CN110986484A - 一种利用lng厂尾气进行氦气提取的工艺系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，包括氦气提纯塔,氦气提纯塔内设置有活塞式膜分离装置、钯膜脱氢装置、外循环回抽装置、换热装置和制冷分离提纯装置，活塞式膜分离装置设置在钯膜脱氢装置上方，换热装置和制冷分离提纯装置设置在钯膜脱氢装置下方，LNG厂尾气与活塞式膜分离装置的顶部进口连接，活塞式膜分离装置底部出口与钯膜脱氢装置顶部进口连接，钯膜脱氢装置底部出口通过换热装置与制冷分离提纯装置的进口连接。本发明以LNG厂高压尾气为本设备气源输入，省却前期增压设备，有效保持LNG厂高压尾气的低温状态，减小成本，且高压尾气中气体比份稳定，氦气、甲烷含量较为恒定，生产单位氦气能耗低。
Description
技术领域
本发明属于氦气工业化生产技术领域，具体涉及一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统。
背景技术
氦气是一种无色无味的不可燃惰性气体，其在空气中的含量极低约为百万分之5.2（5.2ppm），是人类目前发现的临界温度最低的物质，其熔点为272.2℃（25个大气压下），沸点为-268.9℃，密度仅为0.1785g/L，氦气是单原子单质分子，不存在稳定化合物，不溶于水。
氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性物资之一。氦气在医疗、军工、制冷、半导体、管道检漏、高精度焊接、金属制造、深海潜水、光电子产品生产、浮空器、科研、军事等领域均有着不可替代的作用。
含氦天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大，成本高。因此，在保护有限氦气资源的同时，研究开发先进的天然气提氦技术对于提高氦气生产的经济性、保障国家用氦安全和促进我国天然气提氦工业的发展具有重要意义。
目前国内氦气提取的专利技术大致分为两类：一类为从天然气中利用深冷方式直接进行氦气的分离，由于天然气中氦气的浓度一般在0.02%左右，且原料气中还有大量的H2S、SO2等杂质气体，故设备结构复杂，能耗高,难以产生商业盈利的模式；另外一类为从LNG的存储罐中利用深冷方法进行氦气分离，此类工艺不需要对气源进行预处理，深冷方法操作相对简单，但是气体中氦气含量仍然较低，采用深冷方法处理大量气体能耗高；另外一个潜在的问题是LNG存储罐中的甲烷一直处于饱和状态，当从中取气时甲烷会不断的从液态甲烷中析出从而导致需低温处理的气体体积加大而氦气含量浓度逐渐降低，其直接后果便是氦气产率低、能耗高，到目前为止，并没有形成这一模式的生产能力。若以提取氦气为目标，那么其中所含的氢气便不容忽略，在现有的专利中，都没有涉及到对氢气的处理，这也是现有专利技术的一个很大缺点。
本发明拟利用液化天然气厂（LNG）的尾气进行氦气的分离。天然气在常压下，冷却至约-163℃时，将由气态变成液态，称为液化天然气（英文Liquefied Natural Gas，简称LNG）。LNG的主要成分为甲烷，还有少量的乙烷、丙烷等。氦气的液化温度为-268.9℃（一个大气压下），因而在以制冷为核心工艺的天然气液化加工中，氦气基本不被液化，在液化天然气储存罐中随气相尾气被排出，同时因沸点差异，氮气、氢气也绝大部分存在于LNG厂尾气之中。天然气液化流程中尾气的最大特点是甲烷等可燃性气体因被液化含量明显降低，而氦气、氩气、氢气、氮气等“杂质”气体因难以被液化，在气相中被富集起来，其浓度较进入液化流程前浓度可大幅提高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种基本不产生废气、能耗低、提取的氦气纯度高的利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，包括氦气提纯塔1, 氦气提纯塔1内设置有活塞式膜分离装置2、钯膜脱氢装置3、外循环回抽装置、换热装置和制冷分离提纯装置，活塞式膜分离装置2设置在钯膜脱氢装置3上方，换热装置和制冷分离提纯装置设置在钯膜脱氢装置3下方，LNG厂尾气与活塞式膜分离装置2的顶部进口连接，活塞式膜分离装置2底部出口与钯膜脱氢装置3顶部进口连接，钯膜脱氢装置3底部出口通过换热装置与制冷分离提纯装置的进口连接，制冷分离提纯装置的分离出的气体通过换热装置后排出氦气提纯塔1，外循环回抽装置的进口与钯膜脱氢装置3底部出口连接，外循环回抽装置的出口与活塞式膜分离装置2顶部进口连接。
活塞式膜分离装置2沿氦气提纯塔1中心线圆形阵列布置的若干个，每个活塞式膜分离装置2均包括中心线沿垂直方向设置的第一圆筒体207，第一圆筒体207的顶部均连接有第一分气管103，所有的第一分气管103上端通过第一分气控制阀104连接有垂直向上伸出氦气提纯塔1的进气管101，进气管101上端与LNG厂尾气出口连接，进气管101上部设有进气阀102，外循环回抽装置的出口连接在进气阀102下方的进气管101上；
第一圆筒体207内设有上中空纤维膜单元201和下中空纤维膜单元208，上中空纤维膜单元201的外周设有滑动连接在第一圆筒体207内壁的第一环形滑块202，第一环形滑块202为铁质材料制成，第一圆筒体207内壁上在第一环形滑块202的正上方和正下方分别固定设有第一上电磁铁203和第一下电磁铁209，第一圆筒体207的侧部在第一下电磁铁209和下中空纤维膜单元208之间连接有第一排气管205及补气管210、第一排气管205和补气管210关于第一圆筒体207中心线对称布置，补气管210的外端连接有补气泵204，第一圆筒体207底部设有与钯膜脱氢装置3顶部进口连接的第二排气管206。
钯膜脱氢装置3沿氦气提纯塔1中心线圆形阵列布置的若干个，每个钯膜脱氢装置3均包括中心线沿垂直方向设置的第二圆筒体301，第二圆筒体301的顶部均连接有一根第二分气管304，所有的第二分气管304上端通过第二分气控制阀305与第二排气管206下端连接；第二圆筒体301内同中心线设有内筒体311，内筒体311外圈与第二圆筒体301内壁之间形成环形腔313，内筒体311内部设有上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303，上钯膜盘单元302的外周设有滑动连接在内筒体311内壁的第二环形滑块306，第二环形滑块306为铁质材料制成，内筒体311内壁上在第二环形滑块306的正上方和正下方分别固定设有第二上电磁铁307和第二下电磁铁312，第二圆筒体301外侧部设有与环形腔313连通的第三排气管308，第二圆筒体301底部设有第四排气管309，第四排气管309与换热装置及外循环回抽装置的进口连接；第二环形滑块306内部为中空环状结构314，中空环状结构314上部通过可伸缩的软管315与环形腔313的上部连通，上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303的外部均包裹设有透气的加热带310，上钯膜盘单元302的内部与中空环状结构314连通，下钯膜盘单元303内部与环形腔313连通。
外循环回抽装置包括外循环泵4、外循环管401和单向阀402，外循环管401下端与第四排气管309连接，外循环管401上端连接在进气阀102下方和第一分气控制阀104上方的进气管101上，单向阀402设置在外循环泵401的进口和出口处的外循环管401上，进气管101上在第一分气控制阀104上方的位置设有压力表403。
换热装置包括竖向设置的安装筒5和同轴向设置在安装筒5内部的换热主管502，换热主管502上端口通过分支管501与钯膜脱氢装置3的若干个第四排气管309下端相连，换热主管502外部同轴向绕设有螺旋状的尾气排出换热管504，安装筒5内底部设有与尾气排出换热管504的下端连接的多路管接头505，安装筒5内部设有位于尾气排出换热管504外侧的氦气专用换热管503，氦气专用换热管503和尾气排出换热管504的上端口伸出安装筒5。
制冷分离提纯装置包括第三圆筒体6及设置在第三圆筒体6内部的一级制冷单元601、一级气液分离器602、二级制冷单元603、二级气液分离器604、三级制冷单元605、三级气液分离器606、四级制冷单元607、四级气液分离器608、液化天然气存储罐609、液氮制冷机610、第一液氮舱611、电制冷机612、第二液氮仓613和四条循环式电磁球推管7，一级制冷单元601和二级制冷单元603设置在第一液氮仓611内，三级制冷单元605和四级制冷单元607设置在第二液氮仓613内，第三圆筒体6、第一液氮仓611和第二液氮仓613均为双层真空保温结构，液化天然气存储罐609、液氮制冷机610和电制冷机612自左向右依次设置在第三圆筒体6内的底部，第一液氮仓611位于第二液氮仓613的左侧，第一液氮仓611右侧和第二液氮仓613左侧通过管道连接，第一液氮仓611位于液氮制冷机610正上方，液氮制冷机610为第一液氮仓611及第二液氮仓613内部提供液氮，电制冷机612位于第二液氮仓613正上方，电制冷机612直接为三级制冷单元605和四级制冷单元607提供制冷，换热装置的安装筒5设置在第一液氮仓611的左侧及液化天然气存储罐609的正上方；
一级制冷单元601、二级制冷单元603、三级制冷单元605和四级制冷单元607均为密闭容器；一级制冷单元601的上侧部与二级制冷单元603的上侧部连通，二级制冷单元603的上侧部与三级制冷单元605的上侧部连通，三级制冷单元605的上侧部与四级制冷单元607的上侧部连通；四级制冷单元607的顶部与氦气专用换热管503连通；多路管接头505的一个接口通过混合气管614与一级制冷单元601的左侧部连接；一级气液分离器602设置在一级制冷单元601的底部，一级气液分离器602通过一条循环式电磁球推管7与液化天然气存储罐609连接；二级气液分离器604设置在二级制冷单元603的底部，二级气液分离器604通过第二条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第二个接口连接；三级气液分离器606设置在三级制冷单元605的底部，三级气液分离器606通过第三条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第三个接口连接；四级气液分离器608设置在四级制冷单元607的底部，四级气液分离器608通过第四条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第三个接口连接。
循环式电磁球推管7包括金属球701，电磁线圈组702、循环内管703和外管704，外管704的一端穿过制冷单元的底部与气液分离器连接，外管704的另一端与多路管接头505连接，电磁线圈组702和循环内管703均设置在外管704内部，循环内管703包括两条平行于外管704的长管，两根长管的两端均通过一根弧形短管连通，气液分离器的液体出口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，多路管接头505的液体进口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，金属球701有若干个，金属球701滚动设置在长管和弧形短管内，金属球的外径小于弧形短管和长管的内径，电磁线圈组702设置有若干个，若干个电磁线圈组702均匀且间隔缠绕在长管和弧形短管的外部。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下技术效果：
1）以LNG厂高压尾气为本设备气源输入，省却前期增压设备，有效保持LNG厂高压尾气的低温状态，减小成本，且高压尾气中气体比份稳定，氦气、甲烷含量较为恒定，生产单位氦气能耗低；
2）在深冷分离之前采用外循环回抽装置将去甲烷和氢气后的气体再次循环抽取到活塞式膜分离以及钯膜脱氢装置进行循环处理，增大处理装置内部压强，快速预处理尾气，可循环预处理尾气，大幅缩小待处理气体体量，从而减小制冷功率，降低能耗。在将气体温度降低到液氮温度前，采用换热装置进行预降温，同样可达到减小制冷功率，降低能耗的目的，最终降低提取氦气的成本。
3）在制冷分离提纯装置分离出液体和最终的氦气后，通过循环式电磁球推管将液体送至尾气排出换热管中，将氦气送至氦气专用换热管中，对即将进行降温处理的气体进行预冷，从而达到降低功耗的目的。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的原理框图；
图3是本发明中多个活塞式膜分离装置组合后的示意图；
图4是本发明中单个活塞式膜分离装置的轴向剖面图；
图5是本发明中多个钯膜脱氢装置组合后的示意图；
图6是本发明中单个钯膜脱氢装置的轴向剖面图；
图7是本发明中换热装置与制冷分离提纯装置的竖向剖面图；
图8是本发明中循环式电磁球推管与制冷单元之间的连接示意图。
具体实施方式
如图1-图8所示，本发明的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，包括氦气提纯塔1, 氦气提纯塔1内设置有活塞式膜分离装置2、钯膜脱氢装置3、外循环回抽装置、换热装置和制冷分离提纯装置，活塞式膜分离装置2设置在钯膜脱氢装置3上方，换热装置和制冷分离提纯装置设置在钯膜脱氢装置3下方，LNG厂尾气与活塞式膜分离装置2的顶部进口连接，活塞式膜分离装置2底部出口与钯膜脱氢装置3顶部进口连接，钯膜脱氢装置3底部出口通过换热装置与制冷分离提纯装置的进口连接，制冷分离提纯装置的分离出的气体通过换热装置后排出氦气提纯塔1，外循环回抽装置的进口与钯膜脱氢装置3底部出口连接，外循环回抽装置的出口与活塞式膜分离装置2顶部进口连接。
活塞式膜分离装置2沿氦气提纯塔1中心线圆形阵列布置的若干个，每个活塞式膜分离装置2均包括中心线沿垂直方向设置的第一圆筒体207，第一圆筒体207的顶部均连接有第一分气管103，所有的第一分气管103上端通过第一分气控制阀104连接有垂直向上伸出氦气提纯塔1的进气管101，进气管101上端与LNG厂尾气出口连接，进气管101上部设有进气阀102，外循环回抽装置的出口连接在进气阀102下方的进气管101上；
第一圆筒体207内设有上中空纤维膜单元201和下中空纤维膜单元208，上中空纤维膜单元201的外周设有滑动连接在第一圆筒体207内壁的第一环形滑块202，第一环形滑块202为铁质材料制成，第一圆筒体207内壁上在第一环形滑块202的正上方和正下方分别固定设有第一上电磁铁203和第一下电磁铁209，第一圆筒体207的侧部在第一下电磁铁209和下中空纤维膜单元208之间连接有第一排气管205及补气管210、第一排气管205和补气管210关于第一圆筒体207中心线对称布置，补气管210的外端连接有补气泵204，第一圆筒体207底部设有与钯膜脱氢装置3顶部进口连接的第二排气管206。
钯膜脱氢装置3沿氦气提纯塔1中心线圆形阵列布置的若干个，每个钯膜脱氢装置3均包括中心线沿垂直方向设置的第二圆筒体301，第二圆筒体301的顶部均连接有一根第二分气管304，所有的第二分气管304上端通过第二分气控制阀305与第二排气管206下端连接；第二圆筒体301内同中心线设有内筒体311，内筒体311外圈与第二圆筒体301内壁之间形成环形腔313，内筒体311内部设有上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303，上钯膜盘单元302的外周设有滑动连接在内筒体311内壁的第二环形滑块306，第二环形滑块306为铁质材料制成，内筒体311内壁上在第二环形滑块306的正上方和正下方分别固定设有第二上电磁铁307和第二下电磁铁312，第二圆筒体301外侧部设有与环形腔313连通的第三排气管308，第二圆筒体301底部设有第四排气管309，第四排气管309与换热装置及外循环回抽装置的进口连接；第二环形滑块306内部为中空环状结构314，中空环状结构314上部通过可伸缩的软管315与环形腔313的上部连通，上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303的外部均包裹设有透气的加热带310，上钯膜盘单元302的内部与中空环状结构314连通，下钯膜盘单元303内部与环形腔313连通。
外循环回抽装置包括外循环泵4、外循环管401和单向阀402，外循环管401下端与第四排气管309连接，外循环管401上端连接在进气阀102下方和第一分气控制阀104上方的进气管101上，单向阀402设置在外循环泵401的进口和出口处的外循环管401上，进气管101上在第一分气控制阀104上方的位置设有压力表403。
换热装置包括竖向设置的安装筒5和同轴向设置在安装筒5内部的换热主管502，换热主管502上端口通过分支管501与钯膜脱氢装置3的若干个第四排气管309下端相连，换热主管502外部同轴向绕设有螺旋状的尾气排出换热管504，安装筒5内底部设有与尾气排出换热管504的下端连接的多路管接头505，安装筒5内部设有位于尾气排出换热管504外侧的氦气专用换热管503，氦气专用换热管503和尾气排出换热管504的上端口伸出安装筒5。
制冷分离提纯装置包括第三圆筒体6及设置在第三圆筒体6内部的一级制冷单元601、一级气液分离器602、二级制冷单元603、二级气液分离器604、三级制冷单元605、三级气液分离器606、四级制冷单元607、四级气液分离器608、液化天然气存储罐609、液氮制冷机610、第一液氮舱611、电制冷机612、第二液氮仓613和四条循环式电磁球推管7，一级制冷单元601和二级制冷单元603设置在第一液氮仓611内，三级制冷单元605和四级制冷单元607设置在第二液氮仓613内，第三圆筒体6、第一液氮仓611和第二液氮仓613均为双层真空保温结构，液化天然气存储罐609、液氮制冷机610和电制冷机612自左向右依次设置在第三圆筒体6内的底部，第一液氮仓611位于第二液氮仓613的左侧，第一液氮仓611右侧和第二液氮仓613左侧通过管道连接，第一液氮仓611位于液氮制冷机610正上方，液氮制冷机610为第一液氮仓611及第二液氮仓613内部提供液氮，电制冷机612位于第二液氮仓613正上方，电制冷机612直接为三级制冷单元605和四级制冷单元607提供制冷，换热装置的安装筒5设置在第一液氮仓611的左侧及液化天然气存储罐609的正上方；
一级制冷单元601、二级制冷单元603、三级制冷单元605和四级制冷单元607均为密闭容器；一级制冷单元601的上侧部与二级制冷单元603的上侧部连通，二级制冷单元603的上侧部与三级制冷单元605的上侧部连通，三级制冷单元605的上侧部与四级制冷单元607的上侧部连通；四级制冷单元607的顶部与氦气专用换热管503连通；多路管接头505的一个接口通过混合气管614与一级制冷单元601的左侧部连接；一级气液分离器602设置在一级制冷单元601的底部，一级气液分离器602通过一条循环式电磁球推管7与液化天然气存储罐609连接；二级气液分离器604设置在二级制冷单元603的底部，二级气液分离器604通过第二条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第二个接口连接；三级气液分离器606设置在三级制冷单元605的底部，三级气液分离器606通过第三条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第三个接口连接；四级气液分离器608设置在四级制冷单元607的底部，四级气液分离器608通过第四条循环式电磁球推管7与多路管接头505的第三个接口连接。
循环式电磁球推管7包括金属球701，电磁线圈组702、循环内管703和外管704，外管704的一端穿过制冷单元的底部与气液分离器连接，外管704的另一端与多路管接头505连接，电磁线圈组702和循环内管703均设置在外管704内部，循环内管703包括两条平行于外管704的长管，两根长管的两端均通过一根弧形短管连通，气液分离器的液体出口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，多路管接头505的液体进口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，金属球701有若干个，金属球701滚动设置在长管和弧形短管内，金属球的外径小于弧形短管和长管的内径，电磁线圈组702设置有若干个，若干个电磁线圈组702均匀且间隔缠绕在长管和弧形短管的外部。
本发明中的上中空纤维膜单元201、下中空纤维膜单元208、上钯膜盘单元302、下钯膜盘单元303、液氮制冷机610、电制冷机612、气液分离器和电磁线圈组702的具体结构及原理均为现有常规技术，具体构造及原理不再赘述。
本发明各个装置的工作原理及过程详细如下：
进气阀102用来控制液化天然气厂（LNG）尾气的进入。所述进气管101与氦气提纯塔1内部的第一分气管103相连，通过第一分气控制阀104控制各第一分气管103的开合，这样可使部分或全部活塞式膜分离装置2工作。
上中空纤维膜单元201和下中空纤维膜单元208的结构相同且均采用模块化设计，活塞式膜分离装置2均可独立处理尾气，遇到某个活塞式膜分离装置2出现故障后可关闭第一分气管103的第一控制阀104，快速更换故障的活塞式膜分离装置2，其他活塞式膜分离装置2不受影响，保证氦气提纯塔1的正常工作。
当活塞式膜分离装置2工作时，第一下电磁铁209通电，吸引第一环形滑块202沿第一圆筒体207内壁向下运动，压缩上中空纤维膜单元201和下中空纤维膜单元208之间空腔内的气体，空腔内的气压增大，这样可以让气体快速通过中空纤维膜。随后，第一下电磁铁209断电，第一上电磁铁203通电，吸引第一环形滑块202沿第一圆筒体207内壁向上运动，同时补气泵204工作，及时向上中空纤维膜单元201和下中空纤维膜单元208之间的空腔充入氮气，这样不仅提高了空腔的压强，利于第一环形滑块202向上运动，且可及时将渗透慢的甲烷气体挤出至第一排气管205。上述第一上电磁铁203和第一下电磁铁209通过控制电流的大小来调节对第一环形滑块202吸附力的大小，进而调整第一环形滑块202的上下移动速度。上中空纤维膜单元201活塞式的上下往复运动利用增压原理让气体快速通过上中空纤维膜单元201，提高工作效率。气体在经过活塞式膜分离装置2时，氦气、氢气、氩气等可以正常的通过中空纤维膜单元，最后通过第二排气管206进入到钯膜脱氢装置3之中，而甲烷、氮气等气体则会被中空纤维膜单元分离出来，通过第一排气管205排出。活塞式膜分离装置2对甲烷、氮气的脱除效率约为90%，氦气的损失率为30%，氢气的损失效率为30%，氩气的损失效率为30%。在预处理设备产生的尾气通过第一排气管205后返回LNG厂重新液化，故在活塞式膜分离装置2中损失的氦气等将作在循环中重新进入氦气提纯塔1，整体不会造成氦气的损失。
上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303的结构相同且均采用模块化设计，钯膜脱氢装置3均可独立处理尾气，遇到某个钯膜脱氢装置3出现故障后可关闭第二分气管304的第二分气控制阀305，快速更换故障的钯膜脱氢装置3，其他钯膜脱氢装置3不受影响，保证氦气提纯塔1的正常工作。当钯膜脱氢装置3工作时，第二下电磁铁312通电，吸引第二环形滑块306沿内筒体311内壁向下运动，压缩上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303之间空腔内的气体，空腔内的气压增大，这样可以让气体快速通过上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303，同时上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303将尾气中的氢气吸附，随后，第二下电磁铁312断电，第二上电磁铁307通电，吸引第二环形滑块306沿内筒体311内壁向上运动。上钯膜盘单元302活塞式上下往复运动，利用增压原理让气体快速通过钯膜盘单元，提高工作效率。上述第二下电磁铁312和第二上电磁铁307通过控制电流的大小来调节吸附力的大小，进而调整第二环形滑块306的上下移动速度。由于钯膜在常温时吸附氢气，加热时又会在另一端释放出来，加热的温度通常在450℃左右。利用这一原理，若干个钯膜脱氢装置3可交替工作，当吸附氢气的钯膜脱氢装置3工作时，该钯膜脱氢装置3内部的上钯膜盘单元302和下钯膜盘单元303外部的加热带310处于不工作状态；其他钯膜脱氢装置3内部的加热带310工作状态下，加热带310将钯膜盘单元温度升高至450℃左右，解吸已经吸附的氢气，保证氦气提纯塔1的实时正常工作并提高其工作效率。解吸后的氢气通过软管315和导气管进入环形腔313中，最后从第三排气管308中排出，剩余气体由第二圆筒体301底部的第四排气管309进入分支管501和换热主管502。
外循环泵4的进口和出口安装在外循环管401上，外循环管401两端均设有单向阀402。外循环泵4可将钯膜脱氢装置3分离后的尾气再次通过外循环管401导入进气管101中，使尾气再次通过活塞式膜分离装置2和钯膜脱氢装置3，提高甲烷、氮气、氢气的脱除效率。
制冷分离提纯装置后二级制冷单元603、三级制冷单元605和四级制冷单元607分别制冷产生的液氩、液氮、液氢通过对应连接的一节循环式电磁球推管7输送至多路管接头505，液氩、液氮、液氢汇集到尾气排出换热管504，最后剩余的高纯低温氦气进入氦气专用换热管503中，在换热主管502中的较高温气体与尾气排出换热管504及氦气专用换热管503中的低温气体进行热交换，这不仅可以对即将进行降温处理的气体进行预冷，从而达到降低功耗的目的，而且可将液氩、液氮和液氢升温气化为气体后通过尾气排出换热管504上端口进行搜集。经换热后的高纯氦气通过氦气专用换热管503上端口进入专用的氦气存储罐中存储起来。
液氮制冷机610是一级制冷单元601和二级制冷单元603的直接冷源，也是三级制冷单元605和四级制冷单元607的间接冷源，一级制冷单元601、二级制冷单元603、三级制冷单元605和四级制冷单元607均浸泡在液氮之中。电制冷机612分别为三级制冷单元605和四级制冷单元607进行主要制冷，三级制冷单元605和四级制冷单元607上下并列设置。
制冷分离提纯装置的具体工作过程为：换热主管502下端的尾气首先经过一级制冷单元601，气体被冷却至-160℃左右，气体中的甲烷被冷凝成液体状态，液态甲烷经一级气液分离器602分离后被一节循环式电磁球推管7送入液化天然气存储罐609中存储。剩余气体进入二级制冷单元603，液氮制冷机610继续工作使二级制冷单元603降温至-186℃左右，气体中的氩气被冷凝成液体状态，液氩经二级气液分离器604分离后被一节循环式电磁球推管7送入多路管接头505中，再经过螺旋状的尾气排出换热管504与换热主管502中的预冷却气体进行热交换后变成常温气氩排出。剩余气体进入三级制冷单元605，电制冷机612将气体进一步冷却至-200℃左右，气体中的氮气被冷凝成液体状态，液氮经三级气液分离器606分离后被一节循环式电磁球推管7送入多路管接头505中，再经过螺旋状的尾气排出换热管504与换热主管502中的预冷却气体进行热交换后变成常温气氩排出。剩余气体进入四级制冷单元607，电制冷机612将气体冷却至-253℃左右，气体中的氢气被冷凝成液体状态，液氢经四级气液分离器608分离后被一节循环式电磁球推管7送入换热管502中，多路管接头505中，再经过螺旋状的尾气排出换热管504与换热主管502中的预冷却气体进行热交换后变成常温气氩排出。此时未液化的气体则为提纯后的高纯氦气。此高纯氦气直接进入到氦气专用换热管503中，与换热主管502中的预冷却气体进行热交换后储存到专用的氦气存储罐中。
循环式电磁球推管7前端与各气液分离器相连，后端与多路管接头505相连。金属球701位于循环内管703中，可在电磁线圈组702的有规律控制下向前移动，将制冷分离提纯装置产生的液体和推入换热装置中的尾气排出换热管504中。电磁线圈组702可采用逐个电磁线圈通电产生磁力的方式吸引金属球不断向前运动。两根长管和弧形短管构成的循环内管703可保证金属球701在循环内管703内部一直滚动，从而推动液体从制冷单元中与氦气分离出来。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：包括氦气提纯塔（1）,氦气提纯塔（1）内设置有活塞式膜分离装置（2）、钯膜脱氢装置（3）、外循环回抽装置、换热装置和制冷分离提纯装置，活塞式膜分离装置（2）设置在钯膜脱氢装置（3）上方，换热装置和制冷分离提纯装置设置在钯膜脱氢装置（3）下方，LNG厂尾气与活塞式膜分离装置（2）的顶部进口连接，活塞式膜分离装置（2）底部出口与钯膜脱氢装置（3）顶部进口连接，钯膜脱氢装置（3）底部出口通过换热装置与制冷分离提纯装置的进口连接，制冷分离提纯装置的分离出的气体通过换热装置后排出氦气提纯塔（1），外循环回抽装置的进口与钯膜脱氢装置（3）底部出口连接，外循环回抽装置的出口与活塞式膜分离装置（2）顶部进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：活塞式膜分离装置（2）沿氦气提纯塔（1）中心线圆形阵列布置的若干个，每个活塞式膜分离装置（2）均包括中心线沿垂直方向设置的第一圆筒体（207），第一圆筒体（207）的顶部均连接有第一分气管（103），所有的第一分气管（103）上端通过第一分气控制阀（104）连接有垂直向上伸出氦气提纯塔（1）的进气管（101），进气管（101）上端与LNG厂尾气出口连接，进气管（101）上部设有进气阀（102），外循环回抽装置的出口连接在进气阀（102）下方的进气管（101）上；
第一圆筒体（207）内设有上中空纤维膜单元（201）和下中空纤维膜单元（208），上中空纤维膜单元（201）的外周设有滑动连接在第一圆筒体（207）内壁的第一环形滑块（202），第一环形滑块（202）为铁质材料制成，第一圆筒体（207）内壁上在第一环形滑块（202）的正上方和正下方分别固定设有第一上电磁铁（203）和第一下电磁铁（209），第一圆筒体（207）的侧部在第一下电磁铁（209）和下中空纤维膜单元（208）之间连接有第一排气管（205）及补气管（210）、第一排气管（205）和补气管（210）关于第一圆筒体（207）中心线对称布置，补气管（210）的外端连接有补气泵（204），第一圆筒体（207）底部设有与钯膜脱氢装置（3）顶部进口连接的第二排气管（206）。
3.根据权利要求2所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：钯膜脱氢装置（3）沿氦气提纯塔（1）中心线圆形阵列布置的若干个，每个钯膜脱氢装置（3）均包括中心线沿垂直方向设置的第二圆筒体（301），第二圆筒体（301）的顶部均连接有一根第二分气管（304），所有的第二分气管（304）上端通过第二分气控制阀（305）与第二排气管（206）下端连接；第二圆筒体（301）内同中心线设有内筒体（311），内筒体（311）外圈与第二圆筒体（301）内壁之间形成环形腔（313），内筒体（311）内部设有上钯膜盘单元（302）和下钯膜盘单元（303），上钯膜盘单元（302）的外周设有滑动连接在内筒体（311）内壁的第二环形滑块（306），第二环形滑块（306）为铁质材料制成，内筒体（311）内壁上在第二环形滑块（306）的正上方和正下方分别固定设有第二上电磁铁（307）和第二下电磁铁（312），第二圆筒体（301）外侧部设有与环形腔（313）连通的第三排气管（308），第二圆筒体（301）底部设有第四排气管（309），第四排气管（309）与换热装置及外循环回抽装置的进口连接；第二环形滑块（306）内部为中空环状结构（314），中空环状结构（314）上部通过可伸缩的软管（315）与环形腔（313）的上部连通，上钯膜盘单元（302）和下钯膜盘单元（303）的外部均包裹设有透气的加热带（310），上钯膜盘单元（302）的内部与中空环状结构（314）连通，下钯膜盘单元（303）内部与环形腔（313）连通。
4.根据权利要求3所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：外循环回抽装置包括外循环泵（4）、外循环管（401）和单向阀（402），外循环管（401）下端与第四排气管（309）连接，外循环管（401）上端连接在进气阀（102）下方和第一分气控制阀（104）上方的进气管（101）上，单向阀（402）设置在外循环泵（401）的进口和出口处的外循环管（401）上，进气管（101）上在第一分气控制阀（104）上方的位置设有压力表（403）。
5.根据权利要求3或4所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：换热装置包括竖向设置的安装筒（5）和同轴向设置在安装筒（5）内部的换热主管（502），换热主管（502）上端口通过分支管（501）与钯膜脱氢装置（3）的若干个第四排气管（309）下端相连，换热主管（502）外部同轴向绕设有螺旋状的尾气排出换热管（504），安装筒（5）内底部设有与尾气排出换热管（504）的下端连接的多路管接头（505），安装筒（5）内部设有位于尾气排出换热管（504）外侧的氦气专用换热管（503），氦气专用换热管（503）和尾气排出换热管（504）的上端口伸出安装筒（5）。
6.根据权利要求5所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：制冷分离提纯装置包括第三圆筒体（6）及设置在第三圆筒体（6）内部的一级制冷单元（601）、一级气液分离器（602）、二级制冷单元（603）、二级气液分离器（604）、三级制冷单元（605）、三级气液分离器（606）、四级制冷单元（607）、四级气液分离器（608）、液化天然气存储罐（609）、液氮制冷机（610）、第一液氮舱（611）、电制冷机（612）、第二液氮仓（613）和四条循环式电磁球推管（7），一级制冷单元（601）和二级制冷单元（603）设置在第一液氮仓（611）内，三级制冷单元（605）和四级制冷单元（607）设置在第二液氮仓（613）内，第三圆筒体（6）、第一液氮仓（611）和第二液氮仓（613）均为双层真空保温结构，液化天然气存储罐（609）、液氮制冷机（610）和电制冷机（612）自左向右依次设置在第三圆筒体（6）内的底部，第一液氮仓（611）位于第二液氮仓（613）的左侧，第一液氮仓（611）右侧和第二液氮仓（613）左侧通过管道连接，第一液氮仓（611）位于液氮制冷机（610）正上方，液氮制冷机（610）为第一液氮仓（611）及第二液氮仓（613）内部提供液氮，电制冷机（612）位于第二液氮仓（613）正上方，电制冷机（612）直接为三级制冷单元（605）和四级制冷单元（607）提供制冷，换热装置的安装筒（5）设置在第一液氮仓（611）的左侧及液化天然气存储罐（609）的正上方；
一级制冷单元（601）、二级制冷单元（603）、三级制冷单元（605）和四级制冷单元（607）均为密闭容器；一级制冷单元（601）的上侧部与二级制冷单元（603）的上侧部连通，二级制冷单元（603）的上侧部与三级制冷单元（605）的上侧部连通，三级制冷单元（605）的上侧部与四级制冷单元（607）的上侧部连通；四级制冷单元（607）的顶部与氦气专用换热管（503）连通；多路管接头（505）的一个接口通过混合气管（614）与一级制冷单元（601）的左侧部连接；一级气液分离器（602）设置在一级制冷单元（601）的底部，一级气液分离器（602）通过一条循环式电磁球推管（7）与液化天然气存储罐（609）连接；二级气液分离器（604）设置在二级制冷单元（603）的底部，二级气液分离器（604）通过第二条循环式电磁球推管（7）与多路管接头（505）的第二个接口连接；三级气液分离器（606）设置在三级制冷单元（605）的底部，三级气液分离器（606）通过第三条循环式电磁球推管（7）与多路管接头（505）的第三个接口连接；四级气液分离器（608）设置在四级制冷单元（607）的底部，四级气液分离器（608）通过第四条循环式电磁球推管（7）与多路管接头（505）的第三个接口连接。
7.根据权利要求6所述的一种利用LNG厂尾气进行氦气提取的工艺系统，其特征在于：循环式电磁球推管（7）包括金属球（701），电磁线圈组（702）、循环内管（703）和外管（704），外管（704）的一端穿过制冷单元的底部与气液分离器连接，外管（704）的另一端与多路管接头（505）连接，电磁线圈组（702）和循环内管（703）均设置在外管（704）内部，循环内管（703）包括两条平行于外管（704）的长管，两根长管的两端均通过一根弧形短管连通，气液分离器的液体出口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，多路管接头（505）的液体进口与其中一根长管同轴向设置且相互连通，金属球（701）有若干个，金属球（701）滚动设置在长管和弧形短管内，金属球的外径小于弧形短管和长管的内径，电磁线圈组（702）设置有若干个，若干个电磁线圈组（702）均匀且间隔缠绕在长管和弧形短管的外部。
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