CN109357475A - 一种梯级利用lng冷能制取液氧液氮的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于LNG冷能利用和低成本制取液氧液氮的空分技术领域，更具体地，涉及一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统。本发明合理利用多种冷媒对原料空气冷却降温，并对空气多级压缩，大大降低了空分系统的能耗，同时节约了乙二醇水溶液的用量，充分利用了LNG以及污氮的低品位冷能，降低空分成本。对于换热模块，合理匹配换热温度，采用分级换热，提高换热器整体㶲效率；将中压精馏塔氮气作为中间换热介质，一方面避免了天然气进入空分装置带来的危险，另一方面可以节流获得高品位冷能，并且循环氮压机的功耗相对较小。本发明能够有效解决空分能耗高、LNG冷能浪费严重的问题，并获得高纯度的液态产物，具有明显社会效益和经济效益。

Description

一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统
技术领域
本发明属于LNG冷能利用和低成本制取液氧液氮的空分技术领域，更具体地，涉及一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统。
背景技术
近些年来，面对日益增长的能源需求和严峻的碳减排压力，世界各国加大了绿色燃料的应用和碳捕获和封存(CCS)技术的研究。天然气作为一种清洁、高效的化石燃料，受到了广泛关注。富氧燃烧(oxy-fuel)被认为是最具潜力的电厂大规模碳减排技术之一。目前富氧燃烧技术中所需的高浓度氧气主要来自于空气分离，然而常规的空分制氧环节能耗巨大，导致发电效率下降，限制了富氧燃烧技术的推广。探寻低成本的空气分离技术对实际生产具有重要意义，已成为目前的一大研究热点。
为了缓解国内天然气供应紧张，我国每年从国外进口大量LNG。LNG 是常压下温度约为-162℃的液化天然气，气化过程会释放约830kJ/kg的冷量，利用价值巨大。但从全球范围来看，对LNG冷能的利用程度只有20％左右，冷能资源开发利用率较低，冷浪费严重。积极寻求高效利用LNG 冷能的方法十分必要。
将高品位的LNG冷能用于深度冷却空气实现分离，是目前一种有效的冷能利用方式。空气分离工艺中温度区间为-196～-150℃，而LNG气化温度是-162℃，与空气分离温区相匹配，LNG冷能得到合理利用，同时也大大降低了空分系统的压缩能耗，节省了常规空分系统中由机械制冷产生的用来维持液化气体所需的大量冷能，所以低温空分被视为LNG冷能直接利用的最合理方式之一。除了产品液氧外，液氮也是低温空分产物之一，是一种较为方便的冷源，在医疗事业、食品工业、低温研究以及航天、机械制造等方面的应用不断拓宽和发展。
专利201610255634.0公开了利用液化天然气生产高压富氧气体的空气分离方法，该专利包括了空气压缩净化、空气液化、空气精馏和LNG冷能利用，但该方法中采用高压氮气作为中间介质，需要较多的循环氮气去满足系统的冷能需求，导致循环氮压机的功耗增加；且换热模块的㶲损大。对于LNG以及废氮的冷能利用不充分，冷能投入成本高；对于空气预冷环节所需乙二醇流量大，成本高。
专利201220185469.3公开了利用LNG冷能生产液体空分产品的装置，该专利将LNG冷能应用于空分单元，但由于采用双压空分(高压和低压)，大量空气需压缩至高压，导致空气压缩的功耗较高；对于产品废气直接放空，其冷能未加以利用，造成浪费。
专利201010297096.4公开了一种利用液化天然气冷能的空分方法，该专利采用高压氮气循环，循环氮压机功耗大，冷却后温度高，节流损失大。使用LNG直接与冷却剂换热，换热效果差，恐难以实现。污氮多数被直接放空，冷能浪费；最终系统的LNG的用量过大。
专利200910059100.0公开了一种高效利用液化天然气冷能的空分系统，该专利采用压力氮气作为循环氮气，其中高压氮气(压力值为3.6～6 MPa)，LNG-氮气换热部分需要多级压缩以实现深度冷却，系统结构复杂，压缩能耗较大。并且系统运行压力高(6MPa)，不利于系统的节能和安全运行。
因此迫切需要在现有设备基础上对空分系统进行创新设计，以实现高效利用LNG冷能制取液氧和液氮。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种梯级利用 LNG冷能空分制取液氧液氮的系统，其充分结合LNG冷能利用的特点，针对性地对空气分离系统进行合理设计，并对关键性的系统结构进行优化设计和参数匹配，以适用于实际工业生产，相应获得了一种空分制氧能耗低、 LNG冷能利用效率高的梯级利用LNG冷能空分制取液氧液氮的系统，由此解决现有空分制氧中能耗大、LNG冷能浪费严重的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种梯级利用LNG 冷能制取液氧液氮的系统，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，
所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压得到中压空气，该中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷液化；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再将该高压空气通入所述主换热模块进行深冷液化；
所述主换热模块用于对所述中压空气和高压空气进行深冷液化，经深冷液化后分别得到中压液态空气和高压液态空气，所述中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮；
所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后该LNG冷能转化为低温天然气，该低温天然气再为所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。
优选地，所述精馏模块包括高压精馏塔、中压精馏塔和低压精馏塔，所述高压液态空气进入所述高压精馏塔，在所述高压精馏塔的塔顶获得产品液氮；所述中压液态空气进入所述中压精馏塔；所述高压精馏塔和所述中压精馏塔的塔底出口物流作为中间产物通入过冷器过冷，过冷后的中间产物节流至所述低压精馏塔的进料压力，并送入所述低压精馏塔中精馏；从所述低压精馏塔塔底获得液氧产品；从所述低压精馏塔塔顶得到液态污氮。
优选地，所述液态污氮通入所述过冷器释放冷量后从所述过冷器出口流出；所述过冷器出口的污氮通入所述主换热模块用于协同循环氮气为空气降温；所述主换热模块出口的污氮先通入所述空气多级预冷压缩模块用于实现空气的预冷，然后通入所述空气净化模块用于实现分子筛的再生，实现污氮的梯级利用。
优选地，所述空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机；原料空气在所述预冷器中使用冷却水作为冷却介质进行冷却，然后进入所述冷却器与乙二醇水溶液换热进行再次冷却；所述冷却器的热流出口与所述气液分离器进口相连，用于去除空气中的水分；所述气液分离器气相出口的空气进入所述再冷器中吸收所述主换热模块出口的污氮的冷量从而进一步降温；所述再冷器出口的空气进入所述压缩机中完成加压；加压后的空气进入下一级预冷压缩装置，重复上述过程，实现空气的多级压缩过程。
优选地，完成三级所述预冷压缩过程获得所述中压空气，完成四级所述预冷压缩过程获得所述高压空气。
优选地，所述压缩机的进口空气温度为-5～-15℃。
优选地，所述主换热模块内设置有第一级换热器和第二级换热器；所述中压空气和所述高压空气先分别进入所述第一级换热器冷却，形成低温空气；所述第一级换热器出口的低温空气通入所述第二级换热器进一步冷却为低温液态空气。
优选地，采用所述中压精馏塔产出的气相产品氮气作为循环氮气，经过氮压机加压，所述循环氮气进入所述LNG换热模块与LNG换热，循环氮气温度降低，然后节流，通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；所述第二级换热器出口的循环氮气进入所述一级换热器，用于冷却空气。
优选地，所述中压精馏塔塔顶出口的氮气，一部分经过节流后通入低压精馏塔为其补充冷量，剩余的所述中压精馏塔塔顶出口的氮气用作所述循环氮气，所述循环氮气经过氮压机加压，用于弥补换热过程中的压力损失；然后进行分流，一部分通入所述主换热模块的第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；剩余部分经加压后通入所述LNG换热模块与LNG换热，用于吸收LNG冷能，所述循环氮气温度降低；然后进行节流，所述循环氮气的温度进一步降低，将该循环氮气一部分通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；另一部分节流后回流至中压精馏塔精馏。
优选地，所述LNG换热模块包括LNG低温液泵、LNG-氮换热器和 LNG-乙二醇换热器，其中，所述LNG低温液泵用于对原料LNG加压，得到高压LNG；所述LNG低温液泵出口与所述LNG-氮换热器冷流入口相连，用于对循环氮气进行低温深冷，LNG升温形成低温天然气；所述LNG-氮换热器出口的低温天然气通入所述LNG-乙二醇换热器中，为所述空气预处理模块的冷却介质乙二醇水溶液提供冷量；天然气温度升高至常温后并入高压管网。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明根据“温度对口，梯级利用”的原则构建了多级换热模块，合理匹配各LNG换热器与主换热器的温度区间，提高换热器的整体效率，充分利用LNG的冷能，明显降低了系统能耗。
2.利用多塔空分的方式，对精馏模块做了合理优化。相比于常规双塔空分流程，本系统中只需部分空气加压至高压即可，大大降低了空气压缩功耗；相比于常规三塔空分流程，本系统中将空气加压至中压再节流可获得更高品位的冷量，节约了系统的冷能投入；增设氧塔，可进一步提高产品纯度；设置过冷器后，废弃产品的冷能得到了合理利用，进而节约了系统能量投入。
3.本发明中回收利用了污氮，为换热模块提供冷量以及吸附罐中分子筛的再生，提高了冷能利用效率。
4.本发明所述的空气预处理模块中对空气采取逐级冷却、多级压缩的方式，大大降低了空气压缩功耗；同时使用冷却水、污氮、乙二醇水溶液作为冷却剂，使得污氮冷量得到充分利用，并且减少了乙二醇水溶液的用量，节约成本。
5.本发明中产品液氧的压力为0.15MPa，纯度达99.81％；产品液氮的压力为0.45MPa，纯度达99.996％。
6.本发明优化换热结构合理利用冷能后，系统的效率达到76％，LNG 的冷能利用效率达到75％。
7.本发明利用LNG冷能并对系统进行合理优化后，空分能耗大大降低，生产单位液氧产品能耗为286kW·h·t-1，相比于常规空分系统，能耗降低了 55.2％；单位液氮产品能耗为220kW·h·t-1，节约59.9％的能耗。
本发明根据冷能梯级利用原则，将LNG冷能依次用于与循环氮气一级换热、二级换热以及乙二醇水溶液换热，显著改善了换热效果；采用高中低三塔精馏，并设置氧塔，大大节约了空气压缩至高压的能耗，并提高了产品纯度；利用中压塔产出氮气作为循环氮气，相比于高压氮气，可以节流至更低压力，获得更多冷量，且相应的循环氮压机功耗降低；对低压塔产出的污氮进行回收，协同循环氮气为精馏模块和换热模块提供冷量；并对污氮冷能也进行梯级利用，由此解决了现有空分制氧中能耗大、LNG冷能浪费严重的技术问题。
本发明通过构造利用LNG冷能的空分系统，依照“温度对口，梯级利用”原则，优化换热模块，减少损失；优化空气压缩及预冷环节，大大降低空气预处理能耗；改善能源利用方式，构建完整的污氮利用系统，充分回收利用冷能，进一步减小系统功耗；从而解决目前空气分离能耗大、成本高的问题，对富氧燃烧技术的大规模推行具有巨大意义，同时，降低了液氮的制造成本，对能源利用和工业发展有着极大的综合效益。
附图说明
图1为本发明实施例1空分系统的大致结构的系统图。
图2为放大表示本发明实施例1空分系统的空气多级预冷压缩装置的系统图。
图3为放大表示本发明实施例1空分系统的空气净化装置的系统图。
图4为放大表示本发明实施例1空分系统的换热部分的系统图。
图5为放大表示本发明实施例1空分系统的精馏部分的系统图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压，压缩冷却后的中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再通入所述主换热模块进行深冷液化。
所述空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机；原料空气在所述预冷器中使用冷却水作为冷却介质进行冷却至10～15℃，然后进入所述冷却器与乙二醇水溶液换热进行再次冷却至0～5℃；所述气液分离器进口与所述冷却器的热流出口相连，用于去除空气中的水分；所述气液分离器气相出口的空气进入所述再冷器中吸收所述主换热模块出口的污氮的冷量从而进一步降温；所述再冷器出口的空气进入所述压缩机中完成加压；加压后的空气进入下一级预冷压缩装置，重复上述过程，实现空气的多级压缩过程，完成三级所述预冷压缩过程获得中压空气，完成四级所述预冷压缩过程获得高压空气。其中，中压空气压力为0.3～0.35MPa，高压空气压力为0.45～0.5MPa。所述压缩机的进口空气温度为-5～-15℃。
所述空气多级预冷压缩模块出口的中压空气进入所述空气净化模块，用于脱除压缩空气中CO2、少量烃和残余的水分；该空气净化模块用于净化空气的原理可采用现有技术，比如可以采用分子筛吸附器来完成，或采用活性氧化铝(铝胶)吸附水分和分子筛吸附二氧化碳的双层床工艺。经该空气净化模块净化后出口空气中主要含有氧气和氮气。
对所述空气净化模块出口中压空气进行分流，一部分中压空气进入所述主换热模块进行深冷液化后通入所述精馏模块；另一部分中压空气经过第四级上述预冷压缩过程压缩为高压空气，然后依次通入所述主换热模块、精馏模块，用于生产液氧和液氮产品。
所述主换热模块用于对所述中压和高压空气进行深冷液化，所述经深冷液化后的中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮。
所述的主换热模块内设置有第一级换热器和第二级换热器，设置两级换热器用于减小换热温差，提高换热㶲效率；所述中压空气和所述高压空气分别首先进入所述第一级换热器冷却，形成低温空气；所述第一级换热器出口的低温空气通入所述第二级换热器进一步冷却为低温液态空气。
所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块中的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后的低温天然气再用于所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。
所述LNG换热模块包括LNG低温液泵、LNG-氮换热器和LNG-乙二醇换热器，其中，所述LNG低温液泵用于对原料LNG加压至1.6～4MPa，得到高压LNG；所述LNG低温液泵出口与所述LNG-氮换热器冷流入口相连，用于对循环氮气进行低温深冷至-158～-160℃，LNG升温形成低温天然气，温度为-90～-105℃；所述LNG-氮换热器出口的低温天然气通入所述 LNG-乙二醇换热器中，为所述空气预处理模块的中间冷媒乙二醇水溶液提供冷量；天然气温度升高至常温(温度为10～15℃)后并入高压管网。
所述精馏模块包括高压精馏塔、中压精馏塔和低压精馏塔，所述经深冷液化后的高压液态空气进入所述高压精馏塔，在所述高压精馏塔的塔顶获得产品液氮；所述经深冷液化后的中压液态空气进入所述中压精馏塔；所述高压精馏塔和中压精馏塔的塔底出口物流作为中间产物通入过冷器过冷，过冷后的中间产物节流至低压精馏塔进料压力，并送入低压精馏塔中精馏；从所述低压精馏塔塔底获得液氧产品；从所述低压精馏塔塔顶得到液态污氮。
具体地，所述经深冷液化后的高压液态空气进入所述高压精馏塔，在高压精馏塔塔顶获得最终产品液氮，在高压精馏塔塔底获得高压富氧产品，作为高压中间产物进入所述过冷器深冷；所述经深冷液化后的中压液态空气进入所述中压精馏塔，在中压精馏塔塔底获得中压富氧产品，作为中压中间产物进入所述过冷器深冷。经过深冷处理后的高压中间产物和中压中间产物温度均为-180～-187℃，分别节流至0.15～0.17MPa左右，然后分别通入所述低压精馏塔进一步精馏，在低压精馏塔塔顶获得污氮，将该污氮通入过冷器为过冷器提供冷量；在低压精馏塔塔底获得液氧产品，通入氧塔进一步提纯，在氧塔塔底获得最终产品液氧；氧塔塔顶废弃产品可通入所述主换热模块的第一级换热器直接为主换热模块提供冷量。
所述低压精馏塔塔顶的污氮进入所述过冷器释放冷量；所述过冷器出口污氮通入所述主换热模块用于协同循环氮气为空气降温；所述主换热模块出口的污氮依次通入所述空气多级预冷压缩模块、空气净化模块用于分别实现空气的预冷以及分子筛的再生，实现污氮的梯级利用。
所述中压精馏塔塔顶出口产出的氮气，60％～65％经过节流至0.15～0.17 MPa后通入低压精馏塔为其补充冷量，剩余的中压精馏塔塔顶出口氮气用作所述循环氮气，所述循环氮气经过氮压机加压至0.35～0.37MPa左右，用于弥补换热过程中的压力损失；然后进行分流，一部分(20％左右)直接通入所述主换热模块的第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；剩余部分再加压至2～2.5MPa左右，并通入所述LNG换热模块与LNG换热，用于吸收LNG冷能，循环氮气温度降低至-158～-160℃左右；然后节流至0.3～0.35MPa左右，温度进一步降低至-180～-183℃左右，一部分(98％左右)通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；另一部分节流至0.3～0.35MPa左右，回流至中压精馏塔精馏。所述第二级换热器出口的循环氮气进入所述一级换热器，用于冷却空气。
本发明合理利用多种冷媒(冷却水、乙二醇水溶液、低温天然气、污氮)对原料空气冷却降温，并对空气多级压缩，大大降低了空分系统的能耗，同时节约了乙二醇水溶液的用量，充分利用了LNG以及污氮的低品位冷能，降低空分成本。系统提出了一套完整的污氮冷能利用方法和系统，污氮为主换热模块和空气预冷提供冷量，并且用于实现空气净化装置中的分子筛再生；对于换热模块，合理匹配换热温度，采用分级换热，提高换热器整体效率；将中压精馏塔氮气作为中间换热介质，一方面避免了天然气进入空分装置带来的危险，另一方面可以节流获得高品位冷能，并且循环氮压机的功耗相对较小。本发明能够有效解决空分能耗高、LNG冷能浪费严重的问题，并获得高纯度的液态产物，具有明显社会效益和经济效益。
以下为实施例：
实施例1
如图1所示，一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，包括空气多级预冷压缩模块1、空气净化模块2、主换热模块3、精馏模块4以及LNG 换热模块5；其中，所述空气多级预冷压缩模块1用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压，压缩冷却后的中压空气经所述空气净化模块2进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块3进行深冷；另一部分加压为高压空气后，再通入所述主换热模块进行深冷液化。
本发明中原料空气的主要组分为N2和O2，温度为20℃左右。输入的 LNG是压力为0.1MPa，温度为-162℃的液态天然气。原料空气在空气预处理模块中进行加压、去水、净化后，进入所述主换热模块进行两级换热，空气温度降至-180～-187℃，形成液态空气；然后通入精馏模块，经过多塔精馏后，在高压精馏塔塔顶获得产品液氮；低压精馏塔塔底输出物流进入氧塔进一步提纯后，得到产品液氧。低压精馏塔进料压力为0.15MPa，中压精馏塔进料压力为0.3MPa，高压精馏塔进料压力为0.45MPa。
如图2和图3所示，为放大表示的空气多级预冷压缩模块和空气净化模块的系统图。空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机。模块原料空气AIR1首先经过预冷器PRC1由冷却水W1预冷，温度降至5～15℃左右，然后进入冷却器ECOOLER1与乙二醇水溶液EG1换热，空气降温至0～5℃。降温后的空气AIR3通入气液分离器GLSEP1，用于分离出空气中的水分，得到空气AIR4；进而送入再冷器SCOOLER2与污氮LPN8换热，空气进一步冷却降温至-5～-15℃；出口空气AIR5进入压缩机COMPR1加压至0.15MPa，从而完成了第一级预冷压缩过程；经过一级加压后的空气AIR6依次在预冷器PRC2中与冷却水W2换热，在冷却器ECOOLER2中与乙二醇水溶液EG2换热，空气温度降低，然后在气液分离器GLSEP2中进一步分离出空气中的水分；气液分离器GLSEP2出口的空气AIR9经过再冷器SCOOLER1降温后，进入压缩机COMPR2加压，压力升高至0.23MPa，从而完成了第二级预冷压缩过程；经过二级加压后的空气AIR11依次进入预冷器PRC3、冷却器ECOOLER3和气液分离器GLSEP3 进行冷却、再冷却和去水处理，然后，空气AIR14进入压缩机COMPR3中加压至中压0.32MPa，从而完成了第三级预冷压缩过程。加压后的空气 AIR15进入预冷器PRC4、冷却器ECOOLER4和气液分离器GLSEP4进一步冷却和去水处理；然后空气AIR18被送入变温吸附罐PURI，用于脱除压缩空气中CO2、少量烃和残余的水，其中，变温吸附罐PURI内设活性铝和分子筛，吸附后的杂质可以用精馏模块分离出的干燥低压污氮LPN14进行再生。设置两个吸附罐周期性交替工作，即一台吸附罐吸附杂质，同时另一台进行再生。
经过净化处理后的中压空气AIR24进行分流，一部分(50％)空气AIR25 直接通入主换热模块，进行深冷；另一部分空气AIR28则被冷却器 ECOOLER5冷却后，进入压缩机COMPR4加压至高压0.47MPa，从而完成第四级预冷压缩过程；高压空气AIR30依次经过预冷器PRC5、冷却器 ECOOLER6逐级冷却后得到空气AIR32，通入主换热模块，进行深冷。
其中，冷却器ECOOLER1-6所用的冷媒为乙二醇水溶液，预冷器 PRC1-5所用的冷媒为冷却水和LNG-乙二醇换热器ELH出口的低温污氮。
进一步的，基于上述的空气预处理模块，本发明提出的的空分系统中，包括了LNG换热模块和主换热模块，如图4所示，为放大表示的换热部分的系统图。原料LNG1经过LNG低温液泵LNGPUMP加压至2MPa，然后依次通入LNG-氮换热器NLH、LNG-乙二醇换热器ELH进行换热，释放冷能，为循环氮气、乙二醇水溶液提供冷量；最终，天然气温度升高至5-15℃后，并入燃气管网。
由空气预处理模块送出的中压空气AIR25和高压空气AIR32进入一级换热器MHE1与循环氮气和污氮进行换热，空气温度降低至-150℃左右。然后中压空气AIR26和高压空气AIR33均通入二级换热器MHE2进行深冷液化，中压空气AIR27温度降至-182℃左右，高压空气AIR34温度降低至 -178℃左右。考虑到换热过程中的压力损失，最终得到中压空气AIR27压力为0.3MPa，高压空气AIR34压力为0.45MPa。
由中压精馏塔IPC塔顶获得的循环氮气RN1首先由氮压机COMPR5 加压至0.35MPa，用于弥补换热过程中的压力损失。然后分流，一部分(20％) 循环氮气RN10直接进入二级换热器MHE2供冷，作为主换热模块的制冷剂。另一部分循环氮气RN3则由氮压机COMPR6加压至2MPa，温度升高至-105℃左右，然后通入LNG-氮换热器NLH中吸收LNG冷能，循环氮气 RN5温度降低至-160℃左右；节流至0.35MPa，循环氮气RN6温度进一步降低，达到-183℃左右。然后分流，一部分(98％)循环氮气RN7通入二级换热器MHE2，为深冷空气提供冷量；另一部分循环氮气RN17节流至 0.3MPa后，回流至中压精馏塔IPC参与精馏。由二级换热器流出的循环氮气RN8和RN11进入一级换热器MHE1，为空气的一级换热供冷，循环氮气温度升高至-19.2℃左右，合流后进入LNG-氮换热器NLH，获取LNG中低温区的冷量，然后再次通入一级换热器MHE1供冷。输出循环氮气RN15 返回LNG-氮换热器NLH进行深冷，输出的循环氮气RN16进入中压精馏塔IPC参与精馏。
此外，本发明提出的空分系统中对污氮回收梯级利用。来自低压精馏塔LPC的低温污氮作为换热模块和空气预处理模块的冷能补充。污氮LPN2 依次进入二级换热器MHE2和一级换热器MHE1参与换热，为液化空气提供冷量。然后污氮LPN6在LNG-乙二醇换热器ELH中为乙二醇水溶液降温，出口的污氮LPN7温度为-74.3℃左右，可作为空气预处理模块中的冷媒。
进一步的，空气经过深冷处理后，进入精馏模块精馏生成液态产品。如图5所示，为放大表示的精馏部分的系统图。中压空气AIR27进入中压精馏塔IPC精馏，从中压精馏塔塔底获得富氧中间产物PO1，从中压精馏塔塔顶获得循环氮气RN1和中间产物粗氮IPN1，粗氮IPN1节流至0.15MPa 后进入低压精馏塔IPC参与精馏。高压空气AIR34进入高压精馏塔HPC精馏，在高压精馏塔塔顶获得最终产品液氮LN，在高压精馏塔塔底获得富氧中间产物PO4。中间产物PO1、PO4进入过冷器CHE过冷处理后，节流至 0.15MPa，温度降低至-186℃左右，通入低压精馏塔IPC进一步精馏；最终在低压精馏塔塔底获得液氧产品LO，根据不同的工艺要求，可送入氧塔 OC进行进一步精馏，获得更高纯度的液氧产品。低压精馏塔塔顶出口为废弃污氮LPN1，可回收用于为过冷器CHE、主换热模块和空气预处理模块提供冷量，实现冷能的充分利用。
本发明根据“温度对口，梯级利用”的原则构建了多级换热模块，合理匹配各LNG换热器与主换热器的温度区间，提高换热器的整体效率，充分利用LNG的冷能，明显节约了系统能耗。空气预处理模块中对空气采取多级压缩、逐级冷却的方式，大大降低了空气压缩功耗。同时，利用多塔空分的方式，对精馏模块做了合理优化。相比于常规双塔空分流程，本系统中只需部分空气加压至高压即可，节省了压缩功耗；增设氧塔，可进一步提高产品纯度；设置过冷器后，废弃产品的冷能得到了合理利用，进而节约了系统能量投入。并且将污氮的冷能应用于换热供冷以及吸附罐中分子筛的再生，提高了冷能利用效率。
根据计算，利用LNG冷能并对系统进行合理优化后，空分能耗大大降低，生产单位液氧产品能耗为286kW·h·t-1，相比于常规空分系统，能耗降低了55.2％；单位液氮产品能耗为220kW·h·t-1，节约59.9％的能耗。系统的效率达到76％，LNG的冷能利用效率可达到75％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，其特征在于，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，
所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压得到中压空气，该中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷液化；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再将该高压空气通入所述主换热模块进行深冷液化；
所述主换热模块用于对所述中压空气和高压空气进行深冷液化，经深冷液化后分别得到中压液态空气和高压液态空气，所述中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮；
所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后该LNG冷能转化为低温天然气，该低温天然气再为所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述精馏模块包括高压精馏塔、中压精馏塔和低压精馏塔，所述高压液态空气进入所述高压精馏塔，在所述高压精馏塔的塔顶获得产品液氮；所述中压液态空气进入所述中压精馏塔；所述高压精馏塔和所述中压精馏塔的塔底出口物流作为中间产物通入过冷器过冷，过冷后的中间产物节流至所述低压精馏塔的进料压力，并送入所述低压精馏塔中精馏；从所述低压精馏塔塔底获得液氧产品；从所述低压精馏塔塔顶得到液态污氮。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述液态污氮通入所述过冷器释放冷量后从所述过冷器出口流出；所述过冷器出口的污氮通入所述主换热模块用于协同循环氮气为空气降温；所述主换热模块出口的污氮先通入所述空气多级预冷压缩模块用于实现空气的预冷，然后通入所述空气净化模块用于实现分子筛的再生，实现污氮的梯级利用。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机；原料空气在所述预冷器中使用冷却水作为冷却介质进行冷却，然后进入所述冷却器与乙二醇水溶液换热进行再次冷却；所述冷却器的热流出口与所述气液分离器进口相连，用于去除空气中的水分；所述气液分离器气相出口的空气进入所述再冷器中吸收所述主换热模块出口的污氮的冷量从而进一步降温；所述再冷器出口的空气进入所述压缩机中完成加压；加压后的空气进入下一级预冷压缩装置，重复上述过程，实现空气的多级压缩过程。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，完成三级所述预冷压缩过程获得所述中压空气，完成四级所述预冷压缩过程获得所述高压空气。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述压缩机的进口空气温度为-5～-15℃。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主换热模块内设置有第一级换热器和第二级换热器；所述中压空气和所述高压空气先分别进入所述第一级换热器冷却，形成低温空气；所述第一级换热器出口的低温空气通入所述第二级换热器进一步冷却为低温液态空气。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，采用所述中压精馏塔产出的气相产品氮气作为循环氮气，经过氮压机加压，所述循环氮气进入所述LNG换热模块与LNG换热，循环氮气温度降低，然后节流，通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；所述第二级换热器出口的循环氮气进入所述一级换热器，用于冷却空气。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述中压精馏塔塔顶出口的氮气，一部分经过节流后通入低压精馏塔为其补充冷量，剩余的所述中压精馏塔塔顶出口的氮气用作所述循环氮气，所述循环氮气经过氮压机加压，用于弥补换热过程中的压力损失；然后进行分流，一部分通入所述主换热模块的第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；剩余部分经加压后通入所述LNG换热模块与LNG换热，用于吸收LNG冷能，所述循环氮气温度降低；然后进行节流，所述循环氮气的温度进一步降低，将该循环氮气一部分通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；另一部分节流后回流至中压精馏塔精馏。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LNG换热模块包括LNG低温液泵、LNG-氮换热器和LNG-乙二醇换热器，其中，所述LNG低温液泵用于对原料LNG加压，得到高压LNG；所述LNG低温液泵出口与所述LNG-氮换热器冷流入口相连，用于对循环氮气进行低温深冷，LNG升温形成低温天然气；所述LNG-氮换热器出口的低温天然气通入所述LNG-乙二醇换热器中，为所述空气预处理模块的冷却介质乙二醇水溶液提供冷量；天然气温度升高至常温后并入高压管网。
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