CN102620521B - 从富甲烷气中脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置 - Google Patents

Abstract

一种从富甲烷气中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的工艺和装置，包含低温液化和前带闪蒸的精馏分离两部分；低温液化部分由混合冷剂提供冷量在冷箱中完成；前带闪蒸的精馏分离部分采用闪蒸及精馏流程脱除氢气、氮气、一氧化碳；含氢氮的富甲烷混合气依次经冷箱、精馏塔底再沸器、冷箱将甲烷组分液化后，进入精馏分离系统中脱除氢气、氮气、一氧化碳，得到的LNG产品中氢气含量≤2000ppm，氮气含量≤4％，一氧化碳≤6％。本发明提供了一种含有氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷气的天然气液化工艺，在将氢气、氮气、一氧化碳脱除的同时得到液化天然气，工艺路线先进，较传统工艺相比设备投资费用及系统的能耗均显著降低。

Description

从富甲烷气中脱氢氮并生产液化天然气的工艺和装置

技术领域

本发明提供了一种从富甲烷气中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的工艺和装置。煤基合成气、焦炉气以及焦炉气甲烷化后的气体等除含有甲烷外，还含有氮气、氢气、一氧化碳，为得到液化天然气，需将其脱除到一定程度，才能作为液化天然气(LNG)产品产出。

背景技术

迫于环保及能源成本压力，天然气作为一次能源在社会各个领域所占比例正逐渐提升，其应用领域已逐渐扩大到发电、汽车用气、工业用气、城市居民用气、化工用气等方面，市场需求量迅速增加。传统的天然气管输供应方式仍为主流，但受原料条件及用户分布限制，有相当一部分资源无法进行管道长距离输送，需选择液化的方式，将甲烷转变为液体再采用灵活的运输方式将其送往用户终端。并且，液化天然气(LNG)体积只有同量气体体积的1/625，液化后可以降低贮存和运输成本，且可以提高单位体积的燃值。液化天然气工业的不断发展，对天然气液化方法和装置在能耗、投资和效率等方面提出了更高的要求。

对于某些富含甲烷气体，例如煤基合成气和焦炉气甲烷化后得到的合成天然气等，其组成除甲烷外，还含有氮气、氢气、一氧化碳等，为得到高纯度的液化天然气，需将其中的氮气、氢气、一氧化碳脱除到一定程度，才能作为液化天然气(LNG)产品产出。

目前常用的气体分离方法一般有低温液化分离、变压吸附及膜分离等，目前低温液化分离技术正逐渐应用于富甲烷气体提纯及液化天然气的生产。如附图1所示为富甲烷气提纯及液化工艺，该工艺包括低温液化和精馏分离两部分；低温液化部分由制冷剂提供冷量在冷箱中实现天然气的液化；精馏分离部分采用双塔精馏(高压塔及低压塔)流程脱除氢气、氮气、一氧化碳，低压精馏塔顶部得到富氮气和一氧化碳，高压精馏塔顶部得到富氢气；采用这一工艺可以得到杂质气体脱除合格的液化天然气产品，但这一工艺流程较为复杂，采用两台精馏塔，设备投资费用较高，并且不易于装置开车操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷气(富含甲烷的气体)中脱除氢气、氮气、一氧化碳并将甲烷组分液化生产天然气(LNG)的方法，使本发明能将氢气、氮气、一氧化碳脱除的同时得到合格的液化天然气，工艺路线先进，且设备投资费用及系统能耗均显著降低。

本发明提供一种从富甲烷的气体中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的工艺，该工艺包括低温液化工序和前带闪蒸的精馏分离工序两部分；低温液化工序包括由混合冷剂提供冷量在冷箱中实现天然气的液化；精馏分离工序包括含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷混合气体采用前带闪蒸的单塔精馏流程脱除氢气、氮气、一氧化碳；其中含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷的混合气体(即原料气)依次经冷箱、精馏塔底再沸器、冷箱将甲烷组分液化后，进入闪蒸精馏分离系统中脱除氮气、氢气、一氧化碳，得到氢气含量≤4000ppm(优选≤3500ppm，更优选≤3000ppm，进一步优选≤2500ppm，更进一步优选≤2000ppm，尤其优选≤1700ppm，特别优选≤1500ppm，最优选≤1000ppm或≤600ppm)，和氮气含量≤8％(优选≤7％，更优选≤6％，进一步优选≤5％，更进一步优选≤4％，更好≤3％，尤其优选≤2％，特别优选≤1.5％，更特别优选≤1％，最优选≤0.5％)，一氧化碳含量≤9％(优选≤8％，更优选≤7％，进一步优选≤6％，更进一步优选≤5％，更好≤4％，再更好≤3％，尤其优选≤2％，特别优选≤1.5％，更特别优选≤1％，最优选≤0.5％)的液化天然气(LNG)产品。

一般情况下，在低温液化工序中，冷箱的冷量由混合冷剂提供或主要由混合冷剂提供；一股液相冷剂流股通过冷箱的第一液相通道冷却至一定温度后进入节流阀节流，产生的混合流股反向进入板翅式换热器组的第一级换热器，经过冷剂返回通道为换热器提供冷量，然后出冷箱；一股气相混合冷剂首先进入冷箱的第一气相通道，在板翅式换热器组中被预冷至一定温度后引出冷箱，经节流阀节流后反向进入板翅式换热器组的末级换热器为换热器组提供冷量并且然后与从换热器组的第一级换热器返回的混合冷剂流股即上述混合流股汇合，汇合之后经过冷剂返回通道，出冷箱。优选，举例来说，一股液相混合冷剂首先进入冷箱的第一液相通道，在其中被预冷至约-10℃～-80℃，经第一节流阀节流至0.2～0.8MPaA后与从板翅式换热器组后一级换热器返回的混合冷剂流股汇合并反向进入前一级换热器为换热器组提供冷量；另外，一股气相冷剂流股通过冷箱的一气相通道冷却至-135℃～-171℃，再经第二节流阀节流至0.2～0.8MPaA后反向进入换热器组为换热器提供冷量。其中，压力单位MPaA为兆帕，绝对压力。

优选地，所述分离流程采用闪蒸罐、节流装置和精馏塔；精馏塔包括塔底的再沸器和塔顶的冷凝器；闪蒸罐顶部得到富氢气，精馏塔顶部得到富氢气、氮气、一氧化碳。

在优选的情况下，在所述前带闪蒸的精馏分离流程中，富甲烷的混合气首先经冷箱预冷，冷却至一定温度(一般至-100℃至-145℃范围，优选-105℃至-140℃范围，更优选-110℃至-135℃范围，进一步优选-115℃至-130℃范围，尤其优选-118℃至-125℃范围)后出冷箱，进入精馏塔的塔底再沸器为精馏塔提供热量，出塔底再沸器的流股(一般，它自身温度降低至-105℃至-150℃范围，优选-107℃至-145℃范围，更优选-112℃至-140℃范围，进一步优选-116℃至-135℃范围，尤其优选-120℃至-131℃范围，特别优选-121℃至-128℃范围，最优选-121℃至-125℃范围)返回冷箱继续冷却(一般至-145℃至-170℃范围，优选-147℃至-165℃范围，进一步优选-148℃至-162℃范围，更优选-150℃至-160℃范围)后，出冷箱的流股进入闪蒸罐，在入口温度、压力条件下闪蒸，顶部得到富氢气，富氢气返回冷箱复热后出系统，闪蒸后的液相由闪蒸罐底部经一节流装置(优选节流阀)节流减压(一般减压至0.15-1.0MPaA范围，优选0.20-0.9MPaA范围，更优选0.25-0.85MPaA范围，进一步优选在0.30-0.75MPaA范围，特别优选在0.35-0.7MPaA或0.40-0.65MPaA或0.45-0.55MPaA范围)之后进入精馏塔中精馏(操作压力在0.15-1.0MPaA范围，优选在0.20-0.9MPaA范围，更优选在0.25-0.85MPaA范围，进一步优选在0.30-0.75MPaA范围，特别优选在0.35-0.7MPaA或0.40-0.65MPaA或0.45-0.55MPaA范围)，塔顶气体为富氮气、一氧化碳，经冷箱回收冷量后出冷箱系统作他用；精馏塔的底部液相返回冷箱中过冷至一定程度(一般过冷至-140℃至-170℃范围)，后作为液化天然气产品引出，得到LNG产品。所得LNG产品具有以上所定义的范围内的氢气含量、氮气含量、一氧化碳含量。

作为优选的方式，在本发明所述精馏塔中精馏时，从精馏塔的顶部引出的气相进入塔顶冷凝器中，经液氮冷凝后，塔顶部得到含有绝大部分的氢气和少量的氮气、一氧化碳的混合气，塔底得到LNG产品，然后返回冷箱中进行过冷操作后出冷箱系统，得到LNG产品。

优选，精馏塔的塔顶冷凝器采用液氮提供冷量，来自系统外的气氮通过冷箱预冷，并经节流阀节流后产生液氮进入精馏塔的塔顶冷凝器来冷却塔顶气相物流，液氮气化后出冷凝器，经冷箱回收冷量后出冷箱系统。

根据本发明的另一个方面，提供一种从富甲烷的气体中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的装置(即上述方法所用的装置)，该装置包括：冷箱，闪蒸罐和精馏塔，该精馏塔包括塔顶冷凝器和塔底再沸器，

其中，该冷箱包括：

液相混合冷剂入口，其与冷箱的第一液相通道连接，该第一液相通道从冷箱中的换热器的一个特定级(例如第一级、第二级、第三级等)的末端引出一根管道，经由第一节流阀，进入冷箱中与冷箱的一个冷剂返回通道连接，返回通道从冷箱引出，

气相冷剂入口，其与冷箱的第一气相通道连接，该第一气相通道从换热器的另一个特定级(例如第一级、第二级、第三级、末级等)的末端引出一根管道，经由第二节流阀，进入冷箱中与上述冷剂返回通道连接，

与冷箱的第二气相通道连接的一个富甲烷气进口和一个富甲烷液体出口，该富甲烷液体出口与精馏塔的塔底再沸器的富甲烷液体入口连接，

与冷箱的第三气相通道连接的一个富氢气入口和一个富氢气出口，该富氢气入口与闪蒸罐的顶部气相通道连接，

与冷箱的混合流股通道连接的一个混合流股入口和一个混合流股出口，该混合流股入口位于冷箱中间换热器，该混合流股入口与精馏塔的塔底再沸器的富甲烷液体出口连接，该混合流股出口引出一根管道与闪蒸罐中部混合流股入口连接，

与冷箱的液化天然气通道连接的一个液化天然气入口和一个液化天然气出口，该液化天然气入口位于冷箱中间换热器，与精馏塔的塔底再沸器的底部液化天然气出口连接，

与冷箱的第一气氮通道连接的气氮入口和气氮出口，气氮出口引出一根管道经由第四节流阀与精馏塔塔顶冷凝器的液氮入口连接，

与冷箱的第二气氮通道连接的气氮出口和气氮入口，该气氮入口与精馏塔顶部冷凝器的气氮出口连接，

与冷箱的氢氮混合气通道连接的氢氮混合气出口和氢氮混合气入口，该氢氮混合气入口与精馏塔塔顶冷凝器的顶部气相出口连接，

闪蒸罐包括一个中部混合流股通道、一个底部液相通道、一个顶部气相通道，底部液相出口引出一根管道经由第三节流装置与精馏塔的中部连接，

精馏塔的塔顶冷凝器包括：一个液氮入口、一个气氮出口、一个顶部气相出口，

精馏塔的塔底再沸器包括：一个富甲烷液体入口、一个富甲烷液体出口、一个底部液化天然气出口。

优选的是，该第一液相通道从冷箱中的一级换热器末端引出一根管道，经由第一节流阀，与一个冷剂返回通道连接；该第一气相通道从末级换热器的末端引出一根管道，经由第二节流阀，与上述冷剂返回通道连接。

本发明的优点：

1、本发明采用全新的分离氢气、氮气、一氧化碳的工艺路线，将液化和分离同步进行，经济可靠；

2、精馏塔塔底再沸器的热量由工艺物流提供，不但省去外部热源，降低了能耗，同时也冷却了工艺物流；

3、节流降压后的物流首先进入闪蒸罐分离出气相，降低了精馏塔的负荷，减少了塔顶冷量，使得能耗显著降低，并且仅使用一台精馏塔，使得设备投资维护费用都有所降低，且开车停车更加便捷，操作简单。

附图说明

图1是现有技术的工艺流程图；其中，E1’为冷箱，V1’、V2’、V3’、V4’、V5’为节流阀，T1’为高压精馏塔，T2’为低压精馏塔，T3’、T4’为闪蒸罐。

图2是本发明的工艺流程图，其中E1为冷箱，V1、V2、V3、V4为节流阀，T1为精馏塔，T2为闪蒸罐，E2为塔底再沸器，E3为塔顶冷凝器。

具体实施方式

本发明的工艺包含低温液化工序和前带闪蒸的精馏分离工序两部分；低温液化部分由混合冷剂提供冷量在冷箱中完成；精馏分离部分采用前带闪蒸的单塔精馏流程脱除氢气、氮气、一氧化碳；含氢、氮气、一氧化碳的富甲烷混合气依次经冷箱、精馏塔底再沸器、冷箱将甲烷组分液化后，进入闪蒸精馏分离系统中脱除氢气、氮气、一氧化碳，得到的LNG产品中氢气含量≤2000ppm，氮气含量≤4％，一氧化碳≤6％。

低温液化部分在冷箱中完成，冷箱的冷量主要由混合冷剂提供。参照附图2，一股液相混合冷剂首先进入冷箱的第一液相通道，在其中被预冷至约-10℃～-80℃，经节流阀V1节流至0.2～0.8MPaA后与从板翅式换热器组后一级换热器返回的混合冷剂流股(即以下所述的冷却至-135℃～-171℃后的冷剂)汇合并反向进入前一级换热器的冷剂返回通道为换热器组提供冷量。一股气相冷剂流股通过冷箱的第一气相通道冷却至-135℃～-171℃，再经节流阀V2节流至0.2～0.8MPaA后反向进入换热器组的所述冷剂返回通道为换热器提供冷量，并如上所述与由节流阀V1返回的混合冷剂汇合。

参见附图2，说明精馏分离流程如下：

含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷气(原料气)首先通过冷箱E1的第二气相通道进入冷箱E1，混合气预冷至-100～-145℃后出冷箱E1，进入精馏塔T1的塔底再沸器E2，作为精馏塔T1的热源，同时自身温度降至-105～-150℃，从精馏塔T1的塔底再沸器E2流出的流股返回冷箱E1中的混合流股通道，继续冷却至-145～-170℃，流股出冷箱E1后进入闪蒸罐T2，在入口温度、压力条件下闪蒸，顶部得到的富氢气返回冷箱第三气相通道复热后出冷箱系统，闪蒸罐T2底部液体经节流阀V3节流至0.15～1.0MPaA后进入精馏塔T1的中部精馏，精馏塔T1操作压力控制在0.15～1.0MPaA；塔顶部采出的气相进入塔顶冷凝器E3中，经液氮冷凝后，从精馏塔T1顶部得到含有绝大部分的氢气及少量的氮气、一氧化碳的混合气，氢气、氮气、一氧化碳的混合气经冷箱E1的氢氮混合气通道复热后出冷箱系统；精馏塔T1底部得到LNG，其中的氢气含量≤2000ppm(或甚至≤1000ppm)，氮气≤4％，一氧化碳≤6％，出精馏塔的LNG返回冷箱E1中的液化天然气通道过冷至-140～-170℃后，作为产品出冷箱系统。

优选，精馏塔塔顶冷凝器E3采用液氮提供冷量，来自系统外的气氮通过冷箱E1的第一气氮通道预冷，并经节流阀V4节流后产生液氮进入精馏塔的塔顶冷凝器E3来冷却塔顶气相物流，液氮气化后出冷凝器E3，经冷箱E1的第二气氮通道回收冷量后出冷箱系统。

Claims (8)

1.一种从富甲烷的气体中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的工艺，该工艺包括低温液化工序和前带闪蒸的精馏分离工序两部分；低温液化工序包括由混合冷剂提供冷量在冷箱中实现天然气的液化；前带闪蒸的精馏分离工序包括含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷的混合气采用闪蒸及精馏流程脱除氢气、氮气、一氧化碳；其中含氢、氮、一氧化碳气体的富甲烷混合气体依次经冷箱、精馏塔底再沸器、冷箱将甲烷组分液化后，进入闪蒸精馏分离系统中脱除氮气、氢气和一氧化碳，得到氢气含量≤4000ppm，氮气含量≤8%，一氧化碳≤9%的液化天然气产品；

其中，在其低温液化工序部分中，冷箱的冷量由混合冷剂提供或主要由混合冷剂提供；一股液相冷剂流股通过冷箱的第一液相通道冷却至一定温度后进入节流阀节流，产生的混合流股反向进入板翅式换热器组的第一级换热器，经过冷剂返回通道为换热器提供冷量，然后出冷箱；一股气相混合冷剂首先进入冷箱的第一气相通道，在板翅式换热器组中被预冷至一定温度后引出冷箱，经节流阀节流后反向进入板翅式换热器组的末级换热器为换热器组提供冷量并且然后与从换热器组的第一级换热器返回的混合冷剂流股即上述混合流股汇合，汇合之后经过冷剂返回通道，出冷箱；

所述精馏分离工序采用闪蒸罐、节流装置和精馏塔；精馏塔包括塔底的再沸器和塔顶的冷凝器；闪蒸罐顶部得到富氢气，精馏塔顶部得到富氢气、氮气、一氧化碳；

其中精馏塔的塔顶冷凝器采用液氮提供冷量，来自系统外的气氮通过冷箱预冷，并经节流阀节流后产生液氮，进入精馏塔的塔顶冷凝器来冷却塔顶气相物流，气化后的液氮离开塔顶冷凝器并经冷箱回收冷量后出冷箱系统。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：含氢气、氮气、一氧化碳的富甲烷的混合气首先经冷箱预冷，之后进入精馏塔的塔底再沸器为精馏塔提供热量，出塔底再沸器的混合流股返回冷箱的后序换热器中冷却后出冷箱进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸罐顶部得到部分的富氢气，返回冷箱复热，闪蒸罐底部液相经节流阀节流后进入精馏塔中精馏；精馏塔顶部得到氢气、氮气、一氧化碳的混合气，该氢气、氮气、一氧化碳混合气经冷箱回收冷量后出冷箱系统；精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷后出系统，作为液化天然气产品获得。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中精馏塔底部的液相返回冷箱中过冷至-140℃至-170℃后出系统，作为液化天然气产品获得。

4.根据权利要求3的工艺，其中在精馏塔中的精馏过程中，精馏塔顶部气相在塔顶冷凝器中经液氮冷凝后，塔顶部得到氢气、氮气、一氧化碳的混合气，塔底液相返回冷箱中进行过冷操作后出冷箱系统，得到液化天然气产品。

5.根据权利要求1~4的任一项所述的工艺，其特征在于：所述前带闪蒸的精馏流程采用一台闪蒸罐、一台节流装置和一台精馏塔；精馏塔包括塔底的再沸器和塔顶的冷凝器；闪蒸罐顶部得到富氢气，精馏塔顶部得到富氢气、氮气和一氧化碳的混合气。

6.根据权利要求1~4中任何一项所述的工艺，其中得到氢气含量≤2000ppm，氮气含量≤4%，一氧化碳≤6%的液化天然气产品。

7.一种从富甲烷的气体中脱氢气、氮气、一氧化碳并生产液化天然气的装置，该装置包括：冷箱、闪蒸罐和精馏塔，该精馏塔包括塔顶冷凝器和塔底再沸器，

其中，该冷箱包括：

液相混合冷剂入口，其与冷箱的第一液相通道连接，该第一液相通道从冷箱中的换热器的一个特定级的末端引出一根管道，经由第一节流阀，进入冷箱与冷箱的一个冷剂返回通道连接，返回通道从冷箱引出，

气相冷剂入口，其与冷箱的第一气相通道连接，该第一气相通道从换热器的另一个特定级的末端引出一根管道，经由第二节流阀，进入冷箱与上述冷剂返回通道连接，

与冷箱的第二气相通道连接的一个富甲烷气进口和一个富甲烷液体出口，该富甲烷液体出口与精馏塔的塔底再沸器的富甲烷液体入口连接，

与冷箱的第三气相通道连接的一个富氢气入口和一个富氢气出口，该富氢气入口与闪蒸罐的顶部气相通道连接，

与冷箱的混合流股通道连接的一个混合流股入口和一个混合流股出口，该混合流股入口位于冷箱中间换热器，该混合流股入口与精馏塔的塔底再沸器的富甲烷液体出口连接，该混合流股出口引出一根管道与闪蒸罐中部混合流股入口连接，

与冷箱的液化天然气通道连接的一个液化天然气入口和一个液化天然气出口，该液化天然气入口位于冷箱中间换热器，与精馏塔的塔底再沸器的底部液化天然气出口连接，

与冷箱的第一气氮通道连接的气氮入口和气氮出口，气氮出口引出一根管道经由第四节流阀与精馏塔塔顶冷凝器的液氮入口连接，

  与冷箱的第二气氮通道连接的气氮出口和气氮入口，该气氮入口与精馏塔顶部冷凝器的气氮出口连接，

  与冷箱的氢氮混合气通道连接的氢氮混合气出口和氢氮混合气入口，该氢氮混合气入口与精馏塔塔顶冷凝器的顶部气相出口连接，

闪蒸罐包括一个中部混合流股通道、一个底部液相通道、一个顶部气相通道，底部液相出口引出一根管道经由第三节流装置与精馏塔的中部连接，

精馏塔的塔顶冷凝器包括：一个液氮入口、一个气氮出口、一个顶部气相出口，

精馏塔的塔底再沸器包括：一个富甲烷液体入口、一个富甲烷液体出口、一个底部液化天然气出口。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该第一液相通道从冷箱中的一级换热器末端引出一根管道，经由第一节流阀，与一个冷剂返回通道连接；该第一气相通道从末级换热器的末端引出一根管道，经由第二节流阀，与上述冷剂返回通道连接。