CN103213946A - 一种综合利用液化天然气的氨合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种综合利用液化天然气的氨合成方法，其特征在于首先将LNG储罐内低温LNG液体通过换热单元换热升温气化，输入到造气单元与输入的蒸汽、空气反应生成粗合成气；粗合成气经换换热降温后，输入精馏分离单元，调整粗合成气中各气体的比例获得精合成气后从塔顶输至界区外氨合成单元；塔底产品进行余冷回收，废气输送至燃料系统，回收甲烷和氢气作为燃料使用。本发明提出将LNG的冷能耦合到氨气的深冷净化工艺过程中，缓解LNG气化时对环境的负面影响，辅以压缩机、膨胀机辅助制冷的工艺将进一步大幅节约电能和冷却水。

Description

一种综合利用液化天然气的氨合成方法

技术领域

本发明属于能源综合利用技术领域，涉及一种综合利用液化天然气（LNG）的高品质甲烷和冷能的氨合成方法和装置。能取代目前深冷精馏精制合成气系统中单独采用压缩膨胀深冷制冷大量消耗电能的工艺方法，解决合成氨能耗过高的问题。同时也有助于解决目前LNG冷能的充分利用问题。

背景技术

天然气在从气田开采后经过净化和超低温处理，体积骤缩600倍转变为超低温液体，形成液化天然气（LNG）。经净化、液化而成的-162℃低温LNG液体，通过LNG运输船大规模地运往全球的天然气市场。

在天然气市场，低温的LNG液体无法直接使用，需要进行再气化转变为气态压缩天然气（CNG）通过管网送到最终用户。LNG气化所需的热量，以往是通过与海水换热或者通过燃烧天然气补充加热的方式提供。如此巨量的冷能不仅没有被科学的利用，而且破坏了海洋生态环境甚至消耗了天然气资源。

目前，我国的LNG 冷能利用还只是处于起步阶段，而且能有效利用高品位冷能的项目为空气分离制造工业气体。但是目前几乎所有的新建LNG接收站附件都规划有空气分离装置，空气分离市场竞争激烈、运输成本高以及附加值有限等弊端要求寻找更合理的冷能利用方式，提高冷能的附加值，以降低LNG的下游成本。

据发改委2005年发布的《节能中长期专项规划》统计，2000年大中型合成氨综合能耗比国际先进水平高出31.2%，具有巨大的节能潜力。《化肥工业“十二五”发展规划》指出“十二五”期间，产能置换、优化布局、技术升级、节能减排将是我国合成氨行业的发展重点。

目前合成氨工艺技术的发展集中在降低能耗和提高能量效率上。深冷净化法合成氨工艺是当今世界先进水平的低能耗合成氨工艺，深冷净化是其中的核心单元，使工艺操作更为灵活、方便、稳定。深冷净化工艺具有能耗低，投资省，转化炉管和催化剂寿命长，原料气利用率高，操作弹性大，运转效率高的优势。从国内一些大型采用深冷净化工艺的实践经验可以看出：长周期运行深冷净化法合成氨工艺，能够有效地节能。但是经过多年的发展，此方法的节能潜力已经挖掘殆尽，如何在此基础上进一步降低合成氨生产能耗成为难题。

本发明提出将LNG的冷能耦合到深冷净化工艺过程中，在深冷净化单元以LNG的冷能利用为主，压缩机、膨胀机辅助制冷的工艺将进一步大幅节约电能和冷却水。

发明内容

为了合理的利用天然气气化时放出的冷能，进一步降低深冷净化法合成氨的能耗，本发明提供一种利用液化天然气的副产冷能和品质天然气的合成氨装置。该装置一方面将LNG气化后的高品质甲烷作为氨的合成原料，另一方面通过换热方式将LNG气化时放出的高品位冷能用于深冷精馏法精制合成气，调节合成气中氮氢元素配比，去除过量的氮气和甲烷，氩气等杂质。

本发明的另一个目的在于提供一种综合利用LNG冷能的合成氨的方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种综合利用液化天然气的氨合成装置，包括一次换热单元，二次换热单元，以天然气为原料的造气单元，调整粗合成气组分的精馏分离单元。

造气单元的天然气输入管道连接至LNG储罐且经过一次换热单元，造气单元的粗合成气输出管道连接至一次换热单元，且经过深冷制冷设备、二次换热单元后，连接至精馏分离单元；造气单元还设有接蒸汽输入管道、空气输入管道；

精馏分离单元塔顶的精合成气输出管道经二次换热单元、一次换热单元连接至界区外合成单元；塔底产品输送管道经过二次换热单元、一次换热单元连接至界区外燃料系统；塔底产品节流减压管道连接至精馏分离单元的上部壳层。

温度为-178℃至-185℃，压力为25-30bar的精合成气由塔顶精制合成气输送管道110输送至换热单元与温度为2-30℃，压力为22-36bar粗合成气换热，为粗合成气预冷提供冷能，实现冷能回用，同时使精合成气预热后外输至界区外的合成单元。

深冷精馏设备的塔底产品氢气、氮气、甲烷和氩气的摩尔含量分别为5-9%，73-80%，11-17%和1-5%的氢气、氮气、甲烷和氩气等杂质的废气依次通过塔底产品节流减压管道，塔底产品输送管道输送至塔顶的壳层，二次换热单元，一次换热单元进行余冷回收。余冷回收后的废气可通过管道输送至界区外的燃料系统，回收甲烷和氢气作为燃料使用。

一种利用液化天然气的副产冷能和副产物的氨合成方法，包括以下步骤：

（1）LNG储罐内-162℃的LNG低温液体通过一次换热单元换热升温至常温气化，输入到造气单元；

（2）在造气单元，被气化的天然气与输入的蒸汽、空气反应生成粗合成气；温度为2-30℃，压力为22-36bar；

（3）粗合成气是氢气、氮气、甲烷和氩气的混合气体，摩尔含量分别为62-66%，29-34%，1-3.5%和0.1-1%；

（4）粗合成气经换一次换热单元换热降温至-100℃至-140℃、经深冷制冷设备、二次换热单元继续降温到-170℃至-185℃后，输入精馏分离单元；

（3）在精馏分离单元通过深冷精馏设备将粗合成气中过量的氮气分离，调整粗合成气中氢气与氮气的体积比约为3:1（因为工艺方面的的原因，该比例为近似比例），并去除全部的甲烷和60%的氩气杂质获得精合成气；

精合成气中氢气、氮气和氩气的摩尔含量分别为73-76%，24-26%和0.1-1%，温度为-178℃至-185℃，压力为25-30bar；精合成气从精馏塔顶馏出经管道输送至换热单元与输入的温度为2-30℃，压力为22-36bar粗合成气逆流换热，为粗合成气预冷提供冷能，实现冷能回用，同时使精合成气预热后外输至界区外的合成单元；

深冷精馏设备的塔底产品依次输送至塔顶的壳层、二次换热单元、一次换热单元进行余冷回收，余冷回收后的废气输送至界区外的燃料系统，回收甲烷和氢气作为燃料使用。塔底产品为摩尔含量分别为5-9%，73-80%，11-17%和1-5%的氢气、氮气、甲烷和氩气，来源是分离的过量氮气和少量甲烷、氩气等杂质的废气。

造气单元在LNG接收站附近就地利用高品质天然气为原料制备粗合成气，有效降低原料气的脱硫成本。粗合成气中氢气与氮气的体积比大于3，同时含有少量甲烷与氩气等杂质。在造气单元与合成单元之间的分离单元通过换热的方式充分利用LNG在气化时释放的冷能，对来自造气单元的粗合成气进行预冷。然后再通过辅助制冷和二次换热单元，将合成气进一步降温后达到精馏分离所需的工艺条件进入深冷精馏塔。利用深冷精馏技术将粗合成气少量甲烷与氩气等杂质去除，并调整氢气与氮气的体积比约为3:1得到精合成气。从精馏塔顶馏出的精合成气再经过与粗合成气换热对粗合成气预冷实现冷能回用，同时使精合成气升温进入合成单元。在合成单元中精合成气经催化剂和高温高压作用合成氨气产品。

本发明提出将LNG的冷能耦合到合成氨的深冷净化工艺过程中，不仅进一步大幅节约了合成装置电能和冷却水的消耗，而且缓解LNG气化时对环境的负面影响。

附图说明

图1是工艺流程图；

图中，1.LNG储罐，2.一次换热单元，3.二次换热单元，4.深冷制冷设备，5.深冷精馏塔，6，造气单元，101.LNG输送管道，102.天然气输送管道，103.蒸汽输送管道，104.空气输送管道，105.粗合成气输送管道，106.一次换热粗合成气输送管道，107.二次换热粗合成气输送管道，108.塔底产品节流减压管道，109.低压塔底产品输送管道，110.塔顶精制合成气输送管道，111.合成系统进料管道，112.废气回收管道。

具体实施方式

结合图1与实施例对本专利技术进一步详细阐述：

实施例1

综合利用LNG的合成氨装置包括一次换热单元2，二次换热单元3，以天然气为原料的造气单元6，调整粗合成气组分的分离单元5。

换热单元2与LNG储罐1通过LNG输送管道101相连，-162℃的LNG低温液体通过一次换热单元2换热升温至室温气化。气化后的天然气、蒸汽、空气分别通过天然气输送管道102、蒸汽输送管道103、空气输送管道104输送至造气单元6。在造气单元6中天然气，蒸汽，空气反应生成粗合成气。粗合成气中氢气、氮气、甲烷和氩气的摩尔含量分别为65%，32%，2.5%和0.5%。

温度为4℃，压力为30bar粗合成气以7840.4kmol/h的流速经粗合成气输送管道105进入一次换热单元2换热降温至-126.5℃。降温后的粗合成气通过一次换热粗合成气输送管道106输送至深冷制冷设备4，在深冷制冷设备4中粗合成气进一步降温后再送入二次换热单元3继续降温至-175℃由管道107输送进入精馏分离单元5。精馏分离单元5通过深冷精馏设备将粗合成气中过量的氮气分离，调整粗合成气中氢气与氮气的体积比约为3:1并去除全部的甲烷，和60%的氩气杂质获得精合成气。

从精馏塔顶馏出的精合成气氢气、氮气和氩气的摩尔含量分别为74.8%，24.8%和0.4%，温度为-182℃，压力为28bar，精合成气由塔顶精制合成气输送管道110以6643.8kmol/h的流速输送至换热单元与温度为4℃，压力为30bar粗合成气换热，为粗合成气预冷提供冷能，实现冷能回用，同时使精合成气预热后外经合成系统进料管道111输至界区外的合成单元。

深冷精馏设备的塔底产品氢气、氮气、甲烷和氩气的摩尔含量分别为7%，77%，14%和2%分离的过量氮气和少量甲烷、氩气等杂质的废气依次通过塔底产品节流减压管道108、低压塔底产品输送管道109输送至塔顶的壳层，二次换热单元3，一次换热单元2进行余冷回收。余冷回收后的废气可通过113管道输送至界区外的燃料系统，回收甲烷和氢气作为燃料使用。

以上所述仅为本专利的较佳实施例，凡依本专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本专利涵盖范围。

Claims (4)

1.综合利用液化天然气的氨合成方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）LNG储罐内低温高纯LNG液体通过换热升温气化后，输入到造气单元（6）；

（2）在造气单元（6），被气化的天然气与输入的蒸汽、空气反应生成粗合成气；

（3）粗合成气经换热降温至-170℃至-185℃后，输入精馏分离单元；

（4）在精馏分离单元通过深冷精馏设备将粗合成气中过量的氮气分离，调整粗合成气中氢气与氮气的含量分别为73-76%，24-26%，并去除全部的甲烷和50%以上的氩气杂质获得精合成气；

低温精合成气从精馏塔顶馏出经管道输送至一次换热单元与高温粗合成气逆流换热，使精合成气预热后外输至界区外的合成单元；

深冷精馏设备的塔底产品进行余冷回收，余冷回收后的废气输送至界区外的燃料系统。

2.根据权利要求1所述的综合利用液化天然气的氨合成装置的氨合成方法，其特征在于步骤（2）中粗合成气是氢气、氮气、甲烷和氩气的混合气体，摩尔含量分别为62-66%，29-34%，1-3.5%和0.1-1%；温度为2-30℃，压力为22-36bar。

3.根据权利要求1所述的综合利用液化天然气的氨合成装置的氨合成方法，其特征在于步骤（3）粗合成气经换热和深冷制冷设备降温至-170℃至-185℃的过程是先经一次换热单元换热降温到-100℃至-140℃、经深冷制冷设备、二次换热单元降温到-170℃至-185℃。

4.根据权利要求1所述的综合利用液化天然气的氨合成装置的氨合成方法，其特征在于步骤（4）中精合成气中氢气、氮气和氩气的摩尔含量分别为73-76%，24-26%和0.1-1%，温度为-178℃至-185℃，压力为25-30bar；

所述的塔底产品为摩尔含量分别为5-9%，73-80%，11-17%和1-5%的氢气、氮气、甲烷和氩气，来源是分离的过量氮气和少量甲烷、氩气杂质的废气。

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