利用液化天然气冷能的空气分离产液装置和方法与流程

本发明涉及液化天然气领域，特别是涉及一种利用液化天然气冷能的空气分离产液装置及其工艺方法。

背景技术：

1、lng(液化天然气)是在低温下以液态形式存在的天然气，储存温度约为-162℃。通常，lng需要重新气化为气态的天然气才能获得利用。lng气化时释放的冷能大约为840kj/kg。一座300×104t/a的lng接收站，如果lng连续均匀气化，释放的冷能约为80mw。因此，lng蕴涵的冷能是十分巨大的，回收这部分能源具有可观的经济和社会效益。

2、将lng冷能用于空气分离装置，由于工艺温度(-183～-173℃)比lng温度(-162℃)还要低，与用于冷冻冷藏(-20℃)、低温发电(-40℃)、制取干冰(-80℃)、低温粉碎(-140℃)等场合相比，冷能回收过程中的不可逆损失相对较少，因此lng的冷量中的有效能能得到最大程度的利用，是从热力学角度看最为合理的冷能利用方式。此外，利用了lng冷能的空分装置可以在较低的能耗指标下得到大量的液态产品，特别适合于生产较多液态产品的场合。并且由于lng可以在瞬间释放出大量高品位的冷能，因此相比于传统流程靠透平膨胀机产冷需要逐渐积累，还可以缩短空分流程的启动时间。

3、现有利用lng冷能的空气分离产液装置中，部分技术，如福建莆田接收站，液氮产品全部从高压塔获取，液氮产能有限，并对液氧产量和液氩产量有较大影响；还有一些技术，从低压塔获取氮气产品，并另设高压天然气/低压氮气换热器或在高压天然气换热器中增设低压氮气管线将从空分单元复温的低温氮气产品重新冷却后再进行低温压缩，这类技术的缺点是高压lng换热器成本高、风险大，而低压氮气体积流量大，导致设备尺寸大幅增大，大大增加了高压天然气换热器的制造成本和运行风险。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题之一是提供一种利用液化天然气冷能的空气分离产液装置，它能耗和成本低，液氧、液氩、液氮产品产量高。

2、为解决上述技术问题，本发明的利用液化天然气冷能的空气分离产液装置，包括空气分离单元和氮气液化单元，其中，空气分离单元包括空压机、冷却器、吸附净化装置、主换热器、高压塔、低压塔、冷凝再沸器、第二粗氩塔、粗氩塔冷凝器、精氩塔、精氩塔再沸器、精氩塔冷凝器、液氧储罐和液氩储罐；氮气液化单元包括液化换热器、过冷换热器、中压氮气压缩机、高压氮气压缩机、中压闪蒸罐、液氮储罐和中间制冷剂冷却换热器；

3、所述主换热器至少包含m1～m6、m8七条通道，m1、m2通道的入口可以设在主换热器的顶部，m3通道的入口可以设在主换热器的下部，m4、m5通道的入口可以分别设在主换热器的中下部和中上部，m6、m8通道的入口可以设在主换热器的底部，m1通道的出口可以从主换热器上部引出，m2、m3通道的出口可以从主换热器底部引出，m4、m5通道的出口可以分别从主换热器的中下部和中上部引出，m6通道的出口可以从主换热器的顶部引出，m8通道的出口可以从主换热器的上部引出；

4、所述液化换热器至少包含l1～l6六条通道，l1～l3通道的入口可以设在液化换热器顶部，l4～l6通道的入口可以设在液化换热器底部，l1、l4通道可以在液化换热器下部汇合，l2、l5通道可以在液化换热器上部汇合，l3通道的出口可以设在液化换热器底部，l6通道可以从液化换热器的中间位置引出；

5、所述过冷换热器至少包含s1～s3三条通道，s1通道可以自上而下、s2通道可以自下而上穿过过冷换热器，s3通道入口可以设在过冷换热器顶部，出口可以从过冷换热器中间位置引出；

6、所述空压机的入口连接空气进气管线，出口连接冷却器的入口；冷却器的出口连接吸附净化装置的空气入口；吸附净化装置的空气出口的管线分成两路，分别连接主换热器的m1、m2通道的入口；

7、所述高压塔的顶部设置有3个气体出口，第一个出口连接主换热器m5通道的入口，第二个出口连接精氩塔再沸器底部的热端入口，第三个出口连接冷凝再沸器的热端入口；高压塔底部的入口连接主换热器m1通道的出口，底部的液体出口连接粗氩塔冷凝器顶部的冷端入口；

8、所述冷凝再沸器的热端出口管线分为两路，分别连接高压塔顶部的液氮入口和主换热器m3通道的入口；冷凝再沸器冷端的入口连接低压塔底部的液体出口；冷凝再沸器冷端出口连接低压塔底部的入口；

9、所述低压塔上部的入口连接主换热器m2通道的出口，中部的入口连接粗氩塔冷凝器底部的冷端出口，上部的出口连接主换热器m6通道的入口，下端的出口连接主换热器m4通道的入口；

10、所述第二粗氩塔底部的入口和出口分别连接低压塔中下部的出口(富氩气体出口，气体中约含氩8～15％、含氮1～100ppm)和入口；第二粗氩塔顶部的气体出口连接粗氩塔冷凝器顶部的热端入口；粗氩塔冷凝器底部的热端出口管线分为两路，分别连接第二粗氩塔顶部的入口和精氩塔中部的入口；

11、所述精氩塔顶部的气体出口连接精氩塔冷凝器的热端入口，底部的出口连接液氩储罐；所述精氩塔冷凝器的热端液体出口连接所述精氩塔顶部的回流液入口。

12、所述精氩塔再沸器的热端出口连接精氩塔冷凝器的冷端入口；

13、所述主换热器的m3通道的出口管线在低压塔顶部的液氮入口前，分为两路，一路连接低压塔顶部的液氮入口，另一路接入精氩塔冷凝器的顶部冷端入口管线；m4通道的出口连接液氧储罐；m5、m8通道的出口管线分别接入液化换热器l1通道的入口管线；m6通道出口的管线分为两路，分别连接尾气排放管线和吸附净化装置底部的再生吹扫气入口；

14、所述液化换热器的l2、l3通道的入口分别连接中压氮气压缩机、高压氮气压缩机的出口，l3通道的出口管线分成三路，分别连接液化换热器l5通道的入口、中压闪蒸罐的入口、过冷换热器s3通道的入口；l2、l5通道的出口连接高压氮气压缩机的入口；l1、l4通道的出口连接中压氮气压缩机的入口；l6通道的入口连接lng进气管线，出口连接中间制冷剂冷却换热器的冷端入口；中间制冷剂冷却换热器的冷端出口连接天然气产品管线；

15、所述中压闪蒸罐的顶部气体出口连接液化换热器的l4通道的入口；底部液体出口连接过冷换热器s1通道的入口；

16、所述过冷换热器的s1通道的出口管线分为两路，分别连接s2通道的入口和液氮储罐；s2通道的出口连接低压氮气排放管线；s3通道的出口连接主换热器m8通道的入口；

17、所述空压机用于将常压空气压缩到5.5～6.5bar，通常分为三级，并设置有级间冷却器，空压机的级间冷却器和空压机后的冷却器的冷剂出口分别接入中间制冷剂冷却换热器的热端入口管线；中间制冷剂冷却换热器的热端出口管线分为两路，分别连接空压机的级间冷却器和空压机后的冷却器的冷剂入口。中间制冷剂可以选用乙二醇水溶液。中间制冷剂冷却换热器热端入口为热中间制冷剂液体，热端出口为冷中间制冷剂液体。空压机的级间冷却器和空压机后的冷却器的热端可被中间制冷剂冷却到30℃以下，优选冷却到2-5℃，以最大化降低压缩机能耗并防止空气中的水被冻结。

18、所述低压塔、冷凝再沸器、高压塔可以分开设置，也可以设置在一个塔器内，优选为自上而下设置设置在一个塔器内，低压塔在上，高压塔在下，冷凝再沸器置于高压塔和低压塔之间。

19、所述高压塔操作压力约为5.3～6bar，所述低压塔操作压力约为1.2～1.4bar，所述粗氩塔和精氩塔操作压力为略高于或接近常压。

20、由于氧、氩分离难度大，粗氩塔通常所需理论级数大于200，导致塔高过高，可能受到运输极限的限制，同时导致冷箱高度过大，塔压降过大，因此，作为优选的，可在第二粗氩塔前再并排放置一个第一粗氩塔，并增设液氩回流泵连接第二粗氩塔底部出口和第一粗氩塔顶部入口，第一粗氩塔顶部出口连接第二粗氩塔底部入口，第一粗氩塔底部的入口和出口分别连接低压塔中下部的出口和入口。

21、较佳的，可以在主换热器m2通道出口管线、m3通道出口管线、高压塔底部出口管线、精氩塔再沸器热端出口管线、液化换热器l5通道入口管线、中压闪蒸罐入口管线、过冷换热器s2通道入口管线、s3通道出口管线上分别设置节流阀。

22、较佳的，所述主换热器还可以增设m7或m9通道。m7通道可以自下而上贯穿主换热器，m9通道入口可以设在主换热器底部，出口可以设在主换热器中部。低压塔顶部氮气出口管线和精氩塔冷凝器冷端出口管线分别接入m7或m9通道的入口管线。m7通道出口的低压氮气管线可以直接通往空气分离产液装置外，也可以从中分出一路通往氮气液化单元的l1通道，并在该路管线与氮气液化单元l1通道的入口管线之间增设低压氮气压缩机，并将过冷换热器s2通道的出口管线连接到低压氮气压缩机的入口管线上。进一步的，m7通道的入口管线也可以在进入m7通道前分出一路接入到低压氮气压缩机的入口管线上。当增设的是m9通道时，m9通道的出口直接连接低压氮气压缩机的入口。

23、较佳的，所述液化换热器还可以增设l7通道，所述l7通道的入口连接lng进气管线，出口连接在中间制冷剂冷却换热器冷端出口之后的天然气产品管线上。进一步的，所述液化换热器还可以再增设l8通道，所述l8通道的入口连接过冷换热器s2通道的出口管线。l7、l8通道的设置可以自下而上贯穿液化换热器。

24、过冷换热器s2通道出口为低温低压氮气(温度约为-180～-150℃)，当其量较少时，可以直接排放；当其量较多时，将其送入液化换热器会大大增加液化换热器尺寸，且最终排放也较为浪费，因此可将该低温低压氮气送入低压氮气压缩机，此时，可不设液化换热器的l8通道，以减小液化换热器尺寸，并降低高压塔所需中压氮气产量，节省整体能耗。

25、较佳的，为了更好地利用冷量，降低换热器换热温差，节省能耗，所述过冷换热器还可以增设s4、s5通道，分别自上而下、自下而上贯穿过冷换热器，所述s4通道的入口管线连接在液化换热器l3通道的出口管线上，s4通道的出口连接s5通道的入口，s5通道的出口管线连接在中压闪蒸罐顶部出口与液化换热器l4通道入口之间的管线上。

26、本发明要解决的技术问题之二是应用上述空气分离产液装置生产液氮、液氧、液氩产品的工艺方法。

27、为解决上述技术问题，本发明的空气分离产液方法，步骤包括：

28、空气分离单元生产氮气、液氧和液氩产品，并将氮气产品送入氮气液化单元的液化换热器中；

29、液化天然气在氮气液化单元中气化成天然气产品，释放的冷能一部分用于冷却中间制冷剂，另一部分提供给氮气液化单元的液化换热器；

30、冷却后的中间制冷剂被分别送入空气分离单元的空压机和空压机后的冷却器，将空压机的级间冷却器和空压机后的冷却器冷却后，回流到氮气液化单元的中间制冷剂冷却换热器；

31、氮气液化单元利用液化天然气的冷能将来自空气分离单元的氮气产品以及为空气分离单元提供冷量的循环氮气分别液化为液氮产品和循环液氮；循环液氮回流到空气分离单元的主换热器中，气化为循环氮气后，再回到氮气液化单元的液换热器中。

32、所述空气分离单元生产氮气、液氧和液氩产品的步骤包括：

33、原料空气经压缩、冷却、净化后，分两部分进入主换热器，一部分被冷却为接近饱和的低温压缩空气后，进入高压塔底部；另一部分被冷却为压缩过冷液空，降压后进入低压塔上部；

34、高压塔底部的饱和中压粗液氧降压降温后，进入粗氩塔冷凝器，气化为气液两相后，进入低压塔中部；

35、高压塔顶部的的中压氮气分为三部分：第一部分作为中压氮气产品，进入主换热器复温后，送入氮气液化单元的液化换热器；第二部分先进入精氩塔再沸器成为过冷中压液氮，然后降压降温成为低压液氮，再进入精氩塔冷凝器气化为低温低压氮气；第三部分进入冷凝再沸器冷凝为中压液氮后，一部分回流到高压塔顶部，剩余部分进入主换热器，过冷并降压降温成为低压液氮后，再分为两部分，一部分进入精氩塔冷凝器，剩余部分进入低压塔顶部作为液氮回流液；

36、低压塔底部的液体经冷凝再沸器部分气化后，成为气液两相回到低压塔，气体作为低压塔上升气，液体进入主换热器过冷成为液氧产品，送入液氧储罐；

37、低压塔中下部的部分富氩气体经粗氩塔分离氧、氩后，富氧液体返回低压塔中下部，粗氩气进入粗氩塔冷凝器被冷凝为粗液氩，一部分粗液氩回流至粗氩塔顶，另一部分粗液氩送入精氩塔中部；

38、精氩塔底部液体经精氩塔再沸器部分气化后，气体作为精氩塔上升气，液体作为液氩产品送入液氩储罐。

39、氮气液化单元中，将氮气液化为液氮的步骤包括：

40、液化换热器l1、l4通道的中压氮气混合后，经压缩成为高压氮气，进入液化换热器l2通道，与l5通道的冷循环高压氮气混合，压缩增压后，进入液化换热器l3通道，被冷却成为超高压液氮；

41、将所述超高压液氮分为三部分：第一部分降压后返回液化换热器的l5通道；第二部分降压后进入中压闪蒸罐，其中气相返回液化换热器的l4通道，液相进入过冷换热器的s1通道；第三部分进入过冷换热器的s3通道，被过冷并降压后，成为循环中压液氮，送往空气分离单元的主换热器，为主换热器提供冷量；进一步的，还可以从过冷换热器s3通道入口的超高压液氮中再分出一部分，送入过冷换热器的s4通道，经过冷并降压后，送入过冷换热器的s5通道，与中压闪蒸罐顶部出口气体混合，回流到液化换热器的l4通道；

42、进入s1通道的液氮被冷却后，一部分作为液氮产品进入液氮储罐，另一部分降压后送入过冷换热器的s2通道。

43、所述低压塔的顶部出口低压氮气与精氩塔冷凝器出口的低温低压氮气混合后，可以部分或全部进入主换热器。进入主换热器的氮气复温至所需温度后，可以全部或部分送入氮气液化单元的低压氮气压缩机；未进入主换热器的氮气直接送入所述低压氮气压缩机。过冷换热器s2通道出口的低温低压氮气也可以一起送入所述低压氮气压缩机。经所述低压氮气压缩机压缩后的氮气送入氮气液化单元的液化换热器进行液化。

44、当液氮产能或液氩产能相比液氧产能增加时，可以适当降低高压塔中压氮气的产能，同时控制低压塔塔顶低压氮气纯度大于99.99％，作为低压氮气产品，并从主换热器m7通道出口的复温后的低压氮气管道中分出一部分或全部，与过冷换热器s2通道出口的低温低压氮气(约-180～-150℃)混合，此时温度仍然较低(约低于-80℃)，可直接连接增设的低压氮气压缩机进行低温压缩。

45、当所需低压氮气产品产量增加时，从主换热器m7通道出口的复温后的低压氮气管道中分出的低压氮气产品(温度约为-20～20℃)与过冷换热器s2通道出口的低温低压氮气(约-180～-150℃)混合后温度较高(约高于-80℃)，此时直接送入低压氮气压缩机会导致级间及级后温度过高。此时可有两种方法：第一种方法是在主换热器中增设m9通道，将连接主换热器m7通道入口的低压氮气管线中分出一部分或全部低压氮气，连接主换热器m9通道入口，主换热器m9通道从主换热器中间位置引出，出口为复温到中间温度(-150～-20℃)的低温低压氮气，并与氮气液化单元的过冷换热器s2通道出口的低温低压氮气混合，再送入低压氮气压缩机；第二种方法是将连接主换热器m7通道入口的低压氮气管线中分出一部分低温氮气，不经过主换热器，并连接主换热器m7通道出口的复温后的低压氮气，混合后为中间温度(-150～-20℃)的低温低压氮气，并与过冷换热器s2通道出口的低温低压氮气混合，再连接低压氮气压缩机，该方法不需要增设主换热器换热通道，且温度更易于控制。

46、与现有技术相比，本发明的空气分离产液装置和工艺方法，具有以下优点和有益效果：

47、1.本发明将液化天然气的冷能一部分用于将空气分离单元得到的氮气产品和为空气分离单元提供冷量的循环氮气液化，另一部分用于冷却中间制冷剂，最终液化天然气得以气化并复温到0℃以上，节省了lng气化的成本。

48、2.本发明用液化天然气代替传统透平膨胀机为空气分离单元提供冷能，被液化天然气冷却的中间制冷剂用于空气分离单元的空压机级间和级后冷却，省去了冷却水塔并降低了压缩机能耗。

49、3.本发明可在总空气量和主要设备尺寸和运行条件基本不变的情况下，仅通过调节氮气压缩机负荷及各管线分配，即可灵活适应不同液体产品产量需求或lng冷量变化，以较低的能耗获得所需的液体产品(本发明可以调节空气分离单元高压塔和低压塔的产氮，以及低压氮气在主换热器中复温到中间温度，或部分在主换热器中复温，混合后到中间温度，再进行低温压缩，从而可以免去单独设置高压天然气/低压氮气换热器或在高压天然气换热器中增设尺寸较大的低压氮气通道)。