CN204830679U - 天然气超低温提取氦气系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，包括脱甲烷单元、脱氮单元以及冷箱，脱氮单元包括脱氮塔、脱氮塔塔顶分离器、氦气膨胀机以及深冷器，脱氮塔吸入脱甲烷后的原料气，原料气分离为液氮与塔顶气，塔顶气进入脱氮塔塔顶分离器，塔顶气分离为第一液相与氦气，氦气进入氦气膨胀机，膨胀后的氦气通过第四管路排出，第二管路中的塔顶气、第四管路中的氦气在深冷器中交换冷量，以使第二管路中的塔顶气在深冷器降温至第二温度后进入脱氮塔塔顶分离器。本实用新型的天然气超低温提取氦气系统将含氦净化后天然气或含氦BOG降温至更低温度，可以得到纯度更高的氦气。本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，降低能耗，且提高资源利用率，经济效益良好。

Description

天然气超低温提取氦气系统

技术领域

本实用新型涉及氦气的提取，特别是涉及一种天然气超低温提取氦气系统。

背景技术

氦气为惰性气体的一种。氦气在通常情况下为无色、无味的气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦是最不活泼的元素。氦气的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂。氦气在空气中含量极少(约0.005％)，因此并无工业提氦价值。

氦气主要存在于天然气中，从天然气中提取氦气是氦气的主要工业来源。目前从天然气中提氦主要有三种方法：深冷法、膜分离法和变压吸附法。其中较为成熟的是深冷法。

利用深冷法从天然气中提取氦气需要将天然气的温度大幅降低，目前国内外一般采用氮气循环制冷技术来使天然气降至满足深冷法提氦工艺需要的温度。氮气循环制冷能耗高，天然气温度仅能降至-192℃左右，分离出的氦气浓度底，且处理尾气麻烦，投资较高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可以将天然气降至更低温度，由此得到更纯净氦气的天然气超低温提取氦气系统。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，包括用于将原料气冷却至第一温度，使原料气中的甲烷脱离的脱甲烷单元、用于将脱甲烷后的原料气冷却至比第一温度更低的第二温度，使原料气中的氮气与氦气脱离的脱氮单元以及冷箱，所述脱氮单元包括脱氮塔、脱氮塔塔顶分离器、氦气膨胀机以及深冷器，所述脱氮塔通过第一管路由脱甲烷单元吸入脱甲烷后的原料气，所述脱甲烷后的原料气在所述脱氮塔中分离为液氮与塔顶气，所述塔顶气通过第二管路进入所述脱氮塔塔顶分离器，所述塔顶气在所述脱氮塔塔顶分离器中分离为第一液相与氦气，所述氦气通过第三管路进入所述氦气膨胀机，膨胀后的所述氦气通过第四管路排出，所述第二管路、所述第四管路均分别经过所述深冷器，所述第二管路中的塔顶气、所述第四管路中的氦气在所述深冷器中交换冷量，以使所述第二管路中的塔顶气在所述深冷器降温至所述第二温度后进入脱氮塔塔顶分离器。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，所述第四管路经过所述深冷箱后还经过所述冷箱，以使所述第四管路中的氦气在所述深冷器中提供冷量后进入所述冷箱提供冷量，所述第四管路经过所述冷箱后与回流管路的起始端连通，所述回流管路的终点端与第三管路连通，所述回流管路由起始端依次经过氦气压缩机、所述冷箱、所述深冷机，所述回流管路用于将在所述冷箱提供冷量后的氦气输送至氦气压缩机压缩，将压缩后的氦气依次输送至所述冷箱、所述深冷箱冷却，并将由所述深冷箱冷却后的氦气输送至第三管路，所述氦气由第三管路输送至所述氦气膨胀机。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，还包括用于向所述冷箱提供冷量的循环制冷系统，所述循环制冷系统包括制冷剂压缩机以及节流阀，所述制冷剂压缩机通过第五管路向所述节流阀输送被压缩的制冷剂，所述制冷剂被所述节流阀节流降温后通过第六管路输至所述制冷剂压缩机，通过第五管路、第六管路，所述制冷剂在制冷剂压缩机与节流阀之间循环，第五管路、第六管路分别经过所述冷箱，所述第五管路中的制冷剂在所述冷箱中冷却，所述第六管路中的制冷剂在所述冷箱中提供冷量。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，所述脱甲烷单元包括脱甲烷塔、脱甲烷塔塔底再沸器、脱甲烷塔塔顶分离器，所述脱甲烷塔塔底再沸器通过第七管路吸入原料气，所述原料气在脱甲烷塔塔底再沸器中降温后，通过第八管路进入脱甲烷塔，原料气在脱甲烷塔中分离为脱甲烷塔塔底液相与脱甲烷塔塔顶气相，所述脱甲烷塔塔底液相通过第九管路进入塔底再沸器升温并分离成气相与LNG液相，所述气相进入脱甲烷塔塔底，所述脱甲烷塔塔顶气相通过第十管路进入所述脱甲烷塔塔顶分离器，所述脱甲烷塔塔顶气相在所述脱甲烷塔塔顶分离器中分成所述脱甲烷后的原料气以及第二液相，所述第二液相返回脱甲烷塔塔顶，所述脱甲烷后的原料气进入所述第一管路，所述第八管路、所述第十管路、所述第一管路分别经过所述冷箱，以使第八管路中的所述原料气、所述第十管路中的所述脱甲烷塔塔顶气相、所述第一管路中的所述脱甲烷后的原料气被冷却。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，所述第七管路依次经过原料气压缩机、所述冷箱、所述脱甲烷塔塔底再沸器，以使所述第七管路中的原料气被压缩加压后，经过冷却降温进入所述脱甲烷塔塔底再沸器。

相比传统技术，本实用新型的天然气超低温提取氦气系统将含氦净化后天然气或含氦BOG降温至更低温度，可以得到纯度更高的氦气。本实用新型的天然气超低温提取氦气系统使用MRC制冷系统提供外部冷源，降低能耗，且提高资源利用率，经济效益良好。

附图说明

图1为本实用新型的天然气超低温提取氦气系统的结构示意图。

具体实施方式

液化天然气(简称LNG)是天然气(简称NG)经压缩、冷却至其沸点(-161.5℃左右，与组分有关)后形成的液态天然气，主要成分是甲烷。BOG是指闪蒸气，是LNG在储罐或槽车内吸收外界热量后挥发而成的气体

如图1所示，本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，包括用于将原料气冷却至第一温度，使原料气中的甲烷脱离的脱甲烷单元10、用于将脱甲烷后的原料气冷却至比第一温度更低的第二温度，使原料气中的氮气与氦气脱离的脱氮单元20以及冷箱2，脱氮单元20包括脱氮塔6、脱氮塔塔顶分离器8、氦气膨胀机9以及深冷器7。脱氮塔6通过第一管路21由脱甲烷单元10吸入脱甲烷后的原料气，脱甲烷后的原料气在脱氮塔6中分离为液氮与塔顶气，塔顶气通过第二管路22进入脱氮塔塔顶分离器8，塔顶气在脱氮塔塔顶分离器8中分离为第一液相与氦气，氦气通过第三管路23进入氦气膨胀机9，膨胀后的氦气通过第四管路24排出，第二管路22、第四管路24均分别经过深冷器7，第二管路22中的塔顶气、第四管路24中的氦气在深冷器7中交换冷量，以使第二管路22中的塔顶气在深冷器7中降温至第二温度后进入脱氮塔塔顶分离器8。第一温度通常为-150℃，第二温度通常为-215℃。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，第四管路24经过深冷箱7后还经过冷箱2，以使第四管路24中的氦气在深冷器7中提供冷量后进入冷箱2提供冷量，第四管路24经过冷箱2后与回流管路11的起始端连通，回流管路11的终点端与第三管路23连通，回流管路11由起始端依次经过氦气压缩机10、冷箱2、深冷机7，回流管路11用于将在冷箱2提供冷量后的氦气输送至氦气压缩机10压缩，将压缩后的氦气依次输送至冷箱2、深冷箱7冷却，并将由深冷箱7冷却后的氦气输送至第三管路23，这部分氦气由第三管路23输送至氦气膨胀机9。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，还包括用于向冷箱提供冷量的循环制冷系统30，循环制冷系统30包括制冷剂压缩机31以及节流阀32，制冷剂压缩机32通过第五管路25向节流阀32输送被压缩的制冷剂，制冷剂被节流阀32节流降温后通过第六管路26输至制冷剂压缩机32，通过第五管路25、第六管路26，制冷剂在制冷剂压缩机31与节流阀32之间循环，第五管路25、第六管路26分别经过冷箱2，第五管路25中的制冷剂在冷箱2中冷却，第六管路26中的制冷剂在冷箱2中提供冷量。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，循环制冷系统30为MRC制冷系统。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，脱甲烷单元10包括脱甲烷塔3、脱甲烷塔塔底再沸器4、脱甲烷塔塔顶分离器5，脱甲烷塔塔底再沸器4通过第七管路27吸入原料气，原料气在脱甲烷塔塔底再沸器4中降温后，通过第八管路28进入脱甲烷塔3，原料气在脱甲烷塔3中分离为脱甲烷塔塔底液相与脱甲烷塔塔顶气相，脱甲烷塔塔底液相通过第九管路29进入塔底再沸器4升温并分离成气相与LNG液相，气相进入脱甲烷塔塔底，脱甲烷塔塔顶气相通过第十管路210进入脱甲烷塔塔顶分离器5，脱甲烷塔塔顶气相在脱甲烷塔塔顶分离器5中分成脱甲烷后的原料气以及第二液相，第二液相返回脱甲烷塔塔顶，脱甲烷后的原料气进入第一管路21，第八管路28、第十管路210、第一管路21分别经过冷箱2，以使第八管路28中的原料气、第十管路210中的脱甲烷塔塔顶气相、第一管路21中的脱甲烷后的原料气被冷却。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统，其中，第七管路27依次经过原料气压缩机1、冷箱2、脱甲烷塔塔底再沸器4，以使第七管路27中的原料气被压缩加压后，经过冷却降温进入脱甲烷塔塔底再沸器4。

相比传统技术，本实用新型的天然气超低温提取氦气系统将含氦净化后天然气或含氦BOG降温至更低温度-234℃左右，可以得到纯度达97.6％左右的氦气。本实用新型的天然气超低温提取氦气系统使用MRC制冷系统提供外部冷源，降低能耗，且提高资源利用率，经济效益良好。

原料气压缩机1的进口为原料气(含氦净化后天然气或含氦BOG)的入口，原料气压缩机1的出口与冷箱2左侧进口N3相连，冷箱2右侧出口N4与脱甲烷塔塔底再沸器4热物料进口相连；冷箱2左侧进口N1与脱甲烷塔塔底再沸器4热物料出口相连，冷箱右侧出口N2与脱甲烷塔3中部物料进口相连；冷箱2左侧进口N5与脱甲烷塔3塔顶出口相连，冷箱2右侧出口N6与脱甲烷塔塔顶分离器5中部进口相连；冷箱2左侧进口N7与脱甲烷塔塔顶分离器5顶部出口相连，冷箱右侧出口N8与脱氮塔6中部进口相连；冷箱2右侧进口N9与脱氮塔6底部出口相连，冷箱2左侧出口N10接放空管线；

冷箱2右侧进口N11与深冷器7左侧出口N2相连，冷箱2左侧出口N12为氦气出口管线，此管线分成两股，一股氦气进入后续流程，一股氦气循环做制冷剂，这一路管线与氦气压缩机10的入口相连；冷箱2左侧进口N13与氦气压缩机10的出口相连，冷箱2右侧出口N14与深冷器7左侧入口N3相连；冷箱2右侧进口N15与MRC制冷循环节流后的管线相连，冷箱2左侧出口N16与MRC制冷系统的冷剂压缩机31的入口相连；冷箱2左侧进口N17与冷剂压缩机31出口相连，冷箱2右侧出口N18与MRC制冷循环节流前的管线相连。

脱甲烷塔3中部入口与冷箱右侧N2相连，脱甲烷塔3塔顶出口与冷箱左侧N5相连，脱甲烷塔3塔顶入口与脱甲烷塔塔顶分离器5底部液相出口相连，，脱甲烷塔3塔底出口与脱甲烷塔塔底再沸器4相连，脱甲烷塔3塔底入口与脱甲烷塔塔底再沸器4气相出口相连，LNG从脱甲烷塔塔底再沸器4液相出口出来节流到一定压力后进入LNG储罐，得到LNG副产品。

脱氮塔6中部入口与冷箱2右侧出口N8相连，脱氮塔6塔顶出口与深冷器7左侧入口N5相连，脱氮塔6塔顶入口与脱氮塔塔顶分离器8底部液相出口相连，脱氮塔6塔底液相出口经过节流阀后与冷箱右侧入口N9相连。

深冷器7右侧入口N1与氦气膨胀机9出口相连，左侧出口N2与冷箱2右侧入口N11相连；深冷器7左侧入口N3与冷箱2右侧出口N14相连，深冷器7右侧出口N4的物料与脱氮塔塔顶分离器顶部出口的物料汇合后进入氦气膨胀机9的入口；深冷器7左侧进口N5与脱氮塔6塔顶出口相连，深冷器7右侧出口N6与脱氮塔塔顶分离器8中部入口相连。

本实用新型的天然气超低温提取氦气系统工作中，含氦净化后天然气或含氦BOG首先通过原料气压缩机1加压到1.25MPa，然后进入冷箱2降温到-110℃，然后进入脱甲烷塔塔底再沸器4提供热量后降温到-126℃，再次进入冷箱2降温到-150℃后进入脱甲烷塔3。

脱甲烷塔3塔底液相进入脱甲烷塔塔底再沸器4与热物流换热，温度升高，分成气液两相，气相返回脱甲烷塔3塔底，液相出从脱甲烷塔塔底再沸器4出来后节流到一定压力，得到副产品LNG，进入LNG储罐；气相进入冷箱冷凝到-167℃后进入脱甲烷塔塔顶分离器5分成气液两相(脱甲烷后的原料气以及第二液相)，液相返回脱甲烷塔塔顶，气相进入冷箱继续降温到-190℃，绝压1.2MPa，然后进入脱氮塔6。

脱氮塔6塔底液体为液氮，这部分液氮节流后进入冷箱2提供冷量后，恢复至常温放空；塔顶气进入深冷器冷凝到-215℃后分成气液两相，在脱氮塔塔顶分离器8中分开，液相(第一液相)返回脱氮塔6，气相(氦气)与换热后的循环氦气汇合一起进入氦气膨胀机9中膨胀降温，降温到-234℃后进入深冷器7提供冷量，出来后又进入冷箱2提供其余冷量，恢复至常温。

恢复至常温后的氦气分成两部分，一部分作为高纯度(97.6％)的氦气进入回收，另一部分氦气进入氦气压缩机加压到1.0MPa进入冷箱2预冷到-180℃后，进入深冷器7，再次降温到-215℃与脱氮塔塔顶分离器8的顶部气体一起进入氦气膨胀机9降温，降温到-234℃后进入深冷器7和冷箱2提供冷量。

冷箱2中其余所需冷量由MRC制冷系统提供。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种天然气超低温提取氦气系统，包括用于将原料气冷却至第一温度，使原料气中的甲烷脱离的脱甲烷单元、用于将脱甲烷后的原料气冷却至比第一温度更低的第二温度，使原料气中的氮气与氦气脱离的脱氮单元以及冷箱，其特征在于，所述脱氮单元包括脱氮塔、脱氮塔塔顶分离器、氦气膨胀机以及深冷器，所述脱氮塔通过第一管路由脱甲烷单元吸入脱甲烷后的原料气，所述脱甲烷后的原料气在所述脱氮塔中分离为液氮与塔顶气，所述塔顶气通过第二管路进入所述脱氮塔塔顶分离器，所述塔顶气在所述脱氮塔塔顶分离器中分离为第一液相与氦气，所述氦气通过第三管路进入所述氦气膨胀机，膨胀后的所述氦气通过第四管路排出，所述第二管路、所述第四管路均分别经过所述深冷器，所述第二管路中的塔顶气、所述第四管路中的氦气在所述深冷器中交换冷量，以使所述第二管路中的塔顶气在所述深冷器降温至所述第二温度后进入脱氮塔塔顶分离器。

2.根据权利要求1所述的天然气超低温提取氦气系统，其特征在于，所述第四管路经过所述深冷箱后还经过所述冷箱，以使所述第四管路中的氦气在所述深冷器中提供冷量后进入所述冷箱提供冷量，所述第四管路经过所述冷箱后与回流管路的起始端连通，所述回流管路的终点端与第三管路连通，所述回流管路由起始端依次经过氦气压缩机、所述冷箱、所述深冷机，所述回流管路用于将在所述冷箱提供冷量后的氦气输送至氦气压缩机压缩，将压缩后的氦气依次输送至所述冷箱、所述深冷箱冷却，并将由所述深冷箱冷却后的氦气输送至第三管路，所述氦气由第三管路输送至所述氦气膨胀机。

3.根据权利要求2所述的天然气超低温提取氦气系统，其特征在于，还包括用于向所述冷箱提供冷量的循环制冷系统，所述循环制冷系统包括制冷剂压缩机以及节流阀，所述制冷剂压缩机通过第五管路向所述节流阀输送被压缩的制冷剂，所述制冷剂被所述节流阀节流降温后通过第六管路输至所述制冷剂压缩机，通过第五管路、第六管路，所述制冷剂在制冷剂压缩机与节流阀之间循环，第五管路、第六管路分别经过所述冷箱，所述第五管路中的制冷剂在所述冷箱中冷却，所述第六管路中的制冷剂在所述冷箱中提供冷量。

4.根据权利要求2所述的天然气超低温提取氦气系统，其特征在于，所述脱甲烷单元包括脱甲烷塔、脱甲烷塔塔底再沸器、脱甲烷塔塔顶分离器，所述脱甲烷塔塔底再沸器通过第七管路吸入原料气，所述原料气在脱甲烷塔塔底再沸器中降温后，通过第八管路进入脱甲烷塔，原料气在脱甲烷塔中分离为脱甲烷塔塔底液相与脱甲烷塔塔顶气相，所述脱甲烷塔塔底液相通过第九管路进入塔底再沸器升温并分离成气相与LNG液相，所述气相进入脱甲烷塔塔底，所述脱甲烷塔塔顶气相通过第十管路进入所述脱甲烷塔塔顶分离器，所述脱甲烷塔塔顶气相在所述脱甲烷塔塔顶分离器中分成所述脱甲烷后的原料气以及第二液相，所述第二液相返回脱甲烷塔塔顶，所述脱甲烷后的原料气进入所述第一管路，所述第八管路、所述第十管路、所述第一管路分别经过所述冷箱，以使第八管路中的所述原料气、所述第十管路中的所述脱甲烷塔塔顶气相、所述第一管路中的所述脱甲烷后的原料气被冷却。

5.根据权利要求4所述的天然气超低温提取氦气系统，其特征在于，所述第七管路依次经过原料气压缩机、所述冷箱、所述脱甲烷塔塔底再沸器，以使所述第七管路中的原料气被压缩加压后，经过冷却降温进入所述脱甲烷塔塔底再沸器。