CN105387683A - 天然气高效液化回收方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种天然气高效液化回收方法及装置。该方法利用液氮和天然气不同的沸点、冰点及饱和温度与压力的差异，将天然气直接通到盛有液氮的低温容器中，在同一低温容器内使天然气与液氮直接混合换热液化为LNG，控制低温容器内液体饱和压力，使天然气不凝固结冰，又能使LNG与液氮有效分离。本发明最大的优势就是设备投资成本低廉，又不影响LNG正常使用，可广泛用于微小型气源的液化，尤其适合LNG加气的BOG回收。

Description

天然气高效液化回收方法及装置
技术领域
本发明涉及天然气的低温存储和运输，具体是一种天然气高效液化回收方法及装置。
背景技术
目前，天然气的生产、存储和运输主要有两种方式：一是气体方式，通过加压使用高压存储，采用车辆或管道运输；二是将天然气液化，以大幅度降低存储体积。气体车辆方式占体积太大，运输不便，气体管道方式必须有足够的数量和稳定的气源，才有可能。而液体方式，也要有一定充足的气源，技术复杂，投资成本巨大。对生产、存储和使用中存在或产生的连续或非连续的小、散天然气气源，则因现有技术投资太过高昂往往都无法回收和利用，大部分都白白的直接排空或燃烧后排掉了。不仅白白浪费资源，还会污染环境，产生安全隐患等等。
现有天然气液化回收技术中，因天然气（主要是甲烷气）液化温度高达-160度，这种深冷的产生需要多级的高压压缩和冷凝换热，由于条件苛刻，设备都十分高昂，不达到一定规模基本没有经济价值，目前基本没有适合非连续或小型的天然气液化的经济实用技术。在现有技术中也有采用液氮换热器液化回收天然气的，但需要换热器面积巨大、需要特殊低温容器设备，加之操作复杂也未被市场接受。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种低成本、便于应用的天然气高效液化回收方法及装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种天然气高效液化回收方法，按下述方法进行：利用液氮和天然气不同的沸点、冰点及饱和温度与压力的差异，将天然气直接通到盛有液氮的低温容器中，在同一低温容器内使天然气与液氮直接混合换热液化为LNG，控制低温容器内液体饱和压力，使天然气不凝固结冰，又能使LNG与液氮有效分离。
进一步的，测量低温容器的进气压力和排出压力及相互压差变化，当进、出口压差明显变大，且排气压力降低到接近0时，判定为液氮全部被汽化分离并排出低温容器。
进一步的，液氮全部汽化排出后，将低温容器的排气阀关闭，进气阀继续打开进气，用过冷LNG继续吸收和液化天然气，测量低温容器的进气压力值和排出压力值，当低温容器内压力达需要值时，完成天然气的液化回收。
进一步的，回收完成后，LNG的排出或再加液氮维持继续连续回收的方法是：将低温容器直接更换新的装有液氮、且与低温容器要求一致的结构和接口的新的低温容器；或者，通过压差法将低温容器增压后，将LNG排到其它容器中存储或外运，而后为低温容器充入定量的液氮，继续天然气的液化回收。
进一步的，低温容器内的液体温度控制方法是：在液氮完全汽化排出前，用低温容器的排气阀控制低温容器内压力大于等于欲液化的天然气冰点温度对应的液氮饱和压力值；在液氮全部排出后，需要给过冷LNG升温时，关闭低温容器的排气阀，按设定的压力值确定低温容器内LNG的温度和回收进程；用LNG储罐回收时，直接将过冷LNG喷到BOG气相空间，为LNG存储容器迅速降压。
一种用于天然气高效液化回收方法的装置，包括：
低温容器，低温容器内盛有液氮，低温容器内的液氮上部有气相空间；
天然气预冷换热器，天然气预冷换热器的管程两端连接在天然气输入管道上，天然气预冷换热器管程的天然气进气端装有进气阀和进气压力检测仪表；天然气输入管道引入低温容器内，其天然气的出口端延伸至低温容器内的液氮底层；
天然气预冷换热器的壳程与低温容器的气相空间之间连接氮气排气管，天然气预冷换热器壳程的氮气进口装有排气阀和排气压力检测仪表；
液氮加入或LNG抽出管道与天然气预冷换热器的天然气进气端连接，液氮加入或LNG抽出管道上装有控制阀；
进气阀和进气压力检测仪表、排气阀和排气压力检测仪表、控制阀与控制器连接。
进一步的，氮气排气管内径截面积大于天然气输入管道的内径横截面积。
进一步的，天然气输入管道是一根或多根，从低温容器顶部引入并垂直延伸至低温容器内的液氮底层中心附近，天然气的出口端设置导流装置。
进一步的，天然气预冷换热器垂直或倾斜安装在低温容器的上方。
进一步的，包括低温槽罐车、LNG运输船、低温气瓶和LNG储罐。
本发明的原理是：
利用液氮沸点为-196℃和天然气（主要指甲烷，以下均以甲烷气特性为例）液化温度为-161.5度，甲烷结冰温度为-182.5度的各自不同的沸点、冰点及饱和温度与压力的差异，只要将液氮温度控制在高于-182.5℃(如-181℃)，则通入液氮中的甲烷就不会冻结又能迅速液化。又因控制低温容器内液氮饱和温度点远低于液体甲烷的沸点，甲烷在此温度和压力下不会气化；液氮吸收通入的天然气热能后就会升温，当液氮温度高于控制的饱和压力值时，就会有部分液氮被气化而维持控制的饱和压力下的温度，随着不断的外部天然气的进入液化，低温容器内的液氮也就会逐步被汽化排出容器，当低温容器内的液氮全部被汽化排出后，容器内液体被全部置换成了液体天然气即LNG。
此时的LNG液体是依然在冰点温度附近的过冷液体，该温度下天然气不会汽化，在原有控制压力下因液氮绝大部分均匀汽化，没有氮气再排出，在原有阀门开度下，瓶内压力会迅速降低，在新的压力下残存的液氮继续被汽化排出低温容器外，这样就实现了液氮和LNG的分离，亦即：可以在液体甲烷和液氮混合下高效换热完成天然气的液化，又能最终使液氮汽化从LNG液体中完全分离出去。
综上所述，采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其有益效果是：
通过控制低温容器内部液体饱和压力，从而间接控制低温饱和液体温度高于天然气冰点的温度，使天然气只被液化，并使液氮汽化分离；再通过测量进出低温容器气体的压力变化来判断液氮是否全部汽化排出；回收结束后可用直接更换新的充满液氮低温容器，或控制容器压力，将液化的天然气导出到其它容器中、再加液氮重新吸收天然气，实现连续回收。本发明最大的优势就是设备投资成本低廉，又不影响LNG正常使用，可广泛用于微小型气源的液化，尤其适合LNG加气的BOG回收。
附图说明
图1是本发明实施例的液化装置及工业流程示意图；
图中：1-低温气瓶；2-氮气排气管；3-天然气输入管道；4-天然气预冷换热器；5-进气压力检测仪表；6-排气压力检测仪表；7-控制器；8-排气阀；9-进气阀；10-控制阀；11-液氮加入或LNG抽出管道。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步阐述，但本实施例不对本发明构成任何限制。
本实施例以LNG加气站的LNG储罐的BOG回收进行说明。
参见图1，本实施例中的低温容器为特制的450L低温气瓶1，投入前充入90%容积的0.3mpa左右的液氮；天然气预冷换热器4的管程两端连接在天然气输入管道3上，天然气预冷换热器4管程的天然气进气端装有进气阀9和进气压力检测仪表5；天然气输入管道3引入低温气瓶1内，其天然气的出口端延伸至低温气瓶1内的液氮底层；
天然气预冷换热器4的壳程与低温气瓶1的气相空间之间连接氮气排气管2，天然气预冷换热器4壳程的氮气进口装有排气阀8和排气压力检测仪表6；
液氮加入或LNG抽出管道11与天然气预冷换热器4的天然气进气端连接，液氮加入或LNG抽出管道11上装有控制阀10；
进气阀9和进气压力检测仪表5、排气阀8和排气压力检测仪表6、控制阀10与控制器7连接。
因本实施例是用于回收LNG储罐的BOG气体，故可以关闭控制阀10，甚至可以不设液氮加入或LNG抽出管道11及控制阀10；BOG液化回收后，可对低温气瓶1进行增压，增压到低温气瓶1内压力高于LNG储罐压力后，直接通过天然气输入管道3、进气阀9及LNG储罐的气相排气管，将低温LNG从LNG储罐顶部喷入到储罐中。
进气阀9接加气站LNG储罐的气相排气管路，当LNG储罐压力到达排出BOG压力时或者需要为储罐降低压力便于回气操作时，打开进气阀9，如果进气压力检测仪表5的压力值高于排气压力检测仪表6值时，暂不开排气阀8，如果进气压力检测仪表5减掉排气压力检测仪表6压差低于一定值，或者排气压力检测仪表6压力高于设置的低温气瓶1内需要控制的压力值时，均在打开进气阀9的同时打开排气阀8，排气阀8采用调节阀，低温气瓶1的压力即排气压力检测仪表6显示的压力。
进气阀9开启后，BOG气体首先通入到天然气预冷换热器4中预冷，预冷的BOG通过与低温气瓶1相接的天然气输入管道3，被通到内装液氮的低温气瓶1底部的液氮中，温度较高的天然气进入液氮后与容器内超低温液体直接热交换迅速液化，液化的天然气存于低温气瓶1中。
与此同时液氮吸热会升温汽化，汽化后的超低温氮气从低温气瓶1顶部通过氮气排气管2及排气阀8通入到天然气预冷换热器4中，在天然气预冷换热器4中氮气继续释放冷能，由于天然气预冷换热器4面积比较大，加之内部低温氮气和较高温度BOG气体温差较大，可迅速将氮气冷能进一步回收后排放。由于天然气预冷换热器4安装在低温气瓶1上部，在天然气预冷换热器4中被预冷的少部分天然气及可能被氮气带出的极少部分LNG在天然气预冷换热器4中因速度降低，在天然气预冷换热器4内气液分离装置及重力作用下，天然气预冷换热器4无论壳程还是管程中的LNG液体均可自动回流到低温气瓶1中。
在回收过程中，控制器7实时检测排气压力检测仪表6中的压力，控制排气阀的开度，使低温气瓶1内部控制压力在0.41-0.5mpa表压之间，从而间接控制低温气瓶1内液体温度在-181到-179度，使天然气只被液化。
在天然气通入液化过程中，控制器7实时通过进气压力检测仪表5和排气压力检测仪表6测量进、出低温气瓶1气体压力变化及压差变化，来判断液氮是否全部汽化、完成回收。具体方法是：当排气阀8、进气阀9开度均未改变，进人低温气瓶1前进气压力检测仪表5无明显变化下，进出口压差即进气压力检测仪表5、排气压力检测仪表6之间压力明显变大，且排气压力检测仪表6降低到接近0时（低于0.05mpa），即可判断液氮已经全部被汽化排出，此时必须迅速关闭排气阀8，防止容器内出现负压，将外部空气吸入。
在排气阀8关闭后，此时低温气瓶1中的LNG液体温度依然是约-180度左右的过冷液体，其饱和压力接近为0，仍可大量吸收液化天然气，此时分为两种情况进行不同的处理：
直接将回收的LNG重新送回原有LNG储罐中，此时按如下操作：
（1）当继续通入天然气使低温气瓶1内压力达到0.2mpa-0.4mpa左右(要低于原有LNG储罐内压力)即可视为完成一次BOG的回收，此时可起动低温气瓶1的自增压系统，或者从外部引入增压介质到低温气瓶的气相空间。
（2）当低温气瓶1内压力高于LNG储罐压力后（即相当于排气压力检测仪表6压力高于进气压力检测仪表5压力后），低温气瓶1中的LNG液体会自动从低温气瓶1中回流到LNG储罐中。因在控制低温气瓶1的BOG回收中的容器内压力低于LNG储罐的压力，低温气瓶1的温度就会低于储罐中及其管道中的BOG温度，这样在低温气瓶1中的LNG回流过程中，LNG储罐及BOG管道中的BOG气体就会被液化降低压力，其效果是一可以加快低温气瓶1内的LNG排出速度，效果二是降低了储罐的压力后可以为更换气瓶过程中防止LNG储罐超压，为更换新的回收气瓶提供充足的缓冲时间。
（3）通过低温气瓶1中安装的液位表检测到回收的LNG基本排空后，或检测到低温储罐进口压力5与出压力6相等后（液体全部排出后，没有液体流动，压力很快平衡），即可关闭进气阀9，完成液化后的LNG的排出。而后可打开加氮控制阀10通过天然气输入管道3将液氮加到低温气瓶1中，加液氮到达低温气瓶1的95%容量时，即可重新开始开启进气阀9进行新的加气回收BOG过程。
（4）该方法及其简单，仅需一个几百升的气瓶及少部分的辅助仪表、阀门、管路及一个小型换热器等就可以完成整个回收过程，其投资成本不到现有回收技术投资成本的三分之一就可以实现BOG的回收。
在低温气瓶1内液氮全部排空、低温气瓶1内部压力接近为0，关闭了排气阀8后，此时也可用更换新的低温气瓶1的方法进行回收操作，具体步骤如下：
（1）继续打开进气阀9，关闭排气阀8，继续通过天然气预冷换热器4和天然气输入管道3将天然气送到低温气瓶1，此时容器内LNG液体温度会逐步升高，当升高到LNG沸点温度时，低温气瓶1内压力会逐步上升，控制器7检测排气压力检测仪表6的压力即当低温气瓶1内压力达到0.5mpa-0.8mpa的设置值，关闭所有阀，停止天然气回收。
（2）回收完成后，将回收了充满低温气瓶1容积80-90%体积的低温气瓶1（在原来充液氮90%下，不同液氮初始温度和BOG回收时的压力不同，回收到的LNG体积不同，但永不会到达初始液氮的填充体积）拆下，换上填充液氮90%的新的低温容器就可重新进行新的BOG回收过程。

Claims (10)

1.一种天然气高效液化回收方法，其特征在于：利用液氮和天然气不同的沸点、冰点及饱和温度与压力的差异，将天然气直接通到盛有液氮的低温容器中，在同一低温容器内使天然气与液氮直接混合换热液化为LNG，控制低温容器内液体饱和压力，使天然气不凝固结冰，又能使LNG与液氮有效分离。
2.根据权利要求1所述的天然气高效液化回收方法，其特征在于：测量低温容器的进气压力和排出压力及相互压差变化，当进、出口压差明显变大，且排气压力降低到接近0时，判定为液氮全部被汽化分离并排出低温容器。
3.根据权利要求1或2所述的天然气高效液化回收方法，其特征在于：液氮全部汽化排出后，将低温容器的排气阀关闭，进气阀继续打开进气，用过冷LNG继续吸收和液化天然气，测量低温容器的进气压力值和排出压力值，当低温容器内压力达需要值时，完成天然气的液化回收。
4.根据权利要求3所述的天然气高效液化回收方法，其特征在于：回收完成后，LNG的排出或再加液氮维持继续连续回收的方法是：将低温容器直接更换新的装有液氮、且与低温容器要求一致的结构和接口的新的低温容器；或者，通过压差法将低温容器增压后，将LNG排到其它容器中存储或外运，而后为低温容器充入定量的液氮，继续天然气的液化回收。
5.根据权利要求1所述的天然气高效液化回收方法，其特征在于：低温容器内的液体温度控制方法是：在液氮完全汽化排出前，用低温容器的排气阀控制低温容器内压力大于等于欲液化的天然气冰点温度对应的液氮饱和压力值；在液氮全部排出后，需要给过冷LNG升温时，关闭低温容器的排气阀，按设定的压力值确定低温容器内LNG的温度和回收进程；用LNG储罐回收时，直接将过冷LNG喷到BOG气相空间，为LNG存储容器迅速降压。
6.一种用于权利要求1-5任意一项所述天然气高效液化回收方法的装置，其特征在于，包括：
低温容器（1），低温容器（1）内盛有液氮，低温容器（1）内的液氮上部有气相空间；
天然气预冷换热器（4），天然气预冷换热器（4）的管程两端连接在天然气输入管道（3）上，天然气预冷换热器（4）管程的天然气进气端装有进气阀（9）和进气压力检测仪表（5）；天然气输入管道（3）引入低温容器（1）内，其天然气的出口端延伸至低温容器（1）内的液氮底层；
天然气预冷换热器（4）的壳程与低温容器（1）的气相空间之间连接氮气排气管（2），天然气预冷换热器（4）壳程的氮气进口装有排气阀（8）和排气压力检测仪表（6）；
液氮加入或LNG抽出管道（11）与天然气预冷换热器（4）的天然气进气端连接，液氮加入或LNG抽出管道（11）上装有控制阀（10）；
进气阀（9）和进气压力检测仪表（5）、排气阀（8）和排气压力检测仪表（6）、控制阀（10）与控制器（7）连接。
7.根据权利要求6所述的用于天然气高效液化回收方法的装置，其特征在于：氮气排气管（2）内径截面积大于天然气输入管道（3）的内径横截面积。
8.根据权利要求6所述的用于天然气高效液化回收方法的装置，其特征在于：天然气输入管道（3）是一根或多根，从低温容器（1）顶部引入并垂直延伸至低温容器（1）内的液氮底层中心附近，天然气的出口端设置导流装置（12）。
9.根据权利要求6所述的用于天然气高效液化回收方法的装置，其特征在于：天然气预冷换热器（4）垂直或倾斜安装在低温容器（1）的上方。
10.根据权利要求6所述的用于天然气高效液化回收方法的装置，其特征在于：低温容器（1）包括低温槽罐车、LNG运输船、低温气瓶和LNG储罐。
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