一种LNG蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统及工艺

一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统及工艺
技术领域
1.本发明涉及天然气提氦技术领域，特别涉及一种从lng蒸发气中提取高纯度氦和氮及快速制冰联产的系统及工艺。


背景技术：

2.氦气是一种既不可替代、又关系国家安全和高新技术产业发展的稀缺战略资源，在国防军工、航空航天、低温科学等高科技领域有着非常广泛的用途，并且需求量越来越大。传统的天然气分离法、合成氨法、空气法和铀矿石法提取氦气效率低、能耗高、工艺流程复杂，成为制约氦气产业发展的关键因素。
3.近年来，随着新材料、新技术的发展，天然气提氦技术不断改进和创新，吸附法、膜渗透法等提氦工艺发展迅速，各类联产法、联合法为促进天然气提氦技术的发展提供了新的思路，如cn212538459u、cn111947394a、cn102272544b、cn110455038b、cn111692837a等技术。但这些技术主要注重天然气提氦，忽略了lng冷能的利用，对lng低温蒸发气冷能的回收和利用率低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于弥补上述现有技术存在的不足之处，提供一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统及工艺，在提取lng蒸发气中富含的氦气和氮气的同时，利用lng蒸发气冷能快速制冰，提高lng低温蒸发气冷能的回收和利用率。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：本发明的目的之一是提供一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统，包括氦气粗提富集单元和氦气精制提纯单元；所述氦气粗提富集单元包括通过管道顺次连接的制冰装置、第一渗透器、第一压缩机、第二渗透器、第二压缩机、第三渗透器；所述氦气精制提纯单元包括通过管道顺次连接的氢及碳氢化合物氧化反应器、第一冷却器、水分分离器、第一psa、第二冷却器、第一氮分离器、第三冷却器、第二氮分离器、第二预热器、第二psa、第三预热器；所述第三渗透器与氢及碳氢化合物氧化反应器之间设有第三压缩机，第三预热器出气端通过管道依次连接第四压缩机、氦气瓶。
6.进一步地，所述氦气粗提富集单元还包括第一预热器，第一预热器的进气端连接lng蒸发气源，第一预热器的出气端连接制冰装置的进气端。
7.进一步地，所述氦气粗提富集单元还包括水槽，水槽设有两个出水口，其中一个出水口向制冰装置的制冰箱体内注水用于制冰，另一个出水口向制冰装置的制冰箱体外进行水浴加热使制冰箱体内冰块与制冰箱体实现快速脱离，制冰装置内流出的水通过管道循环注入水槽。
8.进一步地，所述第三渗透器的尾气输出口与第二渗透器的进气口连接，第二渗透
器的尾气输出口与第一渗透器的进气口连接，第一渗透器的尾气输出口连接天然气输送管网。
9.进一步地，所述第一氮分离器、第二氮分离器、第二psa的氮气输出口连接氮气瓶。
10.本发明的另一目的是提供一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产工艺，是利用上述lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统实现的，具体步骤包括：（1）氦气粗提富集单元处理将氦体积含量3.3%的lng蒸发气作为原料气，送入制冰装置利用lng蒸发气冷量制冰，制冰结束后输出后的lng蒸发气经第一渗透器、第一压缩机、第二渗透器、第二压缩机、第三渗透器进行多级分离提纯及增压，分离得到粗氦气；（2）氦气精制提纯单元处理将氦气粗提富集单元得到的粗氦气与外界空气混合作为氦气精制提纯单元的原料气，经第三压缩机压缩后送入氢及碳氢化合物氧化反应器，氢及碳氢化合物经氧化后进入第一冷却器进行降温，通过水分离器分离冷凝水，然后送入第一psa吸附脱除水、二氧化碳和氧气，得到氮气和氦含量为93%的净化气，后续依次经过第二冷却器、第一氮分离器、第三冷却器、第二氮分离器后得到氦含量为99%净化气，再经第二预热器预热后送入第二psa吸附脱除微量的氮，提纯氦气，得到纯度99.999%的纯氦，经第四压缩机加压至15.0mpa.g后送入氦气瓶；其中，从第一氮分离器、第二氮分离器和第二psa吸附脱除出的氮气冲入氮气瓶。
11.进一步地，步骤（1）中，所述第二渗透器、第三渗透器产生的尾气分别再次循环通入第一渗透器、第二渗透器。
12.进一步地，步骤（1）中，第一渗透器输出的尾气为富甲烷气，调整压力至0.2～0.3 mpa.g，送入天然气输送管网。
13.进一步地，步骤（1）中，分离得到的粗氦气中氦含量为26%～70%。
14.进一步地，所述第一psa吸附脱除的杂质气体收集后再次送入水分分离器。第一psa吸附脱除杂质气体过程中会有少量损失的氦气进入杂质气体，再次送入水分分离器后一方面保证氦气回收率，另一方面实现工艺零排放。
15.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：本发明的lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产工艺能够提取lng蒸发气中富含的氦气和氮气，同时利用lng蒸发气冷能快速制冰，提高lng低温蒸发气冷能的回收和利用率，避免了传统工艺中lng蒸发气经升温升压返回上游设备，一部分作为燃料气烧掉造成对资源和能源的浪费，一部分循环液化导致氦提取系统中氮含量增加引起整个系统能耗的升高。
附图说明
16.图1为本发明一实施例的lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统的结构框图；附图标记：1-制冰装置，2-第一渗透器，3-第一压缩机，4-第二渗透器，5-第二压缩机，6-第三渗透器，7-第一预热器，8-水槽，9-第三压缩机，10-氢及碳氢化合物氧化反应器，11-第一冷却器，12-水分分离器，13-第一psa，14-第二冷却器，15-第一氮分离器，16-第三
冷却器，17-第二氮分离器，18-第二预热器，19-第二psa，20-第三预热器，21-第四压缩机，22-氦气瓶，23-氮气瓶。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例1一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统该系统包括氦气粗提富集单元和氦气精制提纯单元；所述氦气粗提富集单元包括通过管道顺次连接的制冰装置、第一渗透器、第一压缩机、第二渗透器、第二压缩机、第三渗透器；所述氦气精制提纯单元包括通过管道顺次连接的氢及碳氢化合物氧化反应器、第一冷却器、水分分离器、第一psa、第二冷却器、第一氮分离器、第三冷却器、第二氮分离器、第二预热器、第二psa、第三预热器；所述第三渗透器与氢及碳氢化合物氧化反应器之间设有第三压缩机，第三预热器出气端通过管道依次连接第四压缩机、氦气瓶。
19.具体的，所述氦气粗提富集单元还包括第一预热器，第一预热器的进气端连接lng蒸发气源，第一预热器的出气端连接制冰装置的进气端。
20.具体的，为了提高制冰装置的效率，所述氦气粗提富集单元还包括水槽，水槽设有两个出水口，其中一个出水口向制冰装置的制冰箱体内注水用于制冰，另一个出水口向制冰装置的制冰箱体外进行水浴加热使制冰箱体内冰块与制冰箱体实现快速脱离，制冰装置内流出的水通过管道循环注入水槽。本实施例的制冰装置包括制冰箱体及制冰箱体外围的流体夹套，制冰箱体作为冰块模子用于注水后制冰块，流体夹套用于lng蒸发气及加热用水交替流通以实现冷却制冰和加热脱模，脱模后的冰块从制冰箱体内取出。
21.具体的，为了提高氦气粗提富集单元氦富集能力及减少尾气排放，所述第三渗透器的尾气输出口与第二渗透器的进气口连接，第二渗透器的尾气输出口与第一渗透器的进气口连接，第一渗透器的尾气输出口连接天然气输送管网。
22.具体的，为了便于氮气产品的收集，所述第一氮分离器、第二氮分离器、第二psa的氮气输出口连接氮气瓶。
23.实施例2 一种lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产工艺该工艺是利用实施例1的lng蒸发气中提取氦和氮及快速制冰联产系统实现的，具体步骤包括：（1）氦气粗提富集单元处理将氦体积含量3.3%的lng蒸发气作为原料气，送入制冰装置利用lng蒸发气冷量制冰，制冰结束后输出后的lng蒸发气经第一渗透器、第一压缩机、第二渗透器、第二压缩机、第三渗透器进行多级分离提纯及增压，分离得到氦含量为26%～70%的粗氦气；其中，第一渗透器的尾气输出口输出富甲烷气，调整压力至0.2～0.3 mpa.g，送入天然气输送管网；（2）氦气精制提纯单元处理将氦气粗提富集单元得到的粗氦气与外界空气混合作为氦气精制提纯单元的原
料气，经第三压缩机压缩后送入氢及碳氢化合物氧化反应器，氢及碳氢化合物经氧化后进入第一冷却器进行降温，通过水分离器分离冷凝水，然后送入第一psa吸附脱除水、二氧化碳和氧气，得到氮气和氦含量为93%的净化气，后续依次经过第二冷却器、第一氮分离器、第三冷却器、第二氮分离器后得到氦含量为99%净化气，再经第二预热器预热后送入第二psa吸附脱除微量的氮，提纯氦气，得到纯度99.999%的纯氦，经第四压缩机加压至15.0mpa.g后送入氦气瓶；其中，从第一氮分离器、第二氮分离器和第二psa吸附脱除出的氮气冲入氮气瓶。
24.优选的，由于第一psa吸附脱除杂质气体过程中会有少量损失的氦气进入杂质气体，所述第一psa吸附脱除的杂质气体收集后再次送入水分分离器，这样一方面保证整个系统的氦气回收率，另一方面实现工艺零排放。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。