专利名称：一种利用液化天然气冷能的空分方法
技术领域：
本发明涉及一种空气分离方法，特别涉及一种利用液化天然气冷能的空气分离方法。
背景技术：
LNG(液化天然气)是一种优质清洁能源。为满足管输要求，LNG需加压到某个规 定的压力。在加压过程中，LNG的一部分冷能转化为压力能。加压后的LNG仍具有高品位 的低温冷能。通常的办法是用海水加热气化升温后送入输气管线。这样做浪费了宝贵的低 温冷能。空分系统特别是生产液氧、液氮和液氩等液体空分产品的空分系统以及生产部分 加压气氧、气氮(内压缩气体产品)和部分液体空分产品的空分系统，需要大量的低温冷 量。常规的办法是用一股高压空气或高压氮气冷却到规定温度后进一台或两台增压透平膨 胀机膨胀制冷来提供空分系统所需的冷量。气体的压缩是要消耗大量电力和冷却水的。因 此常规的这类空分系统其液体空分产品和内压缩气体产品的单位电耗很高。中国专利申请说明书CN 1873357A公开了一种回收液化天然气冷能的空分系 统，该专利申请的低温氮压机仅一段压缩，进口温度则-110°C 120°C，出日压力3.0 3. 5MPa ；制冷循环中带增压透平膨胀机；进气用冷氮气冷却；由于未充分利用LNG的冷能， 加上该专利的精馏系统组织产品提取率较低，因而产品的单位能耗较高。中国专利申请说明书CN 101033910A公开了一种集成空气分离与液化天然气冷 量回收系统，该专利申请用常温进气低压及中压氮压机，压缩机轴功率高；该专利申请无乙 二醇水溶液冷却系统，原料空压机轴功率较高。由于未充分利用LNG的冷能，因而产品的单 位能耗较高。中国专利申请说明书CN 101050913A公开了一种利用从液化天然气中提取的冷 量生产液氧液氮的空分系统，该专利申请采用三段低温进气的循环氮压机，但未给出进气 温度与排气压力；该专利申请的精馏组织氧氩的提取率较低；该专利申请无乙二醇水溶液 冷却系统，不仅原料空压机轴功率较高，NG的高温冷能也未充分利用，导致产品的单位能耗 较高，且出空分系统的NG仍处低温，不能满足管输要求。中国专利申请说明书CN 1407303A公开了一种利用液化天然气冷量的空气分离 装置，该专利申请未说明使用何种氮压机，无乙二醇水溶液冷却系统，仅适用于小型空分设备。中国专利申请说明书CN 101571340A公开了一种利用液化天然气冷能的空分系 统，该专利采用三段低温进气的循环氮压机，采用乙二醇冷却系统，但液氧产品的获得主要 是依靠低压氧气与LNG-氮换热器中的高压过冷液氮节流至低压与其换热，且循环高压液 氮的过冷的冷源之一为节流的低压液氮，即循环低温氮气压缩机中一段入口流量较大，导 致低温氮气压缩机轴功率较高。上述专利申请说明书均未涉及能及时发现LNG可能泄漏的措施，较易引发一些问题和意外。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种利用液化天然气冷能的空 分方法，该方法将加压到规定压力的LNG的低温冷能与空气分离单元有机地结合起来，充 分地利用了 LNG的冷能。即将LNG的低温冷能用来生产液体空分产品和内压缩气体产品， 以降低液体空分产品和内压缩气体产品的单位电耗，同时使LNG在空分系统中气化升温达 到要求的管输温度。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是一种利用液化天 然气冷能的空分方法，包括以下步骤(一)净化后的压缩原料空气送入空气分离单元，所述空气分离单元包括主换热 器、液氮_氮换热器和精馏塔系统；所述精馏塔系统包括上塔、下塔、主冷凝蒸发器和液氮 液空过冷器；( 二)所述原料空气在主换热器中通过与所述上塔排出的低压氮气和循环压力氮 气换热而被冷却，冷却后的原料空气进所述下塔参与精馏；原料空气经过所述精馏塔系统 的精馏获得液氮、液氧、液氩产品；(三)经过所述下塔的精馏，在所述下塔顶部获得压力氮气，从所述下塔顶部抽出 一股压力氮气，在所述液氮-氮换热器中与LNG-氮换热器中来的循环压力液氮换热并被液 化后返回下塔，将冷量传递至所述空气分离单元，所述循环压力液氮被气化为所述循环压 力氮气；(四)在主换热器中部从低压氮气中抽出一股低温低压氮气，送入低温氮气压缩 机组进行压缩形成压力氮气，所述低压氮气中的其余部分经主换热器复热后送出作为低压 氮气产品，或者放空；所述压力氮气进入LNG-氮换热器与加压到输送压力的LNG换热，换热 后的压力氮气与从高压过冷液氮中返流的压力氮气汇合再次进入所述低温氮气压缩机组 进行压缩，压缩后形成中压氮气，中压氮气进入LNG-氮换热器与加压到输送压力的LNG换 热，换热后与从高压过冷液氮中返流的中压氮气汇合，循环上述压缩和换热步骤，直至形成 高压过冷液氮；从高压过冷液氮中抽出一股作为所述循环压力液氮；(五)所述循环压力氮气换热后形成出所述主换热器的复热循环压力氮气，所述 复热循环压力氮气进LNG-氮换热器冷却后与所述压力氮气汇合；(六)LNG换热后升温至管输温度送入输气管线。所述低温氮气压缩机组包括两台，其中一台为低压氮气压缩机，另一台为循环氮 气压缩机；所述低温低压氮气送入所述低压氮气压缩机进行压缩，所述换热后的压力氮气 与从高压过冷液氮中返流的压力氮气汇合再次进入所述循环氮气压缩机的一段进行压缩， 压缩后形成中压氮气进LNG-氮换热器中与LNG换热后与从高压过冷液氮中返流的中压氮 气汇合，汇合后的中压氮气进入所述循环氮气压缩机的二段进行压缩，增压后的高压氮气 再次进LNG-氮换热器中与LNG换热后形成出LNG-氮换热器的高压过冷液氮。所述空气分离单元还包括液氮液空过冷器；所述液氮产品由两部分组成，其中一 部分是由所述高压过冷液氮中抽出一股，送入液氮液空过冷器中过冷并节流后送出作为液 氮产品；另一部分为下塔顶部获得的低压氮气经主冷凝蒸发器冷凝成液氮后，经液氮液空过冷器过冷后送入上塔，经上塔进一步精馏，于上塔顶部抽取液氮作为液氮产品。所述循环氮气压缩机为二段低温进气的多级压缩透平压缩机。所述LNG-氮换热器的物流流出处设置有报警联锁的碳烃化合物检测仪。本发明具有的优点和积极效果是将LNG的低温冷能用于空气分离单元后，可使 液体空分产品或内压缩气体产品的单位电耗大幅降低，可获得大量液氮产品，且氩的提取 率较高，同时还节省大量冷却水，符合节能降耗、发展循环经济的大趋势，具有明显的社会 效益和经济效益。
图1是本发明的工艺流程图。图中1、空气过滤器，2、空压机，3、纯化器，4、主换热器，5、下塔，6、主冷凝蒸发 器，7、上塔，8、液氮液空过冷器，9、液氮-氮换热器，10、再生用加热器，11、放空消音器，12、 LNG-氮换热器，13、循环冷却泵，14、LNG-冷却剂换热器，15、低压氮气压缩机，16为循环氮 气压缩机。
具体实施例方式为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图 详细说明如下请参阅图1，本发明一种利用液化天然气冷能的空分方法原料空气100经空气过滤器1吸入并经空压机2多级压缩(各级冷却器用循环冷 却液冷却)达到0. 5MPa左右，然后进空气纯化器3除去二氧化碳、水、乙炔等有害杂质，净 化后的压缩原料空气101送入空气分离单元。净化后的压缩原料空气101在主换热器4与返流气体换热降温到要求温度后送入 下塔5。空气在下塔5经初步分离后，在下塔5底部得到富氧液空106，在下塔5顶部得到 压力氮气。抽出一部分压力氮气103进入液氮-氮换热器9中被LNG-氮换热器12来的循 环压力液氮708液化后返回下塔5，实现冷量的传递。其余压力氮气进入主冷凝蒸发器6， 在其中被上塔7来的液氧冷凝成液氮。该液氮的一部分送回下塔以维持下塔的精馏工况， 另一部分液氮107经液氮液空过冷器8过冷后节流送入上塔7顶部参与精馏。出下塔的富氧液空106经液氮液空过冷器8过冷后节流送入上塔7中部参与上塔 7的精馏。送入上塔的液氮107、富氧液空106与主冷凝蒸发器6蒸发的气氧进行再次精馏， 从上塔7顶部得到低压氮气104，并获得精馏产品液氮203，从上塔7上部得到污氮气105， 从上塔中部得到氩馏分，主冷凝蒸发器6的上部与上塔7底部连通，在上塔7底部得到液 氧，从主冷凝蒸发器6中抽出该液氧，经液氮液空过冷器8过冷后送出作为产品液氧201。 从上塔7顶部得到的低压氮气104在液氮液空过冷器8和主换热器4中复热，由主换热器 4中部设定温度位置抽出其中一部分低温低压氮气208，直接进入低压氮气压缩机15的入 口，其余由主换热器4复热成常温低压氮气产品210去用户或作为低压放空氮气209去放 空消音器11。从上塔7上部得到的污氮气105在液氮液空过冷器8和主换热器4中复热 升温出空气分离单元后也分成两路，一路污氮气经再生用加热器10加热后，去空气纯化器3作再生用气205，一路作为放空污氮207去放空消音器11放空。氩馏分送入制氩系统制 取产品液氩，该制氩系统是本行业技术人员所熟知的，在此不再累述。在上塔7底部获得液 氧，液氧进入主冷凝蒸发器，抽出部分液氧，液氧经液空液氮过冷器8过冷后作为液氧产品 201送出。主冷凝蒸发器6作为上塔7的蒸发器，下塔5的冷凝器，主冷凝蒸发器6的上部与 上塔7底部连通。主冷凝蒸发器6将上塔7底部获得的液氧的一部分蒸发成氧气，作为上 塔7的上升气。主冷凝蒸发器6上设有氮气入口和液氮出口，在下塔5顶部获得的压力氮 气有一部分进入主冷凝蒸发器6被冷凝成液氮送出。出主换热器4中部的低温低压氮气208经低压氮气压缩机15增压后的形成压 力氮气702与空气分离单元返流回来的复热循环压力氮气211进入LNG-氮换热器12， 与加压到输送压力的LNG601换热，在其中汇合后被冷却到-100°C _150°C，与被复热 到-100°C _150°C的高压返流压力氮气703汇合，汇合后的压力氮气进入循环氮气压缩机 16 一段入口压缩，出循环氮气压缩机16 —段的增压后的中压氮气704再次进入LNG-氮换 热器12被LNG冷却到-100°C _150°C，与被复热到_100°C _150°C的中压返流氮705汇 合，汇合后的中压氮气进入循环氮气压缩机16的二段入口压缩，增压后的高压氮气707进 入LNG-氮换热器12被LNG液化并过冷形成高压过冷液氮710。高压过冷液氮710分为四 个部分，其一节流为中压返流氮气705，中压返流氮气705经LNG-氮换热器12复热后与冷 却后的中压氮气704汇合，进循环氮气压缩机16 二段入口 ；其二进入空气分离单元液氮液 空过冷器8中继续过冷后节流送出，作为产品液氮202，其三节流成高压返流压力氮气703 返回LNG-氮换热器12复热，与冷却后的压力氮气702、冷却后的复热循环压力氮气211汇 合，回到循环氮气压缩机16 —段入口，其四节流成循环压力液氮708进入空气分离单元的 液氮-氮换热器9，将下塔抽出的压力氮气103冷却成液体的同时本身被气化成循环压力氮 气709，循环压力氮气709经主换热器4复热后形成复热循环压力氮气211，复热循环压力 氮气211被送至LNG-氮换热器12冷却后回到循环氮气压缩机16 —段入口。上述低压氮 气压缩机15的排气压力在0. 375MPa左右。上述循环氮气压缩机16是二段低温进气的多 级压缩透平压缩机，每段进口的氮气温度均为-100°C -150°C，循环氮气压缩机16的末级 出口氮气压力大于3. 4MPa。用户来的LNG液化天然气601在LNG-氮换热器12与氮换热，在LNG-氮换热器12 设定位置抽出大部分低温天然气602进入LNG-冷却液换热器14，充分利用LNG的高温段冷 能，在冷却循环冷却液的同时本身被升温形成复热天然气605，与从LNG-氮换热器12热端 直接抽出的热端天然气603汇合后形成管输天然气604送入用户管网。在LNG-氮换热器 12的各物流流出处设置有报警联锁的碳烃化合物检测仪。经LNG-冷却液换热器14冷却后的循环冷却液802，送入系统需要冷却的各处，复 热后的循环冷却液803经冷却液泵13加压后送回LNG-冷却液换热器14。如果需要，在液氮202出口加液氮泵，在液氧201出口加液氧泵，在主换热器4内 增设压力氮、压力氧通道，可以全部或部分生产内压缩氮、氧产品。本发明冷量的传递是压力氮作为循环的介质，通过LNG-氮换热器12与液氮-氮 换热器9来实现的。氮气经过低压氮气压缩机15及循环氮气压缩机16的循环压缩及与LNG 的不断换热，最终获得高压过冷液氮710，经节流后形成循环压力液氮708被送入液氮-氮换热器9，与下塔5顶部抽出压力氮气103换热，将压力氮气103液化的同时本身被汽化，汽 化后的氮气经主换热器4复热后送入LNG-氮换热器12并与低压氮气压缩机15出口的压 力氮气702、高压返流氮气703汇合后送入循环氮气压缩机一段入口。从下塔5抽出的氮气 被液化后返回下塔5顶部作为回流液，从而完成冷量的传递。本发明中将低压氮104作为部分液氮产品原料、压力氮作为循环的介质，通过 LNG-氮换热器12及液氮-氮换热器9将冷量传输给空气分离单元精馏塔中的低压氮气104 及压力氮气103。产品液氧210由空气分离单元中的主冷凝蒸发器6中抽出并经液氮液空 过冷器8过冷后送出，产品液氮一部分来引低压氮气104经低温氮气压缩机组循环增压进 入LNG-氮换热器12液化节流后送入空气分离单元液氮液空过冷器8进一步过冷后再节流 获得，其余部分由空分精馏获得，低温氮气压缩机组由低压氮气压缩机及循环氮气压缩机 组成。本发明的特点1)主换热器中抽低温低压氮压缩低温氮压缩，压缩机能耗低；大部分产品液氮源于低压氮压缩后液化，抽取的精馏 液氮产品少，去上塔顶部参与精馏的液氮多，上塔精馏效果好，氧、氩的提取率很高，高价值 的液氩产量高。空压机系常温压缩，空气压缩能耗高，低压氮压缩所需原料空气量少，低温 氮压缩部分取代常温空气压缩能耗低；原料空气少，精馏前端的设备、管道等投资可降低； 可以提高液氮和液氧产量的比值，对系统的影响较少；中抽低压氮气流路短，阻力小，压力 高，压缩比小，能耗低；中抽低压氮气，主换热器尺寸小，费用投资低；中抽低压氮气，主换 热器热端温差小，纯化器再生由于污氮温度高，再生加热器所需加热量少，再生功耗低。2)低压氮压机、循环氮压机分开，可独立运行分开独立运行可避免装置启动液体消耗大、过程操作复杂等一系列问题；液氮产 品取出量不大时，低压氮压机可以停止运行而节能；压缩机的调节范围更宽如前期供应 的LNG温度高，液氮产量少则可以停运低压氮压机节能，后期供应的LNG温度低，则可以增 加液氮产量而对整个系统影响小。3)产品液氮由液化液氮和精馏液氮两部分组成可以避免LNG-氮换热器内漏而无法生产纯度合格的液氮产品，一旦内漏可关闭 液化液氮产品，产品液氮全部由精馏液氮取出。4)本发明与国外先进LNG冷能空分、常规液体空分的比较本发明与国外先进LNG冷能空分、常规液体空分软件在某设计条件下的模拟计算 结果详见附表，从附表中可看出本发明性能优于国外先进水平，相对于常规液体空分节能 十分显著。A本发明液体空分A. 1本发明610T/D液体空分产能
权利要求
一种利用液化天然气冷能的空分方法，其特征在于，包括以下步骤(一)净化后的压缩原料空气(101)送入空气分离单元，所述空气分离单元包括主换热器(4)、液氮 氮换热器(9)和精馏塔系统；所述精馏塔系统包括上塔(7)、下塔(5)、主冷凝蒸发器(6)和液氮液空过冷器(8)；(二)所述原料空气(101)在主换热器(4)中通过与所述上塔(7)排出的低压氮气(104)和循环压力氮气(709)换热而被冷却，冷却后的原料空气进所述下塔(5)参与精馏；原料空气(101)经过所述精馏塔系统的精馏获得液氮、液氧、液氩产品；(三)经过所述下塔(5)的精馏，在所述下塔(5)顶部获得压力氮气，从所述下塔(5)顶部抽出一股压力氮气(103)，在所述液氮 氮换热器(9)中与LNG 氮换热器(12)中来的循环压力液氮(708)换热并被液化后返回下塔(5)，将冷量传递至所述空气分离单元，所述循环压力液氮(708)被气化为所述循环压力氮气(709)；(四)在主换热器(4)中部从低压氮气(104)中抽出一股低温低压氮气(208)，送入低温氮气压缩机组进行压缩形成压力氮气(702)，所述低压氮气(104)中的其余部分经主换热器(4)复热后送出作为低压氮气产品，或者放空；所述压力氮气(702)进入LNG 氮换热器(12)与加压到输送压力的LNG(601)换热，换热后的压力氮气与从高压过冷液氮(710)中返流的压力氮气(703)汇合再次进入所述低温氮气压缩机组进行压缩，压缩后形成中压氮气(704)，中压氮气(704)进入LNG 氮换热器(12)与加压到输送压力的LNG(601)换热，换热后与从高压过冷液氮(710)中返流的中压氮气(705)汇合，循环上述压缩和换热步骤，直至形成高压过冷液氮(710)；从高压过冷液氮(710)中抽出一股作为所述循环压力液氮(708)；(五)所述循环压力氮气(709)换热后形成出所述主换热器(4)的复热循环压力氮气(211)，所述复热循环压力氮气(211)进LNG 氮换热器(12)冷却后与所述压力氮气(702)汇合；(六)LNG(601)换热后升温至管输温度送入输气管线。
2.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的空分方法，其特征在于，所述低温氮 气压缩机组包括两台，其中一台为低压氮气压缩机(15)，另一台为循环氮气压缩机(16)； 所述低温低压氮气(208)送入所述低压氮气压缩机(15)进行压缩，所述换热后的压力氮气 与从高压过冷液氮(710)中返流的压力氮气(703)汇合再次进入所述循环氮气压缩机(16) 的一段进行压缩，压缩后形成中压氮气(704)进LNG-氮换热器(12)中与LNG(601)换热后 与从高压过冷液氮(710)中返流的中压氮气(705)汇合，汇合后的中压氮气进入所述循环 氮气压缩机(16)的二段进行压缩，增压后的高压氮气(707)再次进LNG-氮换热器(12)中 与LNG(601)换热后形成出LNG-氮换热器(12)的高压过冷液氮(710)。
3.根据权利要求2所述的利用液化天然气冷能的空分方法，其特征在于，所述空气分 离单元还包括液氮液空过冷器(8)；所述液氮产品由两部分组成，其中一部分是由所述高 压过冷液氮(710)中抽出一股，送入液氮液空过冷器(8)中过冷并节流后送出作为液氮产 品；另一部分为下塔顶部获得的低压氮气经主冷凝蒸发器(6)冷凝成液氮后，经液氮液空 过冷器(8)过冷后送入上塔(7)，经上塔(7)进一步精馏，于上塔(7)顶部抽取液氮作为液 氣广品。
4.根据权利要求3所述的利用液化天然气冷能的空分方法，其特征在于，所述循环氮气压缩机(16)为二段低温进气的多级压缩透平压缩机。
5.根据权利要求1所述的利用液化天然气冷能的空分方法，其特征在于，所述LNG-氮 换热器(12)的物流流出处设置有报警联锁的碳烃化合物检测仪。
全文摘要
本发明公开了一种利用液化天然气冷能的空分方法，包括空气分离单元、为空气分离单元提供冷量的LNG冷能利用单元及利用NG高温冷能的循环冷却液循环单元等三个部分。本发明将LNG的低温冷能用于空气分离单元后，可使液体空分产品或内压缩气体产品的单位电耗大幅降低，可获得大量液氮产品，且氩的提取率较高，同时还节省大量冷却水，符合节能降耗、发展循环经济的大趋势，具有明显的社会效益和经济效益。
文档编号F25J3/04GK101943512SQ20101029709
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者吕志榕, 李传明, 江克忠, 江楚标, 蔡阳, 贺雷, 黄震宇 申请人:中国海洋石油总公司;中海油能源发展股份有限公司;四川空分设备(集团)有限责任公司