CN108822909A - 具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统 - Google Patents

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余劲松
邵敏
陈维武
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Abstract

本发明公开了一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统。包括第一脱水塔、第二脱水塔、粉尘过滤器、脱汞器、碳尘过滤器、再生气加热器、再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器，增设了冷热再生气换热机构，冷热再生气换热机构包括管壳式的冷热再生气换热器1。热再生气和冷再生气在冷热再生气换热器1中完成热量交换，管程的热再生气被冷却，壳程的冷再生气被加热，实现了热再生气的余热回收。以天然气日处理量为100万标方/天的液化工厂为例，两台脱水塔合计的热再生年操作时间为4000小时，一年可回收余热1800MW,折标准煤268.28tce（当量值）。本发明实现了分子筛再生气的余热回收，减轻了环境污染。既节能又环保。

Description

具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统
技术领域
本发明属于天然气液化技术领域，具体涉及脱水单元分子筛再生气的余热利用方案。
背景技术
天然气液化工艺是将来自长输管网的原料天然气经过增压、净化后，再经冷箱液化的一系列工艺过程。液化前，必须对原料天然气进行净化预处理，脱除原料天然气中所含的二氧化碳、硫化氢、水、汞和重烃等杂质，这些物质在液化工艺所采用的低温状态下会冻结，并堵塞设备或降低换热器的性能。
对于脱水单元，通常采用4A分子筛来进行吸附脱水。分子筛在提高温度的情况下吹扫再生后重新使用。设置一个双床层分子筛系统将水脱除到1ppmV以下。脱水单元设置两台分子筛脱水塔，气体送往脱水塔顶部，通过分子筛吸附脱除水分后，从脱水塔底部出来。在给定的吸附周期内，一台处于吸附状态来吸收原料气中的水分，而另一台处于再生状态加热再生然后冷却来释放分子筛中的水分，准备再次的吸附。当处于吸附状态的脱水塔饱和后，切换到冷却完毕的另一台脱水塔；饱和脱水塔将进入加热再生循环，接着被冷却和备用；两台脱水塔切换使用。一台脱水塔吸附的时间，等于另一台脱水塔加热再生+冷却及备用切换的时间。轨道阀和时间控制系统采用自动控制，实现在线吸附、加热再生、冷却自动切换。
再生气加热器为分子筛再生提供所需热量。再生时，热的再生气自下而上流过分子筛，释放分子筛中的水分。然后，热的再生气进入再生气冷却器中被冷却，之后返回原料气压缩机入口端，循环利用。
再生气加热器不管是采用导热油加热还是锅炉直接加热，均需消耗燃料气。再生气冷却器不管是采用水冷还是空冷，均需消耗能源，消耗水和电。热再生气的余热没有再利用，造成再生气的加热和冷却过程均在浪费能源。
发明内容
为了实现再生气余热利用、降低天然气脱水的能源消耗，本发明提供一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统。
一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统包括第一脱水塔、第二脱水塔、粉尘过滤器、脱汞器、碳尘过滤器、再生气加热器、再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器；所述第一脱水塔和第二脱水塔并联；所述再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器依次串联连通着第一脱水塔顶部的再生气出口和第二脱水塔顶部的再生气出口；所述粉尘过滤器、脱汞器和碳尘过滤器依次串联连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；所述再生气加热器的出口分别连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；改进在于：
还包括冷热再生气换热机构，所述冷热再生气换热机构包括管壳式的冷热再生气换热器1；所述冷热再生气换热器1的壳程入口N1通过串联的第一管路P1连通着再生气加热器进口的第一接口C1；所述第一接口C1通过三通管分为两路，一路连通着碳尘过滤器的出口管道，另一路通过串联的第五管路P5连通着再生气加热器的进口C2；壳程出口N2通过串联的第二管路P2连通着再生气加热器的进口C2，管程入口N3通过串联的第三管路P3连通着第一脱水塔的再生气出口和第二脱水塔的再生气出口并联的第三接口C3，管程出口N4通过串联的第四管路P4连通着再生气冷却器的入口C4；
所述壳程入口N1的第一管路P1上串联设置有第一安全阀PSV1和第一轨道阀KV1；
所述壳程出口N2的第二管路P2上串联设置有第一温度变送器T1和第一阀门V1；
所述管程入口N3的第三管路P3上串联设置有第二安全阀PSV2和第二轨道阀KV2；
所述管程出口N4的第四管路P4上串联设置有第二温度变送器T2和第二阀门V2；
所述再生气加热器进口的第一接口C1和再生气加热器的进口C2之间的第五管路P5上串联设置有第三轨道阀KV3；
所述第三接口C3和再生气冷却器的入口C4之间的第六管路P6上串联设置有第四轨道阀KV4，用于切换热再生气直接进入再生气冷却器；
热再生气的冷却原理：第一脱水塔或第二脱水塔的热再生气，从第一脱水塔顶部的再生气出口或第二脱水塔顶部的再生气出口排出，通过第三接口C3及串联的第三管路P3和管程入口N3输送到冷热再生气换热器1中，热再生气经过冷热再生气换热器1被壳程的冷再生气一次冷却后，从管程出口N4出来，通过第四管路P4进入再生气冷却器被二次冷却到所需温度；
冷再生气的加热原理：从再生气加热器进口的第一接口C1引出的冷再生气，通过第一管路P1及串联的壳程入口N1输送到冷热再生气换热器1中，冷再生气经过冷热再生气换热器1被管程的热再生气一次加热后，从壳程出口N2出来，通过第二管路P2回到再生气加热器的进口C2，进入再生气加热器二次加热到热再生所需温度；
热再生气和冷再生气在冷热再生气换热器1中完成热量交换，管程的热再生气被冷却，壳程的冷再生气被加热，实现了热再生气的余热回收；
第一脱水塔和第二脱水塔交替吸附和再生；一台处于吸附状态来吸收原料气中的水分时，另一台处于再生状态（加热再生然后冷却）来释放分子筛中的水分，准备再次的吸附；当处于吸附状态的脱水塔饱和后，切换到冷却完毕的另一台脱水塔；饱和脱水塔将进入加热再生循环，接着被冷却和备用；两台脱水塔切换使用。
进一步限定的技术方案如下：
所述第一轨道阀KV1、第二轨道阀KV2、第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4的阀门型式为轨道阀。
所述第一温度变送器T1设置有低报警值、所述第二温度变送器T2设置有高报警值，用于监测冷热再生气换热器1的运行状态；如果冷热再生气换热器1出现故障(换热管泄漏或堵塞)，同时打开第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，关闭第一轨道阀KV1和第二轨道阀KV2，实现流程切换，使再生气加热器和再生气冷却器投入运行，实现冷热再生气换热器（1）的停用检修。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明实现了分子筛再生气的余热回收，节约了水、电、燃料气等能源消耗，降低工厂运行费用，同时减少了再生气加热器的烟气排放，减轻了环境污染。既节能又环保。
以天然气日处理量为100万标方/天的液化工厂为例，分子筛再生气量约为2750kg/h，根据工艺不同气量略有差异。热再生气温度从280℃冷却到35℃，冷再生气温度从35℃加热到280℃，再生气温度根据工艺不同略有差异。本发明设置管壳式的冷热再生气换热器1后，每小时可回收余热约450kW，依据《综合能耗计算通则》GB/T2589-2008的折标准煤系数，折标准煤67.07kgce（当量值）。两台脱水塔合计的热再生时间为操作时间的50%，即热再生年操作时间为4000小时，一年可回收余热1800MW, 折标准煤268.28tce（当量值）。年节省运行费用46.75万元，年减少烟气排放量261.6万 Nm3。
对于再生气加热过程，本发明利用热再生气来加热冷再生气，可节省燃料气消耗。按照天然气低热值33000 kJ／Nm3、锅炉热效率90%折算，再生气加热器节省热量450kW相当于节省燃料气消耗54.5Nm3/h，折标准煤系数为1.2143kgce/Nm3，折标准煤66.18kgce（当量值）。每千克再生气节省的燃料气量为0.02Nm3燃料气/kg再生气。两台脱水塔合计的热再生年操作时间为4000小时，年节省燃料气消耗21.8万Nm3，按照燃料气单价2元/ Nm3，年节省运行费用43.6万元。按照过量空气系数为1.1，可减少再生气加热器的烟气排放量654Nm3 /h，年减少烟气排放量261.6万 Nm3。
对于再生气冷却过程，本发明利用冷再生气来冷却热再生气，可节省循环水系统的电消耗和新鲜水消耗。按照循环水温差8℃，450kW相关于循环水量48.8m3/h，按照循环水泵扬程40m、泵的效率80%计算，循环水泵轴功率为6.6kW，即节能电消耗6.6kW.h，折标准煤系数为0.1229kgce/(kW.h）（当量值），折标准煤0.81kgce（当量值）。开式循环系统补水量为循环量的2%，补水量为0.98m3/h, 即节省新鲜水0.98m3/h，折标准煤系数为0.0857kgce/t，折标准煤0.08kgce（当量值）。每千克再生气节省的电消耗为0.0024kW.h/kg再生气，节省的水消耗为0.00035m3水/kg再生气。两台脱水塔合计的热再生年操作时间为4000小时，年节能电消耗2.64万kW.h，按照电的单价0.6元/ kW.h，年节省运行费用1.584万元；年节省新鲜水3920 m3，按照水的单价4元/m3，年节省运行费用1.568万元。
2、本发明天然气脱水系统包括管壳式的冷热再生气换热器1。热再生气和冷再生气在冷热再生气换热器1中完成热量交换，管程的热再生气被冷却，壳程的冷再生气被加热，实现了热再生气的余热回收。管壳式的冷热再生气换热器1不消耗任何能源。
附图说明
图1为本发明具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统的工艺流程图。
图2为本发明具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统的热再生流程图。
图3为本发明具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统的冷再生流程图。
上图中序号说明如下：冷热再生气换热器1、第一温度变送器T1、第二温度变送器T2、第一接口C1、再生气加热器的进口C2、第三接口C3、再生气冷却器的入口C4、第一管路P1、第二管路P2、第三管路P3、第四管路P4、第五管路P5、第六管路P6、第一阀门V1、第二阀门V2、第一轨道阀KV1、第二轨道阀KV2、第三轨道阀KV3、第四轨道阀KV4、壳程入口N1、壳程出口N2、管程入口N3、管程出口N4、第一安全阀PSV1、第二安全阀PSV2。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
实施例
参见图1，一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统包括第一脱水塔、第二脱水塔、粉尘过滤器、脱汞器、碳尘过滤器、再生气加热器、再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器；所述第一脱水塔和第二脱水塔并联；所述再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器依次串联连通着第一脱水塔顶部的再生气出口和第二脱水塔顶部的再生气出口；所述粉尘过滤器、脱汞器和碳尘过滤器依次串联连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；所述再生气加热器的出口分别连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；改进在于：
增设了冷热再生气换热机构，所述冷热再生气换热机构包括管壳式的冷热再生气换热器1；所述冷热再生气换热器1的壳程入口N1通过串联的第一管路P1连通着再生气加热器进口的第一接口C1；所述第一接口C1通过三通管分为两路，一路连通着碳尘过滤器的出口管道，另一路通过串联的第五管路P5连通着再生气加热器的进口C2；壳程出口N2通过串联的第二管路P2连通着再生气加热器的进口C2；管程入口N3通过串联的第三管路P3连通着第一脱水塔的再生气出口和第二脱水塔的再生气出口并联的第三接口C3；管程出口N4通过串联的第四管路P4连通着再生气冷却器的入口C4；
所述壳程入口N1的第一管路P1上串联安装有第一安全阀PSV1和第一轨道阀KV1；
所述壳程出口N2的第二管路P2上串联安装有第一温度变送器T1和第一阀门V1；
所述管程入口N3的第三管路P3上串联安装有第二安全阀PSV2和第二轨道阀KV2；
所述管程出口N4的第四管路P4上串联安装有第二温度变送器T2和第二阀门V2；
所述再生气加热器进口的第一接口C1和再生气加热器的进口C2之间的第五管路P5上串联安装有第三轨道阀KV3；
所述第三接口C3和再生气冷却器的入口C4之间的第六管路P6上串联安装有第四轨道阀KV4，用于切换热再生气直接进入再生气冷却器。
第一轨道阀KV1、第二轨道阀KV2、第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4的阀门型式为轨道阀。
本发明的工作原理详细说明如下：
热再生气的冷却原理：热再生工作时，第一脱水塔或第二脱水塔的热再生气，从第一脱水塔顶部的再生气出口或第二脱水塔顶部的再生气出口排出，通过第三接口C3及串联的第三管路P3和管程入口N3输送到冷热再生气换热器1中，热再生气经过冷热再生气换热器1被壳程的冷再生气一次冷却后，从管程出口N4出来，通过第四管路P4进入再生气冷却器被二次冷却到所需温度。
冷再生气的加热原理：热再生工作时，从再生气加热器进口的第一接口C1引出的冷再生气，通过第一管路P1及串联的壳程入口N1输送到冷热再生气换热器1中，冷再生气经过冷热再生气换热器1被管程的热再生气一次加热后，从壳程出口N2出来，通过第二管路P2回到再生气加热器的进口C2，进入再生气加热器二次加热到热再生所需温度。
具体热再生过程说明如下：
参见图2，热再生开始时，第一阀门V1、第二阀门V2已打开，打开第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，再生气引自碳尘过滤器出口管道，通过第一接口C1、第五管路P5、第三轨道阀KV3和再生气加热器的进口C2进入再生气加热器，利用再生气加热器提供初始的热再生气。热再生气从再生气加热器出口出来，从处于热再生状态的脱水塔底部进入脱水塔对分子筛进行热再生。热再生气从脱水塔顶部再生气出口出来，通过第三接口C3、第六管路P6、第四轨道阀KV4和再生气冷却器的入口C4进入再生气冷却器，热再生气被冷却后进入后续系统。
待脱水塔顶部再生气出口的热再生气管路上的第三接口C3前的温度计TI显示热再生气温度稳定5分钟后，同时打开第一轨道阀KV1和第二轨道阀KV2，切换到冷热再生气换热器1投入运行，然后关闭第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4。此时，从再生气加热器进口的第一接口C1，引出冷再生气，通过第一管路P1、第一轨道阀KV1输送到冷热再生气换热器1的壳程入口N1。冷再生气在冷热再生气换热器1中被一次加热后，从壳程出口N2出来，通过第二管路P2回到再生气加热器的进口C2，进入再生气加热器被二次加热到热再生所需温度。热再生气从再生气加热器出口出来，从处于热再生状态的脱水塔底部进入脱水塔对分子筛进行热再生。热再生气从脱水塔顶部再生气出口出来，通过第三接口C3、第三管路P3和第二轨道阀KV2输送到冷热再生气换热器1的管程入口N3。热再生气在冷热再生气换热器1中被一次冷却后，从管程出口N4出来，通过第四管路P4回到再生气冷却器的入口C4，进入再生气冷却器被二次冷却后进入后续系统。
具体冷却备用过程说明如下：
参见图3，热再生结束后，进入冷却过程。同时打开第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，且切断再生气加热器的燃料气。然后同时关闭第一轨道阀KV1和第二轨道阀KV2，冷热再生气换热器1停止运行。再生气引自碳尘过滤器的出口管道，冷的再生气通过第一接口C1、第五管路P5、第三轨道阀KV3和再生气加热器的进口C2进入再生气加热器，再生气加热器的燃料气已被切断不再加热，冷的再生气从再生气加热器出口出来后，从处于冷却状态的脱水塔底部出口进入脱水塔进行冷却，从脱水塔顶部再生气出口出来，通过第三接口C3、第六管路P6、第四轨道阀KV4和再生气冷却器的入口C4进入再生气冷却器，然后进入后续系统。到达设定的冷却时间后，同时关闭第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，再生气被切断，脱水塔处于备用待切换状态。
热再生气和冷再生气在冷热再生气换热器1中完成热量交换，管程的热再生气被冷却，壳程的冷再生气被加热，实现了热再生气的余热回收。
第一脱水塔和第二脱水塔实现交替地吸附和再生。一台处于吸附状态来吸收原料气中的水分时，另一台处于再生状态（加热再生然后冷却）来释放分子筛中的水分，准备再次的吸附。当处于吸附状态的脱水塔饱和后，切换到冷却完毕的另一台脱水塔；饱和脱水塔将进入加热再生循环，接着被冷却和备用；两台脱水塔切换使用。
第一温度变送器T1设置有低报警值、第二温度变送器T2设置有高报警值，用于监测冷热再生气换热器1的运行状态；如果冷热再生气换热器1出现故障(换热管泄漏或堵塞)，同时打开第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，关闭第一轨道阀KV1和第二轨道阀KV2，实现流程切换，使再生气加热器和再生气冷却器投入运行，实现冷热再生气换热器1的停用检修。
第一安全阀PSV1、第二安全阀PSV2在事故工况下对系统起到保护作用，防止系统超压引起事故扩大。事故工况下超压排放气去火炬系统。第一安全阀PSV1考虑的事故工况是第一接口C1前的控制阀故障和火灾工况，第二安全阀PSV2考虑的事故工况是火灾工况。
上述具体实施方式仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。除此之外，本发明还可以有其他实现方式。在没有脱离本发明的构思和原则的前提下，凡是在本发明技术方案的基础上进行的任何显而易见的等同变换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统，包括第一脱水塔、第二脱水塔、粉尘过滤器、脱汞器、碳尘过滤器、再生气加热器、再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器；所述第一脱水塔和第二脱水塔并联；所述再生气冷却器、再生气分离器和脱水单元水碳过滤器依次串联连通着第一脱水塔顶部的再生气出口和第二脱水塔顶部的再生气出口；所述粉尘过滤器、脱汞器和碳尘过滤器依次串联连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；所述再生气加热器的出口分别连通着第一脱水塔的底部出口和第二脱水塔的底部出口；其特征在于：
还包括冷热再生气换热机构，所述冷热再生气换热机构包括管壳式的冷热再生气换热器（1）；所述冷热再生气换热器（1）的壳程入口N1通过串联的第一管路P1连通着再生气加热器进口的第一接口C1；所述第一接口C1通过三通管分为两路，一路连通着碳尘过滤器的出口管道，另一路通过串联的第五管路P5连通着再生气加热器的进口C2；壳程出口N2通过串联的第二管路P2连通着再生气加热器的进口C2，管程入口N3通过串联的第三管路P3连通着第一脱水塔的再生气出口和第二脱水塔的再生气出口并联的第三接口C3，管程出口N4通过串联的第四管路P4连通着再生气冷却器的入口C4；
所述壳程入口N1的第一管路P1上串联设置有第一安全阀PSV1和第一轨道阀KV1；
所述壳程出口N2的第二管路P2上串联设置有第一温度变送器T1和第一阀门V1；
所述管程入口N3的第三管路P3上串联设置有第二安全阀PSV2和第二轨道阀KV2；
所述管程出口N4的第四管路P4上串联设置有第二温度变送器T2和第二阀门V2；
所述再生气加热器进口的第一接口C1和再生气加热器的进口C2之间的第五管路P5上串联设置有第三轨道阀KV3；
所述第三接口C3和再生气冷却器的入口C4之间的第六管路P6上串联设置有第四轨道阀KV4，用于切换热再生气直接进入再生气冷却器；
热再生气的冷却原理：第一脱水塔或第二脱水塔的热再生气，从第一脱水塔顶部的再生气出口或第二脱水塔顶部的再生气出口排出，通过第三接口C3及串联的第三管路P3和管程入口N3输送到冷热再生气换热器（1）中，热再生气经过冷热再生气换热器（1）被壳程的冷再生气一次冷却后，从管程出口N4出来，通过第四管路P4进入再生气冷却器被二次冷却到所需温度；
冷再生气的加热原理：从再生气加热器进口的第一接口C1引出的冷再生气，通过第一管路P1及串联的壳程入口N1输送到冷热再生气换热器（1）中，冷再生气经过冷热再生气换热器（1）被管程的热再生气一次加热后，从壳程出口N2出来，通过第二管路P2回到再生气加热器的进口C2，进入再生气加热器二次加热到热再生所需温度；
热再生气和冷再生气在冷热再生气换热器（1）中完成热量交换，管程的热再生气被冷却，壳程的冷再生气被加热，实现了热再生气的余热回收；
第一脱水塔和第二脱水塔交替吸附和再生；一台处于吸附状态来吸收原料气中的水分时，另一台处于再生状态（加热再生然后冷却）来释放分子筛中的水分，准备再次的吸附；当处于吸附状态的脱水塔饱和后，切换到冷却完毕的另一台脱水塔；饱和脱水塔将进入加热再生循环，接着被冷却和备用；两台脱水塔切换使用。
2.根据权利要求1所述的一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统，其特征在于：所述第一轨道阀KV1、第二轨道阀KV2、第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4的阀门型式为轨道阀。
3.根据权利要求1所述的一种具有分子筛再生气余热利用的天然气脱水系统，其特征在于：所述第一温度变送器T1设置有低报警值、所述第二温度变送器T2设置有高报警值，用于监测冷热再生气换热器（1）的运行状态；如果冷热再生气换热器1出现故障，同时打开第三轨道阀KV3和第四轨道阀KV4，关闭第一轨道阀KV1和第二轨道阀KV2，实现流程切换，使再生气加热器和再生气冷却器投入运行，实现冷热再生气换热器（1）的停用检修。
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