天然气的提纯系统的制作方法

本发明涉及原料加工技术领域，尤其涉及一种天然气的提纯系统。

背景技术：

在天然气分布式能源站中，为了应对气荒，通常会建设lng(液化天然气)站，将天然气以液态形式保存在lng储罐中，经过加热气化后，用管道传输到用户侧。lng作为燃料使用时，一般分为两类，一是热力级lng，一是动力级lng。热力级lng主要用于燃烧加热，如燃气锅炉加热水变成蒸汽，燃气灶用于加热食物等。动力级lng，主要用于燃烧后膨胀做功，如工业中的燃气轮机，燃气内燃机，以及汽车发动机用燃气。热力级lng的纯度要求不高，动力级lng的纯度要求相对较高，因为动力设备不能承受lng的杂质，如乙烷等，会引起爆燃，损伤燃气轮机叶片。这就要求对原生的lng进行提纯，分离其他成分。lng的提纯一般通过精馏的方法，这就需要消耗大量冷量对气化的天然气进行冷凝提纯，将乙烷或天然气中的其他杂志转化为液体分离出去。现有技术中一般采用液氮对气化的天然气进行冷凝提纯，另外还利用液氮对提纯后获得的动力级lng进行冷凝液化，以便保存，从而造成成本大幅提高。再一方面，液化天然气本身的冷量没有得到利用，也存在一定的资源浪费。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出lng的提纯需要消耗大量外部冷量造成成本升高的问题，本发明提供了一种天然气的提纯系统。

根据本发明的一个方面，提供一种天然气的提纯系统，天然气的提纯系统包括：储料罐、第一换热器、第一蒸发器和精馏塔；第一换热器具有相互换热的第一换热通道和第二换热通道；第一换热通道串联在储料罐和第一蒸发器之间；精馏塔包括气体入口和精馏出口；精馏塔的气体入口通过气体输入管道与第一蒸发器的出口连通；精馏出口与第二换热通道的入口连通，第二换热通道的出口输出液态提纯物；第二换热通道的出口分别连接有输出支路和回流支路，输出支路与储物罐连通，回流支路与精馏塔的回流入口连通。

优选地，天然气的提纯系统还包括串联在气体输入管道上的第一透平机。

优选地，第一蒸发器的出口还通过第一天然气支管路连通至天然气管道。

优选地，储料罐与第一换热通道之间设置有送料泵。

优选地，第一透平机与送料泵驱动连接。

优选地，天然气的提纯系统还包括发电装置，第一透平机与发电装置驱动连接。

优选地，天然气的提纯系统还包括发电子系统，发电子系统包括第二换热器、第二蒸发器和第一透平发电机，第二换热器具有相互换热的第三换热通道和第四换热通道；第三换热通道串联在储料罐和第二蒸发器之间，储料罐通过进料管路向第三换热通道输送液态天然气；

第二蒸发器的出口通过输气支管路与第一透平发电机的入口连通，并驱动第一透平发电机发电。

优选地，发电子系统还包括回收管路，第四换热通道的入口连通至第一透平发电机的出口，第四换热通道的出口通过回收管道连通至进料管路。

优选地，发电子系统还包括第二透平发电机；第一透平发电机的出口通过发电支管路连通至第二透平发电机的入口，并驱动第二透平发电机发电。

优选地，发电子系统还包括回收管路和第三换热器，第三换热器具有相互换热的第五换热通道和第六换热通道，第五换热通道串联在第三换热通道与第二蒸发器的之间；

第一透平发电机的出口通过第一回收支管路连通至第六换热通道的入口，第六换热通道的出口连通至第四换热通道的入口；

第二透平发电机的出口通过第二回收支管路连通至第四换热通道的入口；

第四换热通道的出口通过回收管路连通至进料管路。

优选地，第二蒸发器的出口还通过第二天然气支管路连接至天然气管道。

优选地，送料泵与第一换热通道之间设置有加压泵。

优选地，天然气的提出系统还包括驱动子系统，驱动子系统包括第二透平机，第二透平机的入口与第一蒸发器的出口连通；

第二透平机与送料泵驱动连接。

优选地，驱动子系统还包括设置在第二透平机的入口处的透平喷嘴和检测进入透平喷嘴的气体流量的流量感应器。

根据本发明的天然气提纯系统，储料罐中的液态天然气原料经过蒸发器加热，转化为气态天然气，气态天然气在精馏塔中进行精炼提纯，输出一定纯度的气态精馏物至第一换热器的第二换热通道，气态精馏物在第二换热通道与第一换热通道内液态天然气原料换热，降温为液态精馏物，便于保存。本发明的提纯系统利用系统自身的液态天然气原料携带的冷量使气态精馏物液化，一方面降低气态精馏物液化所需能耗或原料，另一方面气态精馏物液化过程中，对液态天然气原料输入热量，降低后续液态天然气原料气化所需能量或者设备要求，从而降低整个系统的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的天然气的提纯系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的天然气的提纯系统的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的发电子系统的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的驱动子系统的结构示意图。

图中，10、储料罐；101、进料管路；11、送料泵；12、电泵；13、加压泵；20、第一换热器；21、第一换热通道；22、第二换热通道；221、输出支路；222、回流支路；23、第二换热器；231、第三换热通道；232、第四换热通道；233、回收管路；24、第三换热器；241、第五换热通道；242、第六换热通道；30、第一蒸发器；301、第一天然气支管路；31、第二蒸发器；311、第二天然气支管路；312、输气支管路；40、精馏塔；401、气体输入管道；50、第一透平机；52、第一透平发电机；53、第二透平发电机；54、第二透平机；541、透平喷嘴；542、流量感应器；501、发电支管路；502、第二回收支管路；503、第一回收支管路；60、储物罐；70、天然气管道。

具体实施方式

为了解决背景技术中提出的技术问题，本申请的发明人想到将精馏塔输出的高温精馏物与低温的天然气原料进行热交换，利用天然气原料本身携带的冷量进行冷凝提纯。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明的实施例一提供了一种天然气的提纯系统，如图1所示，天然气的提纯系统包括：储料罐10、第一换热器20、第一蒸发器30和精馏塔40。储料罐10中存储有液态的天然气原料，该天然气原料可以是未经过加工的天然气，也可以是经过粗加工，具有一定纯度的天然气。第一换热器20具有相互换热的第一换热通道21和第二换热通道22，第一换热通道21串联在储料罐10和第一蒸发器30之间。天然气原料经过第一换热通道21输出至第一蒸发器30中，在第一蒸发器30中吸热蒸发气化为气态天然气。例如，储料罐10中的液态天然气的压力为0.7-1.4mpa，温度为115k-120k，经过第一蒸发器30后，气体压力提升至5-10mpa，温度为280k-290k。精馏塔40包括气体入口和精馏出口，精馏塔40的气体入口通过气体输入管道401与第一蒸发器30的出口连通。气态天然气从第一蒸发器30中流出，经过气体输入管道401，从精馏塔40的气体入口处进入精馏塔40。气态天然气在精馏塔40中经过精馏提纯，获得气态精馏物。

为了便于精馏塔40输出的气态精馏物储存，一般需要将气态精馏物液化存储。本发明第一实施例中，将精馏塔40的精馏出口与第二换热通道22的入口连通，气态精馏物输入至第二换热通道22中。由于第一换热通道21中为液态天然气原料，二者换热，从而将气态精馏物液化，并从第二换热通道22的出口输出储存。另外，气态精馏物液化过程中，对液态天然气原料输入热量，可以对液态天然气进行预加热，降低后续液态天然气原料气化所需能量或者设备要求，从而降低整个系统的生产成本。

具体地，精馏塔40的气体入口位于精馏塔40的底部，气态天然气从底部进入精馏塔40，在上升过程中进行提纯，获得的气态精馏物从精馏塔40上端的精馏出口输出，液态杂质落至精馏塔40下端，从废液出口排出。精馏塔40的顶部还设置有回流入口。第二换热通道22的出口分别连接有输出支路221和回流支路222，输出支路221与储物罐60连通，回流支路222与精馏塔40的回流入口连通。在第二换热通道22中冷凝液化获得的液态提纯物，一部分通过输出支路221输送至储物罐60储存，另一部分通过回流支路222，从回流入口进入精馏塔40的顶部，作为精馏塔40的液相回流，与精馏塔40底部上升的气态天然气发生逆向热交换，对气态天然气进行提纯。可以在回流支路221上设置电泵12，以主动抽取液态提纯物作为液相回流。采用电泵抽取回流量，可以调节回流量的大小，保证回流量具有一定的稳定性。

通过设置与储料罐10和精馏塔40均连通的第一换热器20，将液态天然气原料和精馏塔40输出的精馏物输入至不同的换热通道中，使两者可以发生热交换。利用系统自身的液态天然气原料携带的冷量使气态精馏物液化，一方面降低气态精馏物液化所需能耗或原料；另外，气态精馏物液化过程中，对液态天然气原料输入热量，降低后续液态天然气原料气化所需能量或者设备要求，从而降低整个系统的生产成本。

天然气中一般包含甲烷、乙烷和丙烷等成分，以及少量的硫化物和微量的稀有气体。一般甲烷含量越高，天然气的性能越好。精馏塔40提纯天然气，即为去除天然气中的杂质，例如去除天然气中的硫化物和稀有气体等成分，提高甲烷的含量。一般利用不同物质具有不同的沸点，将天然气的温度保持在合适的温度范围内，杂质可以转换为液态，而甲烷仍为气态，从而分开输出，获得甲烷含量较高的天然气。例如，甲烷的沸点为-161.5℃，乙烷的沸点为-88℃。若将天然气的温度保持在-120℃，由于温度高于甲烷的沸点，甲烷保持气态。而温度达不到乙烷的沸点，乙烷转换为液态，并从天然气中分离出去，甲烷含量得以提高。精馏塔40中具有温控装置，可以将气态天然气的温度保持在一定温度下。

另一方面，天然气一般在液态下进行储存，因此在提纯系统中，通常先利用升温装置将天然气加热升温，并转换为气态输入至精馏塔40中进行提纯。一般的升温装置即为蒸发器，蒸发器可以利用各种热源进行加热，例如燃气轮机的烟气余热，由于液态天然气温度较低，也可以利用水或空气等进行加热。

在本实施中，为了在气态天然气输入至精馏塔40之前达到一定的低温条件，以降低精馏塔40的能耗，优选地，在气体输入管道401上串联第一透平机50。第一透平机50可以是膨胀机，气态天然气在第一透平机50中绝热膨胀对外做功，消耗自身的内能，从而温度和气体压力均大幅下降。经过第一透平机50的气态天然气得到初步的降温，从而可以降低精馏塔40的能耗。

气态天然气在第一透平机50中绝热膨胀对外做功，由第一透平机50输出机械能，利用该机械能，可以实现驱动机械做功或转换输出其他可利用的能量。具体可以是，第一透平机50与泵驱动连接，气态天然气对外做功时，第一透平机50驱动泵转动，从而实现泵的工作。该泵可以是设置在储料罐10与第一换热通道21之间，用于输送液态天然气的送料泵11。第一透平机50与送料泵11驱动连接，驱动送料泵11转动，送料泵11开始运转工作，从而实现将液态天然气从储料罐10输送至第一换热通道21以及第一蒸发器30。

当然，也可以在提纯系统中设置发电装置，将第一透平机50连接至发电装置，由第一透平机50驱动发电装置转动，从而实现发电装置将第一透平机50输出的机械能转化为电能，使能量得到充分利用，提高各部分能量的回收利用率，而且利用气态天然气进行发电有利于增加提纯过程的经济性。另一方面，第一透平机50还具有节流降压的功能，虽然可以使用节流阀替代，但是没有电力产生，精馏塔40的提纯产量也会下降。

在本实施例中，储料罐10中存储的可以是可直接输出进行商用的热力级天然气，即甲烷含量达到一定量，可以输出至天然气管道70中，以便用户使用的天然气。天然气管道70一般用于输送气态天然气，故而储料罐10中的液态天然气不宜直接输送至天然气管道70中。优选地，第一蒸发器30的出口还通过第一天然气支管路301连通至天然气管道70。第一蒸发器30加热升温液态天然气，使其转换为气态天然气，该气态天然气经过第一天然气支管路301，直接输入至天然气管道70中，以供用户使用，增加提纯系统的便捷性和灵活性。另外，精馏塔40底部排出的天然气废液，也可以将其输入至天然气管道70中。例如利用蒸发器将该天然气废液气化为气态，再输入天然气管道70中，以实现能源的充分利用。

由于精馏塔40具有一定的操作压力，操作压力与可提纯的气态天然气的量存在一定的平衡。一般来说，精馏塔40的最大可提纯量为源天然气量的10％。也就是说，精馏塔40只能提纯一定量的气态天然气，超过一定量后，提纯效果将大幅降低。设置天然气支路301，可以调节气体输入管道401中的气态天然气的流量。例如，可以在天然气支路301上设置节流阀，当第一蒸发器30中输出大量的气态天然气时，打开节流阀，以使部分气态天然气输入至天然气管道70；当第一蒸发器30输出的气态天然气较少时，可以关闭节流阀，以使气态天然气全部进入精馏塔40。

实施例二

图2示出了本发明实施例二提供的天然气的提纯系统。相比第一实施例，第二实施例的天然气的提纯系统还包括发电子系统，用于将气化后的天然气的内能驱动机械进行独立发电。如图2所示，发电子系统包括第二换热器23、第二蒸发器31和第一透平发电机51，第二换热器23具有相互换热的第三换热通道231和第四换热通道232。第三换热通道231串联在储料罐10和第二蒸发器31之间，储料罐10通过进料管路101向第三换热通道231输送液态天然气。第二蒸发器31的出口通过输气支管路312与第一透平发电机51的入口连通，并驱动第一透平发电机51发电。储料罐10内的液态天然气原料经过第三换热通道231输送至第二蒸发器31中，在第二蒸发器31中吸热蒸发气化为气态天然气，并输入到第一透平发电机51中。第一透平发电机51由透平机和发电机组成，气态天然气在在透平机中绝热膨胀对外做功，驱动发电机进行发电，从而将机械能转化电能，实现发电。发电子系统产出的电量，可以供给提纯系统中的部件进行使用，例如与电泵12连接，实现电泵12的驱动。

本实施例中，在发电子系统中设置回收管路233，以对第三换热通道231中的液态天然气原料进行预加热。具体地，将第四换热通道232的入口连通至第一透平发电机51的出口，第四换热通道232的出口通过回收管路233连通至进料管路101。第一透平发电机51输出的仍为气态天然气，虽然温度相对输入至第一透平发电机51时有所下降，但是仍然高于液态天然气原料的温度。将其输入至第四换热通道232中，与第三换热通道231中的液态天然气原料进行热交换，第三换热通道231中的液态天然气原料吸收热量进行预加热，可以降低后续第二蒸发器31对其气化过程的能耗。另一方面，第四换热通道232中的气态天然气放出热量冷凝液化，通过回收管路233回流至进料管路101中，与储料罐10中输出的液态天然气原料混合，在发电子系统中进行循环再利用。

参考实施例一，储料罐10中存储的可以是可直接输出进行商用的热力级天然气，即甲烷含量达到一定量，可以输出至天然气管道70中，以便用户使用的天然气。天然气管道70一般用于输送气态天然气，故而储料罐10中的液态天然气不宜直接输送至天然气管道70中。优选地，第二蒸发器31的出口还通过第二天然气支管路311连通至天然气管道70。第二蒸发器31加热升温液态天然气，使其转换为气态天然气，该气态天然气经过第二天然气支管路311，直接输入至天然气管道70中，以供用户使用，增加发电子系统的便捷性和灵活性。当然，也可以将第一透平发电机51中的气态天然气直接输入至天然气管道70中，增大天然气管道70的天然气流量。

实施例三

图3示出了本发明实施例三提供的发电子系统的结构示意图。在本实施例中，如图3所示，发电子系统还包括第二透平发电机52，进一步利用第一透平发电机51输出的气态天然气进行发电。具体地，第一透平发电机51的出口通过发电支管路501连通至第二透平发电机52的入口。第一透平发电机51输出的气态天然气进入第二透平发电机52中，在第二透平发电机52中绝热膨胀对外做功，从而驱动第二透平发电机52发电。气态天然气经过第一透平发电机51气压和内能均大幅下降，因此第二透平发电机52可以选用发电功率较小的发电机，以实现能源的充分利用。

本实施例中，在发电子系统设置第三换热器24，第三换热器24具有相互换热的第五换热通道241和第六换热通道242，第五换热通道241串联在第三换热通道231与第二蒸发器31的之间。另外，还设置有回收管路233，用以对液态天然气原料进行预加热。具体地，第一透平发电机51的出口通过第一回收支管路503连通至第六换热通道242的入口，第六换热通道242的出口连通至第四换热通道232的入口，第二透平发电机52的出口通过第二回收支管路502连通至第四换热通道232的入口，第四换热通道232的出口通过回收管路233连通至进料管路101。第二透平发电机52输出的气态天然气的热量较低，通过第二回收支管路502输入至第四换热通道232中，只对第三换热通道231中的液态天然气原料进行加热。而第一透平发电机51输出的液态天然气的温度高于第二透平发电机52输出的液态天然气的温度，通过第一回收支管路503，输入至第六换热通道242和第四换热通道232，可以对第五换热通道241和第三换热通道231中的液态天然气原料进行充分加热，以降低第二蒸发器31输出的能耗，达到充分节省能源的目的。

实施例四

图4示出了本发明实施例四提供的驱动子系统的结构示意图。在本实施例中，送料泵11与第一换热通道21之间设置有加压泵13。送料泵11本身低速运行，主要用于防止发生气蚀，其本身输送液态天然气原料的能力有限。设置加压泵13，将加压泵13作为提纯系统的主泵，可以将压力提升到10mpa，加大液态天然气原料的输送量，以满足精馏塔40的提纯量要求。加压泵13可以由电力驱动，也可以是其余的动力驱动。

在本实施例中，加压泵13由高速运转的透平机驱动。具体地，在天然气的提出系统中设置驱动子系统，驱动子系统包括第二透平机54，第二透平机54的入口与第一蒸发器30的出口连通，第二透平机54的出口与加压泵13的入口连通。第一蒸发器30输出气化后的气态天然气，气态天然气进入第二透平机54中，在第二透平机54中绝热膨胀对外做功，驱动第二透平机54转动。第二透平机54与加压泵13驱动连接，从而驱动加压泵13高速转动，泵送储料罐中的液态天然气原料。

为了对加压泵的转速实现精确控制，优选地，在第二透平机54的入口处的设置透平喷嘴541和流量感应器542。透平喷嘴541具有调节喷嘴开量的调节阀，用于控制进入第二透平机54中的高温高压气态天然气的流量。流量感应器542可以检测气体的流量，用于检测进入透平喷嘴541的气体流量。当第一蒸发器30输出至第二透平机54的气态天然气流量下降时，说明管道中的气态天然气压力降低，此时减小透平喷嘴541的开量，使气态天然气在透平喷嘴541处聚集，以具有一定压力后再进入第二透平机54中，以保持第二透平机54中压力恒定，输出轴可以稳定运转，防止加压泵转速下降；当第一蒸发器30输出至第二透平机54的气态天然气流量上升时，说明管道中的气态天然气压力较大，此时增大透平喷嘴541的开量，使气态天然气快速进入第二透平机54中，可以实现充分对外做功，防止加压泵转速过快。另一方面，也可以通过调节透平喷的开量，以增大加压泵的转速，提高输送压力，或降低加压泵的转速，减小输送压力。流量感应器542可以检测透平喷嘴541处气体的流量，根据流量和透平喷嘴541的开量，即可算出气态天然气的压力。流量感应器542和透平喷嘴541相互配合，以实现对加压泵的精确控制。

综上所述，根据本发明的天然气提纯系统，储料罐中的天然气原料经过蒸发器加热，转化为气态天然气，气态天然气在精馏塔中进行精炼提纯，输出一定纯度的精馏物。精馏塔与第一换热器连通，高温的精馏物进入第二换热通道与第一换热通道内低温的天然气原料发生热交换，温度降低转换为液体，便于保存。本发明的提纯系统利用系统自身的液态天然气原料携带的冷量使气态精馏物液化，一方面降低气态精馏物液化所需能耗或原料，另一方面气态精馏物液化过程中，对液态天然气原料输入热量，降低后续液态天然气原料气化所需能量或者设备要求，从而降低整个系统的生产成本。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。