CN104501528B - 甲烷合成气生产液化天然气的预冷系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲烷合成气生产液化天然气的预冷系统和方法,利用甲烷合成气为氨吸收制冷装置提供热量;氨吸收制冷装置所得冷量用来给液化装置的进料合成气预冷。利用甲烷化装置产生的低品位热量加热氨发生器为精馏塔提供热源,精馏塔顶出来的氨气,进入冷凝器冷凝成液体,经过节流后进入蒸发器,由于液氨易挥发且气化潜热大,在蒸发过程中会吸收大量热,从而达到冷却LNG装置进料气体的目的。本发明既有效利用了甲烷化生产过程中的废热,又解决了下游天然气液化装置耗能高的问题,大大降低了以煤(焦炭)制气及焦炉煤气生产LNG的设备投资及运行能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种实用节能工艺,将氨吸收制冷工艺首次应用于以煤(焦炭)制气及焦炉煤气为原料,经甲烷化反应生产液化天然气(LNG)工程,可达到良好的节能效果。
背景技术
煤、石油和天然气是当今世界一次能源的三大支柱,由于天然气作为清洁能源具有一系列优点,使其近些年在一次能源的消费比重中不断上升。但天然气送至最终用户往往需要采用管线输送,在不具备条件敷设管线或管线网络欠发达的地区,天然气的使用就变得较为困难。天然气液化后体积仅为气体的1/600,并且可采用大型车、船直接运输,可大大降低其运输难度。因此,近些年国内的天然气液化工程发展极为迅速。
目前,我国的天然气液化工厂所采用的原料主要为经净化脱水处理的气田采出气,但由于受到冬季用气高峰的影响,许多液化工厂在冬季时常面临原料气不足,装置无法满负荷运行的局面。
我国为世界煤炭生产消费第一大国,国内焦化厂数量众多,在以煤生产焦炭的时候会产生大量的焦炉煤气。在环保要求严格的省份,许多焦化厂采用变废为宝的方法,利用多余的焦炉煤气生产甲醇及合成氨。但在部分省份,不少焦化企业仍采用粗放的方式将焦炉气直接排放,既污染环境又降低了企业的效益。焦炉煤气中除CH4外还含有大量的CO,CO2,H2等组分,须将其净化处理送至甲烷化装置,使其中的CO和CO2与H2反应生成CH4,提高CH4的含量,然后再将所得甲烷合成气送至下游液化装置进行液化操作,获得液化天然气,具有极好的经济效益。
我国煤炭储量及消费量巨大,因此以煤(焦炭)制气及焦炉气为原料生产液化天然气具有非常广阔的发展前景,此工艺可对天然气田采出气直接液化工艺形成有力的补充。
以煤(焦炭)制气及焦炉气为原料生产液化天然气时,均需要采用甲烷化装置,其主要作用是将原料气体中所含的一氧化碳及二氧化碳与其中的氢气反应生成甲烷制得合成气,其化学反应方程式如下:
CO+3H2→CH4+H2O+热量
CO2+4H2→CH4+2H2O+热量
由于甲烷化为强放热反应,在生产合成气时会产生大量反应热,并且在生成甲烷的同时也有水生成。基于甲烷化反应机理,根据原料气中一氧化碳和二氧化碳组分的含量,通常需要设置多级反应器。为使化学平衡更多地向产物甲烷方向进行,需要将上一级反应器生成的合成气温度降低后进入下一级反应器。因此,常采用反应后的高温合成气去副产蒸汽、预热锅炉水等间接换热方式实现热量综合利用,同时也将合成气温度降至下一级反应所需的温度。但在合成气热量的梯级利用过程中,160℃~90℃温度区间的合成气往往由于其热量品位较低,在工厂中没有有效的利用途径,因此工程上常常需要采用水冷或空冷等方式将工艺气冷却至90℃,导致此部分低品位的热量被白白浪费。
氨吸收制冷作为一种常用的制冷方法,在很多领域里都有应用。如专利CN100389251C中公开了一种燃气动力循环系统及循环方法,由O2/CO2化学回热动力循环和氨吸收式制冷循环相结合而成,该系统中氨吸于收制冷热量来源于透平机排出气,冷量用途为冷却CO2气体。该专利技术的目的是实现冷和电联产以及CO2气体的捕集与节水功能,使系统具有能源有效利用和环境保护的综合效益。专利CN102889752A公开了带有氨吸收式制冷机预冷的富甲烷气液化装置及工艺,其氨吸收制冷热量来源为燃气发电机烟气余热,冷量用途为预冷液化装置入口气体(富甲烷气),其目的是提供一种降低液化装置能耗的方法。但目前还没有公开一种用于以煤(焦炭)制气及焦炉煤气为原料,经甲烷化反应生产液化天然气(LNG)工程中的氨吸收制冷工艺。
发明内容
以煤(焦炭)制气及焦炉煤气为原料,经甲烷化反应生产液化天然气(LNG)工程中,甲烷化装置出来的合成气进入下游的液化装置,需要采用冷剂压缩制冷的方式,将原料甲烷合成气预冷、液化、过冷最终得到液化天然气,进行储存。冷剂压缩制冷所产生的冷量,须满足甲烷合成气液化时的焓变。因此,有效降低原料气温度,可直接降低压缩制冷过程的能耗。
将甲烷化装置与下游甲烷合成气液化装置综合考虑,采用氨吸收制冷装置,利用上游甲烷化装置的低品位热量,制得高纯度的氨,将其冷凝过冷后进行节流膨胀操作,所产生的冷量用来预冷液化装置的进料甲烷合成气,可有效降低设备规格及运行能耗,提高企业的经济效益。
基于此原理,本发明针对以焦炉煤气或煤、焦炭制气生产液化天然气的技术现状,首次提供了一种利用甲烷化装置低品位热量用于氨吸收制冷预冷液化装置进料气体的方法,从而降低液化装置设备规格和运行能耗。
本发明不同于以往利用燃机中所得高温烟气余热用于天然气预冷的应用,而是结合煤(焦炭)制气以及焦炉煤气生产液化天然气工程的特点,利用上游甲烷化装置化学反应所产生的难于利用的低品位反应热,不需要甲烷化装置增加任何设备,仅需要将热的甲烷合成气引至氨吸收制冷装置为氨发生器提供热源即可,被冷却后的合成气仍回到甲烷化装置继续参与反应,无需对甲烷化装置的工艺流程和设备进行改造。
另外,本发明采用氨吸收制冷的目的还在于:1.在煤(焦炭)制气及焦炉煤气生产液化天然气工程中,甲烷化装置反应器出口的高温合成气经副产蒸汽,预热锅炉给水换热后,气体温度降至150~160℃,此部分热量往往缺少有效的利用途径,但为氨吸收制冷发生器提供热量,刚好合适;2.下游的液化装置,需要最终将合成气冷却到-162℃以下并最终变为液体储存,所以对于液化装置来说,进料气体温度越低,液化装置的压缩能耗越小,因此采用氨吸收制冷法尽可能地降低液化装置原料气温度,可降低设备规格和液化装置冷剂压缩机能耗。
为实现上述目的,本发明的具体技术方案为:
甲烷合成气生产液化天然气的预冷系统,包括氨发生器、精馏塔、冷凝器、过冷器、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液换热器、浓氨水储槽、节流阀及分离器,上述各装置连接成一个循环制冷系统,其中氨发生器与甲烷化装置相连,氨发生器的入口通入来自甲烷化装置的甲烷合成气,氨发生器的出口输出去至甲烷化装置的甲烷合成气;蒸发器与液化装置相连,蒸发器的入口通入来自液化装置的甲烷合成气,蒸发器的出口输出去至液化装置的甲烷合成气。
甲烷化装置产生的低品位热量加热氨发生器为精馏塔提供热源,精馏塔顶出来的氨气,进入冷凝器冷凝成液体,经过节流阀后进入蒸发器,蒸发出的氨气进入吸收器中,被从精馏塔底来的稀氨水溶液吸收变成浓溶液,浓溶液再经溶液泵增压送至精馏塔进行精馏,从而完成制冷循环。
为了进一步降低装置间气液两相介质配管的要求,在合成气回甲烷化装置前设置分离器,经分离后的气体回甲烷化装置继续参与反应,所得工艺凝液由管路送至全厂的凝液精制系统进行处理。
上述系统中的氨发生器和蒸发器均为间接换热方式。
上述系统中的氨发生器的入口通入来自甲烷化装置的甲烷合成气温度为150~160℃,氨发生器的出口输出去至甲烷化装置的甲烷合成气温度为140~145℃。
上述系统中的蒸发器的入口通入来自液化装置的甲烷合成气温度为40~45℃,蒸发器的出口输出去至液化装置的甲烷合成气温度为0-2℃。
甲烷化装置的合成气为该温度下的饱和气体,在输送过程中由于温度降低会产生冷凝水,因此管道布置要求坡向氨发生器;与氨发生器换热,并经分离器分液后返回甲烷化装置的合成气在输送过程中由于温度降低也会产生冷凝水,因此管道布置要求坡向分离器。
甲烷合成气生产液化天然气的预冷方法,包括氨吸收制冷流程,其中氨吸收制冷流程主要由吸收、精馏、冷凝、节流膨胀、蒸发所组成;来自液化装置40~45℃的甲烷合成气在蒸发器中与节流蒸发的氨气换热被冷却至0~2℃,返回冷箱入口;经节流蒸发制冷后(0.3MPaG,-8~-5℃)的氨气,先进入过冷器与液氨换热至20~22℃,再进入氨吸收器,被稀氨水溶液吸收,吸收过程产生的热量由冷却水带走,所得浓氨水温度控制在35~40℃。吸收后所得浓氨水溶液流入浓氨水槽,然后由泵送入换热器,与精馏塔底出来的温度较高的稀氨水换热,浓氨水被加热至接近泡点温度92℃后进入精馏塔中部进行精馏分离。精馏塔顶所获得浓度大于99.8%的氨气,由氨冷凝器冷凝成38~40℃的液氨。液氨在过冷器中与节流蒸发后的低温氨气换热,被冷却至18~20℃后,送至液氨蒸发器节流蒸发产生冷量;精馏塔底部出来的115~118℃稀氨水在溶液热交换器中被冷却至45~46℃后,送至吸收器用于吸收氨气。
由甲烷化装置来的150~160℃的合成气,进入氨发生器与精馏塔底的稀氨水换热,由于甲烷化装置来的合成气中水蒸气含量为该温度下的饱和值,与塔底稀氨水换热后会产生液态水。换热后由氨发生器输出去至甲烷化装置的甲烷合成气温度为140~145℃。
如流程所述,气氨-液氨和氨水在流程中不停循环:利用甲烷化合成气为氨吸收制冷装置提供热量;氨吸收制冷装置所得冷量用来给液化装置的进料合成气预冷,最终实现甲烷化装置的所产生的低品位热量在甲烷合成气液化装置中的有效利用。
本发明的有益效果是:
1.节能,可充分实现煤(焦炭)制气及焦炉煤气生产液化天然气工程上下游装置能量的综合利用;
2.节电,仅溶液泵消耗少量电能,其他设备都不耗电;
3.设备容易制造,氨吸收制冷装置动设备仅有溶液泵,其余全为塔、罐等静设备,结构简单,维护成本低;
4.运行平稳,操作简单,可在30%-110%负荷下正常运行;
5.所有设备都可室外安装,噪音小,操作环境友好。
附图说明
图1是本发明的实施例的工艺流程图。
图中设备有:1-氨发生器、2-精馏塔、3-冷凝器、4-过冷器、5-蒸发器、6-吸收器、7-溶液泵、8-溶液换热器、9-浓氨水储槽、10-节流阀,11-分离器。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明,但不限定本发明的保护范围。
如图1所示,本发明煤制气生产液化天然气的预冷系统利用甲烷化装置合成气的低位热能经氨吸收制冷装置产生冷量,用来预冷液化装置的甲烷合成气进料,具体采用的主要设备有:氨发生器1、精馏塔2、冷凝器3、过冷器4、蒸发器5、吸收器6、溶液泵7、溶液换热器8、浓氨水储槽9、节流阀10及分离器11等,各装置连接成一个循环制冷系统,其中氨发生器与甲烷化装置相连,氨发生器的入口通入来自甲烷化装置的甲烷合成气,氨发生器的出口输出去至甲烷化装置的甲烷合成气;蒸发器与液化装置相连,蒸发器的入口通入来自液化装置的甲烷合成气,蒸发器的出口输出去至液化装置的甲烷合成气。
其工艺流程如下:来自液化装置的原料合成天然气40~45℃(液化装置合成气的详细参数及组成见表1)在蒸发器中被冷却至0~2℃,冷介质液氨经节流膨胀蒸发后变为-8~-5℃,0.3MPaG的低压氨气,该低压氨气与来自冷凝器的液氨换热至20~22℃后,进入吸收器,被温度为45~46℃、浓度为30%的稀氨水吸收。吸收过程所释放的热量由循环水冷却带走,吸收后得到增浓的浓氨水(其浓度约为42%),该浓氨水流入浓氨水储槽,然后由溶液泵送入溶液换热器,与来自精馏塔底的115℃的稀氨水经溶液换热器换热,浓氨水被加热至接近92℃的泡点温度后,进入精馏塔进行分离;同时精馏塔底出来的稀氨水被冷却至45~46℃后用于氨气吸收。精馏塔顶部得到浓度大于99.8%的50℃氨气,经冷凝器冷凝为38~40℃的液氨,然后该液氨被送至过冷器与从蒸发器出来的低温氨气换热进一步冷却至20~22℃,再经节流阀节流膨胀,最后送至蒸发器蒸发成-8~-5℃氨气,该低温氨气与液氮复热后进入吸收器,从而实现氨吸收制冷的循环。
液氨变成氨气的蒸发过程为强烈的吸热过程,所获得冷量为液化装置待冷的合成气所利用。氨吸收制冷流程中,发生器所需要的热量由甲烷化装置150~160℃的合成气所提供(甲烷化装置合成气的详细参数及组成见表1),甲烷化装置合成气中所含水为该温度的饱和气态,被冷却后会产生大量的凝液,为了减少装置间配管的复杂性,将换热后回甲烷化装置的合成气进行分离,气体回甲烷化装置参与后续反应,所得凝液送至全厂的凝液精制系统。
表1 甲烷合成气组成及详细参数
尽管上面结合附图和优选实施例对本发明进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体实施方式,相关的技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明的权利要求保护范围的情况下,可以做出多种具体变换,均属本发明的保护范围。
Claims (8)
1.甲烷合成气生产液化天然气的预冷系统,包括氨发生器、精馏塔、冷凝器、过冷器、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液换热器、浓氨水储槽、节流阀,上述各装置连接成一个循环制冷系统,其中氨发生器与甲烷化装置相连,氨发生器的入口通入来自甲烷化装置的甲烷合成气,氨发生器的出口输出去至甲烷化装置的甲烷合成气;蒸发器与液化装置相连,蒸发器的入口通入来自液化装置的甲烷合成气,蒸发器的出口输出去至液化装置的甲烷合成气;所述系统中的氨发生器的入口通入来自甲烷化装置的甲烷合成气温度为150~160℃,氨发生器的出口输出去至甲烷化装置的甲烷合成气温度为140~145℃。
2.据权利要求1所述的预冷系统,其特征在于:所述系统中的氨发生器和蒸发器均为间接换热方式。
3.据权利要求1所述的预冷系统,其特征在于:在甲烷合成气回甲烷化装置前设置分离器。
4.据权利要求3所述的预冷系统,其特征在于:所述系统中的甲烷化装置的合成气在输送过程中的管道布置要求坡向氨发生器;与氨发生器换热,并经分离器分液后返回甲烷化装置的合成气在输送过程中的管道布置要求坡向分离器。
5.据权利要求1所述的预冷系统,其特征在于:所述系统中的蒸发器的入口通入来自液化装置的甲烷合成气温度为40~45℃,蒸发器的出口输出去至液化装置的甲烷合成气温度为0~2℃。
6.甲烷合成气生产液化天然气的预冷方法,其特征在于:利用甲烷合成气为氨吸收制冷装置提供热量;氨吸收制冷装置所得冷量用来给液化装置的进料合成气预冷;所述预冷方法具体为:所述预冷方法包括氨吸收制冷流程,其中氨吸收制冷流程由吸收、精馏、冷凝、节流膨胀、蒸发所组成;来自液化装置40~45℃的甲烷合成气在蒸发器中与节流蒸发的氨气换热被冷却至0~2℃,返回冷箱入口;经节流蒸发制冷后的氨气,压力为0.3MPaG,温度为-8~-5℃,先进入过冷器与液氨换热至20~22℃,再进入氨吸收器,被稀氨水溶液吸收,吸收过程产生的热量由冷却水带走,所得浓氨水温度控制在35~40℃;吸收后所得浓氨水溶液流入浓氨水槽,然后由泵送入换热器,与精馏塔底出来的温度较高的稀氨水换热,浓氨水被加热至接近泡点温度92℃后进入精馏塔中部进行精馏分离;精馏塔顶所获得浓度大于99.8%的氨气,由氨冷凝器冷凝成38~40℃的液氨;液氨在过冷器中与节流蒸发后的低温氨气换热,被冷却至18~20℃后,送至液氨蒸发器节流蒸发产生冷量;精馏塔底部出来的115~118℃稀氨水在溶液热交换器中被冷却至45~46℃后,送至吸收器用于吸收氨气;由甲烷化装置来的150~160℃的合成气,进入氨发生器与精馏塔底的稀氨水换热后输出去至甲烷化装置的甲烷合成气温度为140~145℃。
7.权利要求1-5任一项所述的甲烷合成气生产液化天然气的预冷系统应用在以煤或焦炭制气及焦炉煤气为原料生产液化天然气的工程中。
8.权利要求6所述的甲烷合成气生产液化天然气的预冷方法应用在以煤或焦炭制气及焦炉煤气为原料生产液化天然气的工程中。
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