CN113120874A - 一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与方法 - Google Patents

一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与方法，属于资源综合利用技术领域。主要技术方案为高压循环风机、循环气体流量计量和控制装置、催化脱氢反应器、水冷却和分水器形成的闭环系统；所述的催化脱氢反应器的入口设有原料气入口管道，在原料气入口管道上设有氢气分析仪和流量计；在原料气入口管道与催化脱氢反应器入口的交汇处，设有精确控制加氧系统，在氦气出口的管道上设有氢、氧分析仪。本发明属国内首创，具有回收效率高，运行安全可靠，回收氦气纯度高，净化深度好，回收成本低的显著特点。

Description

一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与 方法
技术领域
本发明属于资源综合利用技术领域，具体涉及一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与方法。
背景技术
众所周知，中国是一个氦气十分贫乏的国家，每年需要大量的从国外进口氦气，随着国民经济对氦气的大量需求和国外对中国氦气供应的制约，其重要作用已经上升到国家战略的层面。
我国的地层天然气中的含氦量十分有限，达不到开采氦气资源的合理浓度，所以在以往的天然气开采过程中，均将这部分资源忽视了；随着国家新能源政策的推广，液化天然气作为清洁能源应用的越来越多，液化天然气的生产和使用量就越来越大。这样，地层天然气经过液化后生产成液化天然气，而在所剩余作为废气排放的不凝气体中的氦气含量就骤然升高了，对于这部分气体中所含有的氦气进行分离净化，从而生产出高纯氦气其经济效益和社会效益十分巨大。目前，国内外尚无成熟的用于液化天然气不凝气体中氦气回收分离净化的技术和方法。
现有技术中处理高浓度的氢气时，需要用多级加氧的方式，逐级将氢气反应掉，由于需要控制反应温度，每一级的加氧量不能超过2.5％，参与反应的氢气也只有5％，但对于高浓度氢气而言，设备过于复杂和难于综合控制。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置与方法。可以将不凝气体中的氢气净化干净，为后续的制取高纯氦气打下基础。将液化天然气所排放的废气中的氦气回收净化为新的原料。
本发明的技术方案为：一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置，为高压循环风机、循环气体流量计量和控制装置、催化脱氢反应器、水冷却和分水器形成的闭环系统；所述的催化脱氢反应器的入口设有原料气入口管道，在原料气入口管道上设有氢气分析仪和流量计；
在原料气入口管道与催化脱氢反应器入口的交汇处，设有精确控制加氧系统，在氦气出口的管道上设有氢、氧分析仪。
进一步的，在原料气入口处设置一个纯氦或氮气的入口。
进一步的，所述的精确控制加氧系统的出口与原料氦气的入口连接。
进一步的，所述的循环气体流量计量和控制装置调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2。
本发明同时请求保护一种从从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化方法，步骤如下：
S1闭环系统中注入与被净化气体压力相同的纯氦气体或纯氮气体；
S2启动高压循环风机，将所注入的气体循环起来，循环气体流量计量和控制装置调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2；
S3关闭注入气体同时打开被纯化气体阀门，被纯化气体逐步进入到闭环系统中；S4由原料气流量计、氢气分析仪和流量计和精确控制加氧系统组成的加氧回路，根据检测到的原料气流量和氢气浓度，向闭环系统中加入定量的氧气；根据回环回路中氢气的含量来定量，定量计算方法为：0.5VH2+0.5％
其中：VH2循环回路中氢气的含量；
S5加入的氧气与循环气体中的氢气在催化脱氢反应器中被催化反应生成水，再经过水冷却器冷凝后，由分水器将冷凝下来的液态水分离出去，从而将氢气从氦气中脱除；
S6当出口的氢、氧分析仪的检测数值达到规定值，H2≤1ppm，O2≤1％后，即可向界外输送产品气。
进一步的，步骤S1为：使用被纯化的气体，以控制加氧的方式，建立所需要的循环气体压力和气体流量。
进一步的，所述的纯氦气体以直接用原料氦气控制加氧的方式获得。
高压循环风机、循环气体流量计量和控制装置组成了循环气体的功力系统，其中、循环气体流量计量和控制装置内的流量控制阀门可以调节循环的气体流量并由流量计计量，这个流量标记为f1；(被净化的气体(原料氦气)的流量标记为f2，氦气的流量标记为fHe，氢气的流量标记为fH2，其它气体(氮气、甲烷等)流量标记为fq)，使f1满足以下条件：
f2＝fHe+fH2+fq；
氦气的浓度为：fHe/f2
氢气的浓度为：fH2/f2 (10％～60％)
那么：fH2/(f1+f2)≤5％
f1≥(fH2-5％f2)/5％＝20(fH2-5％f2)≈20fH2
闭环回路中的需要循环的气体流量远远大于原料氦气的流量，循环回路的气体通过能力应在20fH2，由循环气体流量计量计量。
本发明的一种脱除氦气中高浓度氢气的方法，具体地说是一种利用本发明的循环装置，在一个装有高效催化剂的催化反应器、水冷却器、汽水分离器、循环风机(或循环压缩机)、流量计量控制和氧气、氢气分析系统的闭环系统中，由控制系统控制风机并由流量计量，在闭环系统中形成一个流动的气体流量(无氢气)，这个流量与被净化的气体混合后，使混合后的气体中的氢气浓度小于5％(H2≤5％，这样就可以控制纯化装置的温升不会超过400℃)；从而可以安全可靠的将氢气从氦气中分离出去。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的氦气分离净化装置在催化反应装置两端，建立起一条循环气路，利用循环气路中的气体不含氢气的特点，将进入到催化反应器中的气体的含氢量控制在5％以下，从而使脱氢的温度小于400℃。再配以变压吸附和终端净化，可使氦气纯化到99.999％以上。
(2)氦气回收纯度高，在经济回收率下，其回收纯度到达95％以上。
(3)本发明将新能源领域中液化天然气生产过程所排出的不凝废气中的氦气回收净化利用，即使资源得到了充分的利用。又为能源企业创造的经济效益，更为国家摆脱氦气严重依赖进口找到新的出路，改变氦气依赖进口的现状，使光纤企业生产得到保障。
(4)国内外尚无成熟的用于液化天然气不凝气体中氦气回收分离净化的技术和方法，本发明属国内首创，具有回收效率高，运行安全可靠，回收氦气纯度高，净化深度好，回收成本低的显著特点。在实验室阶段，证明了其具有无可比拟的技术优势和广阔的应用前景，具有巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明采用循环加氧脱氢的工艺流程图；
其中：1：催化脱氢反应器，2：水冷却和分水器，3：高压循环风机，4：循环气体流量计量和控制装置，5：加氧控制系统；6：氢气分析仪，7：氢、氧分析仪。
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细地描述本发明。但是，应该说明的是，本发明无论如何也不限于这些施例。
本发明的方法设计一个循环回路，利用经过催化反应器后的气体中不含氢气的特性，将这部分气体循环起来，并使循环量达到20fH2。可以保障反应器的安全运行，从而通过一级催化反应器，就可以将高浓度的氢气脱除。
以下参看附图1所示，图1是根据本发明的一个实施方式的采用氦气回收净化装置回收净化光纤冷却氦气的工艺流程图。以下实施例采用的装置及方法如下：
一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置，为高压循环风机3、循环气体流量计量和控制装置4、催化脱氢反应器1、水冷却和分水器2形成的闭环系统；所述的催化脱氢反应器1的入口设有原料气入口管道9，在原料气入口管道9上设有氢气分析仪和流量计6；在原料气入口管道9与催化脱氢反应器1入口的交汇处，设有精确控制加氧系统5，在氦气出口10的管道上设有氢、氧分析仪7，在原料气入口8处设置一个纯氦或氮气的入口，所述的精确控制加氧系统5的出口与原料氦气的入口连接，所述的循环气体流量计量和控制装置4调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2；
一种从从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化方法，步骤如下：
S1闭环系统中注入与被净化气体压力相同的纯氦气体；所述的纯氦气体以直接用原料氦气控制加氧的方式获得；
S2启动高压循环风机3，将所注入的气体循环起来，循环气体流量计量和控制装置4调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2；
S3关闭注入气体同时打开被纯化气体阀门，被纯化气体逐步进入到闭环系统中；
S4由原料气流量计、氢气分析仪和流量计6和精确控制加氧系统5组成的加氧回路，根据检测到的原料气流量和氢气浓度，向闭环系统中加入定量的氧气；
S5加入的氧气与循环气体中的氢气在催化脱氢反应器1中被催化反应生成水，再经过水冷却器冷凝后，由分水器将冷凝下来的液态水分离出去，从而将氢气从氦气中脱除；
S6当出口的氢、氧分析仪7的检测数值达到规定值，H2≤1ppm，O2≤1％后，即可向界外输送产品气。
实施例1-4
在氦气加氧脱氢过程中，不同循环流量的条件下的净化过程。
表1：原料氦气的技术指标和操作条件
名称 单位 数据 说明
流量 Nm<sup>3</sup>/h 58 -
氦气 ％ 54.5 -
氢气 ％ 42 -
氮气 ％ 3.5 -
温度 ℃ 22 -
压力 Mpa 1.0 -
表2：净化后氦气的状态
实施例 1 2 3 4
循环流量(Nm<sup>3</sup>/h) 600 500 400 300
氦气流量(Nm<sup>3</sup>/h) 31.6 31.6 31.6 31.6
氢气流量(Nm<sup>3</sup>/h) 24.36 24.36 24.36 24.36
反应器温度(℃) 310 370 450 600
氢回流比 24.6 20.5 16.4 12.3
净化后氢含量(％) 0 0 0 0
净化后氧含量(％) 0.05～0.13 0.1～015 0.1～0.2 0.1～0.2
从上述实施例中看出，在氢气含量较高(40％)的条件，可以通过加大氢回流比，使得纯化过程工作在安全的温度范围内。
实施例5-8
在氦气中的氢气含量较低的情况下，加氧脱氢工作的状况如下：
表3：原料氦气的技术指标和操作条件
名称 单位 数据 说明
流量 Nm<sup>3</sup>/h 80 -
氦气 ％ 83.5 -
氢气 ％ 13 -
氮气 ％ 3.5 -
温度 ℃ 20 -
压力 Mpa 1.0 -
表4：净化后氦气的状态
实施例 1 2 3 4
循环流量(Nm<sup>3</sup>/h) 300 250 200 150
氦气流量(Nm<sup>3</sup>/h) 66.8 66.8 66.8 66.8
氢气流量(Nm<sup>3</sup>/h) 10.4 10.4 10.4 10.4
反应器温度(℃) 270 320 400 530
氢回流比 28.8 24 19.2 14.4
净化后氢含量(％) 0 0 0 0
净化后氧含量(％) 0.05～0.10 0.1～011 0.1～0.15 0.1～0.18
从上述实施例可以看出，氦回流比越大，反应温度越低，氧气的剩余量越小，对于氦气的纯化越安全可靠，从数据来看，设定氢回流比为≥20是科学的。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化装置，其特征在于，为高压循环风机(3)、循环气体流量计量和控制装置(4)、催化脱氢反应器(1)、水冷却和分水器(2)形成的闭环系统；所述的催化脱氢反应器(1)的入口设有原料气入口管道(9)，在原料气入口管道(9)上设有氢气分析仪和流量计(6)；
在原料气入口管道(9)与催化脱氢反应器(1)入口的交汇处，设有精确控制加氧系统(5)，在氦气出口(10)的管道上设有氢、氧分析仪(7)。
2.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，在原料气入口(8)处设置一个纯氦或氮气的入口。
3.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述的精确控制加氧系统(5)的出口与原料氦气的入口连接。
4.如权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述的循环气体流量计量和控制装置(4)调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2。
5.一种从从天然气液化后的不凝气体中提取氦气的纯化方法，其特征在于，步骤如下：
S1闭环系统中注入与被净化气体压力相同的纯氦气体或纯氮气体；
S2启动高压循环风机(3)，将所注入的气体循环起来，循环气体流量计量和控制装置(4)调节和控制循环气体流量，由流量计计量气体流量，标记为f1，氢气的流量标记为fH2，f1≥20fH2；
S3关闭注入气体同时打开被纯化气体阀门，被纯化气体逐步进入到闭环系统中；S4由原料气流量计、氢气分析仪和流量计(6)和精确控制加氧系统(5)组成的加氧回路，根据检测到的原料气流量和氢气浓度，向闭环系统中加入定量的氧气；
S5加入的氧气与循环气体中的氢气在催化脱氢反应器(1)中被催化反应生成水，再经过水冷却器冷凝后，由分水器将冷凝下来的液态水分离出去，从而将氢气从氦气中脱除；
S6当出口的氢、氧分析仪(7)的检测数值达到规定值，H2≤1ppm，O2≤1％后，即可向界外输送产品气。
6.如权利要求5所述的纯化方法，其特征在于，步骤S1为：使用被纯化的气体，以控制加氧的方式，建立所需要的循环气体压力和气体流量。
7.如权利要求5所述的纯化方法，其特征在于，所述的纯氦气体以直接用原料氦气控制加氧的方式获得。
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