CN202297537U

CN202297537U - 采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置

Info

Publication number: CN202297537U
Application number: CN 201120367299
Authority: CN
Inventors: 张生; 马云生; 何振勇; 郑忠英; 傅建青; 范保军
Original assignee: Xindi Energy Engineering Technology Co Ltd; ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Xindi Energy Engineering Technology Co Ltd; ENN Science and Technology Development Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-09-30

Abstract

本实用新型涉及一种采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置，它包括：原料气预冷器E1，气液分离器V1，第一吸附塔T1，第二吸附塔T2，第三吸附塔T3，加热器E2，冷箱，混合冷剂压缩机，再生气排出管道和卸压尾气管道。采用本实用新型的装置，其工艺流程为原料气经一原料气预冷器预脱水后去吸附净化；经吸附净化的气体去冷箱分离出氢、氮气后得到LNG，分离出来的富氢氮气返回原料气预冷器为其提供冷量；吸附净化部分，采用复合床层经变温变压吸附脱除气体中的杂质，将其中的CO₂降至≤70ppm，H₂S含量≤4ppm，甲醇≤30ppm，二甲醚≤70ppm，水分脱除至常压露点≤-76℃，C6和C6以上重烃组分脱除至≤217ppm。本实用新型的装置与传统装置相比能显著降低系统能耗，在充分回收系统冷量的同时，降低了吸附净化过程负荷，且能有效脱除杂质组分。

Description

采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置

技术领域

本实用新型提供了采用富氢氮气预冷的用于含有氢气和氮气且富含甲烷的气体的净化的一种装置。某些富甲烷气(例如开采的天然气)，焦炉气、以及煤基合成气和焦炉气甲烷化后的合成气中，除含有主要的甲烷(富含甲烷)外，还含有氢气、氮气以及其它多种杂质气体，为保证后序液化工序正常进行，得到液化天然气(LNG)，需将CO₂、H₂S、甲醇、二甲醚、水分等杂质脱除至液化所需精度，才能保证液化分离工艺及设备安全稳定运行。

背景技术

迫于环保及能源成本压力，天然气作为一次能源在社会各个领域所占比例正逐渐提升，其市场需求量也正迅速增加。传统的管输供应方式仍为主流，但受原料条件及用户分布限制，有相当一部分资源无法进行管道长距离输送，需选择液化的方式，将甲烷转变为液体再采用灵活的运输方式将其送往用户终端。液化天然气(LNG)体积只有同量气体体积的1/625，液化后可以降低贮存和运输成本，且可以提高单位体积的燃值。

将富含甲烷的混合气体中的甲烷组分液化以获得液化天然气(LNG)，其核心技术通常分为混合气的净化工序及后序液化工序。就传统装置来看，其吸附净化主要存在以下问题：其一，混合气体直接进吸附净化塔，混合气含水量较高时会造成吸附净化塔负荷较大，迫使系统降低负荷，使整套液化装置的产能下降而能耗增加；其二，再生过程再生气采用工艺气，由于再生气气量很大，会降低气体的液化率。

实用新型内容

本实用新型提供了一种采用富氢氮气预冷的、含有氢氮气且富含甲烷的混合气体净化装置，采用特殊的配置，使本实用新型的装置与传统装置相比能显著降低净化过程能耗，充分利用系统冷量的同时，降低吸附净化部分的负荷，且净化分离效果好。

本实用新型的采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置包括：

采用富氢氮气预冷的富含甲烷的气体的净化装置，它包括：

原料气预冷器，其具有原料气引入管，并且具有与气液分离器连接的第一引出管，并且具有第二引出管，该第二引出管经由第一阀门与第一吸附塔的底部引出管连接，经由第二阀门与第二吸附塔的底部引出管连接，经由第三阀门与第三吸附塔的底部引出管连接，并且经由第四阀门和加热器的上部引入管与加热器连接；

气液分离器，其具有与原料预冷器的第一引出管连接的引入管和底部放料阀，并且具有引出管，该引出管经由第五阀门与第一吸附塔的上部引入管连接，经由第六阀门与第二吸附塔的上部引入管连接，经由第七阀门与第三吸附塔的上部引入管连接；

第一吸附塔，其具有上部引入管和底部引出管；

第二吸附塔，其具有上部引入管和底部引出管；和，任选地，

第三吸附塔，其具有上部引入管和底部引出管；

加热器，其具有上部引入管和下部引出管，加热器的上部引入管经由第八阀门、第九阀门、第十阀门分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管，加热器的下部引出管分别经由第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管；

冷箱，其具有气体引入管、液化气引出管、富氢氮气引出管，该气体引入管经由第十四阀门、第十五阀门、第十六阀门分别连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管，该富氢氮气引出管与原料气预冷器连接；

混合冷剂压缩机，其具有冷剂引入管和冷剂引出管分别与冷箱连接。

再生气排出管道，其经由第十七阀门、第十八阀门、第十九阀门分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管；

卸压尾气管道，其经由第二十阀门、第二十一阀门、第二十二阀门分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管。

优选，第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔并联，各自在一个循环周期中依次经历吸附、卸压、加热、冷吹、卸压、升压六个工艺步骤，其中一台吸附塔处于吸附过程，另两台处于再生过程。

第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔中各吸附剂复合床层独立地装填选自3A分子筛、4A分子筛、13X分子筛、活性氧化铝、活性炭和耐水硅胶中的一种或两种或多种吸附剂。一般情况下，脱水用活性氧化铝、3A分子筛、4A分子筛或13X分子筛，脱CO₂、H₂S用13X分子筛，脱重烃、甲醇、二甲醚用活性炭和/或耐水硅胶。

富含甲烷且含有氮气、氢气的原料气首先经一原料气预冷器预脱水后去吸附净化；经吸附净化的气体去冷箱分离出氢、氮气并将甲烷组分液化得到LNG，分离出来的富氢氮气返回原料气预冷器预冷原料气；吸附净化塔中，采用分子筛复合床层经变温变压吸附(PTSA)脱除酸性气体(CO₂、H₂S等)、水以及重烃等杂质，将其中的CO₂降至≤70ppm(优选≤60ppm，更优选≤50ppm，进一步优选≤40ppm)，H₂S含量≤4ppm(优选≤3ppm，更优选≤2ppm，最优选≤1ppm)，甲醇≤30ppm(优选≤25ppm，更优选≤20ppm，进一步优选≤15ppm)，二甲醚≤70ppm(优选≤60ppm，更优选≤50ppm，进一步优选≤40ppm)，水分脱除至常压露点≤-76℃，C6和C6以上重烃组分脱除至≤217ppm(优选≤200ppm，更优选≤100ppm，进一步优选≤50ppm，最优选≤10ppm)。

按照天然气纯化领域中一般的意义来理解，在本申请中“富氢氮气”是指富含氢气和氮气的一种气流或一种混合气体，“富甲烷气”是指富含甲烷的一种气流或一种混合气体或气体混合物。“再生气”是指再生用气体。“任选地”表示有或没有。

本实用新型的优点：

1、原料气去吸附净化前首先利用在冷箱中分离得到的富氢氮气预冷，这一过程可脱除原料气中约23％的水，一方面利用了富氢氮气的冷量，可降低系统能耗，同时还可降低吸附塔中吸附剂的负荷；

2、在原料气吸附净化部分，吸附塔采用富氢氮气作为再生气，相比以工艺气体作再生气的传统工艺，减少了工艺气体的损耗，从而可以提高净化过程气体的产率。

附图说明

图1是本实用新型的装置配置图。

具体实施方式

以下结合附图1来说明本实用新型的装置。

根据本实用新型的第一个实施方案，提供采用富氢氮气预冷的富含甲烷的气体的净化装置，它包括：

原料气预冷器E1，其具有原料气引入管，并且具有与气液分离器V1连接的第一引出管，并且具有第二引出管，该第二引出管经由第一阀门V5A与第一吸附塔T1的底部引出管连接，经由第二阀门V5B与第二吸附塔T2的底部引出管连接，经由第三阀门V5C与第三吸附塔T3的底部引出管连接，并且经由第四阀门V9和加热器E2的上部引入管与加热器E2连接；

气液分离器V1，其具有与原料预冷器E1的第一引出管连接的引入管和底部放料阀，并且具有引出管，该引出管经由第五阀门V1A与第一吸附塔的上部引入管连接，经由第六阀门V1B与第二吸附塔的上部引入管连接，经由第七阀门V1C与第三吸附塔的上部引入管连接；

第一吸附塔T1，其具有上部引入管和底部引出管；

第二吸附塔T2，其具有上部引入管和底部引出管；和，任选地，

第三吸附塔T3，其具有上部引入管和底部引出管；以及

加热器E2，其具有上部引入管和下部引出管，加热器E2的上部引入管经由第八阀门V4A、第九阀门V4B、第十阀门V4C分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管，加热器E2的下部引出管分别经由第十一阀门V6A、第十二阀门V6B、第十三阀门V6C连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管；

冷箱，其具有气体引入管、液化气引出管、富氢氮气引出管，该气体引入管经由第十四阀门V7A、第十五阀门V7B、第十六阀门V7C分别连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管，该富氢氮气引出管与原料气预冷器E1连接；

再生气排出管道，其经由第十七阀门V2A、第十八阀门V2B、第十九阀门V2C分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管；

卸压尾气管道，其经由第二十阀门V3A、第二十一阀门V3B、第二十二阀门V3C分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管。

使用本实用新型的装置的工艺包含原料气预冷和吸附净化两部分；其原料气预冷的工艺过程为：含有氮、氢气且富含甲烷的原料气首先经过原料气预冷器E1预冷，原料气温度由33-48℃(优选35-45℃，更优选37-43℃，例如40℃)冷却至28-40℃(优选30-38℃，更优选32-36℃，例如约34℃)后进入气液分离器V1中分液，液相由分离器V1的底部引出，未被分离下来的气相自分离器V1顶部引出去吸附净化塔，这一过程可脱去原料气中约15-35wt％的水分；原料气预冷器E1的冷量由冷箱系统中分离出的富氢氮气提供，经换热后富氢氮气温度由5-11℃(优选6-10℃，更优选7-9℃，例如8℃)升高至28-43℃(优选30-40℃，更优选34-38℃，例如约36℃)；富氢氮气出原料气预冷器E1后，可以进入处于再生过程的吸附净化塔中作为再生过程的再生气。

吸附净化部分，采用复合床层经变温变压吸附(PTSA)脱除酸性气体(CO₂、H₂S等)、水以及重烃等。吸附剂复合床层内可装填3A、4A、13X分子筛，活性氧化铝，活性炭以及耐水硅胶等中的一种或两种或多种(脱水用活性氧化铝、3A分子筛、4A分子筛或13X分子筛，脱CO₂、H₂S用13X分子筛，脱重烃、甲醇、二甲醚用活性炭和/或耐水硅胶)。

经吸附净化后，从吸附净化塔中流出的气体中CO₂含量降至≤70ppm(优选≤60ppm，更优选≤50ppm，进一步优选≤40ppm)，H₂S含量≤4ppm(优选≤3ppm，更优选≤2ppm，进一步优选≤1ppm)，甲醇≤30ppm(优选≤25ppm，更优选≤20ppm，进一步优选≤15ppm)，二甲醚≤70ppm(优选≤60ppm，更优选≤50ppm，进一步优选≤40ppm)，水分脱除至常压露点≤-76℃，C6和C6以上重烃组分脱除至≤217ppm(优选≤200ppm，更优选≤100ppm，进一步优选≤50ppm，最优选≤10ppm)。

吸附净化装置例如采用三塔并联模式，其中一台塔处于吸附过程而另两塔处于再生的不同过程，也就是说，一台塔处于运转状态，其它两个塔处于再生过程。

需要强调的是，在本申请的第一个实施方案即三塔并联模式的基础上省去第三吸附塔或增加类似的第四吸附塔，也属于本实用新型的保护范围。

下面以吸附塔T1为例，参照附图1说明其吸附及再生流程如下：

a、吸附过程：预冷后的富甲烷气，经阀V1A自吸附塔T1顶部进入正处于吸附状态的吸附塔T1。在吸附剂的选择吸附下，其中的酸性组分、水及重烃等被吸附下来，未被吸附的气体从塔底经阀V7A流出，得到合格的净化气体去冷箱系统。当被吸附杂质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段时，关掉该吸附塔T1的原料气进料阀V1A和净化气出口阀V7A，停止吸附，吸附床开始转入再生过程。当吸附塔T1处于吸附过程时，吸附塔T2和吸附塔T3均处于再生过程，例如吸附塔T2可依次进行热吹、冷吹、卸压、升压过程，吸附塔T3依次进行卸压、热吹过程。

b、卸压过程：吸附过程结束后，打开阀V3A逆着吸附方向对吸附塔T1进行卸压，将压力降至足够低，以保证后序过程中再生气能顺利进入吸附塔T1中对其复合床层进行再生；同时也使部分被吸附的气体卸压释放出来，释放出来的气体经阀V3A后出系统。

c、加热过程：卸压过程结束后，以富氢氮气作为再生气加热吸附塔T1，再生气的走向依据此时吸附塔T3所进行的过程确定；当吸附塔T3处于冷吹过程时，再生气出原料气预冷器E1后，依次经由阀V5C、吸附塔T3、阀V4C进入加热器E2中被升温至230-250℃(例如240℃)，然后经由阀V6A进入处于加热过程的吸附塔T1，逆向吹扫吸附剂床层，使吸附在吸附剂上的杂质完全解吸出来，使T1中的吸附剂得到再生；而当吸附塔T3处于除冷吹外的其它过程时，再生气则经阀V9直接进入加热器E2升温至230-250℃(例如240℃)，然后经阀V6A进入处于加热过程的吸附塔T1，逆向吹扫吸附剂床层，使T1中的吸附剂得到再生。吸附塔T1处于加热过程时，吸附塔T2依次经历吸附、卸压过程。

d、冷吹过程：当加热过程结束后，打开阀V5A，再生气经阀V5A进入处于冷吹过程的吸附塔T1，逆向吹扫吸附剂床层，使床层温度降至35-43℃(例如约40℃)；出吸附塔T1的再生气经阀V2A进入再生气处理系统，冷吹过程结束。吸附塔T1处于冷吹过程时，吸附塔T2处于加热过程，吸附塔T3处于吸附过程。

e、卸压过程：吸附过程结束后，打开阀V3A逆着吸附方向进行卸压，将冷吹过程中存留在塔内的再生气充分释放出来，释放出来的气体经阀V3A后出系统。吸附塔T1处于卸压过程时，吸附塔T2处于热吹过程，吸附塔T3处于吸附过程。

f、升压过程：在冷吹过程结束后，打开阀V1A通入富甲烷气对吸附塔T1进行升压。优选地，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动，需要通过升压调节阀缓慢而平稳地用富甲烷气将吸附塔压力升至吸附压力，以保证升压过程的平稳并减少升压过程中压力的波动对吸附塔产生的影响。

经这一过程后吸附塔T1便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，为下一次吸附做好了准备。三台吸附塔的吸附及再生过程完全相同，只是需要动作的阀门编号不同，三塔轮流操作，达到连续净化气体的目的。

经吸附净化后的天然气中仍含有氢气、氮气，需在冷箱系统中经精馏分离脱除氢、氮气以得到LNG产品；来自冷剂压缩机的混合冷剂为冷箱提供冷量后，返回冷剂压缩机；在现有技术中，冷箱中脱氢、氮气的工艺通常有单塔流程和双塔流程两种，单塔流程以氢氮混合气的形式脱除氢、氮气，双塔流程则分别分离出富氢气及富氮气；视所采用的精馏流程及氢、氮气的采出量(也即原料气中氢气、氮气的含量)来确定采用富氢气、富氮气，抑或是富氢氮的混合气，出冷箱返回原料气预冷器中用于预冷原料气，并可以作为吸附净化塔的再生气。

Claims

1.采用富氢氮气预冷的富含甲烷的气体的净化装置，它包括：

原料气预冷器(E1)，其具有原料气引入管，并且具有与气液分离器(V1)连接的第一引出管，和具有第二引出管，该第二引出管经由第一阀门(V5A)与第一吸附塔(T1)的底部引出管连接，经由第二阀门(V5B)与第二吸附塔(T2)的底部引出管连接，经由第三阀门(V5C)与第三吸附塔(T3)的底部引出管连接，并且经由第四阀门(V9)和加热器(E2)的上部引入管与加热器(E2)连接；

气液分离器(V1)，其具有与原料预冷器(E1)的第一引出管连接的引入管和底部放料阀，并且具有引出管，该引出管经由第五阀门(V1A)与第一吸附塔的上部引入管连接，经由第六阀门(V1B)与第二吸附塔的上部引入管连接，经由第七阀门(V1C)与第三吸附塔的上部引入管连接；

第一吸附塔(T1)，其具有上部引入管和底部引出管；

第二吸附塔(T2)，其具有上部引入管和底部引出管；和，任选地，

第三吸附塔(T3)，其具有上部引入管和底部引出管；以及

加热器(E2)，其具有上部引入管和下部引出管，加热器(E2)的上部引入管经由第八阀门(V4A)、第九阀门(V4B)、第十阀门(V4C)分别连接于第一吸附塔(T1)的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管，加热器(E2)的下部引出管分别经由第十一阀门(V6A)、第十二阀门(V6B)、第十三阀门(V6C)连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管；

冷箱，其具有气体引入管、液化气引出管、富氢氮气引出管，该气体引入管经由第十四阀门(V7A)、第十五阀门(V7B)、第十六阀门(V7C)分别连接于第一吸附塔的底部引出管、第二吸附塔的底部引出管、第三吸附塔的底部引出管，该富氢氮气引出管与原料气预冷器(E1)连接；

混合冷剂压缩机，其具有冷剂引入管和冷剂引出管分别与冷箱连接；

再生气排出管道，其经由第十七阀门(V2A)、第十八阀门(V2B)、第十九阀门(V2C)分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管；

卸压尾气管道，其经由第二十阀门(V3A)、第二十一阀门(V3B)、第二十二阀门(V3C)分别连接于第一吸附塔的上部引入管、第二吸附塔的上部引入管、第三吸附塔的上部引入管。

2.根据权利要求1所述的采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置，其特征在于：第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔并联，各自在一个循环周期中依次经历吸附、卸压、加热、冷吹、卸压、升压六个工艺步骤，其中一台吸附塔处于吸附过程，另两台处于再生过程。

3.根据权利要求1或2所述的采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置，其特征在于：第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔中各吸附剂复合床层独立地装填选自3A分子筛、4A分子筛、13X分子筛、活性氧化铝、活性炭和耐水硅胶中的一种或两种或多种吸附剂。

4.根据权利要求3所述的采用富氢氮气预冷的富含甲烷气体的净化装置，其特征在于：脱水使用活性氧化铝、3A分子筛、4A分子筛或13X分子筛，脱CO₂、H₂S使用13X分子筛，脱重烃、甲醇、二甲醚使用活性炭和/或耐水硅胶。