CN109631494B - 一种氦气生产系统和生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种氦气生产系统，包括BOG提氦压缩机、多股流换热器、第一节流阀、第一分离器、冷却器和第二分离器。BOG提氦压缩机的出口和多股流换热器的第一入口连接，多股流换热器的第一出口和第一节流阀的入口连接，第一节流阀的出口和第一分离器的入口连接，第一分离器的气体出口和冷却器的入口连接，冷却器的出口和第二分离器的入口连接，第二分离器的气体出口和多股流换热器的第二入口连接，多股流换热器的第二出口输出粗氦气。上述氦气生产系统，经第一次气液分离可以去除冷凝的甲烷和氮气。经第二次气液分离可以再次去除冷凝的甲烷和氮气。因此，上述氦气生产系统可以有效提高氦气的提取纯度。此外，还提供一种氦气生产方法。

Description

一种氦气生产系统和生产方法
技术领域
本发明涉及尾气回收技术领域，尤其涉及一种氦气生产系统和生产方法。
背景技术
氦气因具有极低沸点、密度和强化学和放射惰性等特殊性质，成为发展国防军工和高科技不可缺少的重要气体之一，在航空航天、核武器、潜艇、饱和潜水作业、核磁共振、半导体、手机、液晶屏幕、光纤、大科学装置等国防、工业、科技领域具有不可替代的作用。
氦气在空气中的含量仅为5ppm，主要存在于天然气中，因此氦的生产几乎全部来自天然气。美国的天然气氦资源丰富，氦含量高(平均约为0.8％，个别高达7.5％)，产量和消费量均居全球之首。我国氦资源匮乏，天然气中氦的含量最高仅为0.2％，不具有经济提氦的价值。因此我国一直依靠从国外进口所需的氦。由于氦气价格昂贵，对我国大量使用氦的领域和相关的科研、生产单位产生了重大影响。
目前，我国在大鄂尔多斯盆地天然气田中，发现天然气中含氦量约0.04％～0.1％，虽然氦含量很低，但总贮量巨大。为便于调峰、点供，往往采用将管道天然气液化的方式进行储存和运输，而将天然气进行液化的装置即为LNG(Liquefied Natural Gas)生产装置。在LNG的生产过程中，末级节流阀在节流过程中会产生大量闪蒸气，而常压下氦气、氢气、氮气及甲烷的液化温度分别为-269℃、-253℃、-196℃和-162℃，在储罐压力下氦气、氢气及部分氮气会从LNG中挥发出来，此时相比原料天然气，由于烃类等气体被液化，因此氦气等不凝性气体得到了一次富集。末级节流阀出口的气液混合物之后通过LNG低温管道进入LNG大贮罐，由于储罐漏热和装车站也会产生蒸发汽(该部分气体主要为甲烷及氮气)，两部分气体混合统称为BOG气体。
在实际运行过程中，BOG气体流量也很可观，最大会占到原料气流量的8％左右，因此LNG生产工艺流程都会有专门的回收工艺回收BOG气体，常见的有以下三种方案或三种方案的组合，见图1-3。
图1为BOG回收方案1：LNG贮罐中的BOG气体经过复温或不复温，通过BOG压缩机进行压缩，根据LNG装置情况汇合回到原料气预处理前或者原料气预处理后，再次进行液化。
图2为BOG回收方案2：LNG贮罐中的BOG气体经过复温或不复温，通过BOG压缩机1压缩到中压，一部分气体作为燃料气进行燃烧，其余部分通过BOG压缩机2进一步压缩到与原料气相同压力，根据LNG装置情况汇合回到原料气预处理前或者原料气预处理后，再次进行液化。
图3为BOG回收方案3：LNG贮罐中的BOG气体经过复温或不复温，通过BOG压缩机1压缩到中压，一部分气体作为燃料气进行燃烧，其余部分用作分子筛吸附塔的再生气，之后再进入BOG压缩机2压缩到与原料气相同压力，根据LNG装置情况汇合回到原料气预处理前或者原料气预处理后，再次进行液化。
以上三种BOG回收方案可能单独设置，也可能同时组合设置。
BOG经过多次循环，其中的氦、氢等不凝性气体不断浓缩富集。在有一部分BOG被烧掉的情况下，BOG中的氦气仍然会富集到1％～3％；若燃料气采用原料气或净化气(经原料气预处理)则BOG中的氦气甚至会富集到9％。此时若利用BOG气体进行氦气提取，具备非常低的提氦能耗，完全具备提纯氦气的工业开发价值。
随着LNG产业的迅速发展和广泛应用，中国国内的LNG工厂不断增多，工厂内产生的BOG废气量也在不断增加，因此采用新工艺从LNG生产中BOG提氦，是适合我国国情的从天然气中经济提取氦气的好方法，将有助于缓解我国氦资源贫乏与氦气需求的矛盾。
然而，传统的从LNG生产装置的BOG气体中提氦的方法，通常提取纯度较低。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种氦气提取纯度较高的氦气生产系统和生产方法。
一种氦气生产系统，包括BOG提氦压缩机、多股流换热器、第一节流阀、第一分离器、冷却器和第二分离器；
BOG气体从所述BOG提氦压缩机的入口进入所述BOG提氦压缩机，所述BOG提氦压缩机的出口和所述多股流换热器的第一入口连接，所述多股流换热器的第一出口和所述第一节流阀的入口连接，所述第一节流阀的出口和所述第一分离器的入口连接，所述第一分离器的气体出口和所述冷却器的入口连接，所述冷却器的出口和所述第二分离器的入口连接，所述第二分离器的气体出口和所述多股流换热器的第二入口连接，所述多股流换热器的第二出口输出所述粗氦气。
在一个实施例中，还包括第二节流阀和第一开关阀，所述第一分离器的液体出口和所述第二节流阀的入口连接，第二节流阀的出口和所述多股流换热器的第三入口连接，所述多股流换热器的第三出口和所述第一开关阀的入口连接，所述第一开关阀的出口和BOG压缩机的入口连接。
在一个实施例中，还包括第三分离器和第二开关阀，所述第二节流阀的出口和所述第三分离器的入口连接，所述第三分离器的气体出口和所述多股流换热器的第四入口连接，所述多股流换热器的第四出口和所述第二开关阀的入口连接，所述第二开关阀的出口和所述BOG提氦压缩机的入口连接；
所述第三分离器的液体出口和所述多股流换热器的第三入口连接，所述多股流换热器的第三出口和所述第一开关阀的入口连接，所述第一开关阀的出口和所述BOG压缩机连接。
在一个实施例中，还包括第三节流阀、第三开关阀和第四开关阀，所述第二分离器的液体出口和所述多股流换热器的第五入口连接，所述多股流换热器的第五出口和所述第三节流阀的入口连接，所述第三节流阀的出口和所述第四开关阀的入口连接，所述第四开关阀的出口和BOG压缩机的入口连接；
所述第三节流阀的出口还和所述第三开关阀的入口连接，所述第三开关阀的出口输出氮甲烷混合气体。
在一个实施例中，还包括氦气提纯装置，所述氦气提纯装置包括催化脱氢装置，所述催化脱氢装置和所述多股流换热器的第二出口连接，所述催化脱氢装置用于去除所述粗氦气中的氢气。
在一个实施例中，所述氦气提纯装置还包括外纯化器和内纯化器中的一种和氦液化器，所述外纯化器或所述内纯化器和所述催化脱氢装置连接，所述氦液化器和所述外纯化器或所述内纯化器连接。
在一个实施例中，所述氦气提纯装置还包括变压吸附装置或变温吸附装置，所述变压吸附装置或所述变温吸附装置和所述催化脱氢装置连接。
在一个实施例中，所述冷却器为液氮或减压液氮温区冷却器。
一种氦气生产方法，包括以下步骤：
将BOG气体压缩后冷却液化，得到液化后的BOG；
将所述液化后的BOG进行节流，所述液化后的BOG中溶解氦气部分变成气态，得到第一气液混合BOG；
将所述第一气液混合BOG进行气液分离，得到混合气体和第一BOG凝液；
将所述混合气体进一步降温，将所述混合气体中氮气和甲烷液化，得到第二气液混合BOG；
将所述第二气液混合BOG进行气液分离，得到粗氦气和第二BOG凝液。
在一个实施例中，还包括以下步骤：
将所述粗氦气进行脱氢处理；
将脱氢处理后的氦气进行干燥。
在一个实施例中，还包括以下步骤：
将脱氢处理后的粗氦气进行低温吸附或低温冷凝冷冻去除杂质，然后将去除杂质后的氦气进行液化，得到液氦产品。
在一个实施例中，还包括以下步骤：将脱氢处理后的粗氦气经变压吸附或变温吸附对杂质进行脱除，得到高纯氦气产品。
在一个实施例中，LNG生产工艺中形成的BOG气体中的一部分通过BOG压缩机进行回收液化，对BOG气体中的氦气进行循环富集，所述BOG气体中的另一部分进行氦气生产。
上述氦气生产系统，通过多股流换热器降温后将BOG气体中的部分甲烷和氮气液化，经过第一节流阀节流后，大部分氦气闪蒸变为气态。经第一分离器中进行第一次气液分离，可以去除冷凝的甲烷和氮气。再经过冷却器将气液分离后的气体再次冷凝降温，可以再次将气体中含有的甲烷和氮气液化。经第二分离器进行第二次气液分离后，可以再次去除冷凝的甲烷和氮气。因此，上述氦气生产系统可以有效提高氦气的提取纯度。
上述氦气生产方法，降温后将BOG气体中的部分甲烷和氮气液化，再经过节流后，大部分氦气闪蒸变为气态。经第一次气液分离，可以去除冷凝的甲烷和氮气。再将气液分离后的气体再次冷凝降温，可以再次将气体中含有的甲烷和氮气液化。经第二次气液分离后，可以再次去除冷凝的甲烷和氮气。因此，上述氦气生产方法可以有效提高氦气的提取纯度。
附图说明
图1为第一种方式BOG回收系统的结构示意图；
图2为第二种方式BOG回收系统的结构示意图；
图3为第三种方式BOG回收系统的结构示意图；
图4为一实施方式的氦气生产系统的结构示意图；
图5为基于现有LNG生产装置联产氦气的系统技术路线图。
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晰，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。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
传统的LNG生产装置的BOG回收流程为：由LNG贮罐来的BOG气体根据现有LNG生产装置进行复温或不复温，之后进入BOG压缩机。
基于现有LNG生产装置联产氦气，为了提高氦产量，BOG气体不能再作为燃料气进行使用，而是采用原料气或原料气预处理后的净化气作为替代，由于LNG生产装置都留有相关管线，因此该操作对LNG生产装置没有影响。
基于现有LNG生产装置联产氦气的氦气生产系统，则一部分BOG进入氦气生产系统，另一部分依然通过BOG压缩机进行回收液化，对其中的氦气进行循环富集。
请参考图4，一种氦气生产系统，包括BOG提氦压缩机10、多股流换热器20、第一节流阀V1、第一分离器30、液氮温区冷却器40和第二分离器50。
BOG气体从BOG提氦压缩机10的入口进入BOG提氦压缩机10，BOG提氦压缩机10的出口和多股流换热器20的第一入口连接，多股流换热器20的第一出口和第一节流阀V1的入口连接，第一节流阀V1的出口和第一分离器30的入口连接，第一分离器30的气体出口和冷却器40的入口连接，冷却器40的出口和第二分离器50的入口连接，第二分离器50的气体出口和多股流换热器20的第二入口连接，多股流换热器20的第二出口输出粗氦气。
提氦BOG气体首先通过BOG提氦压缩机10进行压缩，然后进入多股流换热器20进行冷却液化。BOG气体冷却液化后的温度不高于-140℃。之后通过第一节流阀V1进行一次节流，此时由于压力降低，大部分氦气闪蒸变为气态，一小部分氦气仍然溶解于液化的BOG凝液中。该气液混合物在第一分离器30中进行气液分离。第一分离器30中的气体进一步通过冷却器40冷却。冷却后的温度为65K～85K。此时绝大部分的氮气和甲烷被液化。在之后的第二分离器50中进行气液分离。气相氦气和氢气纯度达到90％(体积比)以上，并通过多股流换热器20进行复温，得到粗氦气。上述氦气生产系统利用了BOG气体等温压缩效应进行制冷。
上述氦气生产系统，通过多股流换热器20降温后将BOG气体中的部分甲烷和氮气液化，经过第一节流阀V1节流后，大部分氦气闪蒸变为气态。经第一分离器30中进行第一次气液分离，可以去除冷凝的甲烷和氮气。再经过冷却器将气液分离后的气体再次冷凝降温，可以再次将气体中含有的甲烷和氮气液化。经第二分离器50进行第二次气液分离后，可以再次去除冷凝的甲烷和氮气。因此，上述氦气生产系统可以有效提高氦气的纯度。
在一个实施例中，冷却器为液氮或减压液氮温区冷却器。液氮或减压液氮温区冷却器满足65K～85K制冷温度的要求。对于液氮或减压液氮温区冷却器40，其冷量可以由防爆型制冷机提供，如大冷量斯特林制冷机。同样也可以由液氮提供冷量。
在一个实施例中，氦气生产系统还包括第二节流阀V2和第一开关阀K1，第一分离器30的液体出口和第二节流阀V2的入口连接，第二节流阀V2的出口和多股流换热器20的第三入口连接，多股流换热器20的第三出口和第一开关阀K1的入口连接，第一开关阀K1的出口和BOG压缩机的入口连接。
通过第一分离器30分离出的BOG凝液通过第二节流阀V2进行节流至常压，此时氦气进一步闪蒸变为气态，该气液混合物在第三分离器60中进行分离。气体通过在多股流换热器20中进行复温后重新回到BOG提氦压缩机10的吸气侧。而第三分离器60中的液相则复温后通过第一开关阀K1返回到现有LNG生产装置中的BOG压缩机进行循环。
此时，氦气生产系统的结构简单。虽然一部分氦气会通过第一分离器30底部的液体流出氦气生产系统，使得氦气生产系统氦提取率降低。但是考虑到这部分氦气通过BOG压缩机仍然会循环回到BOG气体中，所以整个联产系统的氦提取率没有降低。
在一个实施例中，氦气生产系统还包括第三分离器60和第二开关阀K2，第二节流阀V2的出口和第三分离器60的入口连接，第三分离器60的气体出口和多股流换热器20的第四入口连接，多股流换热器20的第四出口和第二开关阀K2的入口连接，第二开关阀K2的出口和BOG提氦压缩机10的入口连接。
第三分离器60的液体出口和多股流换热器20的第三入口连接，多股流换热器20的第三出口和第一开关阀K1的入口连接，第一开关阀K1的出口和BOG压缩机连接。
在一个实施例中，氦气生产系统还包括第三节流阀V3、第三开关阀K3和第四开关阀K4，第二分离器50第二分离器50的液体出口和多股流换热器20的第五入口连接，多股流换热器20的第五出口和第三节流阀V3的入口连接，第三节流阀V3的出口和第四开关阀K4的入口连接，第四开关阀K4的出口和BOG压缩机的入口连接；
第三节流阀V3的出口还和第三开关阀K3的入口连接，第三开关阀K3的出口输出氮甲烷混合气体。氮甲烷混合气体可以直接输送至火炬燃烧。
第三分离器60分离出的液相中氮含量较高且流量较小，可以复温后通过第三节流阀V3、第三开关阀K3进入火炬燃烧，或者通过第三节流阀V3、第四开关阀K4输出至BOG压缩机继续回收利用。
上述氦气生产系统中，第一节流阀V1、第一分离器30、冷却器40、第二分离器50、第二节流阀V2、第三分离器60和多股流换热器20均设冷箱中。
在一个实施例中，氦气生产系统还包括第五开关阀K5。第五开关阀K5设于BOG提氦压缩机的入口的前方。
上述氦气生产系统中，进入氦气生产系统的BOG气体首先利用低温法进行粗氦制取，将其中He+H2富集到体积比90％以上，脱氦后的BOG气体重新返回到原有BOG回收系统中。
请同时参考图5，在一个实施例中，氦气生产系统还包括氦气提纯装置，氦气提纯装置包括催化脱氢装置，催化脱氢装置和多股流换热器20的第二出口连接，催化脱氢装置用于去除粗氦气中的氢气。
请同时参考图5，在一个实施例中，氦气提纯装置还包括外纯化器和内纯化器中的一种和氦液化器，外纯化器或内纯化器和催化脱氢装置连接，氦液化器和外纯化器或内纯化器连接。
请同时参考图5，在一个实施例中，氦气提纯装置还包括变压吸附装置或变温吸附装置，变压吸附装置或变温吸附装置和催化脱氢装置连接。
请同时参考图5，上述氦气生产系统根据产品相态的不同分为两个工艺路线：液氦产品路线和高纯氦气产品路线。对于路线一，粗氦气经过以低温吸附为原理的外纯化器，或经过以低温冷凝冷冻分离为原理的内纯化器将杂质进行去除，之后进行氦液化器进行液化，得到最终的液氦产品。对于路线二，粗氦气经过PSA(变压吸附)或TSA(变温吸附)对杂质进行脱除得到高纯氦气产品。
此外，还提供一种氦气生产方法，包括以下步骤：
S10、将BOG气体降温进行压缩后冷却液化，得到液化后的BOG。
S20、将液化后的BOG进行节流，液化后的BOG中溶解的氦气部分变成气态，得到第一气液混合BOG。
S30、将第一气液混合BOG进行气液分离，得到混合气体和第一BOG凝液。
S40、将混合气体进一步降温，将混合气体中氮气和甲烷液化，得到第二气液混合BOG。
S50、将第二气液混合BOG进行气液分离，得到粗氦气和第二BOG凝液。
在一个实施例中，氦气生产方法还包括以下步骤：
S60、将粗氦气进行脱氢处理。
S65、将脱氢处理后的氦气进行干燥。
具体的，粗氦气中的氢气可以采用加氧催化反应进行脱氢处理。生成的水在干燥脱水装置中进行脱水，使露点低于-70℃。脱水后的粗氦气纯度不低于90％(百分比)，杂质为N2和微量的O2。
在一个实施例中，氦气生产方法还包括以下步骤：
S70、将脱氢处理后的粗氦气进行低温吸附或低温冷凝冷冻去除杂质，然后将去除杂质后的氦气进行液化，得到液氦产品。
在一个实施例中，氦气生产方法，还包括以下步骤：
S80、将脱氢处理后的粗氦气经PSA(变压吸附)或TSA(变温吸附)对杂质进行脱除，得到高纯氦气产品。
上述氦气生产方法中，LNG生产工艺中形成的BOG气体中的一部分通过BOG压缩机进行回收液化，对BOG气体中的氦气进行循环富集，BOG气体中的另一部分进行氦气生产。
上述氦气生产系统，利用BOG气体本身具有大的J-T系数，通过等温压缩制冷即可实现快速冷却，流程简单高效，且适应能力强。
上述氦气生产系统，与现有LNG生产装置有机结合，多种手段保证氦气提取率：通过采用天然气原料气或净化气作为燃料气，只对一部分BOG气体进行提氦处理，而另一部分BOG继续进行氦气富集，提高了氦气提取的经济性。
上述氦气生产系统，将BOG气体中的氦气进行提取后，将脱氦BOG气体重新返回现有装置，现有装置无需改动。
上述氦气生产方法，将现有LNG生产装置BOG气体中的氦气进行了提取，降低了BOG压缩机的耗电量，提高了现有LNG生产装置的经济性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种氦气生产系统，其特征在于，包括BOG提氦压缩机、多股流换热器、第一节流阀、第一分离器、冷却器和第二分离器；
BOG气体从所述BOG提氦压缩机的入口进入所述BOG提氦压缩机，所述BOG提氦压缩机的出口和所述多股流换热器的第一入口连接，所述多股流换热器的第一出口和所述第一节流阀的入口连接，所述第一节流阀的出口和所述第一分离器的入口连接，所述第一分离器的气体出口和所述冷却器的入口连接，所述冷却器的出口和所述第二分离器的入口连接，所述第二分离器的气体出口和所述多股流换热器的第二入口连接，所述多股流换热器的第二出口输出粗氦气；
所述氦气生产系统还包括第二节流阀和第一开关阀，所述第一分离器的液体出口和所述第二节流阀的入口连接，第二节流阀的出口和所述多股流换热器的第三入口连接，所述多股流换热器的第三出口和所述第一开关阀的入口连接，所述第一开关阀的出口和BOG压缩机的入口连接。
2.如权利要求1所述的氦气生产系统，其特征在于，还包括第三分离器和第二开关阀，所述第二节流阀的出口和所述第三分离器的入口连接，所述第三分离器的气体出口和所述多股流换热器的第四入口连接，所述多股流换热器的第四出口和所述第二开关阀的入口连接，所述第二开关阀的出口和所述BOG提氦压缩机的入口连接；所述第三分离器的液体出口和所述多股流换热器的第三入口连接，所述多股流换热器的第三出口和所述第一开关阀的入口连接，所述第一开关阀的出口和所述BOG压缩机连接。
3.如权利要求1所述的氦气生产系统，其特征在于，还包括第三节流阀、第三开关阀和第四开关阀，所述第二分离器的液体出口和所述多股流换热器的第五入口连接，所述多股流换热器的第五出口和所述第三节流阀的入口连接，所述第三节流阀的出口和所述第四开关阀的入口连接，所述第四开关阀的出口和BOG压缩机的入口连接；
所述第三节流阀的出口还和所述第三开关阀的入口连接，所述第三开关阀的出口输出氮甲烷混合气体。
4.如权利要求1所述的氦气生产系统，其特征在于，还包括氦气提纯装置，所述氦气提纯装置包括催化脱氢装置，所述催化脱氢装置和所述多股流换热器的第二出口连接，所述催化脱氢装置用于去除所述粗氦气中的氢气。
5.如权利要求4所述的氦气生产系统，其特征在于，所述氦气提纯装置还包括外纯化器和内纯化器中的一种和氦液化器，所述外纯化器或所述内纯化器和所述催化脱氢装置连接，所述氦液化器和所述外纯化器或所述内纯化器连接。
6.如权利要求4所述的氦气生产系统，其特征在于，所述氦气提纯装置还包括变压吸附装置或变温吸附装置，所述变压吸附装置或所述变温吸附装置和所述催化脱氢装置连接。
7.如权利要求1所述的氦气生产系统，其特征在于，所述冷却器为液氮或减压液氮温区冷却器。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的氦气生产系统的氦气生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
将BOG气体压缩后冷却液化，得到液化后的BOG；
将所述液化后的BOG进行节流，所述液化后的BOG中溶解的氦气部分变成气态，得到第一气液混合BOG；
将所述第一气液混合BOG进行气液分离，得到混合气体和第一BOG凝液；
将所述混合气体进一步降温，将所述混合气体中氮气和甲烷液化，得到第二气液混合BOG；
将所述第二气液混合BOG进行气液分离，得到粗氦气和第二BOG凝液；
LNG生产工艺中形成的BOG气体中的一部分通过BOG压缩机进行回收液化，对BOG气体中的氦气进行循环富集，所述BOG气体中的另一部分进行氦气生产。
9.如权利要求8所述的氦气生产方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将所述粗氦气进行脱氢处理；
将脱氢处理后的氦气进行干燥。
10.如权利要求9所述的氦气生产方法，其特征在于，还包括以下步骤：
将脱氢处理后的粗氦气进行低温吸附或低温冷凝冷冻去除杂质，然后将去除杂质后的氦气进行液化，得到液氦产品。
11.如权利要求9所述的氦气生产方法，其特征在于，还包括以下步骤：将脱氢处理后的粗氦气经变压吸附或变温吸附对杂质进行脱除，得到高纯氦气产品。
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