利用液化天然气冷量获得液氮的方法及装置

摘要

一种利用液化天然气冷量获得液氮的方法及装置，所述的方法至少是将原料氮气与液化天然气在天然气换热器中进行热交换，所述的从空分装置或外部氮气管道引出的原料氮气经过氮气透平压缩机压缩后进入天然气换热器的氮气通道进行换热，被返流的冷流体冷却；所述的装置由低温氮气循环机、氮气透平压缩机、天然气换热器、高温增压透平膨胀机、低温增压透平膨胀机、汽液分离器以及液氮过冷器组成；它充分利用了液化天然气高品位的冷能，可以经济地获得液氮；生产1千克液氮的电消耗仅为0.24千瓦.小时，而传统的空气分离装置生产1千克液氮电消耗为0.6～0.8千瓦.小时，具有节能效果明显等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种将液化天然气冷量进行回收利用，以获得低温液氮的方法及装置，属于低温技术领域。

背景技术

液化天然气的主要成分为甲烷，以及少量的乙烯、乙烷等碳氢化合物，它们经过脱酸，脱水处理，低温液化后，其最低温度为-162℃。通常，液化天然气输送到陆地的天然气管道之前需要在海水中汽化，汽化过程中液化天然气由液态转化为气态要释放出大量的冷量(潜热)。在8MPa压力下，液化天然气从液态-162℃汽化到环境温度27℃时释放的冷量为830kJ/kg。如果将液化天然气如此巨大的冷量回收，不仅能够克服局部海域低温污染的问题，还能使能源循环利用避免能源浪费，从而获得极大的社会效益和经济效益。

氮气主要用于合成氨、金属热处理的保护气氛、化工生产中的惰性保护气、粮食贮存、食品速冻保存、水果保鲜和电子工业等。液氮的工业生产方法是采用低温分离法，由电力或蒸汽驱动透平压缩机做功产生制冷效应。如果将液化天然气的冷量回收利用来替代部分电力或蒸汽机做功的机械制冷效应，那么将获得廉价的液氮。

发明内容

本发明的目的在于克服常规方法获得液氮需要消耗大量电能的缺点，而提供一种能充分利用液化天然气冷量，将该冷量回收以获得液氮的方法和装置，且该方法易于适应现有的为生产常规液氮而设计的系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，所述的利用液化天然气冷量获得液氮的方法，该方法至少是将原料氮气与液化天然气在天然气换热器中进行热交换，所述的从空分装置或外部氮气管道引出的原料氮气经过氮气透平压缩机压缩后进入天然气换热器的氮气通道进行换热，被返流的冷流体冷却；

被冷却的氮气从天然气换热器的中上部抽出，送入到低温氮气循环机压缩后再次送入天然气换热器，被返流的冷流体冷却；

冷却后的氮气从天然气换热器的中部抽出而并分为两股氮气流体，一股氮气流体进入高温增压透平膨胀机增压端被压缩，另一股氮气流体则进入高温增压透平膨胀机膨胀端被膨胀；

进入高温增压透平膨胀机增压端的冷氮气流体被压缩后，再次返回天然气换热器，被返流的冷流体冷却后从天然气换热器的中部抽出，送入低温增压透平膨胀机增压端进行压缩；

送入低温增压透平膨胀机增压端的氮气压缩后，分为两股氮气流体，再次返回入天然气换热器，一股氮气流体被返流的冷流体冷却后，从天然气换热器的中下部抽出，直接送到低温增压透平膨胀机膨胀端被膨胀；另一股氮气流体被返流的冷流体冷却后，从天然气换热器的底部抽出，被节流阀节流膨胀，产生液氮；

所述的液氮进入汽液分离器；从汽液分离器底部抽出液氮，经液氮过冷器冷却后进入液氮贮槽，或者为空分装置的中压塔提供冷源。

所述的进入高温增压透平膨胀机膨胀端的冷氮气流体被膨胀后，从天然气换热器的中部送入天然气换热器，与正流的热流体换热，复热后从天然气换热器的热端抽出，送到低温氮气循环机进行压缩，并形成高温膨胀氮气制冷循环。

所述的从天然气换热器的中下部抽出，送到低温增压透平膨胀机膨胀端被膨胀的氮气与节流产生的液氮合并成一股流体，一起进入汽液分离器，在该汽液分离器顶部抽出氮气，进入天然气换热器与正流的热氮气换热，复热后与其它同等压力的氮气流体汇合并返回天然气换热器，换热冷却后进入低温氮气循环机，并形成低温膨胀氮气制冷循环。

一种利用液化天然气冷量获得液氮的装置，该装置至少包括有一天然气换热器，其中至少有一天然气换热流道，所述的天然气换热器上还至少设置有四条氮气换热流道，其中第一和第二换热流道之间设置有低温氮气循环机，第二和第三换热流道之间设置有高温增压透平膨胀机，第三和第四换热流道之间设置有低温增压透平膨胀机；经第四换热流道出来的氮气接于一节流阀，再接于一汽液分离器后接于一过冷器。

所述的高温增压透平膨胀机的膨胀端接于天然气换热器中设置的可与正流热流体换热的第一返流流道；所述的低温增压透平膨胀机的膨胀端进口接于天然气换热器上与第四换热流道并接出来的第五换热流道上，而其膨胀端出口接于所述汽液分离器上。

所述的汽液分离器的顶部相接于天然气换热器中设置的第二返流流道上，并在流出该第二返流流道后与第一返流流道流出的氮气并接后再与原料氮气汇接。

本发明属于对现有技术的一种改良，它充分利用了液化天然气高品位的冷能，可以经济地获得液氮；生产1千克液氮的电消耗为0.24千瓦.小时，而传统的空气分离装置生产1千克液氮电消耗为0.6～0.8千瓦.小时，是本发明所提出的装置耗电量的2.5～3.3倍。因此，本发明专利如能推广应用，必将获得极大的经济效益。

附图说明

图1是本发明的工艺流程原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明所述的利用液化天然气冷量获得液氮的装置，它至少包括一主要由低温氮气循环机、氮气透平压缩机、天然气换热器、高温增压透平膨胀机、低温增压透平膨胀机、汽液分离器以及液氮过冷器组成的液化天然气冷量回收装置。所述的天然气换热器，其中至少有一天然气换热流道，所述的天然气换热器上还至少设置有四条氮气换热流道，其中第一和第二换热流道之间设置有低温氮气循环机，第二和第三换热流道之间设置有高温增压透平膨胀机，第三和第四换热流道之间设置有低温增压透平膨胀机；经第四换热流道出来的氮气接于一节流阀，再接于一汽液分离器后接于一过冷器。

所述的高温增压透平膨胀机的膨胀端接于天然气换热器中设置的可与正流热流体换热的第一返流流道；所述的低温增压透平膨胀机的膨胀端进口接于天然气换热器上与第四换热流道并接出来的第五换热流道上，而其膨胀端出口接于所述汽液分离器上。

所述的汽液分离器的顶部相接于天然气换热器中设置的第二返流流道上，并在流出该第二返流流道后与第一返流流道流出的氮气并接后再与原料氮气汇接。

本发明所述的天然气换热器、高温增压透平膨胀机以及低温氮气循环机联接成高温膨胀氮气制冷循环。

所述的天然气换热器、低温氮气循环机、高温增压透平膨胀机、低温增压透平膨胀机、汽液分离器以及液氮过冷器联接成低温膨胀氮气制冷循环。

附图1所示，从空分装置或外部氮气管道引出的无油、无尘原料氮气1与返流的氮气2汇合成氮气3，经过氮气透平压缩机4压缩至5～10bar，5bar最佳；氮气3与返流的氮气7汇合成氮气6，氮气6进入天然气换热器8进行换热，被返流的冷流体冷却。

被冷却的氮气6从天然气换热器的中上部抽出，氮气9的温度为180～220K，180K最佳；氮气9送入到低温氮气循环机10压缩至25～35bar，30bar最佳；压缩后的氮气11再次送入天然气换热器8，被返流的冷流体冷却。

冷却后的氮气12从天然气换热器8的中部抽出而并分为两股氮气13，15，氮气13进入高温增压透平膨胀机增压端14被压缩至35～40bar，40bar最佳；氮气15则进入高温增压透平膨胀机膨胀端17被膨胀成氮气18。

进入高温增压透平膨胀机增压端14的冷氮气13被压缩后，氮气16再次返回天然气换热器8，被返流的冷流体冷却后从天然气换热器8的中部抽出，送入低温增压透平膨胀机增压端20进行压缩。

送入低温增压透平膨胀机增压端20的氮气19压缩至50～60bar，55bar最佳，氮气21分为两股氮气22，37，再次返回天然气换热器8，氮气22被返流的冷流体冷却后，从天然气换热器8的中下部抽出，直接送到低温增压透平膨胀机膨胀端23被膨胀；氮气37被返流的冷流体冷却后，从天然气换热器8的底部抽出，被节流阀27节流膨胀，膨胀后氮气26压力为5~10bar，5bar最佳。

进入高温增压透平膨胀机膨胀端17的冷氮气15被膨胀后，氮气18压力为5～10bar，5bar最佳；从天然气换热器8的中部送入天然气换热器8，与正流的热流体换热，复热后从天然气换热器8的热端抽出，与氮气5、38汇合，氮气6送到低温氮气循环机10进行压缩，形成高温膨胀氮气制冷循环。高温膨胀氮气制冷循环主要是由天然气换热器、高温增压透平膨胀机、低温氮气循环机以及管道联接组成。

氮气22从天然气换热器8的中下部抽出，送到低温增压透平膨胀机膨胀端23膨胀成氮气24，氮气24与节流氮气26合并，氮气25进入汽液分离器28。

从汽液分离器28底部抽出液氮30，经液氮过冷器29冷却后，可以分为两股液氮31、32。液氮31可以进入液氮贮槽34，也可以进入空分装置35的中压塔，作为空分装置的外部冷源。

从汽液分离器28顶部抽出氮气，进入天然气换热器8与正流的热流体换热，复热后流出天然气换热器8，氮气38与其它返流氮气汇合，并返回进入天然气换热器8，与返流的冷流体换热，冷却后进入低温氮气循环机10，形成低温膨胀氮气制冷循环。低温膨胀氮气制冷循环主要是由天然气换热器、低温氮气循环机、高温增压透平膨胀机、低温增压透平膨胀机、汽液分离器、液氮过冷器以及管道联接组成。

液化天然气39的压力可以在4.0～9.5MPa范围内，进入天然气换热器8换热，复热后以气态形式氮气40引出天然气换热器8，进入天然气输送管道。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，对于本液化天然气冷量回收装置而言，可以作出各种变型或优化，这些也是本发明的保护范围。