带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺

摘要

本发明公开了一种带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺，其中，该富甲烷气液化装置包括余热回收装置、带有氨吸收式制冷机的预冷循环装置，以及采用缠绕管式低温主换热器的单级混合冷剂液化制冷循环装置。其工艺主要是利用余热驱动的氨吸收式制冷机制取冷媒，对富甲烷气和混合冷剂进行预冷，再通过单级混合冷剂液化工艺将富甲烷气液化，以制取液化天然气产品。燃气发电机组的烟气余热可采用导热油循环方式加以回收，再通入氨吸收式制冷机用于制冷，也可直接将高温烟气通入氨吸收式制冷机用于制冷。本发明的富甲烷气液化装置及工艺充分利用燃气发电机组排烟余热，降低液化能耗，提高液化装置的可靠性，同时适用于缺水地区。

说明书

技术领域

本发明涉及一种富甲烷气液化装置及工艺，特别涉及一种带有余热型氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺。

背景技术

天然气是一种清洁能源，液化后体积减小约600倍。液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）能够降低贮存和运输成本，并提高单位体积热值，适合于作为车用燃料。以天然气、井口气、油田伴生气、垃圾填埋气和沼气等富甲烷气体为原料均能生产LNG，通常采用处理量50000方/天以内的小型天然气液化装置来回收上述富甲烷气体资源。

目前适合于小型LNG生产装置的工艺主要有三种：1）单级混合冷剂液化流程；2）带膨胀机的液化流程；3）高压预冷引射器节流液化流程。其中：单级混合冷剂液化流程在具备较低能耗的同时，降低了设备复杂程度，已成为小型LNG生产装置广泛采用的液化流程。带膨胀机的液化流程尽管能耗较高，但具有设备简单、启动快等优点，在调峰型LNG生产装置中获得广泛应用。高压预冷引射器节流液化流程设备简单，运行可靠，启动迅速，但能耗较高，应用较少。

为了进一步降低液化能耗，预冷技术被普遍应用到混合冷剂或带膨胀机的液化流程中，预冷机组主要有丙烷、氟利昂等蒸汽压缩式制冷装置，也出现了溴化锂吸收式制冷装置，如中国申请公布号CN 101805649 A。

丙烷和氟利昂蒸汽压缩式制冷需要额外消耗电能、燃气或蒸汽，无法利用低品位余热资源。通常采用的R22等氟利昂制冷剂由于具有破坏臭氧层作用而逐渐被禁用。溴化锂吸收式制冷机可由燃气或蒸汽驱动，也可由中温烟气或热水等余热进行驱动，仅消耗少量的电能，但由于以水为制冷剂，只能制取0℃以上的冷媒，因此预冷温度较高，液化能耗降低有限。另外溴化锂机组需采用水冷方式以防止溴化锂结晶，需配备冷却水循环系统，不适用于缺水地区。

目前小型LNG生产装置中的低温主换热器均采用板翅式换热器，存在以下缺点：

1）耐热冲击能力差，换热器任一截面的各换热通道间温差不能太高，否则热应力将导致换热器损坏，因此对操作和运行要求较高，尤其是装置启动、停车、非正常停机期间，容易由于操作不当而引起换热器损坏。

2）板翅式换热器由于采用铝合金材料，易被原料气中的汞腐蚀而导致失效，因此原料气在进入换热器前需增加脱汞装置。

3）较难实现气液两相流体在通道中的均匀分布，影响换热效率。

在缺电地区应用液化装置时多采用燃气发电机组，但发电机组的排烟余热大多直接排放，有时用于吸附剂的再生，未见用于制冷，利用率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺，本发明的富甲烷气液化装置及工艺充分利用燃气发电机组排烟余热，降低液化能耗，提高液化装置的可靠性，且适用于缺水地区。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置，所述富甲烷气液化装置包括单级混合冷剂液化制冷循环装置、预冷循环装置和余热回收装置， 所述预冷循环装置包括氨吸收式制冷机、冷媒缓冲罐、冷媒循环泵、预冷器，所述氨吸收式制冷机的蒸发器上冷媒输入口和输出口、冷媒缓冲罐、冷媒循环泵、预冷器的冷媒输入口和输出口依次管道连接组成回路；所述余热回收装置包括燃气发电机组，在所述燃气发电机组与氨吸收式制冷机的发生器通过管道连通，且该管道上设有制热烟气阀门，在该制热烟气阀门和该燃气发电机组之间又设有控制烟气排放至大气的直排烟气阀门。

作为优选方案，所述单级混合冷剂液化制冷循环装置包括低温主换热器，所述低温主换热器采用缠绕管式换热器。

作为优选方案，所述低温主换热器内的换热管束由不锈钢、铜或铝合金材料制成。

作为优选方案，所述氨吸收式制冷机上设有补燃装置。

本发明提供的第二种技术方案：一种带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化工艺，所述工艺包括以下步骤：

a. 待液化的净化处理后的富甲烷气体经预冷器的冷却后，进入低温主换热器，降温液化并过冷后，经LNG节流阀输出产品液化天然气；

b. 混合冷剂经冷剂压缩机增压后，进入冷却器降温并部分冷凝，再经预冷器预冷后进入低温主换热器，冷却后进入冷剂节流阀降压降温，返回低温主换热器的壳程蒸发以提供液化冷量，蒸发后的气体进入气液分离器，气相混合冷剂返回冷剂压缩机的吸入端，完成制冷循环；

c. 冷媒在氨吸收式制冷机的蒸发器内降温后进入冷媒缓冲罐中，再由冷媒循环泵输送进入预冷器提供冷量，复温后返回该氨吸收式制冷机的蒸发器；

d. 燃气发电机组的烟气由制热烟气阀门、直排烟气阀门控制，关闭制热烟气阀门，打开直排烟气阀门时，烟气直接排至大气；关闭直排烟气阀门并打开制热烟气阀门时，烟气经氨吸收式制冷机发生器的输入口进入该发生器，加热氨水溶液后经所述发生器的输出口排至大气；

e. 在冷媒温度高于设定值，余热不足时，启动所述补燃装置，维持氨吸收式制冷机的制冷能力稳定。 

本发明提供的第三种技术方案：一种带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置，所述富甲烷气液化装置包括单级混合冷剂液化制冷循环装置、预冷循环装置和余热回收装置， 所述预冷循环装置包括氨吸收式制冷机、冷媒缓冲罐、冷媒循环泵、预冷器，所述氨吸收式制冷机的蒸发器上冷媒输入口和输出口、冷媒缓冲罐、冷媒循环泵、预冷器的冷媒输入口和输出口依次管道连接组成回路；所述余热回收装置包括燃气发电机组、导热油炉、导热油缓冲罐及导热油泵，所述导热油缓冲罐、导热油泵、氨吸收式制冷机的发生器输入口和输出口、导热油炉的油路输入口和油路输出口依次管道连接组成回路，所述燃气发电机组与导热油炉的烟气输入口通过管道连通，且该管道上设有制热烟气阀门，在该制热烟气阀门和该燃气发电机组之间又设有控制烟气排放至大气的直排烟气阀门，导热油炉的烟气能够通过烟气输出口排放至大气。

作为优选方案，所述单级混合冷剂液化制冷循环装置包括低温主换热器，所述低温主换热器采用缠绕管式换热器。

作为优选方案，所述低温主换热器内的换热管束由不锈钢、铜或铝合金材料制成。

作为优选方案，所述导热油炉上设有补燃装置。

本发明提供的第四种技术方案：一种根据权利要求6所述的带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化工艺，所述工艺包括以下步骤：

a. 待液化的净化处理后的富甲烷气体经预冷器的冷却后，进入低温主换热器，降温液化并过冷后，经LNG节流阀输出产品液化天然气；

b. 混合冷剂经冷剂压缩机增压后，进入冷却器降温并部分冷凝，再经预冷器预冷后进入所述低温主换热器，冷却后进入冷剂节流阀降压降温，返回低温主换热器的壳程蒸发以提供液化冷量，蒸发后的气体进入气液分离器，气相混合冷剂返回冷剂压缩机的吸入端，完成制冷循环；

c. 冷媒在氨吸收式制冷机的蒸发器内降温后进入冷媒缓冲罐中，再由冷媒循环泵输送进入预冷器提供冷量，复温后返回该氨吸收式制冷机的蒸发器；

d. 燃气发电机组的烟气由制热烟气阀门、直排烟气阀门控制，关闭制热烟气阀门，打开直排烟气阀门时，烟气直接排至大气；关闭直排烟气阀门并打开制热烟气阀门时，烟气经导热油炉烟气输入口进入该导热油炉，加热导热油炉后经导热油炉的烟气输出口排至大气，高温导热油由导热油泵输送至氨吸收式制冷机内的发生器，加热氨水溶液后温度降低，进入导热油炉加热后进导热油缓冲罐贮存，再回导热油泵的吸入端完成循环；

e. 在导热油温度低于设定值，余热不足时，启动所述补燃装置，维持氨吸收式制冷机的制冷能力稳定。

本发明达到的技术效果如下：本发明带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺充分利用燃气发电机组排烟余热，通过获得更低的预冷温度进一步降低液化能耗，且适用于缺水地区，有利于回收这类地区的富甲烷气资源。低温主换热器承压和耐热冲击能力增强，提高了设备的可靠性，并延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1是烟气热源驱动的带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置；

图2是导热油热源驱动的带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置。

具体实施方式

如图1和图2所示为本发明带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置，所述带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置包括单级混合冷剂液化制冷循环装置、余热回收装置和预冷循环装置。

单级混合冷剂液化制冷循环装置包括富甲烷气液化部分和冷剂循环部分。

富甲烷气液化部分包括预冷器10的富甲烷气输入口103和富甲烷气输出口104、低温主换热器11的富甲烷气输入口111和富甲烷气输出口112、LNG节流阀16通过管道依次连接。其中，待液化的净化处理后的富甲烷气体50经预冷器10冷却后，进入低温主换热器11，降温液化并过冷后，经第一节流阀16输出产品LNG。

冷剂循环部分包括气液分离器14、冷剂压缩机12、冷却器13、预冷器10的冷剂输入口105和冷剂输出口106、低温主换热器11的第一冷剂输入口113和第一冷剂输出口114、冷剂节流阀15、低温主换热器11的第二冷剂输入口115和第二冷剂输出口116依次管道连接组成的回路。其中，液化冷量由混合冷剂制冷循环提供，混合冷剂60经冷剂压缩机12增压后，进入冷却器13降温并部分冷凝，再经预冷器10预冷后进入低温主换热器11，冷却后出低温主换热器11，进入冷剂节流阀15降压降温，返回低温主换热器11的壳程蒸发以提供液化冷量，蒸发后的气体离开低温主换热器11，进入气液分离器14，气相混合冷剂60返回冷剂压缩机12的吸入端，完成制冷循环。

本发明氨吸收式制冷机7由余热回收装置提供驱动热源，热媒可以是导热油30，也可以直接采用燃气发电机组1的排烟。

如图1所示为烟气热源驱动的带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置。在该装置中，余热回收装置包括燃气发电机组1，在燃气发电机组1与氨吸收式制冷机7的发生器72通过管道连通，且该管道上设有制热烟气阀门3，在制热烟气阀门3和燃气发电机组1之间又设有控制烟气排放至大气的直排烟气阀门2。

燃气发电机组1的烟气20由制热烟气阀门3和直排烟气阀门2共同控制，关闭制热烟气阀门3打开直排烟气阀门2时，烟气直接排至大气；关闭直排烟气阀门2并打开制热烟气阀门3时，烟气进入氨吸收式制冷机7内的发生器72，加热氨水溶液后排至大气。制热烟气阀门3与直排烟气阀门2通过连锁控制始终保持1开1关，防止烟气无法排放。

氨吸收式制冷机7上设有补燃装置18，在余热不足即冷媒40温度高于设定值时，启动补燃装置18，维持氨吸收式制冷机7的制冷能力稳定。

如图2所示为导热油热源驱动的带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置。在该装置中，余热回收装置包括燃气发电机组1、导热油炉4、导热油缓冲罐5及导热油泵6。导热油缓冲罐5、导热油泵6、氨吸收式制冷机7的发生器72输入口和输出口、热油炉4的油路输入口41和油路输出口42依次管道连接组成回路，燃气发电机组1与导热油炉4的烟气输入口43通过管道连通，且该管道上设有制热烟气阀门31，在制热烟气阀门31和燃气发电机组1之间又设有控制烟气排放至大气的直排烟气阀门21，导热油炉4的烟气能够通过烟气输出口44排放至大气。

燃气发电机组1的烟气20由制热烟气阀门31和直排烟气阀门21共同控制，关闭制热烟气阀门31打开直排烟气阀门21时，烟气直接排至大气；关闭直排烟气阀门21并打开制热烟气阀门31时，烟气进入导热油炉4，加热换热管中的导热油后排至大气。制热烟气阀门31与直排烟气阀门21通过连锁控制始终保持1开1关，防止出现烟气无法排放。

导热油炉4上设有补燃装置17，在余热不足时即导热油30温度低于设定值时，启动补燃装置17，维持氨吸收式制冷机7的制冷能力稳定。高温导热油30由导热油泵6输送至氨吸收式制冷机7内的发生器72，加热氨水溶液后温度降低，进入导热油炉4加热后进导热油缓冲罐5贮存，再回导热油泵6的吸入端完成循环。

预冷循环装置包括冷媒缓冲罐8、冷媒循环泵9、预冷器10的冷媒输入口101和冷媒输出口102、氨吸收式制冷机7的蒸发器71的冷媒输入口和输出口依次管道连接组成的回路。其中，预冷循环装置为预冷器10提供冷量。冷媒40在氨吸收式制冷机7的蒸发器71内降温后进入冷媒缓冲罐8中，再由冷媒循环泵9输送进入预冷器10提供冷量，复温后返回氨吸收式制冷机7的蒸发器71。

本发明的主要特点：

1）采用余热驱动的氨吸收式制冷机7作为预冷循环装置的一部分。氨吸收式制冷机7制冷工质为氨和水按一定比例配制的混合物，氨的温室效应与臭氧层破坏效应均为0，是绿色环保制冷剂。氨吸收式制冷机7即可采用水冷，也可采用风冷，无溴化锂机组的溶液结晶问题，适用于缺水地区。

2）氨吸收式制冷机组7由于采用氨为制冷剂，能够制取低至-30℃的冷媒，因此可获取比带溴化锂预冷的液化装置更低的预冷温度，更有利于降低液化能耗。制冷温度根据液化工艺流程的物料和能量平衡综合确定，可在-30℃～15℃之间选择。

3）氨吸收式制冷机组7的驱动热源来自燃气发电机组1的250℃～400℃中温烟气，燃气发电机组1可以是燃气轮机或往复式燃气内燃机；

4）图1所示的装置中设有补燃装置18，图2所示的装置中设有补燃装置17，保证余热不足时预冷能力的稳定，补燃装置17和补燃装置18可以使用富甲烷原料气为燃料。

5）燃气发电机组1排烟由自动控制的制热烟气阀门3和直排烟气阀门2（或制热烟气阀门31和直排烟气阀门21）连锁控制，保证1开1关，制热烟气阀门3和直排烟气阀门2（或制热烟气阀门31和直排烟气阀门21）均具备驱动能源中断后自动复位功能，保证发电机组排烟正常。

6）低温主换热器11采用缠绕管式换热器，相比板翅式换热器，承压能力高，承受热冲击能力强，混合冷剂的蒸发在壳侧进行，不存在板翅式换热器内易发生的两相流体分布不均衡的问题。换热管束采用不锈钢材料时可耐受汞杂质的腐蚀。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。