CN114659338B - 一种用于分离天然气bog中重烃和甲烷的制冷系统和方法 - Google Patents

一种用于分离天然气bog中重烃和甲烷的制冷系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统和方法，包括增压单元、一级回热器、膨胀机单元、二级回热器、节流阀、二级换热器、一级换热器；增压单元出口顺次连接一级回热器的第一通道、二级回热器的第一通道、节流阀、二级换热器的第一通道、二级回热器的第二通道、一级回热器的第二通道和增压单元进口；膨胀机单元分别与一级回热器的第一通道出口、二级回热器的第二通道进口连接；一级换热器的第一通道分别与二级回热器的第二通道进口端、二级换热器的第一通道进口端相连接；一级换热器的第二通道进口与冷压缩机连接，一级换热器的第二通道出口顺次连接重烃分离器和二级换热器的第二通道。本发明的工艺流程简单，热力学效率高。

Description

一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统和方法
技术领域
本发明涉及天然气液化技术领域，尤其是涉及一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统和方法。
背景技术
氦气是一种惰性不可燃稀有气体，其分子尺寸小，沸点低(约4.2K)，被广泛应用于医疗、科学研究和工业生产。随着经济和科技的发展，对氦气的需求量(以中国和印度为主)以每年5-7％的速度增长，面临着全球氦气资源供不应求的困境。虽然大气中含有丰富的氦(仅次于氢)，但浓度一般低于5ppm，提取难度大，因此，实际应用的氦气一般提取自富氦的天然气(氦浓度通常高于0.3％)。
在天然气产业链中，常将天然气制成液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)(其体积约为原来气态体积的1/600)，以便于贮运。在LNG生产过程中，需要通过末级节流阀将液化压力降至贮罐压力。天然气中各组分的沸点不同(常压下，氦气：4.22K，氢气：20.28K，氮气：77.36K，甲烷111.7K)，在贮罐压力下，节流过程相当于对LNG进行一次简单蒸发，沸点较低的气体分子率先从LNG中逸出，称为闪蒸气(Boil Off Gas,BOG)，因烃类气体被液化，氦气等不凝性气体在BOG中得到一定程度的富集。此外，将LNG流经节流阀后形成的气液混合物通过低温管道送至BOG缓冲罐贮存，贮存过程中因贮罐漏热也会产生BOG，其组分主要是氮气和甲烷。通常，BOG中氦的浓度高于原天然气，即使是少量BOG，也具有较高的利用价值。
目前已有的天然气提氦技术包括：膜分离技术、变压吸附技术和低温技术。其中，低温工艺因良好的经济性被广泛采用，其原理为利用天然气各组分沸点的不同，通过制冷循环逐步降低天然气的温度，进行深冷分离，依次脱除烃类气体和氮气，获得粗氦。与氮气脱除环节相比，烃类气体脱除环节原料气流量大，降温所需要的制冷量多，相应的外部制冷循环的能耗是系统能耗的主要来源；另一方面，BOG及其冷凝分离后得到的重烃蕴含着丰富的冷能。因此，将制冷循环与物流的冷能利用相结合，以期提高系统的综合能源利用效率。现有流程多采用BOG复温至常温后加压，二次降温液化的分离方式，增加了换热损失、设备投资(如压缩机组、多流股换热器)及系统复杂度(如多流股换热器中各流股流量的控制)，且鲜有专利涉及具体的制冷工艺，及其与物流冷能利用过程的结合。
如申请号为202110543949.6的专利文献中，液化后的天然气在送入贮罐前提取BOG，将其复温至常温后增压，然后二次降温至部分液化，但是其未提及具体的制冷工艺。申请号为201210513423.4的专利文献中，通过复温后的BOG膨胀、高压氮气节流产生的冷能及回收的天然气冷能提供系统所需的冷量，但制冷工艺复杂、投资大。
发明内容
为改善现有工艺的不足，本发明旨在提供一种冷凝法分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，采用氮气膨胀制冷技术与液氮节流制冷技术，提供冷凝法脱除BOG中重烃和甲烷所需要的冷量，系统具有工艺结构简单、热力学效率高，经济性好、安全及气源适应性强的特征。
一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，包括增压单元、一级回热器、膨胀机单元、二级回热器、节流阀、二级换热器、一级换热器；
其中，增压单元的出口顺次连接一级回热器的第一通道、二级回热器的第一通道、节流阀、二级换热器的第一通道、二级回热器的第二通道、一级回热器的第二通道以及增压单元的进口；
所述的膨胀机单元分别与一级回热器的第一通道出口端、二级回热器的第二通道进口端连接；所述一级换热器的第一通道分别与二级回热器的第二通道进口端、二级换热器的第一通道进口端相连接；
所述一级换热器的第二通道进口与冷压缩机连接，一级换热器的第二通道出口顺次连接重烃分离器和二级换热器的第二通道。
本发明中，所述的增压单元用于增压氮气，并将增压后的氮气冷却；所述的一级回热器用于预冷来自所述的增压单元的氮气；所述的二级回热器用于液化氮气；所述的节流阀用于对液化后的氮气降压；所述的二级换热器用于对自所述的重烃分离器的气相混合物降温；所述的膨胀机单元用于对来自所述的第一回热器的氮气进行膨胀；所述的一级换热器用于对来自所述的冷压缩机的BOG进行降温。
进一步地，所述的增压单元采用采用多级压缩级间冷却的方式，优选地，采用两级压缩、级间水冷却的方式。
进一步地，同时采用了膨胀制冷技术和节流制冷技术。
进一步地，所述的膨胀机单元采用多级膨胀制冷技术。优选地选用一台普通的气体轴承透平膨胀机，膨胀后不带液。
进一步地，经过膨胀机单元膨胀后的氮气压力不小于经过节流阀节流后的氮气压力。优选地，选取两个压力相等。
进一步地，将经过所述的节流阀降压后的氮气分为两股，分别提供所述的二级换热器和一级换热器需要的冷量。
进一步地，经过所述的节流阀节流后的氮气温度低于甲烷的三相点。
进一步地，经过一级换热器冷却后的BOG温度不高于甲烷的饱和温度。
进一步地，所述膨胀机单元、二级换热器和一级换热器的氮气混合后进入二级回热器，提供二级回热器所需要的冷量。
进一步地，所述的一级回热器、二级回热器、二级换热器和一级换热器采用板翅式换热器，其中，所述的二级换热器采用高翅、大通道结构。
本发明还提供了一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷方法，采用上述制冷系统，包括以下步骤：
步骤1，循环氮气在增压单元中进行增压冷却，然后进入一级回热器的第一通道与来自二级回热器的冷氮气进行换热，同时自身被冷却；
步骤2，经过一级回热器冷却后的氮气分为两部分：一部分进入二级回热器的第一通道与返流的冷氮气进行换热，自身被液化；另一部分进入膨胀机单元进行膨胀降温；
步骤3，来自二级回热器的液氮通过节流阀降压，成为气液混合物；
步骤4，通过节流阀降压得到的氮气-液混合物分为两部分：一部分进入一级换热器的第一通道，与经过冷压缩机增压后的原料BOG进行换热；另一部分进入二级换热器的第一通道，与经过重烃分离器分离后得到的气相混合物进行换热；
步骤5，将经过一级换热器、二级换热器换热后的氮气与经过膨胀机单元膨胀后的氮气混合；
步骤6，混合后的氮气进入二级回热器的第二通道，与来自一级回热器的增压氮气进行换热，自身被进一步加热；
步骤7，经过二级回热器部分复温后的氮气在一级回热器的第二通道中与来自增压单元的氮气进行换热，同时自身被复温；
步骤8，在一级回热器中复温后的氮气进入增压单元，进行增压，完成一个循环；
步骤9，来自BOG缓冲罐的BOG在冷压缩机中增压，然后进入一级换热器的第二通道，与来自节流阀的氮气-液混合物进行换热，部分液化后进入重烃分离器，分离得到的气相混合物进入二级换热器的第二通道，与来自节流阀的部分氮气-液混合物进行换热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明同时采用氮气膨胀制冷技术与液体节流制冷技术，既提高了制冷效率又降低了氮气流量；将氮气用作氮气，系统安全性好、气源适应性强；BOG液化和甲烷固化环节所需的冷量分别由一股氮气提供，提高了氮气与待冷却介质间的能量匹配度，能够进一步减小氮气的流量需求。此外，通过合理的工艺设计，系统所用设备均为常规的设备，工艺流程简单，增强了工业可实现性。
附图说明
图1为本发明实施例的整体工艺流程图。
图中：增压单元1，一级回热器2，膨胀机单元3，二级回热器4，节流阀5，二级换热器6，重烃分离器7，一级换热器8，冷压缩机9，BOG缓冲罐10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，包括增压单元1、一级回热器2、膨胀机单元3、二级回热器4、节流阀5、二级换热器6、一级换热器8。
其中，增压单元1的出口顺次连接一级回热器2的第一通道、二级回热器4的第一通道、节流阀5、二级换热器6的第一通道、二级回热器4的第二通道、一级回热器2的第二通道以及增压单元1的进口。
膨胀机单元3分别与一级回热器2的第一通道出口端、二级回热器4的第二通道进口端连接；一级换热器8的第一通道分别与二级回热器4的第二通道进口端、二级换热器6的第一通道进口端相连接。
一级换热器8的第二通道进口与冷压缩机9连接，一级换热器8的第二通道出口顺次连接重烃分离器7和二级换热器6的第二通道。
增压单元1用于增压氮气，并将增压后的氮气冷却；一级回热器2用于预冷来自所述的增压单元1的氮气；二级回热器4用于液化氮气；节流阀5用于对液化后的氮气降压；二级换热器6用于对自所述的重烃分离器7的气相混合物降温；膨胀机单元3用于对来自所述的第一回热器2的氮气进行膨胀；一级换热器8用于对来自所述的冷压缩机9的BOG进行降温。
本实施例中，所述的增压单元1采用两级压缩、级间水冷却的方式。膨胀机单元3采用多级膨胀制冷技术。经过膨胀机单元3膨胀后的氮气压力不小于经过节流阀5节流后的氮气压力。
将经过节流阀5降压后的氮气分为两股，分别提供二级换热器6和一级换热器8需要的冷量。经过节流阀5节流后的氮气温度低于甲烷的三相点。经过一级换热器8冷却后的BOG温度不高于甲烷的饱和温度。
膨胀机单元3、二级换热器6和一级换热器8的氮气混合后进入二级回热器4，提供二级回热器4所需要的冷量。一级回热器2、二级回热器4、二级换热器6和一级换热器8采用板翅式换热器，其中，二级换热器6采用高翅、大通道结构。
利用上述制冷系统的制冷方法，包括以下步骤：
步骤1，循环氮气在增压单元1中进行增压冷却，然后进入一级回热器2的第一通道与来自二级回热器4的冷氮气进行换热，同时自身被冷却；
步骤2，经过一级回热器2冷却后的氮气分为两部分：一部分进入二级回热器4的第一通道与返流的冷氮气进行换热，自身被液化；另一部分进入膨胀机单元3进行膨胀降温；
步骤3，来自二级回热器4的液氮通过节流阀5降压，成为气液混合物；
步骤4，通过节流阀5降压得到的氮气-液混合物分为两部分：一部分进入一级换热器8的第一通道，与经过冷压缩机9增压后的原料BOG进行换热；另一部分进入二级换热器6的第一通道，与经过重烃分离器7分离后得到的气相混合物进行换热；
步骤5，将经过一级换热器8、二级换热器6换热后的氮气与经过膨胀机单元3膨胀后的氮气混合；
步骤6，混合后的氮气进入二级回热器4的第二通道，与来自一级回热器2的增压氮气进行换热，自身被进一步加热；
步骤7，经过二级回热器4部分复温后的氮气在一级回热器2的第二通道中与来自增压单元1的氮气进行换热，同时自身被复温；
步骤8，在一级回热器2中复温后的氮气进入增压单元1，进行增压，完成一个循环；
步骤9，来自BOG缓冲罐10的BOG在冷压缩机9中增压，然后进入一级换热器8的第二通道，与来自节流阀5的氮气-液混合物进行换热，部分液化后进入重烃分离器7，分离得到的气相混合物进入二级换热器6的第二通道，与来自节流阀5的部分氮气-液混合物进行换热。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，包括增压单元(1)、一级回热器(2)、膨胀机单元(3)、二级回热器(4)、节流阀(5)、二级换热器(6)、一级换热器(8)；
其中，增压单元(1)的出口顺次连接一级回热器(2)的第一通道、二级回热器(4)的第一通道、节流阀(5)、二级换热器(6)的第一通道、二级回热器(4)的第二通道、一级回热器(2)的第二通道以及增压单元(1)的进口；
所述的膨胀机单元(3)分别与一级回热器(2)的第一通道出口端、二级回热器(4)的第二通道进口端连接；所述一级换热器(8)的第一通道分别与二级回热器(4)的第二通道进口端、二级换热器(6)的第一通道进口端相连接；
所述一级换热器(8)的第二通道进口与冷压缩机(9)连接，一级换热器(8)的第二通道出口顺次连接重烃分离器(7)和二级换热器(6)的第二通道。
2.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，所述的增压单元(1)采用两级压缩、级间水冷却的方式。
3.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，所述的膨胀机单元(3)采用多级膨胀制冷技术。
4.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，经过膨胀机单元(3)膨胀后的氮气压力不小于经过节流阀(5)节流后的氮气压力。
5.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，将经过所述的节流阀(5)降压后的氮气分为两股，分别提供所述的二级换热器(6)和一级换热器(8)需要的冷量。
6.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，经过所述的节流阀(5)节流后的氮气温度低于甲烷的三相点。
7.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，经过一级换热器(8)冷却后的BOG温度不高于甲烷的饱和温度。
8.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，所述膨胀机单元(3)、二级换热器(6)和一级换热器(8)的氮气混合后进入二级回热器(4)，提供二级回热器(4)所需要的冷量。
9.根据权利要求1所述的用于分离天然气BOG中重烃和甲烷的制冷系统，其特征在于，所述的一级回热器(2)、二级回热器(4)、二级换热器(6)和一级换热器(8)采用板翅式换热器，其中，所述的二级换热器(6)采用高翅、大通道结构。
10.一种根据权利要求1～9任一所述的制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，循环氮气在增压单元(1)中进行增压冷却，然后进入一级回热器(2)的第一通道与来自二级回热器(4)的冷氮气进行换热，同时自身被冷却；
步骤2，经过一级回热器(2)冷却后的氮气分为两部分：一部分进入二级回热器(4)的第一通道与返流的冷氮气进行换热，自身被液化；另一部分进入膨胀机单元(3)进行膨胀降温；
步骤3，来自二级回热器(4)的液氮通过节流阀(5)降压，成为气液混合物；
步骤4，通过节流阀(5)降压得到的氮气-液混合物分为两部分：一部分进入一级换热器(8)的第一通道，与经过冷压缩机(9)增压后的原料BOG进行换热；另一部分进入二级换热器(6)的第一通道，与经过重烃分离器(7)分离后得到的气相混合物进行换热；
步骤5，将经过一级换热器(8)、二级换热器(6)换热后的氮气与经过膨胀机单元(3)膨胀后的氮气混合；
步骤6，混合后的氮气进入二级回热器(4)的第二通道，与来自一级回热器(2)的增压氮气进行换热，自身被进一步加热；
步骤7，经过二级回热器(4)部分复温后的氮气在一级回热器(2)的第二通道中与来自增压单元(1)的氮气进行换热，同时自身被复温；
步骤8，在一级回热器(2)中复温后的氮气进入增压单元(1)，进行增压，完成一个循环；
步骤9，来自BOG缓冲罐(10)的BOG在冷压缩机(9)中增压，然后进入一级换热器(8)的第二通道，与来自节流阀(5)的氮气-液混合物进行换热，部分液化后进入重烃分离器(7)，分离得到的气相混合物进入二级换热器(6)的第二通道，与来自节流阀(5)的部分氮气-液混合物进行换热。
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