CN113831942A - 一种天然气液化脱氮系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气液化脱氮系统，包括干气管路、冷箱、低温分离器、脱氮气塔、增压压缩机和回流罐；干气管路通过冷箱后与低温分离器的原料气入口连通，低温分离器顶部的气相出口与脱氮气塔的上部和脱氮气塔的下部连通；脱氮气塔塔顶的气相出口与与增压压缩机的入口连通，闪蒸汽管路通过冷箱后与增压压缩机的入口连通，增压压缩机的出口与节流管路相连，节流管路经过冷箱后与回流罐连通；回流罐的气相出口与尾气排放管路连通。本发明的有益效果为：配置增压压缩机，脱氮气塔塔顶的气相与来自LNG储罐的闪蒸汽混合后增压节流，通过控制进入脱氮气塔塔顶的气相温度使脱氮气塔塔底的LNG产品合格，且尾气中CH4损失少；本发明所述技术方案流程更加简单，能耗低，系统配置少，投资成本低。
Description
技术领域
本发明涉及脱氮技术，具体涉及一种天然气液化脱氮系统及工艺。
背景技术
LNG（液化天然气）是一种清洁、高效的能源，在国家提出的“双碳”目标下，其作为过渡能源，必将扮演重要角色。区块含氮量过高，如果不进行脱除，LNG产品含氮量会超标。液化天然气是天然气经压缩、冷却至其沸点温度后变成液体，储存在低温储存罐内。液化天然气的原料气主要成分为甲烷，还包括氮气，部分气田开采的原料气内氮气含量过高，如果不进行有效脱除，会造成LNG产品不合格。
目前，对于含氮量不是特别高（N2≤5%）的原料气，可采用如下方法处理：在LNG储罐中进行一次闪蒸，然后将闪蒸气（BOG）从LNG储罐排出系统，从而降低LNG产品中的氮含量，使LNG产品中的N2≤1%。这种处理方法要求原料气中的氮气含量不能太高，原料气中的氮气含量最好不超过5%（可以通过工艺模拟确定）。但当原料气中的氮气含量较高，超过5%时，随着氮气含量的升高，BOG闪蒸量会越大，无法确保LNG产品中N2≤1%，难以保证获得的LNG产品质量。
现有技术中针对氮气含量超过5%的天然气原料气，多采用以下两种工艺脱氮：
1、脱氮气塔塔底加热精馏脱氮工艺，该工艺设置精馏塔，塔底配置有重沸器，热源采用低温分离器-45~-50℃液相进行加热，同时将低温分离器气相分成二股，一股90%气相进入冷箱冷凝成LNG，节流进入脱氮气塔中上部；一股10%直接节流进入脱氮气塔中下部。利用此物流作为热源，在塔内形成精馏分离，同时利用塔底重沸器对液相LNG进行加热；这种工艺可有效脱除原料气中的氮气含量，使LNG产品内的氮气含量≤1%，但产生的含氮尾气中CH4含量高，CH4损失大。
2、抽混合冷剂至脱氮气塔顶冷凝回流工艺，这一工艺设置洗涤塔，同时将低温分离器气相分成二股，一股90%气相进入冷箱冷凝成LNG，节流进入脱氮气塔中上部，另一股10%气相直接节流进入脱氮气塔中下部，利用此物流作为热源，在塔内形成精馏分离；同时将混合冷剂分出一股，增加小冷箱，利用混合冷剂制冷，将脱氮气塔塔顶气相进行冷凝，从脱氮气塔塔顶回流罐液相利用低温屏蔽泵增压至0.6MPa至脱氮气塔顶回流，气相去冷箱复热后，去放空，此冷剂冷凝回流工艺；但这一工艺投资成本大。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种脱氮效果好、成本低的天然气液化脱氮系统及工艺。
本发明采用的技术方案为：一种天然气液化脱氮系统，包括干气管路、冷箱、低温分离器、脱氮气塔、增压压缩机和回流罐；干气管路通过冷箱后与低温分离器的原料气入口连通，低温分离器顶部的气相出口连通第一气相支路和第二气相支路，第一气相支路通过冷箱后与脱氮气塔的上部连通；第二气相支路与脱氮气塔的下部连通；脱氮气塔塔顶的气相出口与塔顶气相管路相连，塔顶气相管路通过冷箱后与氮/甲烷增压压缩机的入口连通，闪蒸汽管路通过冷箱后与增压压缩机的入口连通，增压压缩机的出口与节流管路相连，节流管路经过冷箱后与回流罐连通；回流罐的气相出口与尾气排放管路连通；回流罐的液相出口通过管路与脱氮气塔的上部连通，脱氮气塔塔底的液相出口与LNG管路相连， LNG管路经过冷箱后与LNG液化工厂的LNG储罐连通。
按上述方案，所述低温分离器底部的液相出口与重烃管路相连，重烃管路通过冷箱后与重烃储罐连通。
按上述方案，所述尾气排放管路通过冷箱后与大气连通。
按上述方案，各在进冷箱和出冷箱的位置分别配置有温度计。
按上述方案，所述脱氮系统还增设有回流泵，回流泵的入口通过管路与回流罐的液相出口连通，回流泵的出口通过回流管路与脱氮气塔的上部连通。
按上述方案，所述脱氮气塔的顶部设有安全管路，该安全管路上配置有安全阀。
本发明还提供了一种基于如上所述脱氮系统的天然气脱氮工艺，该工艺包括如下步骤：
步骤一、干气经上游深度脱碳、脱水工艺处理后，通过冷箱冷凝；
步骤二、冷凝后的干气进入低温分离器进行气液分离，低温分离器内的气相分成二股，一股为流入第一气相管路的90%气相，通过冷箱冷凝成LNG，LNG节流进入脱氮气塔的上部；另一股为流入第二气相之路的10%气相，直接节流进入脱氮气塔的下部，作为热源，在脱氮气塔内精馏分离；
步骤三、低温分离器内的液相为冷凝的重烃，重烃由重烃管路通过冷箱，复热后进入LNG液化工厂的重烃储罐；
步骤四、脱氮气塔塔顶的气相与来自LNG储罐的闪蒸汽分别通过冷箱后混合，氮/甲烷混合气进入增压压缩机增压；
步骤五、增压后的氮/甲烷混合气通过冷箱冷却，再节流后进入脱氮气塔顶部的回流罐，回流罐内的液相送入脱氮气塔洗涤，回流罐内的气相为含氮尾气，含氮尾气通过冷箱复热后放空；
步骤六、脱氮气塔塔底的液相为产品LNG，LNG冷却节流后进入LNG液化工厂的LNG储罐。
按上述方案，在步骤一中，干气通过冷箱冷凝至-55℃。
按上述方案，在步骤四中，氮/甲烷混合气进入增压压缩机后增压至1.1~1.3MPa。
按上述方案，在步骤五中，在步骤五中，节流后氮/甲烷混合气温度为-184℃~-180℃。
本发明的有益效果为：本发明配置增压压缩机，脱氮气塔塔顶的气相与来自LNG储罐的闪蒸汽（BOG）混合后增压节流，通过控制进入脱氮气塔塔顶的气相温度，可使脱氮气塔塔顶的LNG产品合格，且尾气中CH4损失少；与现有技术相比，本发明所述技术方案流程更加简单，能耗低，系统配置少，投资成本低。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
其中：1、冷箱；2、低温分离器；3、脱氮气塔；4、回流泵；5、回流罐；6、增压压缩机；7、干气管路；8、第一气相支路；9、第二气相支路；10、塔顶气相管路；11、闪蒸汽管路；12、节流管路；13、尾气排放管路；14、回流管路；15、LNG管路；16、重烃管路。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种天然气液化脱氮系统，包括干气管路7、冷箱1、低温分离器2、脱氮气塔3、增压压缩机6、回流泵4回流罐5；干气管路7通过冷箱1后与低温分离器2的原料气入口连通，低温分离器2顶部的气相出口连通第一气相支路8和第二气相支路9，第一气相支路8通过冷箱1后与脱氮气塔3的上部连通；第二气相支路9与脱氮气塔3的下部连通；脱氮气塔3塔顶的气相出口与塔顶气相管路10相连，塔顶气相管路10通过冷箱1后与氮/甲烷增压压缩机6的入口连通，闪蒸汽管路11通过冷箱1后与增压压缩机6的入口连通，增压压缩机6的出口与节流管路12相连，节流管路12经过冷箱1后与回流罐5连通；回流罐5的气相出口与尾气排放管路13连通；回流罐5的液相出口通过管路与脱氮气塔3的上部连通，脱氮气塔3塔底的液相出口与LNG管路15相连， LNG管路15经过冷箱1后与LNG液化工厂的LNG储罐连通。
优选地，所述低温分离器2底部的液相出口与重烃管路16相连，重烃管路16通过冷箱1后与重烃储罐连通。
优选地，所述尾气排放管路13通过冷箱1后与大气连通。
优选地，各在进冷箱1和出冷箱1的位置分别配置有温度计。
优选地，所述脱氮系统还增设有回流泵4，回流泵4的入口通过管路与回流罐5的液相出口连通，回流泵4的出口通过回流管路14与脱氮气塔3的上部连通。
优选地，所述脱氮气塔3的顶部设有安全管路，该安全管路上配置有安全阀。
本发明中，冷箱1、低温分离器2、脱氮气塔3、增压压缩机6、回流罐5和回流泵4等设备均为现有结构；闪蒸汽管路11来自LNG储罐；各管路上均分别配置有阀门。
一种基于如上所述脱氮系统的天然气脱氮工艺，该工艺包括如下步骤：
步骤一、干气经上游深度脱碳、脱水工艺处理后，通过冷箱1冷凝。本发明中，干气通过冷箱1前CO2的含量≤50ppm，水含量≤1ppm；干气通过冷箱1冷凝至-55~-60℃；
步骤二、冷凝后的干气进入低温分离器2进行气液分离，低温分离器2内的气相分成二股，一股为流入第一气相管路的90%气相，通过冷箱1冷凝成LNG，LNG节流进入脱氮气塔3的上部；另一股为流入第二气相之路的10%气相，直接节流进入脱氮气塔3的下部，作为热源，在脱氮气塔3内精馏分离；
步骤三、低温分离器2内的液相为冷凝的重烃，重烃由重烃管路16通过冷箱1，复热后进入LNG液化工厂的重烃储罐；
步骤四、脱氮气塔3塔顶的气相与来自LNG储罐的闪蒸汽（BOG）分别通过冷箱1后混合，氮/甲烷混合气进入增压压缩机6增压。本发明中，氮/甲烷混合气进入增压压缩机6增压至1.1~1.3MPa；
步骤五、增压后的氮/甲烷混合气通过冷箱1冷却，再节流后进入脱氮气塔3顶部的回流罐5，回流罐5内的液相送入脱氮气塔3洗涤，回流罐5内的气相为含氮尾气，含氮尾气通过冷箱1复热后放空。本发明中，节流后氮/甲烷混合气温度为-184℃~-180℃。
步骤六、脱氮气塔3塔底的液相为产品LNG，LNG冷却节流后进入LNG液化工厂的LNG储罐。本发明中，LNG通过冷箱1冷却至-159℃，再节流至120kPa、温度为-162℃后进入LNG液化工厂的LNG储罐。
本发明所述脱氮工艺利用氮/甲烷增压后节流，形成较低温度可-180~-184℃，进脱氮气塔3的顶部，在塔中部上升的气相，逆流接触，相似相溶原理，脱氮气塔顶部回流温度越低，脱氮气塔顶出去的气相CH4含量越低；通过氮甲烷增压的压力及节流温度来控制含氮尾气中CH4含量，经工艺模拟，控制氮甲烷增压压力值1.1~1.2MPa，可以氮甲烷节流后温度在-184℃~-180℃，此时脱氮装置能耗最低，含氮尾气CH4含量≤5%，CH4损失量较小。
实施例：
经上游深度脱碳、脱水工艺处理后的干气分别采用以下三种脱氮工艺对原料气脱氮处理，如表1所示。
工艺A：本发明所述脱氮方法。工艺B：脱氮气塔3塔底加热精馏脱氮工艺。工艺C：抽混合冷剂至脱氮气塔3顶冷凝回流工艺。工艺B和工艺C的系统配置如背景技术所述。
表1 三种脱氮工艺对比表
| 序号 | 脱氮工艺 | A | B | C |
| 1 | LNG产品中N2≤1% | 可实现 | 可实现 | 可实现 |
| 2 | 冷剂压缩机功率 | 2500kW | 2200kW | 2600kW |
| 3 | BOG压缩机功率 | 160kW | 35kW | 35 kW |
| 4 | 尾气CH4含量 | 5%~10%（可控） | 25%~30% | 5%~10%（可控） |
| 5 | BOG闪蒸气量 | 1.8ⅹ104Nm3/d | 0.6ⅹ104Nm3/d | 0.6ⅹ104Nm3/d |
| 6 | 是否增加设备 | 否 | 否 | 增加小冷箱1（根据规模，考虑集成到主冷箱1中） |
| 7 | 投资(万/元) | 3321 | 3140 | 3579 |
| 8 | 效益 | LNG产量增加约7.5m3/d（3.4t/d），增收360万元/年 | 基础方案 | LNG产量增加约4.6m3/d（2.08t/d）增收220万元/年。 |
| 9 | 推荐方案 | √ |
从表1中可得出，上述三种脱氮工艺均能使控制LNG产品中的氮气含量≤1%；但是脱氮工艺B处理后的含氮尾气中CH4含量非常高，达到25%~30%，CH4损失大；而脱氮工艺B的配置设备多，投资成本大，效益低。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种天然气液化脱氮系统，其特征在于，包括干气管路、冷箱、低温分离器、脱氮气塔、增压压缩机和回流罐；干气管路通过冷箱后与低温分离器的原料气入口连通，低温分离器顶部的气相出口连通第一气相支路和第二气相支路，第一气相支路通过冷箱后与脱氮气塔的上部连通；第二气相支路与脱氮气塔的下部连通；脱氮气塔塔顶的气相出口与塔顶气相管路相连，塔顶气相管路通过冷箱后与氮/甲烷增压压缩机的入口连通，闪蒸汽管路通过冷箱后与增压压缩机的入口连通，增压压缩机的出口与节流管路相连，节流管路经过冷箱后与回流罐连通；回流罐的气相出口与尾气排放管路连通；回流罐的液相出口通过管路与脱氮气塔的上部连通，脱氮气塔塔底的液相出口与LNG管路相连， LNG管路经过冷箱后与LNG液化工厂的LNG储罐连通。
2.如权利要求1所述的天然气液化脱氮系统，其特征在于，所述低温分离器底部的液相出口与重烃管路相连，重烃管路通过冷箱后与重烃储罐连通。
3.如权利要求1所述的天然气液化脱氮系统，其特征在于，所述尾气排放管路通过冷箱后与大气连通。
4.如权利要求1所述的天然气液化脱氮系统，其特征在于，各在进冷箱和出冷箱的位置分别配置有温度计。
5.如权利要求1所述的天然气液化脱氮系统，其特征在于，所述脱氮系统还增设有回流泵，回流泵的入口通过管路与回流罐的液相出口连通，回流泵的出口通过回流管路与脱氮气塔的上部连通。
6.如权利要求1所述的天然气液化脱氮系统，其特征在于，所述脱氮气塔的顶部设有安全管路，该安全管路上配置有安全阀。
7.一种基于如权利要求1～6中任意一项所述脱氮系统的天然气脱氮工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：
步骤一、干气经上游深度脱碳、脱水工艺处理后，通过冷箱冷凝；
步骤二、冷凝后的干气进入低温分离器进行气液分离，低温分离器内的气相分成二股，一股为流入第一气相管路的90%气相，通过冷箱冷凝成LNG，LNG节流进入脱氮气塔的上部；另一股为流入第二气相之路的10%气相，直接节流进入脱氮气塔的下部，作为热源，在脱氮气塔内精馏分离；
步骤三、低温分离器内的液相为冷凝的重烃，重烃由重烃管路通过冷箱，复热后进入LNG液化工厂的重烃储罐；
步骤四、脱氮气塔塔顶的气相与来自LNG储罐的闪蒸汽分别通过冷箱后混合，氮/甲烷混合气进入增压压缩机增压；
步骤五、增压后的氮/甲烷混合气通过冷箱冷却，再节流后进入脱氮气塔顶部的回流罐，回流罐内的液相送入脱氮气塔洗涤，回流罐内的气相为含氮尾气，含氮尾气通过冷箱复热后放空；
步骤六、脱氮气塔塔底的液相为产品LNG，LNG冷却节流后进入LNG液化工厂的LNG储罐。
8.如权利要求7所述的天然气脱氮工艺，其特征在于，在步骤一中，干气通过冷箱冷凝至-55℃。
9.如权利要求7所述的天然气脱氮工艺，其特征在于，在步骤四中，氮/甲烷混合气进入增压压缩机后增压至1.1~1.3MPa。
10.如权利要求7所述的天然气脱氮工艺，其特征在于，在步骤五中，节流后氮/甲烷混合气温度为-184℃~-180℃。
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