專利名稱：天然氣低溫提氦系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一 種天然氣低溫提氦系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
氦氣因其獨特的性質(zhì)，在國防軍工和科學(xué)研究中有著重要的用途。利用其-268. 9°C的低沸點，液氦可以用于超低溫冷卻；在火箭和航天中用作液氫燃料系統(tǒng)的清洗介質(zhì)和加壓推進劑；在懸浮列車等領(lǐng)域中廣受關(guān)注的超導(dǎo)體應(yīng)用中，氦氣也是不可或缺的。此外，氦氣在醫(yī)療領(lǐng)域的核磁共振成像設(shè)備中用作超導(dǎo)電磁體冷卻、在核發(fā)電裝置用作傳熱介質(zhì)、在光纖生產(chǎn)中用作冷卻和惰性氣體保護以及在儀器分析方面用作氣相色譜等的載氣等方面都得到廣泛的應(yīng)用。
隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，各國經(jīng)濟正逐步融入到全球大市場之中。在未來兩三年中，氦氣的市場規(guī)模與經(jīng)濟增長將會同步保持穩(wěn)定增長態(tài)勢。根據(jù)預(yù)測，在未來多年內(nèi)全球?qū)獾男枨罅繉⒁悦磕?%左右的速度增長，其需求總量可達到2. 25 3億立方米。由此推算，到2030年全球的氦氣需求將短缺I. 6 I. 7億立方米， 其中亞太地區(qū)短缺約6000萬立方米。而我由于國內(nèi)氦氣的消費量快速提升，每年都需要通過大量進口來彌補需求缺口。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2007 2008年，氦氣行業(yè)年均消費增量將會保持在O. 37億m3左右。
氦氣在空氣中含量極少(約O. 005%)并無工業(yè)提氦價值。氦氣主要存在于天然氣中，其含量在世界各地各有不同，有的氦氣含量最高達8%。因此從天然氣中提取氦氣仍是氦氣的主要工業(yè)來源。
目前國內(nèi)外天然氣提氦工藝主要包括非低溫法和低溫法。
非低溫法主要采用膜分離和變壓吸附。我國研究的膜分離技術(shù)采用國產(chǎn)聚砜/硅橡膠中空纖維膜，常溫下經(jīng)一級膜分離可使氦濃縮5 5. 5倍,氦收率達到63°/Γ75%。但該工藝技術(shù)還沒工業(yè)化，同時膜的可靠性和穩(wěn)定還需進一步研究證明。在此研究的基礎(chǔ)上，我國研究人員提出了用膜分離+低溫分離聯(lián)合法從天然氣中提取氦氣。利用膜分離預(yù)濃天然氣中的氦氣，在相同氦氣產(chǎn)量的情況下，可大幅度降低低溫分離的規(guī)模及投資費用，但同樣存在膜分離膜中分離膜的技術(shù)問題。而沒有真正意義上的工業(yè)化。
在國外俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院研究于2006年研究出一種采用非低溫法從天然氣中分離氦氣的新工藝。該工藝利用極為細小的玻璃微珠組成的膜將氦氣從氣流中吸附出來，但目前該工藝尚未投入規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)中，還有待進一步的研究開發(fā)。
低溫法提氦工藝，國內(nèi)外一般采用氮氣循環(huán)制冷技術(shù)來滿足低溫法提氦工藝中所需的制冷溫度。對于前端原料氣預(yù)冷方案，根據(jù)具體原料氣氣質(zhì)條件，一般采用膨脹制冷、 外部制冷(如PRICO混合冷劑制冷循環(huán))以及前膨脹制冷+外部制冷的方式。
非低溫方法由于其膜分離元件的技術(shù)問題等問題，在天然氣提氦工業(yè)中尚未成熟到足以規(guī)模化和工業(yè)化的程度。
低溫法中，現(xiàn)有的外部制冷工藝雖可聯(lián)產(chǎn)LNG，但能耗高，而前膨脹制冷工藝，提氦塔操作壓力較低，操作溫度低(最低-192°C )，對塔體材質(zhì)要求高，在到達相同氦氣濃度的情況下，冷量需求大，能耗高，變工況能力較差。同時對數(shù)平均溫差小，傳熱面積大，投資較高。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明提供了一種天然氣低溫提氦系統(tǒng)及方法， 采用后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離技術(shù)，充分回收裝置自身冷量來預(yù)冷原料天然氣，不僅能適用含氦量極低的天然氣，同時具有能耗低、氦氣回收率高、投資省、操作靈活、變工況適應(yīng)能力強等特征。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種天然氣低溫提氦系統(tǒng)，包括原料氣冷卻器、一級提濃塔、二級提濃塔、深冷器、膨脹機組、氮氣壓縮機和氮氣緩沖罐，其中原料氣冷卻器左側(cè)進口接含氦凈化天然氣，原料氣冷卻器底部出口與進口分別通過管線與一級提濃塔塔底的蒸發(fā)器進口與出口連接；原料氣冷卻器右側(cè)出口通過管線與一級提濃塔中部進口連接；原料氣冷卻器右側(cè)中部進口通過管線分別與一級提濃塔塔頂冷凝器上部出口、深冷器底部的低壓氣出口連接；原料氣冷卻器左側(cè)中部出口接下游系統(tǒng)；原料氣冷卻器右側(cè)下部進口通過管線與一級提濃塔塔底出口連接；原料氣冷卻器上部的出口與進口分別通過管線與膨脹機組的透平膨脹機進口與出口連接；原料氣冷卻器左側(cè)的出口與膨脹機組的同軸壓縮機進口連接，同軸壓縮機出口接入下游系統(tǒng)；一級提濃塔塔底出口通過管線與塔頂冷凝器進口連接，一級提濃塔塔頂冷凝器出口通過管線與二級提濃塔塔底蒸發(fā)器進口連接，塔底蒸發(fā)器出口接深冷器底部進口，深冷器中部出口接入二級提濃塔中部進口 ；二級提濃塔塔頂冷凝器出口接深冷器左側(cè)上部進口，深冷器右側(cè)上部出口為產(chǎn)品粗氦出口 ；二級提濃塔塔底部出口通過管線深冷器左側(cè)下部進口連接；氮氣緩沖罐、氮氣壓縮機和深冷器依次連接，深冷器左側(cè)中部進口與二級提濃塔塔頂冷凝器的低溫氮氣出口連接；深冷器左側(cè)下部出口與二級提濃塔塔頂冷凝器進口連接，深冷器右側(cè)中部出口接氮氣緩沖罐進口。
本發(fā)明還提供了一種天然氣低溫提氦方法，包括如下步驟從干燥系統(tǒng)來的含氦天然氣進入原料氣冷卻器中冷卻到_92°C后，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，從天然氣中抽部分氣體進入一級提濃塔塔底作為蒸發(fā)器熱源被冷卻到-109°C后，再次進入原料氣冷卻器與原料氣匯合繼續(xù)預(yù)冷，預(yù)冷到-114. 7°C后進入一級提濃塔中部進行一次提濃；一級提濃塔塔底出來的液甲烷部分經(jīng)過節(jié)流到O. 43 MPa，溫度到達-139. 6°C，作為塔頂冷凝器的冷源，經(jīng)過塔頂冷凝器換熱后，低壓返回氣體與深冷器來的低壓氣匯合進入原料氣冷卻器回收冷量后進入下游系統(tǒng)，其余液甲烷節(jié)流到I. 68 MPa，溫度為-116. (TC后進入原料氣冷卻器回收部分冷量，溫度達到_95°C，然后進入膨脹機組的透平膨脹機，膨脹到 O. 9MPa，溫度達到-117. 3°C再進入原料氣冷卻器換熱，回收冷量后，再經(jīng)過膨脹機組的同軸壓縮機增壓到I. O MPa后進入下游系統(tǒng)；一級提濃塔出來的一次粗氦進入二級提濃塔塔底蒸發(fā)器回收冷量后，進入深冷器預(yù)冷到-150. 5°C進入二級提濃塔中部進行二次提濃；經(jīng)二級提濃塔塔頂冷凝器出來的粗氦進入深冷器換熱到37°C成為產(chǎn)品粗氦；二級提濃塔塔底部出來的液體，經(jīng)節(jié)流到O. 45MPa，溫度達到-170. 4°C進入深冷器回收部分冷量后，與一級提濃塔塔頂出來低壓氣體匯合，二級提濃塔塔頂冷凝器所需的冷量依靠氮循環(huán)所產(chǎn)生的液氮蒸發(fā)提供；在氮循環(huán)系統(tǒng)中，氣體氮儲存在氮氣緩沖罐中，經(jīng)氮氣壓縮機壓縮到2. OMPa，進深冷器與二級提濃塔塔頂冷凝器出來的低溫氮氣以及二級提濃塔塔底節(jié)流后的氮甲烷液體換冷，溫度達到-160°C，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到O. 13 MPa，溫度達到-188. I°C，進入二級提濃塔塔頂冷凝器提供冷量，出塔頂冷凝器的低溫氮氣進入深冷器給出冷量后，溫度為35°C進入氮氣緩沖罐。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明中含氦天然氣經(jīng)過預(yù)冷系統(tǒng)、低溫精餾系統(tǒng)提取天然氣中少量的氦氣，氦氣提濃過程中所需的超低溫度冷源由獨立的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)提供，該獨立系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段豐富，同時不受上游操作的影響。采用后膨脹制冷系統(tǒng)，不僅使系統(tǒng)操作壓力較現(xiàn)有工藝高，在相同的制冷溫度下，可使產(chǎn)品氦氣濃度更高。具體表現(xiàn)如下1)采用雙塔提氦工藝，并配以先進、高效的板翅式換熱器，利用透平膨脹制冷的同時， 充分回收裝置自身冷量來預(yù)冷原料天然氣，而不需要其它外部冷源來預(yù)冷原料氣，使裝置的能耗降低；2)采用后膨脹制冷，不僅操作壓力較現(xiàn)有的前膨脹制冷工藝高，同時能夠在膨脹機允許的范圍內(nèi)改變膨脹比，來調(diào)節(jié)原料氣預(yù)冷溫度，且不影響后續(xù)操作壓力。裝置操作穩(wěn)定、 靈活；3)裝置采用獨立的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)，不僅能提供近_190°C的超低溫位，而且獨立的制冷系統(tǒng)，能夠很好適應(yīng)變工況操作條件。
4) 一級提濃塔、二級提濃塔、原料氣冷卻器及深冷器等設(shè)備均設(shè)置在冷箱內(nèi)，保冷效果好，并最大程度地減少冷損。
5)工藝中設(shè)置冷量調(diào)節(jié)罐，能起到調(diào)節(jié)一級提濃塔塔頂冷凝器以及原料氣冷卻器負荷的作用，不需要變頻冷量調(diào)節(jié)。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖I本發(fā)明的的系統(tǒng)原理示意圖。
具體實施方式
一種天然氣低溫提氦系統(tǒng)，如圖I所示，包括原料氣冷卻器I、一級提濃塔2、二級提濃塔3、深冷器4、膨脹機組5、氮氣壓縮機6、冷量調(diào)節(jié)罐7、氮氣緩沖罐8等，其中原料氣冷卻器I左側(cè)進口接含氦凈化天然氣，原料氣冷卻器I底部出口與進口分別通過管線與一級提濃塔2塔底的蒸發(fā)器進口與出口連接；原料氣冷卻器I右側(cè)出口通過管線與一級提濃塔2中部進口連接；原料氣冷卻器I右側(cè)中部進口通過管線分別與一級提濃塔 2塔頂冷凝器上部出口、深冷器4底部的低壓氣出口連接；原料氣冷卻器I左側(cè)中部出口接下游系統(tǒng)(低壓天然氣)；原料氣冷卻器I右側(cè)下部進口通過管線與一級提濃塔2塔底出口連接；原料氣冷卻器I上部的出口與進口分別通過管線與膨脹機組5的透平膨脹機進口與出口連接；原料氣冷卻器I左側(cè)的出口與膨脹機組5的同軸壓縮機進口連接，同軸壓縮機出口接入下游系統(tǒng)(中壓天然氣)。
一級提濃塔2塔底出口通過管線與塔頂冷凝器進口連接，一級提濃塔2塔頂冷凝器下部出口與冷量調(diào)節(jié)罐7連接；一級提濃塔2塔頂冷凝器出口通過管線與二級提濃塔3 塔底蒸發(fā)器進口連接，塔底蒸發(fā)器出口接深冷器4底部進口，深冷器4中部出口接入二級提濃塔3中部進口 ；二級提濃塔3塔頂冷凝器出口接深冷器4左側(cè)上部進口，深冷器4右側(cè)上部出口為產(chǎn)品粗氦出口 ；二級提濃塔3塔底部出口通過管線深冷器4左側(cè)下部進口連接，二級提濃塔3塔頂冷凝器所需的冷量是依靠氮循環(huán)所產(chǎn)生的液氮蒸發(fā)提供。
氮氣緩沖罐8、氮氣壓縮機6和深冷器4依次連接，深冷器4左側(cè)中部進口與二級提濃塔3塔頂冷凝器的低溫氮氣出口連接；深冷器4左側(cè)下部出口與二級提濃塔3塔頂冷凝器進口連接，深冷器4右側(cè)中部出口接氮氣緩沖罐8進口。
本發(fā)明還提供了一種天然氣低溫提氦方法，包括如下步驟新型后膨脹+氮循環(huán)制冷天然氣提氦技術(shù)主要包括天然氣預(yù)冷系統(tǒng)、低溫精餾系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)。天然氣預(yù)冷系統(tǒng)主要通過回收自身冷量和膨脹制冷來預(yù)冷含氦天然氣；低溫精餾系統(tǒng)采用兩塔精餾工藝來分離天然氣中氦氣；氮循環(huán)制冷系統(tǒng)通過高壓氮氣節(jié)流提供超低溫位冷量來提濃氦氣。具體技術(shù)方案如下從干燥系統(tǒng)來的含氦天然氣(即原料氣)進入原料氣冷卻器I中冷卻到-92°C后， 通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，從天然氣中抽部分氣體進入一級提濃塔2塔底作為蒸發(fā)器熱源被冷卻到_109°C后，再次進入原料氣冷卻器I與原料氣匯合繼續(xù)預(yù)冷；提氦天然氣預(yù)冷到-114. 7°C后(約94%的液化率)進入一級提濃塔2中部進行一次提濃。
一級提濃塔2塔頂冷凝器出來的一次粗氦濃度可達4. 4%，溫度為-131. 1°C ;一級提濃塔2塔底出來的液甲烷部分(約14%(mol))經(jīng)過節(jié)流到O. 43 MPa，溫度到達-139. 6°C, 作為塔頂冷凝器的冷源，經(jīng)過塔頂冷凝器換熱后，低壓返回氣體與深冷器4來的低壓氣匯合進入原料氣冷卻器I回收冷量后進入下游系統(tǒng)，若一級提濃塔冷量過剩，一級提濃塔2塔頂冷凝器中的液甲烷進入冷量調(diào)節(jié)罐7 ;—級提濃塔2塔底出來的其余液甲烷節(jié)流到I. 68 MPa，溫度為-116. (TC后進入原料氣冷卻器I回收部分冷量，溫度為_95°C，進入膨脹機組5 的透平膨脹機，膨脹到O. 9MPa，溫度為-117. 3°C再進入原料氣冷卻器I換熱，回收冷量后， 再經(jīng)過膨脹機組5的同軸壓縮機增壓到I. O MPa進入下游系統(tǒng)。
一級提濃塔2出來的一次粗氦進入二級提濃塔3塔底蒸發(fā)器回收冷量后，進入深冷器4預(yù)冷到-150. 5°C進入二級提濃塔3中部(操作壓力為I. 83MPa)進行二次提濃；經(jīng)二級提濃塔3塔頂冷凝器出來的粗氦進入深冷器4換熱到37°C產(chǎn)生產(chǎn)品粗氦(濃度為68. 3%)； 二級提濃塔3塔底部出來的液體，經(jīng)節(jié)流到O. 45MPa，溫度達到-170. 4°C進入深冷器4回收部分冷量后，與一級提濃塔2塔頂出來低壓氣體匯合，二級提濃塔3塔頂冷凝器所需的冷量是依靠氮循環(huán)所產(chǎn)生的液氮蒸發(fā)提供。
在氮循環(huán)系統(tǒng)中，氣體氮儲存在氮氣緩沖罐8中，經(jīng)氮氣壓縮機6壓縮到2. OMPa, 進深冷器4與二級提濃塔3塔頂冷凝器出來的低溫氮氣以及二級提濃塔3塔底節(jié)流后的氮甲烷液體換冷，溫度達到_160°C，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到O. 13 MPa，溫度達到-188. 1°C，進入二級提濃塔3塔頂冷凝器提供冷量，出塔頂冷凝器的低溫氮氣進入深冷器4給出冷量后，溫度為35°C進入氮氣緩沖罐8 ;損耗的氮氣定期補充。
權(quán)利要求
1.一種天然氣低溫提氦系統(tǒng)，其特征在于包括原料氣冷卻器、一級提濃塔、二級提濃塔、深冷器、膨脹機組、氮氣壓縮機和氮氣緩沖罐，其中原料氣冷卻器左側(cè)進口接含氦凈化天然氣，原料氣冷卻器底部出口與進口分別通過管線與一級提濃塔塔底的蒸發(fā)器進口與出口連接；原料氣冷卻器右側(cè)出口通過管線與一級提濃塔中部進口連接；原料氣冷卻器右側(cè)中部進口通過管線分別與一級提濃塔塔頂冷凝器上部出口、深冷器底部的低壓氣出口連接；原料氣冷卻器左側(cè)中部出口接下游系統(tǒng)；原料氣冷卻器右側(cè)下部進口通過管線與一級提濃塔塔底出口連接；原料氣冷卻器上部的出口與進口分別通過管線與膨脹機組的透平膨脹機進口與出口連接；原料氣冷卻器左側(cè)的出口與膨脹機組的同軸壓縮機進口連接，同軸壓縮機出口接入下游系統(tǒng)；一級提濃塔塔底出口通過管線與塔頂冷凝器進口連接，一級提濃塔塔頂冷凝器出口通過管線與二級提濃塔塔底蒸發(fā)器進口連接，塔底蒸發(fā)器出口接深冷器底部進口，深冷器中部出口接入二級提濃塔中部進口 ；二級提濃塔塔頂冷凝器出口接深冷器左側(cè)上部進口，深冷器右側(cè)上部出口為產(chǎn)品粗氦出口 ；二級提濃塔塔底部出口通過管線深冷器左側(cè)下部進口連接；氮氣緩沖罐、氮氣壓縮機和深冷器依次連接，深冷器左側(cè)中部進口與二級提濃塔塔頂冷凝器的低溫氮氣出口連接；深冷器左側(cè)下部出口與二級提濃塔塔頂冷凝器進口連接，深冷器右側(cè)中部出口接氮氣緩沖罐進口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的天然氣低溫提氦系統(tǒng)，其特征在于所述一級提濃塔塔頂冷凝器下部出口與冷量調(diào)節(jié)罐連接。
3.一種天然氣低溫提氦方法，其特征在于包括如下步驟從干燥系統(tǒng)來的含氦天然氣進入原料氣冷卻器中冷卻到_92°C后，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，從天然氣中抽部分氣體進入一級提濃塔塔底作為蒸發(fā)器熱源被冷卻到-109°C后，再次進入原料氣冷卻器與原料氣匯合繼續(xù)預(yù)冷，預(yù)冷到-114. 7°C后進入一級提濃塔中部進行一次提濃；一級提濃塔塔底出來的液甲烷部分經(jīng)過節(jié)流到O. 43 MPa，溫度到達-139. 6°C，作為塔頂冷凝器的冷源，經(jīng)過塔頂冷凝器換熱后，低壓返回氣體與深冷器來的低壓氣匯合進入原料氣冷卻器回收冷量后進入下游系統(tǒng)，其余液甲烷節(jié)流到I. 68 MPa，溫度為-116. (TC后進入原料氣冷卻器回收部分冷量，溫度達到_95°C，然后進入膨脹機組的透平膨脹機，膨脹到 O. 9MPa，溫度達到-117. 3°C再進入原料氣冷卻器換熱，回收冷量后，再經(jīng)過膨脹機組的同軸壓縮機增壓到I. O MPa后進入下游系統(tǒng)；一級提濃塔出來的一次粗氦進入二級提濃塔塔底蒸發(fā)器回收冷量后，進入深冷器預(yù)冷到-150. 5°C進入二級提濃塔中部進行二次提濃；經(jīng)二級提濃塔塔頂冷凝器出來的粗氦進入深冷器換熱到37°C成為產(chǎn)品粗氦；二級提濃塔塔底部出來的液體，經(jīng)節(jié)流到O. 45MPa，溫度達到-170. 4°C進入深冷器回收部分冷量后，與一級提濃塔塔頂出來低壓氣體匯合，二級提濃塔塔頂冷凝器所需的冷量依靠氮循環(huán)所產(chǎn)生的液氮蒸發(fā)提供；在氮循環(huán)系統(tǒng)中，氣體氮儲存在氮氣緩沖罐中，經(jīng)氮氣壓縮機壓縮到2. OMPa，進深冷器與二級提濃塔塔頂冷凝器出來的低溫氮氣以及二級提濃塔塔底節(jié)流后的氮甲烷液體換冷， 溫度達到-160°C，再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到O. 13 MPa，溫度達到-188. 1°C，進入二級提濃塔塔頂冷凝器提供冷量，出塔頂冷凝器的低溫氮氣進入深冷器給出冷量后，溫度為35°C進入氮氣緩沖罐。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣低溫提氦方法，其特征在于當一級提濃塔冷量過剩時，一級提濃塔塔頂冷凝器中的液甲烷進入冷量調(diào)節(jié)罐。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣低溫提氦方法，其特征在于所述二次提濃的操作壓力為 I. 83MPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣低溫提氦系統(tǒng)及方法，采用后膨脹+氮循環(huán)制冷兩塔分離技術(shù)，充分回收裝置自身冷量來預(yù)冷原料天然氣，不僅能適用含氦量極低的天然氣，同時具有能耗低、氦氣回收率高、投資省、操作靈活、變工況適應(yīng)能力強等特征。本發(fā)明的積極效果是本發(fā)明中含氦天然氣經(jīng)過預(yù)冷系統(tǒng)、低溫精餾系統(tǒng)提取天然氣中少量的氦氣，氦氣提濃過程中所需的超低溫度冷源由獨立的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)提供，該獨立系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段豐富，同時不受上游操作的影響，采用后膨脹制冷系統(tǒng)，不僅使系統(tǒng)操作壓力較現(xiàn)有工藝高，在相同的制冷溫度下，可使產(chǎn)品氦氣濃度更高。
文檔編號F25J3/02GK102937369SQ20121051342
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者龍增兵, 琚宜林, 劉家洪, 冼祥發(fā), 鐘志良, 郭成華, 楊曉秋, 劉澤軍, 陳運強, 汪宏偉, 陶真, 汪貴, 孫林, 諶天兵, 陸永康, 蒲黎明, 劉志榮, 盛炳林, 李均方, 蘭小平 申請人:中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司