CN104567276B - 回收合成氨尾气生产lng的装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了回收合成氨尾气生产LNG的装置及工艺方法，它包括循环氮压缩机、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器以及设置在冷箱内的预冷换热装置、增压透平膨胀机、气液分离器、脱氢精馏塔和甲烷精馏塔，所述预冷换热装置包括二氧化碳预冷器和主换热器。具有以下优点：利用深冷分离合成氨尾气技术，对合成氨生产有用的氢气得到回收的同时又对甲烷进行了充分提取，并液化为高附加值的LNG，得以降低合成氨成本，在合成氨尾气资源充分回收利用和环境保护问题上做到一举两得。

Description

回收合成氨尾气生产LNG的装置及工艺方法

技术领域

本发明属于涉及合成氨工业中对驰放气（尾气）的回收利用技术领域，特别涉及对合成氨尾气中的甲烷进行深冷分离提取成液化天然气LNG的一种回收合成氨尾气生产LNG的装置及工艺方法。

背景技术

在化肥工业领域，制取氨的过程中会产生约含25%甲烷的驰放气，以及在合成氨的生产过程中，也会产生约含35%甲烷的合成气，以上气体构成了合成氨尾气。为保证氨合成反应的正常进行，需排放合成氨尾气，以控制甲烷的浓度。

现今对于合成氨尾气的处置方法，最次的是直接排放到大气里，然而尾气中的甲烷是一种温室气体，它造成全球暖化的威力是二氧化碳的25倍，这造成环境污染和资源的浪费；另一种是收集后燃烧，转化为热能、电能等二次能源，然而该方法的经济效益较低，尾气中经济附加值很高的甲烷、氢气等成分无法回收利用；再有的就是使用过滤提纯技术提取尾气中的甲烷等有价值成分，而现有技术及生产工艺存在高能耗、高成本、提取率低等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种回收合成氨尾气生产LNG的装置及工艺方法，利用深冷分离合成氨尾气技术，对合成氨生产有用的氢气得到回收的同时又对甲烷进行了充分提取，并液化为高附加值的LNG，得以降低合成氨成本，在合成氨尾气资源充分回收利用和环境保护问题上做到一举两得。

为解决上述技术问题，本发明提供的回收合成氨尾气生产LNG的装置，它包括循环氮压缩机、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器以及设置在冷箱内的预冷换热装置、增压透平膨胀机、气液分离器、脱氢精馏塔和甲烷精馏塔，所述预冷换热装置包括二氧化碳预冷器和主换热器；所述预冷换热装置设有高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口、高压氮气入口、高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口，所述高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口和高压氮气入口分别与二氧化碳预冷器连通，所述高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口分别与主换热器连通；所述循环氮压缩机入口连通氮气源及预冷换热装置的富氮气出口，其出口经第一冷却器连通增压透平膨胀机增压端入口，增压透平膨胀机增压端出口再连通预冷换热装置的高压氮气入口，预冷换热装置的高压氮气出口处设有两条支路，一条支路连通增压透平膨胀机膨胀端入口，增压透平膨胀机膨胀端出口经过冷器再连通预冷换热装置的返流循环氮气入口，返流循环氮气出口再连通循环氮压缩机入口，另一条支路经过冷器连通甲烷精馏塔上部；所述预冷换热装置的高压尾气入口和低压尾气入口分别连通合成气源和驰放气源，其低压尾气出口经脱氢精馏塔再沸器再连通脱氢精馏塔入口，其高压尾气出口依次经甲烷精馏塔再沸器和过冷器再连通脱氢精馏塔中部；脱氢精馏塔底部富甲烷液体经脱氢精馏塔再沸器底部的富甲烷液体出口连通甲烷精馏塔入口，甲烷精馏塔底部液化天然气经甲烷精馏塔再沸器底部的液化天然气出口连通冷箱外的液化天然气储存槽；所述脱氢精馏塔顶部富氢气出口经过冷器再连通气液分离器入口，气液分离器底部的液体又连通脱氢精馏塔上部，气液分离器顶部的富氢气出口经过冷器再连通预冷换热装置的富氢气入口，预冷换热装置的富氢气出口经第二冷却器连通冷箱外的变压吸附装置；所述甲烷精馏塔顶部的富氮气出口经过冷器连通预冷换热装置的富氮气入口，预冷换热装置的富氮气出口设有两条支路，一条支路连通冷箱外的再生干燥器，另一条支路连通循环氮压缩机入口；甲烷精馏塔上部连通冷箱外的液氮储槽。高压尾气和低压尾气分别进入到冷箱中，可以有效利用高压尾气的高压能，减少循环氮压缩机的作用，降低能耗。增设气液分离器，可以使脱氢精馏塔顶部流出的含氢、氮、甲烷、氩的富氢气体中的甲烷进一步得到回收，提高甲烷的回收率。因液化天然气的最低饱和温度为-162℃，通过增设过冷器使其过冷到-165℃，使液化天然气进入到液化天然气储存槽过程中不发生气化现象，保证进入到液化天然气储存槽中的液化天然气都是液体。

作为优选，所述冷箱内还设有二氧化碳气液分离器，所述二氧化碳预冷器还设有二氧化碳入口，二氧化碳气液分离器底部液体流出口连通二氧化碳预冷器，二氧化碳气液分离器的入口连通冷箱外的二氧化碳储槽，二氧化碳气液分离器的顶部和二氧化碳预冷器的二氧化碳出口均连通冷箱外的二氧化碳回收装置；所述二氧化碳气液分离器上还设有溢流口，溢流口位于二氧化碳气液分离器入口的上方。当外来因素造成二氧化碳气液分离器中液面突然超过溢流口时，液体能自动排出，此时二氧化碳预冷器中液面不会继续升高，保证液体二氧化碳不会满至主换热器热端，避免了温差过大造成换热器热应力破损的问题。

作为优选，所述各设备之间通过管道连通，各段管道上设有阀门及仪控制点。

本发明提供的回收合成氨尾气生产LNG的工艺方法，具体步骤为：

1）脱氢精馏塔精馏：低压原料气和高压原料气分别通过低压尾气入口和高压尾气入口进入，低压原料气依次经预冷换热装置、脱氢精馏塔再沸器进入到脱氢精馏塔进行精馏，与此同时高压原料气依次经预冷换热装置、甲烷精馏塔再沸器、过冷器进入到脱氢精馏塔进行精馏，精馏之后在脱氢精馏塔底部液体中74%为甲烷，其余部分为氮、氩、氢；

2）富甲烷液体进入甲烷精馏塔：从脱氢精馏塔底部流出的温度为-132.97℃富甲烷液体进入甲烷精馏塔中部；

3）甲烷精馏塔精馏：进入到甲烷精馏塔中富甲烷液体进行精馏，精馏之后塔底液体中甲烷的含量≧99.2%，该甲烷液体最终流入到冷箱外的液化天然气储存槽中；

4）步骤1）中脱氢精馏塔塔顶冷源的来源：使上述步骤1）中的脱氢精馏塔顶部气体进入过冷器冷却至-171℃后，气体部分液化，再进入气液分离器中，分离出来的液体靠液位差自动回流至脱氢精馏塔上部参与塔内精馏，所述脱氢精馏塔顶部气体的组成成份为：氢气、氮气、甲烷和氩气。

5）使上述步骤4）中的气液分离器中顶部的含氢、氮、甲烷、氩的富氢气体从气液分离器顶部排出进入过冷器复热至-140℃，经预冷换热装置复热至5℃出冷箱，再经第二冷却器进一步复热至35℃后进入到变压吸附装置中；

6）步骤3）中甲烷精馏塔塔顶冷源的来源：打开氮气源入口处的阀门，氮气进入循环氮压缩机将压力提升,阀门关闭，然后在增压透平膨胀机的增压端增压，经第二冷却器冷却进入冷箱，在预冷换热装置中经二氧化碳预冷冷却，大部分气体进入增压透平膨胀机膨胀端膨胀，膨胀后的气体温度降低到甲烷沸点以下，膨胀后的氮气依次经过冷器、预冷换热装置复热后重新回至循环氮压缩机入口，如此循环在装置内部形成返流循环氮气；从预冷换热装置冷端出来的剩余气体继续进入过冷器冷却，气体从过冷器出来后节流降压，温度降低，产生出低温液体进入甲烷精馏塔上部参与塔内精馏，并一同随塔内所生成的废气从塔顶排出，经过冷器、预冷换热装置复热出冷箱，部分与膨胀后的返流循环氮气汇合后重新被循环氮压缩机吸入压缩，多余部分作为废气进入再生干燥器；

7）从甲烷精馏塔中精馏处的液氮流入到冷箱外的液氮储槽中。

作为优选，增压透平膨胀机膨胀端进口温度的调节通过在预冷换热装置冷端上部处抽取一股温度较高温气流进行调节。

采用以上结构后，本发明的回收合成氨尾气生产LNG的装置及工艺方法与现有技术相比，具有以下优点：

1）结构紧凑，利用二氧化碳预冷和氮气经增压透平膨胀机膨胀制冷工艺分离回收甲烷及富氢气体，并同时制取液氮产品储存。既降低了成本，又节约了能源，还获得了绿色环保的LNG能源。

2）可以利用甲烷液化后的尾气来补充氮气循环，做到自已自足，不需额外消耗氮气冷剂， 降低了能耗和运行成本。

3）增加了二氧化碳预冷器，因此增加了二氧化碳预冷流程，与传统的氮膨胀相比，减少了冷损，降低氮气循环压缩机能耗约20%左右。

4）在正常工况时不仅能生产纯度大于99.2%的甲烷，还能同时生产液氮产品。如遇紧急断电，或动设备检修时，可以使用自生产的液氮回注冷箱提供冷量，依然能够正常生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中： 1、二氧化碳预冷器，2、主换热器， 3、液化天然气储存槽，4、变压吸附装置，5、再生干燥器，6、液氮储槽，7、循环氮压缩机，8、第一冷却器，9、第二冷却器，10、第三冷却器，11、预冷换热装置，12、增压透平膨胀机增压端，13、增压透平膨胀机膨胀端，14、气液分离器，15、脱氢精馏塔，16、甲烷精馏塔，17、脱氢精馏塔再沸器，18、甲烷精馏塔再沸器，19、二氧化碳气液分离器,19.1、溢流口，20、过冷器；CO₂为二氧化碳管道，HYL为高压尾气管道，LYL为低压尾气管道，N为氮气管道，GN为高压氮管道，CN为返流循环氮管道，FN为富氮管道，FH为富氢管道。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例提供的焦炉荒煤气上升管显热回收装置，它包括循环氮压缩机7、第一冷却器8、第二冷却器9、第三冷却器10以及设置在冷箱内的预冷换热装置11、增压透平膨胀机、气液分离器14、脱氢精馏塔15和甲烷精馏塔16，所述预冷换热装置11包括二氧化碳预冷器1和主换热器2；所述预冷换热装置11设有高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口、高压氮气入口、高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口，所述高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口和高压氮气入口分别与二氧化碳预冷器1连通，所述高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口分别与主换热器2连通；所述循环氮压缩机7入口连通氮气源及预冷换热装置11的富氮气出口，其出口经第一冷却器8连通增压透平膨胀机增压端12入口，增压透平膨胀机增压端出口再连通预冷换热装置11的高压氮气入口，预冷换热装置11的高压氮气出口处设有两条支路，一条支路连通增压透平膨胀机膨胀端13入口，增压透平膨胀机膨胀端出口经过冷器20再连通预冷换热装置11的返流循环氮气入口，返流循环氮气出口再连通循环氮压缩机7入口，另一条支路经过冷器20连通甲烷精馏塔16上部；所述预冷换热装置的高压尾气入口和低压尾气入口分别连通合成气源和驰放气源，其低压尾气出口经脱氢精馏塔再沸器17再连通脱氢精馏塔入口，其高压尾气出口依次经甲烷精馏塔再沸器18和过冷器20再连通脱氢精馏塔中部；脱氢精馏塔底部富甲烷液体经脱氢精馏塔再沸器17底部的富甲烷液体出口连通甲烷精馏塔入口，甲烷精馏塔底部液化天然气经甲烷精馏塔再沸器底部的液化天然气出口连通冷箱外的液化天然气储存槽3；所述脱氢精馏塔顶部富氢气出口经过冷器20再连通气液分离器14入口，气液分离器14底部的液体又连通脱氢精馏塔15上部，气液分离器14顶部的富氢气出口经过冷器20再连通预冷换热装置的富氢气入口，预冷换热装置的富氢气出口经第二冷却器9连通冷箱外的变压吸附装置4；所述甲烷精馏塔顶部的富氮气出口经过冷器20连通预冷换热装置的富氮气入口，预冷换热装置的富氮气出口设有两条支路，一条支路连通冷箱外的再生干燥器5，另一条支路连通循环氮压缩机入口；甲烷精馏塔上部连通冷箱外的液氮储槽6。

所述冷箱内还设有二氧化碳气液分离器19，所述二氧化碳预冷器19还设有二氧化碳入口，二氧化碳气液分离器19底部液体流出口连通二氧化碳预冷器1，二氧化碳气液分离器19的入口连通冷箱外的二氧化碳储槽，二氧化碳气液分离器的顶部和二氧化碳预冷器的二氧化碳出口均连通冷箱外的二氧化碳回收装置；所述二氧化碳气液分离器19上还设有溢流口19.1，溢流口19.1位于二氧化碳气液分离器入口的上方。

所述各设备之间通过管道连通，各段管道上设有阀门及仪控制点。

本实施例提供的回收合成氨尾气生产LNG的工艺方法，具体步骤为：

1）脱氢精馏塔精馏：低压原料气和高压原料气分别通过低压尾气入口和高压尾气入口进入，低压原料气依次经预冷换热装置、脱氢精馏塔再沸器进入到脱氢精馏塔进行精馏，与此同时高压原料气依次经预冷换热装置、甲烷精馏塔再沸器、过冷器进入到脱氢精馏塔进行精馏，精馏之后在脱氢精馏塔底部液体中74%为甲烷，其余部分为氮、氩、氢；

2）富甲烷液体进入甲烷精馏塔：从脱氢精馏塔底部流出的温度为-132.97℃富甲烷液体进入甲烷精馏塔中部；

3）甲烷精馏塔精馏：进入到甲烷精馏塔中富甲烷液体进行精馏，精馏之后塔底液体中甲烷的含量≧99.2%，该甲烷液体最终流入到冷箱外的液化天然气储存槽中；

4）步骤1）中脱氢精馏塔塔顶冷源的来源：使上述步骤1）中的脱氢精馏塔顶部气体进入过冷器冷却至-171℃后，气体部分液化，再进入气液分离器中，分离出来的液体靠液位差自动回流至脱氢精馏塔上部参与塔内精馏，所述脱氢精馏塔顶部气体的组成成份为：氢气、氮气、甲烷和氩气。

5）使上述步骤4）中的气液分离器中顶部的含氢、氮、甲烷、氩的富氢气体从气液分离器顶部排出进入过冷器复热至-140℃，经预冷换热装置复热至5℃出冷箱，再经第二冷却器进一步复热至35℃后进入到变压吸附装置中；

6）步骤3）中甲烷精馏塔塔顶冷源的来源：打开氮气源入口处的阀门，氮气进入循环氮压缩机将压力提升,阀门关闭，然后在增压透平膨胀机的增压端增压，经第二冷却器冷却进入冷箱，在预冷换热装置中经二氧化碳预冷冷却，大部分气体进入增压透平膨胀机膨胀端膨胀，膨胀后的气体温度降低到甲烷沸点以下，膨胀后的氮气依次经过冷器、预冷换热装置复热后重新回至循环氮压缩机入口，如此循环在装置内部形成返流循环氮气；从预冷换热装置冷端出来的剩余气体继续进入过冷器冷却，气体从过冷器出来后节流降压，温度降低，产生出低温液体进入甲烷精馏塔上部参与塔内精馏，并一同随塔内所生成的废气从塔顶排出，经过冷器、预冷换热装置复热出冷箱，部分与膨胀后的返流循环氮气汇合后重新被循环氮压缩机吸入压缩，多余部分作为废气进入再生干燥器；

7）从甲烷精馏塔中精馏处的液氮流入到冷箱外的液氮储槽中。

增压透平膨胀机膨胀端进口温度的调节通过在预冷换热装置冷端上部处抽取一股温度较高温气流进行调节。

Claims (4)

1.一种回收合成氨尾气生产LNG的装置，其特征在于：它包括循环氮压缩机、第一冷却器、第二冷却器、第三冷却器以及设置在冷箱内的预冷换热装置、增压透平膨胀机、气液分离器、脱氢精馏塔和甲烷精馏塔，所述预冷换热装置包括二氧化碳预冷器和主换热器；所述预冷换热装置设有高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口、高压氮气入口、高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口，所述高压尾气入口、低压尾气入口、富氢气出口、富氮气出口、返流循环氮气出口和高压氮气入口分别与二氧化碳预冷器连通，所述高压氮气出口、返流循环氮气入口、富氮气入口、富氢气入口、低压尾气出口和高压尾气出口分别与主换热器连通；所述循环氮压缩机入口连通氮气源及预冷换热装置的富氮气出口，其出口经第一冷却器连通增压透平膨胀机增压端入口，增压透平膨胀机增压端出口再连通预冷换热装置的高压氮气入口，预冷换热装置的高压氮气出口处设有两条支路，一条支路连通增压透平膨胀机膨胀端入口，增压透平膨胀机膨胀端出口经过冷器再连通预冷换热装置的返流循环氮气入口，返流循环氮气出口再连通循环氮压缩机入口，另一条支路经过冷器连通甲烷精馏塔上部；所述预冷换热装置的高压尾气入口和低压尾气入口分别连通合成气源和驰放气源，其低压尾气出口经脱氢精馏塔再沸器再连通脱氢精馏塔入口，其高压尾气出口依次经甲烷精馏塔再沸器和过冷器再连通脱氢精馏塔中部；脱氢精馏塔底部富甲烷液体经脱氢精馏塔再沸器底部的富甲烷液体出口连通甲烷精馏塔入口，甲烷精馏塔底部液化天然气经甲烷精馏塔再沸器底部的液化天然气出口连通冷箱外的液化天然气储存槽；所述脱氢精馏塔顶部富氢气出口经过冷器再连通气液分离器入口，气液分离器底部的液体又连通脱氢精馏塔上部，气液分离器顶部的富氢气出口经过冷器再连通预冷换热装置的富氢气入口，预冷换热装置的富氢气出口经第二冷却器连通冷箱外的变压吸附装置；所述甲烷精馏塔顶部的富氮气出口经过冷器连通预冷换热装置的富氮气入口，预冷换热装置的富氮气出口设有两条支路，一条支路连通冷箱外的再生干燥器，另一条支路连通循环氮压缩机入口；甲烷精馏塔上部连通冷箱外的液氮储槽。

2.根据权利要求1所述的回收合成氨尾气生产LNG的装置，其特征在于：所述冷箱内还设有二氧化碳气液分离器，所述二氧化碳预冷器还设有二氧化碳入口，二氧化碳气液分离器底部液体流出口连通二氧化碳预冷器，二氧化碳气液分离器的入口连通冷箱外的二氧化碳储槽，二氧化碳气液分离器的顶部和二氧化碳预冷器的二氧化碳出口均连通冷箱外的二氧化碳回收装置；所述二氧化碳气液分离器上还设有溢流口，溢流口位于二氧化碳气液分离器入口的上方。

3.根据权利要求1所述的回收合成氨尾气生产LNG的装置的工艺方法，其特征在于：具体步骤为：

1)脱氢精馏塔精馏：低压原料气和高压原料气分别通过低压尾气入口和高压尾气入口进入，低压原料气依次经预冷换热装置、脱氢精馏塔再沸器进入到脱氢精馏塔进行精馏，与此同时高压原料气依次经预冷换热装置、甲烷精馏塔再沸器、过冷器进入到脱氢精馏塔进行精馏，精馏之后在脱氢精馏塔底部液体中74％为甲烷，其余部分为氮、氩、氢；

2)富甲烷液体进入甲烷精馏塔：从脱氢精馏塔底部流出的温度为-132.97℃富甲烷液体进入甲烷精馏塔中部；

3)甲烷精馏塔精馏：进入到甲烷精馏塔中富甲烷液体进行精馏，精馏之后塔底液体中甲烷的含量≧99.2％，该甲烷液体最终流入到冷箱外的液化天然气储存槽中；

4)步骤1)中脱氢精馏塔塔顶冷源的来源：使上述步骤1)中的脱氢精馏塔顶部气体进入过冷器冷却至-171℃后，气体部分液化，再进入气液分离器中，分离出来的液体靠液位差自动回流至脱氢精馏塔上部参与塔内精馏，所述脱氢精馏塔顶部气体的组成成份为：氢气、氮气、甲烷和氩气；

5)使上述步骤4)中的气液分离器中顶部的含氢、氮、甲烷、氩的富氢气体从气液分离器顶部排出进入过冷器复热至-140℃，经预冷换热装置复热至5℃出冷箱，再经第二冷却器进一步复热至35℃后进入到变压吸附装置中；

6)步骤3)中甲烷精馏塔塔顶冷源的来源：打开氮气源入口处的阀门，氮气进入循环氮压缩机将压力提升,阀门关闭，然后在增压透平膨胀机的增压端增压，经第二冷却器冷却进入冷箱，在预冷换热装置中经二氧化碳预冷冷却，大部分气体进入增压透平膨胀机膨胀端膨胀，膨胀后的气体温度降低到甲烷沸点以下，膨胀后的氮气依次经过冷器、预冷换热装置复热后重新回至循环氮压缩机入口，如此循环在装置内部形成返流循环氮气；从预冷换热装置冷端出来的剩余气体继续进入过冷器冷却，气体从过冷器出来后节流降压，温度降低，产生出低温液体进入甲烷精馏塔上部参与塔内精馏，并一同随塔内所生成的废气从塔顶排出，经过冷器、预冷换热装置复热出冷箱，部分与膨胀后的返流循环氮气汇合后重新被循环氮压缩机吸入压缩，多余部分作为废气进入再生干燥器；

7)从甲烷精馏塔中精馏处的液氮流入到冷箱外的液氮储槽中。

4.根据权利要求3所述的回收合成氨尾气生产LNG的装置的工艺方法，其特征在于：增压透平膨胀机膨胀端进口温度的调节通过在预冷换热装置冷端上部处抽取一股温度较高温气流进行调节。