一种利用液化天然气冷能的空分系统及空气分离方法与流程

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：

天然气作为化学能源之一，因其巨大的储藏量和低污染性，被逐渐提升为及煤、石油之后的主要能源支柱，具有广阔的应用前景。天然气的贸易形式主要有管道输送和lng（液化天然气）运输，lng在进入天然气用户管网前，需要从液化状态气化至常温，其气化过程将释放巨大的冷量。空气分离装置通过充分利用lng的气化冷能，可以显著降低电耗、增加液体的生产量，提高产品在市场销售中的竞争力，经济效益十分明显。但由于空分系统是氧气富集区，天然气作为碳氢化合物，是极为敏感的有害物质。因此，对lng冷能的利用通常采用中间介质传递冷能，避免lng与空分系统的直接接触。纵观国内外lng冷能空分装置，普遍存在其流程组织过于复杂，且能耗较高，实施不易，操作控制不方便或安全可靠性欠佳现象。比如采用多台压缩机、多台膨胀机、分离罐等，换热器通道多，尤其是lng为高压，其换热器通道多，造成成本急剧增加。此外流程组织复杂，阀门、测量点等电气元件较多的区域需防爆，为装置的安全性带来隐患。

中国专利申请说明书cn101571340a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。

中国专利申请说明书cn101532768a公开了一种高效利用液化天然气冷能的空分系统，该专利一部分实施例采用了液体膨胀机代替节流阀，膨胀高压液氮，但冷量传递介质循环氮气依靠低温循环氮压机驱动，将循环氮气压缩至超临界压力，能耗比使用液体泵压缩液氮高出数十倍。且有大量高纯氮气因无法液化而放散，导致系统的综合单位能耗进一步升高。

为此，需要研制提供可消除上述缺陷的利用液化天然气冷能的空分系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通用性强，利用液化天然气冷能的空分系统，该系统将加压到规定压力lng的低温冷能与空气分离单元有机地结合起来，充分利用了lng的冷能。

本发明还提供了一种利用液化天然气冷能的空分系统进行空气分离方法，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。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：

一种利用液化天然气冷能的空分系统，其特征在于：包括空气分离单元、lng冷能利用单元和乙二醇溶液循环冷却单元；

所述乙二醇溶液循环冷却单元包含lng-乙二醇换热器12和乙二醇溶液循环泵15；

所述lng冷能利用单元包含循环液氮泵9、lng-氮换热器11、气液分离器10、液体增压膨胀机13和放空消音器17；

所述空气分离单元包含自洁式空气过滤器1、空气压缩机2、分子筛3、再生气加热器14、主换热器4、液化换热器5、精馏塔和放空消音器16，精馏塔包含下塔6、主冷凝蒸发器7和上塔8三部分。

上述的空气分离单元中，所述的自洁式空气过滤器1出口与空气压缩机2入口相连；分子筛3入口与空压机2出口和放空消音器16分别相连；分子筛3出口分别与主换热器4和再生气加热器14相连；

所述的主换热器4热端和冷端均有三股，热端分别与分子筛3出口、lng-氮换热器11热端和再生气加热器14相连；冷端分别与液化换热器5的一个热端和一个冷端、循环液氮泵9的出口相连；

所述的液化换热器5热端和冷端均有六股；冷端分别与主换热器4一个冷端、上塔8上部和顶部、下塔6顶部、气液分离器10上部和顶部相连；热端分别与下塔6底部和顶部、主换热器4的一个冷端、lng-氮换热器11的一个热端和液体增压膨胀机13的增压端入口相连；

所述下塔6的顶部设有两组出口和入口，其中一组分别与主冷凝蒸发器7的热端和冷端相连，另一组分别与液化换热器5的热端和冷端相连；底部入口与液化换热器5热端相连，底部出口经节流阀与上塔8上部相连；

所述的主冷凝蒸发器7入口与下塔6顶部相连，出口分为三股，分别与下塔6顶部、产品液氧储罐和经节流阀与上塔8顶部相连；

所述的上塔8出口分为三股，分别是顶部第一出口与产品液氮储罐相连，顶部第二出口和上部出口分别与液化换热器5的两股冷端相连；顶部和上部两个入口分别与主冷凝蒸发器7和下塔6底部相连。

为了连续不间断使用，所述分子筛3分为两台，交替使用，一台纯化一台再生。纯化端的入口与空压机2出口相连，纯化端的出口与主换热器4热端相连；再生端的入口与再生气加热器14出口相连，再生端的出口与放空消音器16相连。

所述乙二醇溶液循环冷却单元中，所述lng-乙二醇换热器12热端和冷端均有两股，冷端的两股分别与低温天然气管道和空压机2级间冷却器和末级冷却器入口相连，热端分别与天然气管道和乙二醇溶液循环泵15出口相连；

所述乙二醇溶液循环泵15入口和空压机2级间冷却器和末级冷却器出口相连，出口和lng-乙二醇换热器12热端相连；通过降低空压机2的二、三级吸入温度和分子筛进气温度，达到降低空压机能耗和分子筛吸附阻力的效果。

所述lng冷能利用单元中，所述循环液氮泵9入口与气液分离器10底部相连，出口与主换热器4冷端相连；通过使用压缩液体代替压缩气体的方式，即在设备上使用液氮泵代替低温氮气压缩机，达到大幅降低能耗的效果。

所述气液分离器10顶部出口与上部入口分别与液化换热器5两股冷端相连，上部另一个入口与液氮产品储罐相连，底部出口分别与循环液氮泵9入口、产品液氮储罐和lng-氮换热器11相连；中部入口与液体增压膨胀机13膨胀端出口相连；

为了提高氮气液化率，减少空分氮气产品放散浪费，使用液氮的液体增压膨胀机代替液氮节流阀，使系统具备液化全部产品氮气的能力。所述液体增压膨胀机13分为增压端和膨胀端，所述增压端入口与液化换热器5两个热端相连，出口与lng-氮换热器11热端相连；所述膨胀端入口与lng-氮换热器11冷端相连，出口与气液分离器10相连；

所述lng-氮换热器11冷端有五股、热端有四股，冷端分别与lng管道、液化换热器5热端、液体增压膨胀机13膨胀端入口、lng-乙二醇换热器(12)和气液分离器10底部相连；热端分别与天然气管道、液体增压膨胀机13增压端出口、主换热器4热端和放空消音器17相连。

为了提高利用液化天然气冷能空分系统对冷源lng冷量变化的适应能力，所述lng-氮换热器11设置一股换热通道，两端分别与气液分离器10和放空消音器17相连，为在lng冷能不足时开启使用；天然气换热通道中部抽出一股604，以调节输入lng-乙二醇换热器12的冷量。

为了方便启动整套系统，所述气液分离器10设置与产品液氮罐相连的一股管道216，在空分系统启动时使用。

为了防止多个物流相变影响换热效率，所述主换热器4、液化换热器5、lng-氮换热器11均是由单独的一个或是由多个分换热器组成的，避免换热器内发生温度交叉。

本发明还提供了一种利用液化天然气冷能的空分系统进行空气分离的方法，包括以下步骤：

a)原料空气经自洁式过滤器1去除大部分固体杂质后，进入空气压缩机2压缩，通过分子筛系统3去除水、碳氢化合物等杂质后得到纯净空气103；

b)纯净空气103在主换热器4中通过与上塔8上部抽出并在液化换热器5中提供冷量并初步复热的污氮气402和高压循环液氮501换热而被冷却并液化；在主换热器中完全复热的污氮气403连接纯化系统3做再生气和冷吹气；

c)液化后的空气104在液化换热器5中为液化压力氮气205和208提供冷量，并复热为气液混合空气105进入精馏塔系统中分离成排出物流，所述排出物流包括从上塔7顶部得到的纯氮气202和液氮产品218、从上塔7上部得到的污氮气401，从上塔底部得到的液氧301；

d)原料空气105在下塔6经初步分离后，在下塔6底部得到富氧液空106，在下塔6顶部得到中压氮气，中压氮气进入主冷凝蒸发器7，被上塔8底部的液氧冷凝成液氮，该液氮的一部分送回下塔6以维持下塔6的精馏工况，另一部分液氮201节流送入上塔8顶部参与精馏；另外抽出一股压力氮气208进入液化换热器5，被液化后返回下塔6做回流液；富氧液空106节流后送入上塔8中部参与上塔8的精馏；

e)送入上塔的液氮201、富氧液空106与主冷凝蒸发器7蒸发的气氧进行再次精馏，从上塔8顶部得到低压氮气202和液氮218，从上塔8上部得到污氮气401，主冷凝蒸发器7的上部与上塔8底部连通，在上塔8底部得到液氧，从主冷凝蒸发器7中抽出未气化的液氧301，送出作为产品液氧；从上塔8上部得到的污氮气401在液化换热器5和主换热器4中复热升温出空气分离单元后分成两路，一路污氮气经再生气加热器16去空气纯化器3作再生用气，一路作为放空污氮去放空消音器放空；若空分带有氩系统，则从上塔中部得到氩馏分，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；

f)气液分离器10中得到的一部分液氮213进入循环液氮泵9被加压为超临界压力液氮501并进入主换热器4复热为常温后，进入lng-氮换热器11被高压lng602冷却为超临界液氮503，获取lng冷能；液化后进入液体增压膨胀机13膨胀端膨胀为低压气液混合氮气210，进入气液分离器10分离为氮气211和液氮。上塔8顶部抽出的纯氮气202与氮气211进入液化换热器5提供冷量，复热后混合为氮气203并进入液体增压膨胀机13增压端压缩为低压氮气204，进入lng-氮换热器11被冷却后再进入液化换热器5进一步冷却并液化为液氮206，节流后进入气液分离器10，与膨胀后分离的液氮混合为液氮212；

g)气液分离器10中液氮212分为三路，循环液氮213、产品液氮217和补冷液氮214；循环液氮213流量固定不变，当lng601符合系统设计要求时，补冷液氮214流量为0，当lng601流量低于设计流量或温度高于设计温度或该两种情况同时发生时，按实际情况减少产品液氮217流量，增加补冷液氮214流量，以维持系统稳定运行；极端情况下，还可使用储罐中的液氮补冷；

h)lng601经换热后气化为出lng-氮换热器11的天然气604和605，中抽天然气604温度仍低于0度，混合lng603后与乙二醇水溶液701在乙二醇换热器12中换热，获得lng603和天然气604冷能的乙二醇水溶液703作为空压机2级间冷却器和末级冷却器的冷却介质，换热后的乙二醇水溶液702经乙二醇溶液循环泵15加压，回乙二醇换热器12进行循环换热，lng603和天然气604升温至常温天然气606与天然气605混合送入天然气管网607。

为了防止天然气泄露进入空气分离单元威胁生产安全，上述超临界循环氮气502压力高于lng601，发生lng601向氮气502泄露可能性较小；在所述氮气205管线上设置有报警连锁的碳氢化合物检测仪。如果发生污染，可紧急切断液氮217，防止污染储罐内液氮。

本发明的有益效果：

本发明中，使用循环液氮泵压缩液态氮气，作为驱动空气分离单元和lng冷能利用单元之间冷量传递介质的方法，与现有技术中低温循环氮气压缩机相比，液氮泵的能耗和设备投资均可降低90%以上；另外，低温循环氮气压缩机比循环液氮泵的做功不可逆损失多，还会大幅抬高lng的用量；同时，低温循环氮气压缩机属于特种压缩机，操作难度和保养费用较高；本发明通过使用循环液氮泵代替低温循环氮气压缩机的新流程组织形式，解决了现有技术中用于驱动循环氮气的设备能耗高、投资大、操作复杂、保养昂贵等一系列问题，实用性强。

本发明中，使用液体膨胀机膨胀被lng冷却后的超临界压力液氮，同时向增压端输出功压缩系统中未液化的氮气为进一步降温节流液化提供了条件，液体增压膨胀机在充分利用高压液氮压力能的同时，大幅提高了产品氮气的液化率；与液体节流阀相比，虽然液体增压膨胀机有设备投资高、占地面积大等劣势，但在相同条件下欲达到相同的液体产量，使用液体节流阀还需增加一个低温氮气压缩机，在增加投资的同时还会增加系统能耗约14%；本发明通过使用液体增压膨胀机代替液体节流阀，解决了现有技术中超高压液氮膨胀压力能浪费的问题，进一步降低了生产能耗。

本发明中，设置了一股换热通道，使产品液氮可以流经lng-氮换热器释放冷量来替代部分lng冷源，大幅提高了系统对lng冷量波动的抗性。lng接收站外输气量一般波动较大，而且流量波动也会影响lng温度，lng流量和温度变化均会严重影响冷能空分的正常运营生产；本发明生产成本低，在lng冷源不理想时，可以采用以产品液氮代替lng的方法，确保空分系统稳定运行；本发明lng冷能利用单元提取的液氮产品全部流经lng-氮换热器气化的工况下，液体产品的平均生产成本仍比现有技术的生产成本低，具有很强的竞争力。本发明通过使用产品液氮反流lng冷能利用单元的方式，解决了现有技术中冷能空分对lng接收站外输lng冷能质量依赖度极高的问题，适应性更强，生产更稳定。

本发明上述技术方案，与国内lng冷能空分主要性能详见附表，从附表中可看出本实发明性能优于国内先进水平，节能效果十分显著。

技术指标对比分析：

注：标准工况为214管道补冷液氮流量为零的工况；

最小工况为217管道产品液氮流量为零的工况；

需要使用储罐中液氮补冷的工况，为极端情况，这里不列出。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图中：1-自洁式空气过滤器，2-空气压机，3-分子筛，4-主换热器，5-液化换热器，6-下塔，7-主冷凝蒸发器，8-上塔，9-循环液氮泵，10-气液分离器，11-lng-氮换热器，12-lng-乙二醇换热器，13-液体增压膨胀机，14-再生气加热器，15-乙二醇溶液循环泵，16-放空消音器，17-放空消音器。

101-初步过滤空气，102-压缩空气，103-纯净压缩空气，104-液态压缩空气，105-气液混合压缩空气，106-富氧液空，201-主冷液氮，202/203-氮气，204/205-中压氮气，206-中压液氮，207-液氮，208-下塔氮气，209-辅冷液氮，210-气液混合氮气，211-氮气，212/213-液氮，214-补冷液氮，215-液氮，216-启动液氮，217/218-产品液氮，301-产品液氧，401/402-污氮气，403-常温污氮气，501-超临界液氮，502-超临界常温氮气，503-超临界液氮，601/602/603-lng，604-低温ng，605/606/607-常温ng，701/702-高温乙二醇水溶液，703-低温乙二醇水溶液。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合附图，对本发明做进一步的说明。

实施例一：

一种利用液化天然气冷能的空分系统，包括空气分离单元、lng冷能利用单元和乙二醇溶液循环冷却单元；

所述乙二醇溶液循环冷却单元包含lng-乙二醇换热器12和乙二醇溶液循环泵15；

所述lng冷能利用单元包含循环液氮泵9、lng-氮换热器11、气液分离器10、液体增压膨胀机13和放空消音器17；

所述空气分离单元包含自洁式空气过滤器1、空气压缩机2、分子筛3、再生气加热器14、主换热器4、液化换热器5、精馏塔和放空消音器16，精馏塔包含下塔6、主冷凝蒸发器7和上塔8三部分。

在所述空气分离单元中：

所述的自洁式空气过滤器1出口与空气压缩机2入口相连；分子筛3入口与空压机2出口和放空消音器16相连；分子筛3出口与主换热器4和再生气加热器14相连；

所述的主换热器4热端和冷端均有三股，热端分别与分子筛3出口、lng-氮换热器11热端和再生气加热器14相连；冷端分别与液化换热器5的一个热端和一个冷端、循环液氮泵9的出口相连；

所述的液化换热器5热端和冷端均有六股；冷端分别与主换热器4一个冷端、上塔8上部和顶部、下塔6顶部、气液分离器10上部和顶部相连；热端分别与下塔6底部和顶部、主换热器4的一个冷端、lng-氮换热器11的一个热端和液体增压膨胀机13的增压端入口相连；

所述下塔6的顶部设有两组出口和入口，其中一组分别与主冷凝蒸发器7的热端和冷端相连，另一组分别与液化换热器5的热端和冷端相连；底部入口与液化换热器5热端相连，底部出口经节流阀与上塔8上部相连；

所述的主冷凝蒸发器7入口与下塔6顶部相连，出口分为三股，分别与下塔6顶部、产品液氧储罐和经节流阀与上塔8顶部相连；

所述的上塔8出口分为三股，分别是顶部第一出口与产品液氮储罐相连，顶部第二出口和上部出口分别与液化换热器5的两股冷端相连；顶部和上部两个入口分别与主冷凝蒸发器7和下塔6底部相连。

所述分子筛3分为两台，交替使用，一台纯化一台再生；纯化端的入口与空压机2出口相连，纯化端的出口与主换热器4的热端相连；再生端的入口与再生气加热器14出口相连，再生端的出口与放空消音器16相连。

所述乙二醇溶液循环冷却单元中：

所述lng-乙二醇换热器12热端和冷端均有两股，冷端的两股分别与低温天然气管道和空压机2的两个级间冷却器和末级冷却器入口相连，热端的两股分别与天然气管道和乙二醇溶液循环泵15出口相连；

所述乙二醇溶液循环泵15入口与空压机2级间冷却器和末级冷却器出口相连，出口与lng-乙二醇换热器12热端相连。

所述lng冷能利用单元中：

所述循环液氮泵9入口与气液分离器10底部相连，出口与主换热器4冷端相连；

所述气液分离器10顶部出口与上部入口分别与液化换热器5两股冷端相连，上部另一个入口与液氮产品储罐相连，底部出口分别与循环液氮泵9入口、产品液氮储罐和lng-氮换热器11相连；中部入口与液体增压膨胀机13膨胀端出口相连；

所述液体增压膨胀机13分为增压端和膨胀端，所述增压端入口与液化换热器5两个热端相连，出口与lng-氮换热器11热端相连；所述膨胀端入口与lng-氮换热器11冷端相连，出口与气液分离器10相连；

所述lng-氮换热器11冷端有五股、热端有四股，冷端分别与lng管道、液化换热器5热端、液体增压膨胀机13膨胀端入口、lng-乙二醇换热器12和气液分离器10底部相连；热端分别与天然气管道、液体增压膨胀机13增压端出口、主换热器4热端和放空消音器17相连。

所述lng-氮换热器11设置一股换热通道，两端分别与气液分离器10和放空消音器17相连，为在lng冷能不足时开启使用；天然气换热通道中部抽出一股604，以调节输入lng-乙二醇换热器12的冷量。

所述气液分离器10设置与产品液氮罐相连的一股管道216，在空分系统启动时使用，抽取液氮储罐中液氮进入液化天然气冷能的空分系统，方便开启关键设备循环液氮泵9。

所述主换热器4、液化换热器5、lng-氮换热器11均是板式换热器，且是由单独的一个或是由多个分换热器组成的，避免换热器内温度交叉。

实施例二：

一种利用液化天然气冷能的空分系统进行空气分离方法，包括以下步骤：

a)原料空气经自洁式过滤器1去除大部分固体杂质后，进入空气压缩机2压缩，通过分子筛系统3去除水、碳氢化合物等杂质后得到纯净空气103；

b)纯净空气103在主换热器4中通过与上塔8上部抽出并在液化换热器5中提供冷量并初步复热的污氮气402和高压循环液氮501换热而被冷却并液化。在主换热器中完全复热的污氮气403连接纯化系统3做再生气和冷吹气；

c)液化后的空气104在液化换热器5中为液化压力氮气205和208提供冷量，并复热为气液混合空气105进入精馏塔系统中分离成排出物流，所述排出物流包括从上塔7顶部得到的纯氮气202和液氮产品218、从上塔7上部得到的污氮气401，从上塔底部得到的液氧301；

d)原料空气105在下塔6经初步分离后，在下塔6底部得到富氧液空106，在下塔6顶部得到中压氮气，中压氮气进入主冷凝蒸发器7，被上塔8底部的液氧冷凝成液氮，该液氮的一部分送回下塔6以维持下塔6的精馏工况，另一部分液氮201节流送入上塔8顶部参与精馏；另外抽出一股压力氮气208进入液化换热器5，被液化后返回下塔6做回流液；富氧液空106节流后送入上塔8中部参与上塔8的精馏；

e)送入上塔的液氮201、富氧液空106与主冷凝蒸发器7蒸发的气氧进行再次精馏，从上塔8顶部得到低压氮气202和液氮218，从上塔8上部得到污氮气401，主冷凝蒸发器7的上部与上塔8底部连通，在上塔8底部得到液氧，从主冷凝蒸发器7中抽出为气化的液氧301，送出作为产品液氧；从上塔8上部得到的污氮气401在液化换热器5和主换热器4中复热升温出空气分离单元后分成两路，一路污氮气经再生气加热器16去空气纯化器3作再生用气，一路作为放空污氮去放空消音器放空；若空分带有氩系统，则从上塔中部得到氩馏分，氩馏分送入全精馏无氢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；

f)气液分离器10中得到的一部分液氮213进入循环液氮泵9被加压为超临界压力液氮501并进入主换热器4复热为常温后，进入lng-氮换热器11被高压lng602冷却为超临界液氮503，获取lng冷能；液化后进入液体增压膨胀机13膨胀端膨胀为低压气液混合氮气210，进入气液分离器10分离为氮气211和液氮；上塔8顶部抽出的纯氮气202与氮气211进入液化换热器5提供冷量，复热后混合为氮气203并进入液体增压膨胀机13增压端压缩为低压氮气204，进入lng-氮换热器11被冷却后再进入液化换热器5进一步冷却并液化为液氮206，节流后进入气液分离器10，与膨胀后分离的液氮混合为液氮212；

g)气液分离器10中液氮212分为三路，循环液氮213、产品液氮217和补冷液氮214；循环液氮213流量固定不变，当lng601符合系统设计要求时，补冷液氮214流量为0，当lng601流量低于设计流量或温度高于设计温度或该两种情况同时发生时，按实际情况减少产品液氮217流量，增加补冷液氮214流量，以维持系统稳定运行；极端情况下，还可通过启动液氮216的管道使用储罐中液氮补冷；

h)lng601经换热后气化为出lng-氮换热器11的天然气604和605，中抽天然气604温度仍低于0度，混合lng603后与乙二醇水溶液701在乙二醇换热器12中换热，获得lng603和天然气604冷能的乙二醇水溶液703作为空压机2级间冷却器和末级冷却器的冷却介质，换热后的乙二醇水溶液702经乙二醇溶液循环泵15加压，回乙二醇换热器12进行循环换热，lng603和天然气604升温至常温天然气606与天然气605混合送入天然气管网607。

尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。