为丙烷、乙烯、甲烷和氮气；更优选为丙烷、乙烷、甲烷和氮气；最优选为丙烯、乙 烯、甲烷和氮气；进一步优选为丙烯、乙烷、甲烷和氮气。优选地，所述工艺还包括将净化后的原料气先通入切换式换热器，然后再通入第 二换热器的步骤。优选地，所述工艺还包括将步骤C3)减压、节流之后的液体送入分离器的步骤。本发明的双混合冷剂液化工艺流程既具备传统DMR流程的优点，又具备PRICO流 程简单易操作的特点，因此，本发明的工艺流程可称为DPMR流程。与传统的DMR流程相比，本发明的工艺流程至少具有以下有益效果(1)高温区混合制冷系统和低温区混合制冷系统更加简单，具体而言，在制冷过程 中，高温混合制冷剂或低温混合制冷剂经过压缩、冷却后，仅通过一个节流阀节流制冷，这 样使得液化冷箱内设备减少，换热器的设计制造也更加简单。(2)本发明的DPMR流程中，每个混合工质循环都不是多个蒸发压力，只有一个节 流阀控制蒸发压力，对压缩机而言，不但在结构上更加简单，在控制上也更加容易，降低了 压缩机的制造要求，同时也降低了投资成本。(3)高温区混合制冷系统和低温区混合制冷系统均使用两台混合工质压缩机，使 得原料气的处理能力大大提高。具体而言，由于受限于国内压缩机(尤其是压缩机配套防 爆电机)生产制造水平较低，处理能力较小，国产化大型LNG工厂的建设遇到了不可逾越的 瓶颈。DPMR流程将传统的使用一台混合工质压缩机改进为使用两台混合工质压缩机，故原 料气处理能力大大提高。以目前国内单台压缩机电机最大功率约10000KW计算为例(假设 不考虑蒸汽驱动方式，燃气驱动由于国内技术水平所限也暂不考虑)，国内单台压缩机处理 LNG能力将由95万Nm3/天提高至190万Nm3/天，也就是说，150万Nm3/天LNG工程(采用 电机驱动方式)完全可以实现国产化。(4)在高温混合制冷剂的组分中增加了戊烷，使高温区冷热流体的换热曲线更加 接近，同时由于戊烷沸点高，在压缩后的冷却过程中更易出现液体，故增加了烃泵装置，将 压缩过程中产生的液体升压打至液化冷箱换热器入口。(5)原料气进液化冷箱后，先经过切换式换热器，这样在净化装置出现故障，仍可 保证正常生产，不至于因换热器堵塞而停产。本发明的工艺能耗相对低；每个制冷循环压缩机的负荷大大减小，使得单套LNG 生产装置的处理量大大提高；每个混合工质制冷循环在冷箱内只有一个节流阀控制，操作 更为简易；切换式换热器的使用，使得生产过程更加稳定、保险；分离出的重烃和BOG的冷量充分回收利用后出冷箱，降低了能耗。
图1是本发明实施例1的工艺流程示意图；图2是本发明实施例2的工艺流程示意图；图3是本发明实施例3的工艺流程示意图；其中，EX-I 第一换热器；EX-2 第二换热器；EX_3 过冷器；E_1 第一冷却器； E-2 第二冷却器；E-3 第三冷却器；E-4 第四冷却器；C0M-1 第一压缩机；C0M-2 第二压 缩机；C0M-3 第三压缩机；C0M-4 第四压缩机；V-I 第一气液分离器；V_2 第二气液分离 器；V-3 第三气液分离器；V-4 第四气液分离器J-I 第一节流阀；J-2 第二节流阀；J-3 LNG 节流阀；P-I 烃泵；EX-a/EX-b 切换式换热器；J-5a、J-6a、J-7a、J-8a、J_9a、J-IOa 切 换式换热器EX-a的阀门；J-5b、J-mKj-7b、J-mKj-9b、J-10b 切换式换热器EX_b的阀门。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体实验条件的实验方法，通常按照常规条 件，或按照厂商所建议的条件。实施例1如图1所示，净化后压力为4. OMpa的原料气进入第一换热器EX_1 (也称为一级板 翅式换热器或预冷器)，与第一换热器内其它冷流体进行热交换，温度冷却至约-50°C，出 第一换热器，进入重烃分离器V-3。进入重烃分离器的温度与原料气压力有关，原料气压力 越高，原料气内的重组分越容易被液化；压力越低，重组分液化需要的温度越低。因此进入 重烃分离器的温度可以根据原料气压力进行调整，但不宜过低。原则上，温度越低，重组分 液化的越多，进入后续装置的量会越小；但同时，甲烷、乙烷等轻组分溶解到重组分液体里 的量也越大，会造成最终LNG的产量下降。原料气进入重烃分离器V-3后进行气液分离，以重烃为主的液体从重烃分离器 V-3底部出来，返回第一换热器EX-I冷端通道，回收冷量后，出冷箱。以甲烷、乙烷、丙烷为 主的气体从V-3顶部出来，进入第二换热器EX-2继续冷却。重烃分离器V-3的主要作用就是防止沸点高的物质进入后续低温装置，固化后堵 塞板翅式换热器等设备。原料气在第二换热器EX-2内与其它冷流体交换热量，逐渐冷却并最终变成过冷 液体后(温度约为-160°C )，出第二换热器EX-2，经LNG节流阀J-3减压节流后，进入气液 分离器(或LNG储罐)V-4，闪蒸出来的气体(BOG)，依次返回第二换热器EX-2、第一换热器 EX-1，复热后出冷箱。液体即成为LNG产品。系统所需冷量来自高温区混合制冷系统和低温区混合制冷系统。高温区混合制冷系统为第一换热器EX-I提供冷量。过程如下高温混合冷剂进入 第一压缩机C0M-1，压缩后进入第一冷却器E-I (水冷或风冷)，冷却后进入第一气液分离器 V-1，分出的气体制冷剂进入第二压缩机C0M-2和第二冷却器E-2压缩冷却后，进入第二气 液分离器V-2。从第二气液分离器V-2分离出的液体主要是重组分冷剂，与从第一气液分离器V-I分离出的液体混合后，用烃泵P-I打至高压后，与从第二气液分离器V-2分离出的 高压气体混合后进入第一换热器EX-I热端通道(高压液体和高压气体也可以不混合，分别 进入第一换热器EX-I热端通道)。混合冷剂在第一换热器EX-I内与其它冷流体换热冷却 后，出第一换热器EX-1，通过第一节流阀J-I减压节流制冷，温度降低，然后返回第一换热 器EX-1，为第一换热器内的热流体提供冷量。出第一换热器EX-I后，又变为低压常温气体， 返回第一压缩机C0M-1，继续压缩、冷却、节流、制冷，如此循环。从上述过程可以看出，高温区混合制冷系统只有一个节流阀J-1，流程简单，操作 方便。低温区混合制冷系统过程如下低温混合冷剂分别进入第三压缩机C0M-3、第三 冷却器E-3、第四压缩机C0M-4、第四冷却器E-4，成为高压常温流体。之后依次进入第一换 热器EX-I热端、第二换热器EX-2热端，温度逐渐降低，从第二换热器EX-2冷端出来后成 为过冷液体。然后经过第二节流阀J-2减压节流后，温度降低，然后依次返回第二换热器 EX-2、第一换热器EX-I冷端，为第二换热器EX-2内热流体提供冷量。混合冷剂从第一换热 器EX-I热端出来后，又成为低压气体，返回第三压缩机C0M-3，压缩、冷却、节流、制冷，如此 循环。从上述过程可以看出，低温区混合制冷系统只有一个节流阀J-2，流程简单，操作 方便。整个制冷循环只有两个节流阀，即第一节流阀J-I和第二节流阀J-2 ；高温区混 合制冷系统和低温区混合制冷系统分别为不同温区提供冷量，换热效率高；由于有两组压 缩机，而非一组，使得单组压缩机的负荷减少，LNG工厂的处理量越大，优势越明显。该工 艺为国产化建设大型LNG工厂铺平了道路。以目前国内单台压缩机防爆电机最大功率约 10000KW计算为例(假设不考虑蒸汽透平驱动方式，燃气轮机驱动由于国内制造技术水平 较低所限也暂不考虑)，每生产INm3LNG耗电量按0. 25kffh计算，采用国内单台压缩机的话， LNG生产能力约95万Nm3/天；若采用本专利公开的DPMR工艺，则LNG生产能力可提高至约 190万Nm3/天，也就是说，目前国内引进的150万Nm3/天LNG装置(采用电机驱动方式)完 全可以实现国产化。实施例2如图2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，低温混合冷剂经第二节流阀 J-2减压节流进入第二换热器EX-2冷端，从第二换热器EX-2热端出来后，没有像实施例1 那样进入第一换热器EX-I冷端，而是直接返回第一压缩机C0M-1入口，进行压缩。由于从第二换热器EX-2热端出来的混合冷剂为低温流体，一般为-40°C -70°C， 故实施例2的低温混合冷剂压缩机须采用低温压缩机；而实施例1的低温混合冷剂压缩机 采用常温压缩机即可。实施例3如图3所示，实施例3与实施例2不同之处在于采用了切换式换热器EX-a和EX_b， 并采用了过冷器EX-3。净化后的原料气通过切换阀门J-5a、J4b的开闭，选择进入切换式换热器EX-a或 EX-b。本实施例3以选择进入切换式换热器EX-a为例(阀门J-恥涂黑，表示关闭状态，其 它涂黑阀门亦然)，原料气与冷流体换热，温度降低，然后进入重烃分离器。冷流体来自高温混合冷剂经第一节流阀J-I减压后，分为两路，一路为切换式换热器EX-a或EX-b提供冷 量，一路为第一换热器EX-I提供冷量。两路高温混合冷剂分别从两个换热器出来后，汇合 在一起，然后返回压缩机，进行循环。设置切换式换热器EX-a或EX_b的作用主要是防止原料气在前期净化过程中处 理的不够干净，或者净化装置出现异常，导致原料气中的水、苯及芳香烃等高沸点杂质进入 冷箱，在低温下凝固，从而堵塞低温设备。设置了切换式换热器后，一旦杂质随原料气进入 冷箱，就会被冻结在切换式换热器上。举例说明，当切换式换热器EX-a前后压差增大时，说明有杂质被冻结在切换式换 热器EX-a的通道上了。当压差继续增大并影响到装置正常运行时，就可以将原料气从切换 式换热器EX-a切换到切换式换热器EX-b，操作如下开启切换式换热器EX-b前后四个阀 门J_5b、J_6b、J_7b、J_8b，关闭切换式换热器EX-a前后四个阀门J_5a、J_6a、J_7a、J-8a, 同时关闭阀门J_9b、J-IOb,开启阀门J-9a、J-lOa，用较高温度的BOG气体将切换式换热器 EX-a内的杂质复温吹除掉，便于切换式换热器EX-a下次重新使用。如果能够保证前期净化设备运转正常，切换式换热器就没有必要设置。所以要根 据实际情况或用户要求来确定切换式换热器的设置与否，另外，换式换热器可以根据情况 设置多个。在本实施例中，从第二换热器EX-2出来的液态经过冷器EX-3过冷后，获得LNG产
P
ΡΠ O以上参照具体实施方式
详细地描述了本发明，对本领域技术人员而言，应当理解 的是，上述具体实施方式
不应该被理解为限定本发明的范围。因此，在不脱离本发明精神和 范围的情况下可以对本发明的实施方案作出各种改变和改进。
9
权利要求
1.一种生产液化天然气的方法，该方法包括如下步骤(1)将净化后的原料气通入第一换热器中，进行预冷；(2)将经步骤(1)预冷后的原料气通入重烃分离器中，进行气液分离；(3)将步骤( 分离出的气态流体通入第二换热器中，进行液化，得到液态流体，减压、 节流，即可获得液化天然气产品；其中，所述第一换热器和所述第二换热器的冷量由双混合制冷系统来提供，该双混合 制冷系统包括高温区混合制冷系统和低温区混合制冷系统，所述高温区混合制冷系统制冷 过程如下高温混合冷剂通过第一压缩机压缩后，进入第一冷却器冷却，然后进入第一气液 分离器，分离出的气体制冷剂进入第二压缩机压缩后，进入第二冷却器冷却，接着进入第二 气液分离器，从第二气液分离器分离出的液体与从第一气液分离器分离出的液体混合后， 与从第二气液分离器分离出的高压气体混合，接着进入第一换热器，经换热后，从第一换热 器排出，接着通过第一节流阀减压节流制冷，然后返回第一换热器，从第一换热器出来的气 体返回第一压缩机，如此循环，为第一换热器提供冷量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述原料气的压力为1.0 8. OMpa,优选为2. 0 6. OMpa,更优选为4. 0 6. OMpa。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经第一换热器预冷之后，原料气的温 度为-30°C _70°C，优选为-40°C _60°C，更优选为-45°C -55°C。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，经第二换热器换热之后，得到 的液态流体的温度为_130°C _165°C，优选为-140°C _160°C。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述高温混合冷剂为戊烷、丁 烷、丙烷、丙烯、乙烯和乙烷中的两种或多种；优选为戊烷、丁烷、丙烯和乙烯；更优选为戊 烷、丙烷和乙烷；最优选为戊烷、丁烷、丙烷、乙烯；进一步优选为戊烷、丙烷和乙烯。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述低温区混合制冷系统制冷 过程如下低温混合冷剂通过第三压缩机压缩压缩后，进入第三冷却器冷却，然后通过第四 压缩机压缩后，进入第四冷却器冷却，冷却后的高压常温流体依次进入第一换热器和第二 级换热器，经换热后，从第二换热器排出，接着通过第二节流阀减压节流制冷，然后依次返 回第二换热器和第一换热器，从第一换热器出来的气体返回第三压缩机，如此循环，为第二 换热器提供冷量。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述低温区混合制冷系统制冷 过程如下低温混合冷剂通过第三压缩机压缩压缩后，进入第三冷却器冷却，然后通过第四 压缩机压缩后，进入第四冷却器冷却，冷却后的高压常温流体依次进入第一换热器和第二 级换热器，经换热后，从第二换热器排出，接着通过第二节流阀减压节流制冷，然后返回第 二换热器，从第二换热器出来的气体返回第三压缩机，如此循环，为第二换热器提供冷量。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述低温混合冷剂为丙烷、丙 烯、乙烯、乙烷、甲烷和氮气中的两种或多种；优选为丙烷、乙烯、甲烷和氮气；更优选为丙 烷、乙烷、甲烷和氮气；最优选为丙烯、乙烯、甲烷和氮气；进一步优选为丙烯、乙烷、甲烷和 氮气。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述工艺还包括将净化后的原 料气先通入切换式换热器，然后再通入第二换热器的步骤。
10.根据权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将步骤(3) 减压、节流之后的液化天然气产品送入气液分离器的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种生产液化天然气的工艺，该工艺包括将净化后的原料气通入第一换热器中，进行预冷；将经预冷后的原料气通入重烃分离器中，进行气液分离；将分离出的气态流体通入第二换热器中，进行液化，得到液态流体，减压、节流，即可获得液化天然气；其中，制冷循环由高温区和低温区两个独立的混合工质制冷循环组成；原料气可先通过切换式换热器再进入第一换热器；分离出的重烃和BOG返回换热器复热。本发明的工艺能耗相对低；每个混合工质制冷循环在冷箱内只有一个节流阀控制，操作更为简易；切换式换热器的使用，使得生产过程更加稳定、保险；分离出的重烃和BOG的冷量充分回收利用后出冷箱，降低了能耗。
文档编号F25B1/00GK102115683SQ20091024427
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者任小坤, 史红兵, 张武 申请人:中国科学院理化技术研究所