一种采用CO2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置

本技术涉及天然气脱除氮气和天然气液化，具体涉及一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置。

背景技术：

1、注氮气驱是缝洞型油藏提高采收率的重要方式之一。随着注氮气开发的推进，采出气含氮量大幅升高，个别气源甚至超过20％。在lng的生产过程中，高含氮天然气热值低，液化能耗大，在lng储运过程易出现“翻滚”现象。因此，需要脱除此类天然气中的氮气。

2、传统的高含氮天然气脱氮技术有深冷脱氮、溶剂吸收脱氮和变压吸附脱氮。因深冷脱氮具有处理量大，脱除率高、且与天然气液化均为低温过程，是最主要的脱氮方法。经典深冷脱氮技术采用双塔流程在低压下进行脱氮，塔顶所需冷凝温度低，能耗大，液化率较低，脱氮效果不理想。

3、目前应用广泛的天然气液化技术中，级联式制冷液化流程设备繁琐，维护不便；膨胀机制冷液化流程换热设备尺寸大，比功耗高，经济性低；传统的无预冷混合制冷剂液化流程复杂程度相对简单，效率较高，但是难以调整混合制冷剂配比使整个液化流程都能按照冷却曲线提供所需冷量。对于常规带预冷的天然气液化流程，一般采用丙烷作为预冷流程的制冷剂，并且使用量较大。由于丙烷沸点低、容易汽化，因此系统在开停车时，设备和管线中的丙烷会导致压力升高，增大丙烷泄漏的风险，极易引发安全事故。对于天然气液化装置，在提高天然气液化率、降低能耗的基础上，安全高效也将是未来发展方向。

技术实现思路

1、本实用新型目的在于提供一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，以克服上述背景技术中提到的现有技术中存在的技术问题。

2、为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

3、本实用新型涉及一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，包括co2预冷系统、混合冷剂多级压缩制冷系统、天然气液化系统、天然气单塔脱氮系统、bog再液化及lng储存系统。

4、所述co2预冷系统：包括预冷换热器、co2第一级压缩机、膨胀机组压缩端、膨胀机组膨胀端和冷却器。

5、所述混合冷剂多级压缩制冷系统：包括混合冷剂第一级压缩机、混合冷剂第一级冷却器、混合冷剂第二级压缩机、混合冷剂第二级冷却器、第一级气液分离器、第一级节流阀、第二级气液分离器、第二级节流阀和第三级节流阀。

6、所述天然气液化系统：包括重烃分离器、重烃节流阀、第一级换热器、塔底重沸器、第二级换热器、液化节流阀、第三级换热器和过冷节流阀。

7、所述天然气单塔脱氮系统：包括脱氮塔、塔顶冷凝器、氮气节流阀、塔底重沸器。

8、所述bog再液化及lng储存系统：包括bog压缩机、lng储罐。

9、所述co2预冷系统中，co2第一级压缩机出口与co2第一级冷却器进口相连，co2第一级冷却器出口与膨胀机组压缩端进口相连，膨胀机组压缩端出口与co2第二级冷却器进口相连，co2第二级冷却器出口与膨胀机组膨胀端进口相连，经预冷换热器与co2第一级压缩机进口相连。

10、所述混合冷剂多级压缩制冷系统中，混合冷剂经混合冷剂第一级压缩机增压后与混合冷剂第一级冷却器、混合冷剂第二级压缩机、混合冷剂第二级冷却器进口依次相连，进行多级增压和冷却，混合冷剂第二级冷却器出口与预冷换热器相连，经预冷换热器与第一级气液分离器进口相连，第一级气液分离器的气相出口经第一换热器降温后与第二级气液分离器进口相连，第一级气液分离器的液相出口经第一级换热器降温后与第一级节流阀相连，经第一级节流阀节流后再与第一级换热器相连(回流)，再与混合冷剂第一级压缩机相连，第二级气液分离器的气相出口经第二级换热器、第三级换热器降温后再与第三级节流阀相连，经第三级节流阀节流后再与脱氮塔塔顶冷凝器相连作为深冷冷源，经塔顶冷凝器再与第三级换热器相连(回流)，再与第二级换热器(回流)、第一级换热器(回流)、混合冷剂第一级压缩机进口依次相连，第二级气液分离器的液相出口经第二级换热器降温后与第二级节流阀相连，经第二级节流阀节流后再与第二级换热器(回流)、第一级换热器(回流)、混合冷剂第一级压缩机相连。所述天然气液化系统中，第一级换热器把预冷后的天然气温度进一步降低，天然气作为脱氮塔塔底重沸器的热源，回收脱氮塔底部分冷量，温度降低后进入第二级换热器，其温度进一步降低后再从脱氮塔中下部进入，脱氮塔底部液相出口与第三级换热器相连，经第三级换热器降温后与过冷节流阀相连，经过冷节流阀节流获得过冷温度，再与lng储罐进口相连，得到液化天然气(lng)。

11、所述天然气单塔脱氮系统中，脱氮塔塔顶出氮气经过脱氮塔塔顶冷凝器冷凝，再次与第三级换热器、第二级换热器、第一级换热器和预冷换热器相连，依次实现冷量回收。

12、所述脱氮塔塔底液相在被塔底重沸器带走部分冷量后，再与第三级换热器相连，经过冷节流阀节流后，再与lng储罐相连。

13、所述bog再液化及lng储存系统中，lng储罐顶部bog出口与bog压缩机相连，经bog压缩机增压后与脱氮塔中上部相连，实现bog再液化循环。

14、所述脱氮塔塔顶设有塔顶冷凝器、塔底设有塔底重沸器。

15、本实用新型一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其优点在于：

16、1.相比于现有的丙烷预冷混合冷剂液化装置，避免了丙烷的使用，提高装置安全性。

17、2.对采用co2预冷高含氮天然气液化及氮气脱除装置进行了优化设计，对混合冷剂循环压力、lng储存压力、co2预冷温度、co2压力、脱氮塔操作压力等参数进行了优化，提高了液化流程的效率。

18、3.脱氮塔操作压力提升至中压，降低塔顶冷凝温度至-155℃，减少了装置的制冷负荷。对于高含氮天然气(含氮量15％时)，脱氮率达到99％，装置液化率达到84％，比功耗降至0.53kw·h/kg，相比于常规装置，能耗降低10％左右。对bog实现回收再液化，提高了装置液化率。

技术特征：

1.一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，包括co2预冷系统、混合冷剂多级压缩制冷系统、天然气液化系统、天然气单塔脱氮系统、bog再液化及lng储存系统，其包括预冷换热器(1)，第一级换热器(12)，第二级换热器(13)，第三级换热器(14)，混合冷剂第一级压缩机(2)，混合冷剂第二级压缩机(3)，co2第一级压缩机(6)，膨胀机组压缩端(9)，混合冷剂第一级冷却器(4)，混合冷剂第二级冷却器(5)，co2第二级冷却器(7)，co2第一级冷却器(8)，膨胀机组膨胀端(10)，第一级气液分离器(11)，第二级气液分离器(26)，重烃节流阀(15)，第一级节流阀(27)，第二级节流阀(16)，脱氮塔(23)，塔顶冷凝器(24)，塔底重沸器(25)，液化节流阀(17)，氮气节流阀(18)，过冷节流阀(19)，第三级节流阀(20)，bog压缩机(21)，lng储罐(22)，重烃分离器(28)，其特征在于：预冷换热器(1)经重烃分离器(28)与第一级换热器(12)相连，第一级换热器(12)与塔底重沸器(25)相连，塔底重沸器(25)与第二级换热器(13)相连，第二级换热器(13)与脱氮塔(23)相连，脱氮塔(23)与第三级换热器(14)相连，第三级换热器(14)经过冷节流阀(19)再与lng储罐(22)相连。

2.根据权利要求1所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述co2预冷系统，co2第一级压缩机(6)、第一级冷却器(8)、膨胀机组压缩端(9)、co2第二级冷却器(7)依次相连，所述膨胀机组膨胀端与预冷换热器(1)相连，再与co2第一级压缩机(6)进口相连。

3.根据权利要求1所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述混合冷剂多级压缩制冷系统中，混合冷剂经混合冷剂第一级压缩机(2)增压后与混合冷剂第一级冷却器(4)、混合冷剂第二级压缩机(3)、混合冷剂第二级冷却器(5)进口依次相连，所述混合冷剂第二级冷却器(5)出口与预冷换热器(1)相连，经预冷换热器(1)再与第一级气液分离器(11)进口相连，第一级气液分离器(11)的气相出口经第一级换热器(12)再与第二级气液分离器(26)进口相连，第一级气液分离器(11)的液相出口经第一级换热器(12)再与第一级节流阀(27)相连，经第一级节流阀(27)节流后再与第一级换热器(12)相连，再与混合冷剂第一级压缩机(2)相连，第二级气液分离器(26)的气相出口经第二级换热器(13)、第三级换热器(14)降温后再与第三级节流阀(20)相连，经第三级节流阀(20)节流后再与脱氮塔(23)塔顶冷凝器(24)相连作为深冷冷源，温度有所降低，再与第三级换热器(14)相连，再与第二级换热器(13)、第一级换热器(12)、混合冷剂第一级压缩机(2)进口依次相连，第二级气液分离器(26)的液相出口经第二级换热器(13)降温后与第二级节流阀(16)相连，经第二级节流阀(16)节流后再与第二级换热器(13)、第一级换热器(12)、混合冷剂第一级压缩机(2)相连，实现混合冷剂循环制冷。

4.根据权利要求1所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述天然气液化系统中，天然气依次经过第一级换热器(12)、脱氮塔(23)塔底重沸器(25)和第二级换热器(13)获得更低的温度，再与脱氮塔(23)中下部相连，脱氮塔(23)底部液相出口与第三级换热器(14)相连，经第三级换热器(14)降温后与过冷节流阀(19)相连，经过冷节流阀(19)节流获得过冷温度，再与lng储罐(22)进口相连，得到液化天然气。

5.根据权利要求1所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述天然气单塔脱氮系统中，脱氮塔(23)塔顶出氮气经塔顶冷凝器(24)与氮气节流阀(18)相连，再与第三级换热器(14)、第二级换热器(13)、第一级换热器(12)和预冷换热器(1)相连，依次实现冷量回收。

6.根据权利要求5所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述脱氮塔(23)塔底液相在被塔底重沸器(25)带走部分冷量后，再与第三级换热器(14)相连，再与过冷节流阀(19)相连，经过冷节流阀(19)节流后与lng储罐(22)相连，实现天然气液化脱氮。

7.根据权利要求1所述的一种采用co2预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，其特征在于：所述bog再液化及lng储存系统中，lng储罐(22)顶部bog出口与bog压缩机(21)相连，经bog压缩机(21)与脱氮塔(23)中上部相连，实现bog再液化循环。

技术总结
本技术涉及一种采用CO<subgt;2</subgt;预冷的高含氮天然气液化及氮气脱除装置，包括CO<subgt;2</subgt;预冷系统、混合冷剂多级压缩制冷系统、天然气液化系统、天然气单塔脱氮系统、BOG再液化及LNG储存系统。CO<subgt;2</subgt;预冷单元，减少混合冷剂多级压缩制冷系统负荷；混合冷剂多级压缩制冷系统，通过混合冷剂多级压缩、冷却、蒸发为天然气液化提供冷量；天然气液化系统，冷却及液化天然气；天然气单塔脱氮系统，脱氮塔在中压下进行多次闪蒸，将氮气从液化天然气中脱除，底部液相通过第三级换热器和过冷节流阀降温后进入LNG储罐储存，得到脱氮后的液化天然气。相比于常规天然气液化装置，本装置流程简单，适合高含氮天然气液化及脱氮处理，且液化效率高，氮气脱除率高。

技术研发人员：周明杰,马国光,邓昊天,刘璐
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：20230323
技术公布日：2024/1/15