CN102735020B

CN102735020B - 一种天然气提氦的方法

Info

Publication number: CN102735020B
Application number: CN 201210255340
Authority: CN
Inventors: 李均方; 刘泽军; 谭敬明; 华洪基; 李朝贵; 杨武英; 王应海; 许柯
Original assignee: Chengdu Natural Gas Chemical Plant General of Petrochina Southwest Oil and Gasfield Co
Current assignee: Petrochina Co Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN102735020A

Abstract

本发明公开了一种天然气提氦的方法，包括以下步骤：A.取含氦的原料天然气送入主换热器冷却；B.将步骤A冷却所得的混合物送入分离塔，混合物经加热后，至少一部分蒸气在塔顶被冷凝蒸发器冷却获得一次粗氦，一次粗氦经提纯后获得粗氦产品；C.分离塔塔底的液体一部分经减压节流后通过管道进入塔顶冷凝蒸发器，作为冷凝蒸发器的冷源，与步骤B的蒸气进行热交换；D.根据冷量平衡需要，确定是否需要从冷凝蒸发器的蒸发侧获取由步骤C的冷源在与步骤B的蒸气进行热交换后获得的LNG产品。本发明构思巧妙、流程简单，工艺运行稳定，冷量易于平衡，能耗、成本大大降低。

Description

一种天然气提氦的方法

技术领域

本发明涉及一种从含氦天然气中提取粗氦的方法。

背景技术

目前，从天然气提氦多采用深冷分离的工艺，其主要原理是将净化合格的天然气通过制冷，低温精馏获得一次粗氦，再通过进一步提浓获得浓度30—80%的粗氦。

如美国气体产品与化学公司申请的专利号为CN200710002320.0、发明名称为用于从包括氦和液化天然气的天然气体中制备产品的方法和装置的发明专利，涉及用于由天然气生产粗制氦、液化天然气产品、和任选地合成气的方法和装置。将含有氦和甲烷的天然气冷却以生成冷却的天然气。从冷却的天然气中将至少一部分氦和甲烷分离为含有氦的蒸气(从中获得粗制氦)和含有甲烷的液体。从该液体中将至少一部分甲烷分离为蒸气(任选地使其反应以制得合成气)和液体(从中获得液化天然气)。可以包括另外的热交换和分离步骤。该专利文献揭示了从含氦天然气中提取氦以及获得液化天然气的步骤和装置，在液化天然气的多个冷却阶段中，包括含氦的蒸气经冷却获得粗制氦和含有甲烷的液体的冷却阶段，在该冷却阶段中冷却温度的控制是提升氦气实收率最重要的步骤。如果冷却温度过高，甲烷无法有效液化，造成蒸气中甲烷含量太高、氦的纯度太低，装置生产不出氦产品或氦产品收率很低，无法实现提氦的目的；如果冷却温度过低，不仅增加了系统能耗，而且甲烷蒸气中将会有液化的甲烷，不利于后续对甲烷蒸气压缩处理，因为含有液体的甲烷蒸气一旦进入压缩机，将会造成压缩机的损害。该专利中提到的天然气提氦的深冷分离的冷源来源于一种或多种制冷剂，在实施过程中，通过制冷剂的添加量的控制，可以较为快捷的实现对冷却温度的控制，确保较高的氦气收率。

已有工业实践证明，采用净化合格后天然气膨胀制冷及氮循环制冷也是一种有效的天然气提氦的方法，其工艺流程如下：原料天然气（1.7～2MPa）先进入分离器，脱除胺液和凝结水，并经干燥器（采用硅胶和5A 分子筛复合床层）脱除饱和水和少量CO2和H2S。净化后进入主换热预冷，气流被冷却到-70～-80℃后去涡轮膨胀机，膨胀后气流温度降至-83～92℃，并经主换热器进一步被冷却到-106～-120℃、压力为1.1～1.5MPa气流进入粗氦分离塔（一塔）的塔底重沸器，兼作热源，然后入塔，在此条件下绝大部分甲烷和一小部分氮气被冷凝器冷凝下来。未冷凝的气相通过塔顶冷凝器，从塔顶排出不凝气（粗氦氦含量3%～4%），再进入第二粗氦分离塔（二塔），塔顶用常压蒸发的液氮冷却至-175～-185℃，使大部分氮气被冷凝下来，塔顶获得70%～75%的粗氦。这种提氦步骤和设备的液化天然气的多个冷却阶段所需要的冷源，是来自于含氦的原料天然气自身，即在深冷分离的各个流程中，随着对原料气的节流制冷、膨胀制冷等处理，原料天然气同时也作了冷源。与此工艺类似的还有如发明人申请的申请号为CN201010249718.6，发明名称为改良的天然气提氦的工艺的专利文献。上述两种工艺方法的缺点在于，由于工序长，通过制冷步骤所获得的制冷量与冷量消耗的平衡控制有一定的难度。现有方法是通过严格的计算来控制获得制冷量与消耗冷量来达到平衡，一旦系统中冷量控制不匹配，系统将会产生温度剧升剧降的现象，特别是会造成含氦蒸气的冷却温度高于或低于控制温度，当冷却温度过高时，无法实现提氦的目的；冷却温度过低时，除了无谓的增加能耗，还可能使蒸气冷却后产生的尾气中含液体，影响尾气压缩机的正常使用，造成压缩机损坏。此外尾气经主换热器进行热交换时，其含有的液体富集在主换热器内，堵塞主换热器通道。总之，一旦系统中冷量控制不匹配，会影响装置的安全平稳运行，影响天然气的液化和氦收率。为了平衡系统中的冷量，以获得各个冷却阶段中设计控制温度，目前主要由两种冷量平衡的控制方法。

（1）对原料天然气的流量进行调整。如果蒸气冷却温度高了，即增加原料天然气的进气流量，并将分离塔塔顶获取一次初氦的阀门关小或者关闭，以减少对冷量的需求。如果蒸气冷却温度低了，则减少原料天然气的进气流量，和或将初氦提取阀门开大，增加冷量的消耗，提升冷却温度。但原料天然气作为冷源，走完整个工艺流程实现对蒸气冷却温度的控制，步骤多，耗时长，往往需要6-7个小时才能将蒸气冷却温度控制在需要的工艺温度。该种方法的氦气收率一般为85%。

（2）在膨胀机的气体输入管道和输出管道之间连接一个旁通节流阀。当蒸气冷却温度过高，则加大从分离塔塔底引出的液体返流膨胀量，以增加膨胀制冷量，降低蒸气冷却温度。当蒸气冷却温度过低，则可以适当开启旁通节流阀，减少返流膨胀量，增加蒸气冷却温度。这种工艺虽较前一个工艺的温度控制平衡时间减少，但也仍需要约4个小时的时间。氦气收率一般为90%。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在工艺运行不稳定、冷量平衡困难的不足，提供一种天然气提氦的方法。该方法构思巧妙、流程简单，工艺运行稳定，冷量易于平衡。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种天然气提氦的方法，包括以下步骤：

A、将含氦的原料天然气，送入主换热器冷却；

B、将步骤A冷却所得的混合物送入分离塔，混合物经加热后，至少一部分蒸气在塔顶被冷凝蒸发器冷却获得一次粗氦，一次粗氦经提纯后获得粗氦产品；

C、分离塔塔底的液体一部分经减压节流后通过管道进入塔顶冷凝蒸发器，作为冷凝蒸发器的冷源，与步骤B的蒸气进行热交换；

D、步骤C的冷源在冷凝蒸发器内蒸发后的尾气经过主换热器复热后为换热器提供冷源，经过压缩机压缩增压后通过管道去用户管网。

E、根据冷量平衡需要，确定是否需要从冷凝蒸发器的蒸发侧获取步骤C的冷源进行热交换后获得的LNG产品。

[0009] 本发明提出了在天然气提氦的同时，通过将塔底的一部分液体节流后送往塔顶做冷源，并在塔顶取出部分LNG做副产品，通过LNG冷量的取出量大小来实现和调节冷量的平衡的设计思路。

该方法可以带来以下技术效果：

一是能更有效地利用冷量，获得冷量平衡。当蒸气冷却温度过低，可连续地从冷凝蒸发器蒸发侧取出LNG作副产品，使冷凝器储存冷源液体的容器内压力下降，瞬间提高蒸气冷却温度；当蒸气冷却温度过高时，可减少或不从冷凝蒸发器的蒸发侧获得LNG产品，使压力上升，蒸气冷却温度降低到设计工艺温度。该工艺可立竿见影的实现蒸气冷却温度的调节，确保了提氦装置处于平稳运行状态。且冷量平衡的控制工作变得较为简单，极大的减少控制冷量平衡的计算工作量。

本发明与传统的冷却天然气从塔底底部获取大量LNG不同，本发明在提取粗氦的同时，仅从塔顶冷凝蒸发器的蒸发侧取出少量LNG，无需为获得大量的过冷液化LNG的目的而增加能耗。同时，为了平衡蒸气冷却温度，从蒸发侧取出的LNG副产品增加了提氦装置附加的产品产值和综合经济效益。

此外，由于天然气是一种多组分的混合物，在其液化后作塔顶冷凝器的冷源时，由于各组分的沸点不同，难液化的低沸点组分（如氮）会优先于易液化的高沸点组分（如戊烷、丁烷、丙烷等）从冷凝蒸发器蒸发出来，从而造成冷凝蒸发器的换热效果恶化，顶部温度不断改变，这又被称为塔的重组分的积聚现象，使生产难以稳定进行。生产过程中只能采取间断的排塔顶蒸发液体的方法来维持生产，但这会影响装置的稳定生产，影响排放的安全，并影响冷量利用的合理性。而通过从蒸发侧取出LNG，带走积聚在冷凝蒸发器的蒸发侧底部的重组分，有效避免因重组分积聚造成运行工况不稳定现象。

作为优选方式，所述步骤C中，分离塔塔底的液体另一部分送入主换热器复热汽化后，进入膨胀机膨胀，再返回主换热器作冷源。本发明的膨胀工艺从正流膨胀变为返流膨胀，使膨胀机的膨胀前温度易于调节。进入膨胀机膨胀的气体不能含有液体，采用正流膨胀时，流体内难免会有液体，为此需要在膨胀机前端进行温度控制。而采用返流膨胀，进入膨胀机的气体经过主换热器复热汽化，气体内不含液体，可以减少膨胀机的温度控制环节。

进一步优选，所述步骤C中，从分离塔塔底分离的液体返回主换热器复热气化并经过膨胀机膨胀后被冷却，再次通过管道进入主换热器，作为主换热器的冷源与主换热器进行热交换后，送往后续处理。优选膨胀压力为1-1.1Mpa。膨胀机的制冷量提供给提氦装置的主要冷量消耗，膨胀机增压膨胀后冷却温度满足原料天然气的液化需要。

作为优选方式，所述步骤A中，含氦的原料天然气进行增压处理，所述步骤B中，进塔压力为2.2-2.6Mpa，较常规分离压力1.1～1.5MPa增加近1倍，塔顶蒸发温度升高至-130~-135℃，分离的单位产品能耗降低，从而更好地满足低含氦天然气提氦对能耗的要求。同时温度增加，也减少塔底蒸发时氦溶解损失。

作为优选方式，所述步骤B中，混合物冷却到液化率为90-96%时进入分离塔分离为含氦蒸气。由于本提氦步骤和设备的液化天然气的多个冷却阶段所需要的冷源，是来自于含氦的原料天然气自身，因此，在设备刚启动运行阶段，主换热器以及冷凝蒸发器等换热设备内尚无冷源产生，原料天然气走完相应的提氦流程，随着对原料气的节流制冷、膨胀制冷等处理，换热设备管路内才会产生冷源，并逐渐将一塔内的原料天然气冷却液化，至混合物冷却到液化率为一控制值时，开启一塔塔顶一次粗氦导流管路上的节流阀；进入分离塔的混合物被分离为含氦蒸气并在塔顶被冷凝后，粗氦从一次粗氦导流管路引出至二塔，继续提纯。本发明中，混合物冷却到液化率为90-96%时，为粗氦收集和能耗控制的较佳值。

作为优选方式，所述步骤C中，塔底的液体一部分减压节流至0.3-0.5Mpa进入塔顶冷凝蒸发器。通过选择较佳的控制参数，确保为塔顶冷凝蒸发器提供适宜的冷却温度的冷源，并便于用LNG冷量进行冷量平衡控制时，以满足工况需求。

本发明的有益效果在于：本发明构思巧妙、流程简单，工艺运行稳定，冷量易于平衡，能耗、成本低。

说明书附图

图1 本发明工艺流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明方法的一种天然气提氦的方法，包括以下步骤：

通过管道进入提氦装置的含氦的原料天然气1进气量：每小时704.9kmol，温度：40℃，经过深度脱CO₂、水的净化处理后进行增压处理，压力为4Mpa。原料天然气与主换热器16进行热交换后获得混合物9，通过管路进入一级提氦分离塔8（一塔）进行低温精馏，其进塔压力为2.2~2.6 Mpa。分离塔塔底7所获得的液体4大部分通过节流阀作为返流膨胀液体3与主换热器16复热汽化到-85~-95℃后，进膨胀机10膨胀后的气体17再次进主换热器作冷源，与原料天然气热交换复热到常温后经过膨胀机的同轴增压端11增压至1~1.1Mpa通过管道13去用户管网。而在分离塔加热蒸发出的上塔顶的含氦蒸气，通过冷凝蒸发器2冷凝获得一次粗氦6（氦含量2-10%），压力约1.8MPa，在冷凝蒸发器蒸发侧的蒸发压力约0.6MPa左右（0.57~0.65MPa），其温度约为-130~-135℃。冷凝蒸发器的冷源来自于分离塔塔底液体4的一小部分经减压节流至0.3—0.5Mpa后更低温度的液体15。液体15与一塔内的蒸气通过塔顶的冷凝蒸发器进行热交换后，复热成LNG产品5，作为提氦装置的副产品，被取出。在提氦设备运行过程中，本实施例的工艺步骤是利用本发明的设计思路，适当加大膨胀机的制冷量，使系统的制冷量略高于实际冷量的消耗，然后通过从冷凝蒸发器蒸发侧连续取出LNG作副产品，以获得系统的冷量平衡控制；从蒸发侧取出的LNG副产品增加了提氦装置附加的产品产值和综合经济效益,同时带走积聚在冷凝蒸发器的蒸发侧底部的重组分，有效避免因重组分积聚造成运行工况不稳定现象。当系统内工况发生波动，蒸发压力变化造成蒸气冷却温度不符合工艺要求时，则根据温度高于或低于工艺控制温度，再适当减少或加大从冷凝蒸发器的蒸发侧获得LNG产品5的流量大小，使压力再次回复到工艺控制压力，从而使冷却温度回复到工艺控制温度，平衡冷量需求。上述冷量平衡控制中，仅需要根据压力仪表的显示来控制LNG产品的获取量即可实现，无须复杂的冷量平衡控制计算，非常简单。既可手动控制，也可自动控制。

同时，冷凝蒸发器蒸发后的尾气14经过主换热器8复热后为换热器提供冷源，经过压缩机12压缩增压后通过管道13去用户管网。

经一级提氦分离塔获得的一次粗氦经过氮循环冷却在第二低温精馏塔分离后获得粗氦产品。（氦含量为30-80%，其余部分为平衡的氮，还有少量的甲烷、氢等）

上述工艺流程步骤中，采用制冷量略高于实际冷量消耗然后用LNG产量调节冷量平衡的模拟实例1-3以及冷量不足时降低LNG产量调节冷量平衡的模拟实例4-6列表如下：

不变条件：

1、进气量：每小时704.9kmol，温度：40℃；

2、实施例1-3分离塔塔底的液体进换热器温度-115℃；实施例4-6液体进换热器温度为-119℃；

3、膨胀机等熵效率85%，膨胀后压力1Mpa；

4、一次粗氦出塔浓度6.5%。

上述实施例的LNG产量多的时候可以每小时产出23.40 kmol的LNG，当系统冷量严重不足时，则可以少取，如实施例4，少的时候可以少至每小时4.6kmol，或不副产LNG。

本发明实施例1-3中，当原料气进入一次提氦分离塔的进塔压力从现有技术的1.1-1.5Mpa增加到了2.2-2.6Mpa时，对应的塔顶蒸气分离温度从现有技术的-152~-155℃升高到-130~-135℃，这样明显增加了提氦分离塔的压力和对应温度，降低了分离的能耗。

应用本发明技术与现有提氦工艺的能耗对比说明

参数	原提氦装置	本发明提氦装置
			天然气处理量m³/h	3500	16667
氦产量m³/h	5.67	25.6
			氦收率	90%	96%以上
原料天然气压缩功率KWh	--	816
			原料气压力Mpa	1.5	4
脱碳单元能耗KWh	---*	150*
			氮循环能耗KWh	99	99
尾气压缩功率KWh	224	144
			能耗合计KWh	423	1209
单位产品能耗KWh/m³	74.6	47.2

应用本发明技术的提氦装置，在增加了原料天然气压缩和脱碳等预处理能耗的情况下，粗氦生产的综合单耗为47.2KWh/m3，比原提氦装置74.6 KWh/m3减少能耗约30%，同时还能副产少量LNG，提高综合经济效益。氦气收率从90%提高到96%以上，对于我国这样的贫氦资源国稀缺氦气资源保护意义重大。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种天然气提氦的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将含氦的原料天然气，送入主换热器冷却；

B、将步骤A冷却所得的混合物送入分离塔，混合物经加热后，至少一部分蒸气在塔顶被冷凝蒸发器冷却获得一次粗氦；

D、步骤C的冷源在冷凝蒸发器内蒸发后的尾气经过主换热器复热后为换热器提供冷源，经过压缩机压缩增压后通过管道去用户管网；

2.如权利要求1所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述步骤C中，分离塔塔底的另一部分液体通过管路送入主换热器，在主换热器内进行热交换后，复热汽化进入膨胀机膨胀，再返回主换热器作冷源。

3.如权利要求2所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述膨胀后再返回主换热器的冷源，在主换热器内再次进行热交换后，复热到常温获得的气体经过膨胀机的同轴增压端增压后送往后续处理。

4.如权利要求3所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述气体经过膨胀机的同轴增压端增压至1-1.1Mpa。

5.如权利要求1-4任一所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述步骤A中，含氦的原料天然气净化后经加压处理，所述步骤B中原料气进分离塔的压力为2.2-2.6Mpa，塔顶的蒸气压力0.57-0.65 Mpa，塔顶蒸发温度为-130- -135℃。

6.如权利要求5所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述塔顶蒸发温度为-131.8 - -132.9℃。

7.如权利要求1-4任一所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述步骤B中，混合物冷却到液化率为90-96%时进入分离塔。

8.如权利要求1-4任一所述的一种天然气提氦的方法，其特征在于：所述步骤C中，塔底的液体一部分减压节流至0.3-0.5Mpa进入塔顶冷凝蒸发器。