CN113154409B - 一种从bog气体中提氦与能源利用的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统和方法，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统通过利用纯氧燃烧的方式去除BOG气体中的CH4和H2；并通过蒸汽发生单元和空冷器对纯氧燃烧后的混合气体进行处理以脱出H2O，和利用液化温度不同，通过分级降温的方式分别脱出CO2、O2、N2，并进行纯化和液化得到高纯度的液态二氧化碳、液氧和液氮，其中液氧气化后进入纯氧燃烧室中进行二次利用，液氮气化后排到大气中，脱出CO2、O2、N2后的混合气体进入二级冷箱中进行降温纯化，以得到纯氦，其中纯氧燃烧BOG气体所产生的热能能够满足LNG工厂生产用热和本系统提氦的能耗需求与LNG工厂的电耗需求，系统整体结构简单且能耗小。

Description

一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统和方法
技术领域
本发明涉及LNG工厂的BOG气体回收技术领域，特别是涉及一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统和方法。
背景技术
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。氦气是重要的战略资源，我国在部分天然气田中发现天然气中含氦量约0.04％～0.1％。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。
BOG气体中氦含量最大会到8％，现已有BOG低温提氦技术的应用，主要有以下两种方案：
深冷分离及纯化技术：BOG闪蒸气经过催化脱氢、低温脱甲烷、催化脱氧、低温脱氮、吸附脱杂质等工艺实现提氦，分气氦和液氦两种产品，此种工艺可提出高纯度氦(99.999％以上)。
低温分离及吸附技术：BOG闪蒸气经过低温脱N2后剩余气体进入膜分离器，分离出其中的氦，最终产品为气氦。
以上两种方案提氦装置相对独立，仅以提氦为目的，BOG气体内的氢气、甲烷等可燃气体首先通过低温分离去除大部分，剩余氢气、甲烷等通过催化氧化进行去除，能耗较高，装置较为复杂，不可控因素较多，而且未能很好的考虑LNG工厂能源平衡及利用问题。
发明内容
本发明的一目的是，提供一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统和方法，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统结构简单，能耗小，并能够回收一系列副产品和获得高纯度的氦。
本发明在一方面提供了一种从BOG气体中提氦与能源利用的方法，包括步骤：
S1、将O2和BOG气体通入纯氧燃烧室中进行纯氧燃烧，除去BOG气体中的CH4和H2；
S2、将纯氧燃烧后的混合气体通入蒸汽发生单元中进行处理，产出低压过热蒸汽和低温混合气体并脱出部分H2O，所述低温混合气体通入空冷器中进行冷凝吸附和干燥脱水，以脱出全部H2O；
S3、将脱出全部H2O后的混合气体通入CO2脱出及液化单元中进行脱CO2处理，并对脱出的CO2进行提纯和液化处理，得到高纯度的液态二氧化碳；
S4、将脱出CO2后的混合气体通入一级冷箱中，进行分级降温处理以依次脱出O2和N2，得到粗氦气；以及
S5、将粗氦气通入二级冷箱中，通过降温纯化的方式去除杂质，得到纯氦。
在本发明的一实施例中，所述步骤S1和所述步骤S2之间还包括步骤：将纯氧燃烧后的混合气体通入一级换热器中进行换热，换热后的混合气体通入所述蒸汽发生单元中进行脱H2O处理。
在本发明的一实施例中，所述一级换热器为导热油/循环水换热器，纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂的生产用热；另一部分热能经由蒸汽轮机与电机转化为机械能和电能，用于满足提氦能耗需求和LNG工厂的耗电需求。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S2中，经由所述一级换热器换热后的混合气体经所述蒸汽发生单元的二级换热器、三级换热器以及汽包处理后，产出所述低压过热蒸汽。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S1中，通过控制BOG气体和O2的配比的方式，控制纯氧燃烧后的混合气体中的O2的含量。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S3中，利用液化温度的不同，降温分离出CO2，并通过压缩机加压和制冷的方式分离得到高纯度的液态二氧化碳。
在本发明的一实施例中，在所述步骤S4中，利用液化温度的不同，通过分级降温的方式分别分离出液氧和液氮，其中分离出来的液氮经过所述一级冷箱的前置换热器，对通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷，以降低所述一级冷箱的能耗；分离出来的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室的供氧管网，进行二次利用，液氧气化过程释放的冷量也用于对通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷；经过脱O2、脱N2后的粗氦气经过吸热变为常温后，进行再次催化脱氧，释放的冷量也用于给通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷。
本发明在另一方面还提供了一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统，包括依次连接的纯氧燃烧室、一级换热器、蒸汽发生单元、空冷器、脱CO2及液化单元、一级冷箱、二级冷箱，其中所述蒸汽发生单元包括二级换热器、连接于所述二级换热器和所述空冷器的三级换热器、连接于所述二级换热器和所述三级换热器的汽包以及连接于所述汽包和所述三级换热器的给水循环结构；其中，
所述纯氧燃烧室用于通入BOG气体和O2进行纯氧燃烧；
所述一级换热器用于对纯氧燃烧后的混合气体进行换热，以用于LNG工厂的生产用热；
所述二级换热器、所述三级换热器、所述汽包以及所述给水循环结构用于对换热后的混合气体进行处理，以产出低压过热蒸汽和低温混合气体，并脱出部分H2O；
所述空冷器用于对所述低温混合气体进行冷凝吸附和干燥脱水处理，以脱出所述低温混合气体中的全部H2O；
所述脱CO2及液化单元用于对脱出H2O后的混合气体进行脱CO2和对脱出的CO2进行提纯及液化处理，以得到高纯度的液态二氧化碳；
所述一级冷箱用于对经过脱CO2后的混合气体进行分级降温处理以依次脱出O2和N2,以得到粗氦气，其中从所述一级冷箱中分离出的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室的供氧管网；
所述二级冷箱用于对粗氦气进行降温纯化处理，以得到纯氦。
在本发明的一实施例中，所述一级换热器为导热油/循环水换热器，其中纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂生产用热；另一部分热能经由所述低压过热蒸汽转化为机械能和电能，用于满足所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统的提氦能耗需求和LNG工厂耗电需求。
在本发明的一实施例中，所述二级换热器为低压饱和蒸汽过热器，所述三级换热器由蒸发器和省煤器构成，所述汽包为低压汽包，所述低压汽包接收所述省煤器输出的低压汽水进行汽水分离，并向所述蒸发器输送低压饱和水和向所述低压饱和蒸汽过热器输送低压饱和蒸汽，所述低压饱和蒸汽过热器加热低压饱和蒸汽以产出低压过热蒸汽，所述给水循环结构用于为所述低压汽包和所述三级换热器提供低压冷凝的除氧水。
在本发明的一实施例中，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统还包括连接于所述蒸汽发生单元的蒸汽轮机以及分别连接于所述蒸汽轮机的发电机和制氧机，所述蒸汽轮机包括第一蒸汽轮机和第二蒸汽轮机，所述第一蒸汽轮机连接于所述二级换热器和所述发电机，所述第二蒸汽轮机连接于所述二级换热器和所述制氧机；其中所述蒸汽发生单元产出的一部分所述低压过热蒸汽通入所述第一蒸汽轮机和所述发电机中将热能转换为机械能和电能，以用于所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统提氦的能耗和LNG工厂的电耗；另一部分所述低压过热蒸汽通入所述第二蒸汽轮机中，为所述制氧机提供制氧动力，其中所述制氧机用于为所述纯氧燃烧室提供O2。
本发明的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统，在原有BOG提氦工艺基础上进行改进，同时考虑LNG工厂热平衡问题，开发出了一套新的LNG生产装置联产氦气及能源综合利用系统，使提氦装置与全场热平衡相结合，降低能耗的同时能够得到一系列副产品，如液态二氧化碳、液氧、液氮等，并进行提氦过程中的能源进行合理分配和利用，使得提氦过程中所产生的能量既能够满足LNG工厂生产用热，又能够满足该系统提氦的能耗需求与LNG工厂的电耗需求。
本发明的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统，通过纯氧燃烧的方式，能够完全去除BOG气体内的氢气、甲烷等可燃气体，而且燃烧产生的热能还能够用于LNG工厂生产用热和该系统提氦的能耗需求与LNG工厂的电耗需求，整个系统的能耗较小，能够对提氦过程中产生的能源进行合理的分配和利用。而且，通过纯氧燃烧的方式，避免了采用现有技术中的催化脱氢、催化脱甲烷装置的结构复杂、操作复杂、能耗较高的问题。另外，本发明的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统还充分地利用了过程气冷却能量，通过将液氮、液氧复温至常温的冷量传递给进入一级冷箱的混合气体，以节省一级冷箱的制冷量，有利于降低系统的整体能耗。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为根据本发明的一优选实施例的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统的结构框图。
图2为根据本发明的上述优选实施例的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统的提氦流程框图。
图3为根据本发明的上述优选实施例的所述从BOG气体中提氦与能源利用的方法的流程示意图。
图4为根据本发明的上述优选实施例的所述从BOG气体中提氦与能源利用的方法的具体步骤框图。
附图标号说明：从BOG气体中提氦与能源利用的系统100；纯氧燃烧室10；一级换热器20；蒸汽发生单元30；二级换热器31；三级换热器32；低压汽包33；给水循环结构34；空冷器40；脱CO2及液化单元50；一级冷箱61；二级冷箱62；蒸汽轮机70；第一蒸汽轮机71；第二蒸汽轮机72；发电机80；制氧机90。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，根据本发明的一优选实施例的一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统100和方法被具体阐明。
如图1和图2所示，本发明提供了一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统100，包括依次连接的纯氧燃烧室10、一级换热器20、蒸汽发生单元30、空冷器40、脱CO2及液化单元50、一级冷箱61、二级冷箱62，其中所述蒸汽发生单元30包括二级换热器31、连接于所述二级换热器31和所述空冷器40的三级换热器32、连接于所述二级换热器31和所述三级换热器32的汽包以及连接于所述汽包和所述三级换热器32的给水循环结构34；其中，
所述纯氧燃烧室10用于通入BOG气体和O2进行纯氧燃烧；
所述一级换热器20用于对纯氧燃烧后的混合气体进行换热，以用于LNG工厂的生产用热；
所述二级换热器31、所述三级换热器32、所述汽包以及所述给水循环结构34用于对换热后的混合气体进行处理，以产出低压过热蒸汽和低温混合气体，并脱出部分H2O；
所述空冷器40用于对所述低温混合气体进行冷凝吸附和干燥脱水处理，以脱出所述低温混合气体中的全部H2O；
所述脱CO2及液化单元50用于对脱出全部H2O后的混合气体进行脱CO2和对脱出的CO2进行提纯及液化处理，以得到高纯度的液态二氧化碳；
所述一级冷箱61用于对经过脱CO2后的混合气体进行分级降温处理以依次脱出O2和N2,以得到粗氦气，其中从所述一级冷箱61中分离出的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室10的供氧管网，进行二次利用；
所述二级冷箱62用于对粗氦气进行降温纯化处理，以得到纯氦。
可以理解的是，本发明通过采用所述纯氧燃烧室10进行纯氧燃烧的方式，能够完全除去BOG气体中的CH4和H2，避免了现有技术中采用结构复杂的低温分离装置和催化脱氢、催化脱甲烷装置，并且能耗低，纯氧燃烧BOG气体所产生的热能能够用于LNG工厂生产用热和该系统提氦的能耗需求与LNG工厂的电耗需求，因此整个系统的能耗较小，即本发明能够对提氦过程中产生的能源进行合理的分配和利用，使得整个系统能耗较小。
具体地，所述一级换热器20为导热油/循环水换热器，其中纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂生产用热；另一部分热能经由所述低压过热蒸汽转化为机械能和电能，用于满足所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的提氦能耗需求和LNG工厂耗电需求。
进一步地，所述二级换热器31为低压饱和蒸汽过热器，所述三级换热器32由蒸发器和省煤器构成，所述汽包为低压汽包33，所述低压汽包33接收所述省煤器输出的低压汽水进行汽水分离，并向所述蒸发器输送低压饱和水和向所述低压饱和蒸汽过热器输送低压饱和蒸汽，所述低压饱和蒸汽过热器加热低压饱和蒸汽以产出低压过热蒸汽，所述给水循环结构34用于为所述低压汽包33和所述三级换热器32提供低压冷凝的除氧水。
更进一步地，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100还包括连接于所述蒸汽发生单元30的蒸汽轮机70以及分别连接于所述蒸汽轮机70的发电机80和制氧机90，所述蒸汽轮机70包括第一蒸汽轮机71和第二蒸汽轮机72，所述第一蒸汽轮机71连接于所述二级换热器31和所述发电机80，所述第二蒸汽轮机72连接于所述二级换热器31和所述制氧机90；其中所述蒸汽发生单元30产出的一部分所述低压过热蒸汽通入所述第一蒸汽轮机71和所述发电机80中将热能转换为机械能和电能，以用于所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100提氦的能耗和LNG工厂的电耗；另一部分所述低压过热蒸汽通入所述第二蒸汽轮机72中，为所述制氧机90提供制氧动力，其中所述制氧机90用于为所述纯氧燃烧室10提供O2。
可以理解的是，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的工作流程为：
LNG工厂的BOG气体和O2通入所述纯氧燃烧室10中进行纯氧燃烧，以除去BOG气体中的CH4和H2；
纯氧燃烧后的混合气体经所述一级换热器20换热，以用于LNG工厂的生产用热；
经所述一级换热器20换热后的混合气体通入所述二级换热器31、所述三级换热器32以及所述汽包处理后，产出低压过热蒸汽和低温混合气体并脱出部分H2O,所述低温混合气体通入所述空冷器40中，进行冷凝吸附和干燥脱水处理，以脱出所述低温混合气体中的全部H2O；其中所述蒸汽发生单元30产出的一部分所述低压过热蒸汽通入所述第一蒸汽轮机71和所述发电机80中将热能转换为机械能和电能，以用于所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100提氦的能耗和LNG工厂的电耗；另一部分所述低压过热蒸汽通入所述第二蒸汽轮机72中将热能转换为供所述制氧机90制氧的动力；
将经过脱H2O处理后的混合气体通入所述CO2脱出及液化单元中进行脱CO2处理，脱出的CO2进行提纯及液化，得到高纯度的液态二氧化碳；
将经过脱CO2后的混合气体通入一级冷箱61中，进行分级降温处理以依次脱出O2和N2,得到粗氦气；其中分离出来的液氮经过所述一级冷箱61的前置换热器，对通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷，以降低冷箱能耗；分离出来的液氧经气化后并入纯氧燃烧供氧管网，进行二次利用，液氧气化过程释放的冷量也用于对通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷；经过脱O2、脱N2的粗氦气经过吸热变为常温后，进行再次催化脱氧，释放的冷量也用于给通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷；
最后将粗氦气通入所述二级冷箱62中，通过降温纯化去除杂质，得到纯氦。
还可以理解的是，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的能耗主要为所述制氧机90、所述CO2脱出及液化单元、所述一级冷箱61以及所述二级冷箱62，其中所述制氧机90的耗能占整体系统耗能的45％。为提升能量利用效率，所述蒸汽发生单元30所产出的所述低压过热蒸汽一部分直接通过所述第二蒸汽轮机72驱动所述制氧机90的压缩机工作，另一部分输出至所述第一蒸气轮机和所述发电机80，发出的电能优先满足所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的能耗需求，剩余部分补充LNG工厂的耗电需求。而且，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100在提氦过程中，还充分利用了过程气冷却能量，例如液氮、液氧复温至常温的冷量传递给进入所述一级冷箱61的混合气体，以进行预冷，从而节省所述一级冷箱61的制冷量，降低系统的整体能耗。
总的来讲，本发明的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100不仅能够提取出高纯度的氦，还能够提取出一系列的副产品，如液氮、液氧、高纯度的液态二氧化碳，并且能够利用液氮、液氧的冷量降低所述一级冷箱61的能耗，利用将液氧气化后回收至所述纯氧燃烧室10的供氧管网中进行二次利用，还通过换热的方式，将纯氧燃烧过程中所产生的热能转化为LNG工厂的生产用热，以及通过换热的方式将热能转化为供整个系统提氦的机械能和LNG工厂的电能，因此本发明提供了一种提氦简单、能源利用率高以及考虑到LNG工厂能源平衡及利用问题的提氦系统。
如图3和图4所示，本发明在一方面还提供了一种从BOG气体中提氦与能源利用的方法，包括步骤：
S1、将O2和BOG气体通入纯氧燃烧室10中进行纯氧燃烧，除去BOG气体中的CH4和H2；
S2、将纯氧燃烧后的混合气体通入蒸汽发生单元30中进行处理，产出低压过热蒸汽和低温混合气体并脱出部分H2O，将所述低温混合气体通入空冷器40中进行冷凝吸附和干燥脱水，以脱出全部H2O；
S3、将脱出全部H2O后的混合气体通入CO2脱出及液化单元中进行脱CO2处理，并对脱出的CO2进行提纯和液化处理，得到高纯度的液态二氧化碳；
S4、将脱出CO2后的混合气体通入一级冷箱61中，进行分级降温处理以依次脱出O2和N2，得到粗氦气；以及
S5、将粗氦气通入二级冷箱62中，通过降温纯化的方式去除杂质，得到纯氦。
值得一提的是，在所述步骤S1中，通过控制BOG气体和O2的配比的方式，控制纯氧燃烧后的混合气体中的O2的含量，各LNG工厂BOG闪蒸气可燃成份不一样，提供燃烧所需供氧量也不一样，供氧量原则是保证充分燃烧的前提下尽量控制氧气的过剩系数，为后端脱氧降低能耗。也就是说，本发明对BOG气体和O2的配比不作具体限定，可视实际情况具体确定。
可以理解的是，由于在所述步骤S1中是纯氧燃烧，BOG气体中的N2含量很少，同时还控制了燃烧的温度在800℃以内，因此在所述步骤S1中，氮氧化合物的产生可以忽略不计，也就是说，在所述步骤S1中，不会产生对环境有害的如二氧化氮、一氧化氮之类的氮氧化合物，即本发明提供了一种对环境友好的提氦系统和方法。
进一步地，所述步骤S1和所述步骤S2之间还包括步骤：将纯氧燃烧后的混合气体通入一级换热器20中进行换热，换热后的混合气体通入所述蒸汽发生单元30中进行脱H2O处理。
特别地，所述一级换热器20为导热油/循环水换热器，纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂的生产用热；另一部分热能经由蒸汽轮机70与电机转化为机械能和电能，用于满足提氦能耗需求和LNG工厂的耗电需求。
可以理解的是，在所述步骤S2中，经由所述一级换热器20换热后的混合气体经所述蒸汽发生单元30的二级换热器31、三级换热器32以及汽包处理后，产出所述低压过热蒸汽。
值得一提的是，在所述步骤S2中，脱出的冷凝水并入污水系统，降温干燥后的混合气体通入所述脱CO2及液化单元进行脱CO2进行处理。
此外，还值得一提的是，在所述步骤S3中，利用液化温度的不同，降温分离出CO2，并通过压缩机加压和制冷的方式分离得到高纯度的液态二氧化碳，其中高纯度的液体二氧化碳通入充装单元中进行充装，以此完成BOG气体的副产品液态二氧化碳的回收，避免了LNG工厂排碳，符合节能减排要求，同时收集的液态二氧化碳可转化为经济效益。
进一步地，在所述步骤S4中，利用液化温度的不同，通过分级降温的方式分别分离出液氧和液氮，其中分离出来的液氮经过所述一级冷箱61的前置换热器，对通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷，以降低所述一级冷箱61的能耗；分离出来的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室10的供氧管网，进行二次利用，液氧气化过程释放的冷量也用于对通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷；经过脱O2、脱N2后的粗氦气经过吸热变为常温后，进行再次催化脱氧，释放的冷量也用于给通入所述一级冷箱61的混合气体进行预冷。
也就是说，本发明在提氦过程中充分利用了过程气冷却能量，液氮、液氧复温至常温的冷量传递给进入所述一级冷箱61中的混合气体，进行预冷，以节省所述一级冷箱61的制冷量，降低所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的整体能耗。
最后，在所述步骤S5中得到的高纯氦通入充装单元中进行充装，以此完成从BOG气体中提氦的整个过程。
以下将结合具体的实施例1对本发明的从BOG气体中提氦与能源利用的方法的原理和步骤进行说明。
实施例1
基于现有LNG生产装置，以100万标方/小时的LNG工厂为例，BOG气体循环量约800～1000Nm3/h，LNG工厂的胺液再生所需热量由导热油炉或热水锅炉提供，消耗BOG气体约400Nm3/h，本发明的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的路线提取约800Nm3/hBOG气体，通过纯氧燃烧的方式完全去除CH4、H2等可燃成份，同时与全场热平衡进行匹配，多余能量用以本系统自身耗能，详细工艺流程说明如下：
1)BOG气体纯氧燃烧
BOG气体与一定过量的纯氧通过单独设置的纯氧燃烧室10进行完全燃烧，燃烧完全的BOG气体内的CH4、H2及其他可燃物质转化为CO2、H2O，同时因过氧燃烧，燃烧后的气体内会存留一定量的O2。也就是说，BOG气体纯氧燃烧后混合气体主要成份为：CO2、H2O、O2、N2、He。值得一提的是，纯氧燃烧室10输出的混合气体的温度控制在800℃以内。因为是纯氧燃烧并控制了燃烧温度，BOG气体内N2含量很少，因此对环境有害的如二氧化氮、一氧化氮等氮氧化合物的产生可忽略不计。
2)导热油/循环水取热
LNG工厂生产过程中需要给胺液再生过程供热，一般采用导热油或循环水作为热载体进行换热，纯氧燃烧室10输出的高温混合气体通过导热油/循环水换热器与导热油或循环水进行换热，以满足LNG工厂生产用热。
所述导热油/循环水换热器输出的混合气体的温度约在550℃左右，成份未发生变化，即所述导热油/循环水换热器输出的混合气体的主要成分还是CO2、H2O、O2、N2、He。
3)蒸汽发生单元30
所述导热油/循环水换热器输出550℃的混合气体至蒸汽发生单元30中，产生低压过热蒸汽。蒸汽发生单元30由低压蒸汽过热器、蒸发器及省煤器、低压汽包33、给水循环结构34等构成，550℃的混合气体进入所述蒸汽发生单元30后产出1.6MPa低压过热蒸汽。具体地，所述低压汽包33接收所述省煤器输出的低压汽水进行汽水分离，并向所述蒸发器输送低压饱和水和向所述低压饱和蒸汽过热器输送低压饱和蒸汽，所述低压饱和蒸汽过热器加热低压饱和蒸汽以产出低压过热蒸汽，所述给水循环结构34为所述低压汽包33和所述三级换热器32提供低压冷凝的除氧水。
所述导热油/循环水换热器输出的550℃的混合气体自所述蒸汽发生单元30输出后温度降至80℃左右，形成低温混合气体，此时所述低温混合气体中的H2O会部分脱出，该部分脱出的H2O随所述给水循环结构34的输送管路进入所述低压汽包33中进行重复利用，其中所述低压汽包33在进行汽水分离的同时还除去了低压饱和蒸汽中的杂质，即对低压饱和蒸汽进行了提纯。
4)脱水及干燥
80℃左右的所述低温混合气体自所述蒸汽发生单元30输出至所述空冷器40，所述空冷器40通过冷凝分离及干燥吸附去除所述低温混合气体中的全部水分，此时所述空冷器40输出的混合气体的成份剩余为CO2、O2、N2、He，温度变为常温。
5)分离CO2及液化CO2
利用液化温度点的不同，对脱水后的混合气体进行脱CO2，具体地，将脱水后的混合气体通过脱CO2及液化单元50，将CO2在混合气体中分离出来，并通过提纯工艺，生产高纯度液态二氧化碳。脱出CO2后的混合气体成份剩余为O2、N2、He，因此后续进入所述一级冷箱61和所述二级冷箱62的混合气体的流量大幅度减少，有利于降低了后端提氦能耗。
6)低温分离O2、N2及低温吸附N2、O2
脱出CO2后的混合气体进入所述一级冷箱61，利用液化温度点不同，通过分级降温的方式分别分离O2、N2，其中O2的液化温度为-183℃，N2的液化温度为-196℃，因此，通过分级降温的方式可以分离出O2、N2。分离完成后的粗氦气仍有微量的N2、O2，通过低温吸附的方式进行去除微量的N2、O2。分离收集的液氮通过所述一级冷箱61的前置换热器与脱出CO2后的混合气体进行回热，换热后的N2变为气态排入大气。脱N2、O2完成的粗氦仍有一部分杂质气体，如氖等。
7)低温纯化及液化提纯
脱N2、O2后的粗氦气进入所述二级冷箱62，通过降温及低温纯化，去除剩余杂质，产出高纯度液氦(99.999％)，至此，提氦过程完成。
8)能源利用与平衡
BOG气体燃烧释放的热能一部分用于LNG工厂的生产用热，剩余部分通过产生所述低压过热蒸汽推动蒸汽轮机70转化为机械能，实现能量的利用。具体地，燃烧后的混合气体先与导热油/循环水进行换热，满足LNG工厂热能需求，剩余热量通过产生低压过热蒸汽利用蒸汽轮机转化为机械能及电能，补充本工艺系统能源消耗，剩余能量转化为电能补充LNG工厂电耗。
本工艺系统能耗主要为所述制氧机90、所述CO2分离及液化单元、所述一级冷箱61及所述二级冷箱62，其中所述制氧机90耗能占整个系统耗能的45％。为提升能量利用效率，所述蒸汽发生单元30所产出的所述低压过热蒸汽一部分直接通过所述第二蒸汽轮机72驱动所述制氧机90的压缩机工作，另一部分输出至所述第一蒸气轮机和所述发电机80，发出的电能优先满足所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100的能耗需求，剩余部分补充LNG工厂的耗电需求。而且，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统100在提氦过程中，还充分利用了过程气冷却能量，例如液氮、液氧复温至常温的冷量传递给进入所述一级冷箱61的混合气体，以进行预冷，从而节省所述一级冷箱61的制冷量，降低系统的整体能耗。
本发明通过燃烧脱氢、脱甲烷及能量转化系统，综合考虑了提氦工艺过程中全场能源消耗及消除碳排放。
总的来讲，本发明提供了一套BOG提氦新工艺，包括：纯氧燃烧脱H2、脱CH4，产生高温混合气体；高温混合气体能量转化，一部分热量传递给导热油/循环水，另一部分转化为低压过热蒸汽，通过蒸汽轮机完成能量转化；脱水处理：将经过降温后的混合气体进行脱水；脱CO2处理：将脱水后的混合气体进行脱CO2，脱离出来的CO2经过纯化生产液化二氧化碳；脱氧、脱氮处理：将脱H2O、脱CO2后的混合气体进行脱O2、脱N2。本发明实施例提供的所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统利用燃烧能源，除满足本系统能耗外，还能额外补充LNG工厂能耗，且通过回收CO2，消除了LNG工厂碳排放，大大提高了提氦经济效益及社会效益。
本发明优点在于：
提取的BOG气体含氦量高，提取耗能少，综合效益高；
BOG气体通过燃烧去除CH4、H2等可燃气体，工艺成熟可靠，去除CH4、H2后后续提氦工艺也很成熟，且后续装置无防爆要求；
与原方案对比，多消耗了400Nm3/hBOG气体，此部分多消耗的BOG气体经蒸汽转化为机械能及电能，除用于本系统能耗外外，还可补充LNG工厂电耗，综合经济效益较高；
完全消除LNG工厂CO2排放，符合节能减排要求，同时收集的CO2经提纯和液化后可转化为经济效益。
总的来讲，本发明提供了一种提氦简单、能源利用率高以及考虑到LNG工厂能源平衡及利用问题的提氦系统和方法。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种从BOG气体中提氦与能源利用的方法，其特征在于，包括步骤：
S1、将O2和BOG气体通入纯氧燃烧室中进行纯氧燃烧，除去BOG气体中的CH4和H2；
S2、将纯氧燃烧后的混合气体通入蒸汽发生单元中进行处理，产出低压过热蒸汽和低温混合气体并脱出部分H2O，将所述低温混合气体通入空冷器中进行冷凝吸附和干燥脱水，以脱出全部H2O；
S3、将脱出全部H2O后的混合气体通入CO2脱出及液化单元中进行脱CO2处理，并对脱出的CO2进行提纯和液化处理，得到高纯度的液态二氧化碳；
S4、将脱出CO2后的混合气体通入一级冷箱中，进行分级降温处理以依次脱出O2和N2，得到粗氦气；以及
S5、将粗氦气通入二级冷箱中，通过降温纯化的方式去除杂质，得到纯氦。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1和所述步骤S2之间还包括步骤：将纯氧燃烧后的混合气体通入一级换热器中进行换热，换热后的混合气体通入所述蒸汽发生单元中进行脱H2O处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一级换热器为导热油/循环水换热器，纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂的生产用热；另一部分热能经由蒸汽轮机与电机转化为机械能和电能，用于满足提氦能耗需求和LNG工厂的耗电需求。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，经由所述一级换热器换热后的混合气体经所述蒸汽发生单元的二级换热器、三级换热器以及汽包处理后，产出所述低压过热蒸汽。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用液化温度的不同，降温分离出CO2，并通过压缩机加压和制冷的方式分离得到高纯度的液态二氧化碳。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，利用液化温度的不同，通过分级降温的方式分别分离出液氧和液氮，其中分离出来的液氮经过所述一级冷箱的前置换热器，对通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷，以降低所述一级冷箱的能耗；分离出来的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室的供氧管网，进行二次利用，液氧气化过程释放的冷量也用于对通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷；经过脱O2、脱N2后的粗氦气经过吸热变为常温后，进行再次催化脱氧，释放的冷量也用于给通入所述一级冷箱的混合气体进行预冷。
7.一种从BOG气体中提氦与能源利用的系统，其特征在于，包括依次连接的纯氧燃烧室、一级换热器、蒸汽发生单元、空冷器、脱CO2及液化单元、一级冷箱、二级冷箱，其中所述蒸汽发生单元包括二级换热器、连接于所述二级换热器和所述空冷器的三级换热器、连接于所述二级换热器和所述三级换热器的汽包以及连接于所述汽包和所述三级换热器的给水循环结构；其中，
所述纯氧燃烧室用于通入BOG气体和O2进行纯氧燃烧；
所述一级换热器用于对纯氧燃烧后的混合气体进行换热，以用于LNG工厂的生产用热；
所述二级换热器、所述三级换热器、所述汽包以及所述给水循环结构用于对换热后的混合气体进行处理，以产出低压过热蒸汽和输出低温混合气体，并脱出部分H2O；
所述空冷器用于对所述低温混合气体进行冷凝吸附和干燥脱水处理，以脱出所述低温混合气体中的全部H2O；
所述脱CO2及液化单元用于对脱出H2O后的混合气体进行脱CO2和对脱出的CO2进行提纯及液化处理，以得到高纯度的液态二氧化碳；
所述一级冷箱用于对经过脱CO2后的混合气体进行分级降温处理以依次脱出O2和N2,以得到粗氦气，其中从所述一级冷箱中分离出的液氧经气化后并入所述纯氧燃烧室的供氧管网；
所述二级冷箱用于对粗氦气进行降温纯化处理，以得到纯氦。
8.根据权利要求7所述的从BOG气体中提氦与能源利用的系统，其特征在于，所述一级换热器为导热油/循环水换热器，其中纯氧燃烧BOG气体所产生的一部分热能经由所述导热油/循环水换热器传递给LNG工厂的导热油/循环水，用于LNG工厂生产用热；另一部分热能经由所述低压过热蒸汽转化为机械能和电能，用于满足所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统的提氦能耗需求和LNG工厂耗电需求。
9.根据权利要求7所述的从BOG气体中提氦与能源利用的系统，其特征在于，所述二级换热器为低压饱和蒸汽过热器，所述三级换热器由蒸发器和省煤器构成，所述汽包为低压汽包，所述低压汽包接收所述省煤器输出的低压汽水进行汽水分离，并向所述蒸发器输送低压饱和水和向所述低压饱和蒸汽过热器输送低压饱和蒸汽，所述低压饱和蒸汽过热器加热低压饱和蒸汽以产出低压过热蒸汽，所述给水循环结构用于为所述低压汽包和所述三级换热器提供低压冷凝的除氧水。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的从BOG气体中提氦与能源利用的系统，其特征在于，所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统还包括连接于所述蒸汽发生单元的蒸汽轮机以及分别连接于所述蒸汽轮机的发电机和制氧机，所述蒸汽轮机包括第一蒸汽轮机和第二蒸汽轮机，所述第一蒸汽轮机连接于所述二级换热器和所述发电机，所述第二蒸汽轮机连接于所述二级换热器和所述制氧机；其中所述蒸汽发生单元产出的一部分所述低压过热蒸汽通入所述第一蒸汽轮机和所述发电机中将热能转换为机械能和电能，用于所述从BOG气体中提氦与能源利用的系统提氦的能耗和LNG工厂的电耗；另一部分所述低压过热蒸汽通入所述第二蒸汽轮机中，为所述制氧机提供制氧动力，其中所述制氧机用于为所述纯氧燃烧室提供O2。
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