CN218915570U - 天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，包括预处理单元，所述预处理单元分别连接膜分离渗透分离单元、蒸汽系统，膜分离渗透分离单元分别连接精处理单元、混合气收集罐，精处理单元分别连接氦气纯化单元、蒸汽系统、混合气收集罐，氦气纯化单元分别连接混合气收集罐、蒸汽系统、换热器、预处理单元，混合气收集罐连接有焚烧炉，焚烧炉与蒸汽系统连接，蒸汽系统与换热器连接。本实用新型氦气纯化装置解决了现有液化天然气蒸发气含高浓度氦气尚未回收，氦气资源浪费的现实问题。

Description

天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置

技术领域

本实用新型属于氦气提纯技术领域，涉及天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置。

背景技术

氦(He)是在常温常压下无色、无毒、无味的单原子气体，临界温度最低，是已知最难液化的气体，不活泼，不燃烧，不助燃。由于具有独特的密度小、液化温度最低(-222℃)、导热性好、化学惰性等不可替代的理性及不可再生的特征，被誉为工业气体中的“黄金气体”和“工业标准气”。从含氦天然气中提纯获得纯氦、高纯氦和超纯氦，迄今仍是工业化生产氦气的唯一选择。在天然气液化工艺过程，氢气、氦气以及氮气等超低沸点气体在不凝气中富集氦气的含量量级聚集，形成富氦闪蒸气，氦气含量达到11～53vol％，而目前液化天然气闪蒸气含高浓度氦气尚未充分回收利用，造成氦气资源的浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供天然气液化富氦闪蒸气氦气纯化装置，解决了现有液化天然气蒸发气含高浓度氦资源尚未回收，氦气资源浪费的现实问题。

本实用新型所采用的技术方案是，天然气液化富氦闪蒸气氦气纯化装置，包括预处理单元，所述预处理单元分别连接膜分离渗透分离单元、蒸汽系统，膜分离渗透分离单元分别连接精处理单元、混合气收集罐，精处理单元分别连接氦气纯化单元、蒸汽系统、混合气收集罐，氦气纯化单元分别连接混合气收集罐、蒸汽系统、换热器、预处理单元，混合气收集罐连接有焚烧炉，焚烧炉与蒸汽系统连接，蒸汽系统与换热器连接。

本实用新型的特征还在于，

预处理单元包括原料气缓冲罐，原料气缓冲罐依次连接原料气压缩机、精密过滤器、分子筛干燥装置、膜前加热装置，膜前加热装置与蒸汽系统连接。

膜分离渗透分离单元包括与膜前加热装置连接的膜前压缩机，膜前压缩机连接有膜渗透分离装置，膜渗透分离装置与混合气收集罐连接。

膜渗透分离装置由至少1个并联或串联连接的气体分离渗透膜组件构成的中空纤维膜、卷式膜活板式膜中的一种或几种组成。

氦气精处理单元包括与膜渗透分离装置连接的压缩机，压缩机分别与催化氧化脱氢装置、混合气收集罐、蒸汽系统连接。

氦气纯化单元包括与催化氧化脱氢装置连接的TSA，TSA分别与混合气收集罐、蒸汽系统、真空压缩机连接，真空压缩机依次连接有PSA、氦气储罐、氦气增压机，氦气增压机分别连接高压储氦罐、中压储氦罐、低压储氦罐，PSA还分别与原料气缓冲罐、换热器。

PSA由2台吸附塔组成。

本实用新型的有益效果是，

(1)本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，设置有膜渗透分离装置逐级浓缩富集普氦气，经过精处理单元获得精氦气，采用常压变温吸附(TSA)净化，深度脱除水，最后经过低温变压吸附(PSA)，吸附的解吸气获得高纯氦气(≥99.999vol％)，氦气总体收率达到93％，解吸气经压缩机加压返回原料气缓冲单元1，再次循环往复回收解吸气中含量≤1.5vol％的氦气，运行周期可达2000小时/年；

(2)本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，规模较小、占地小，充分利用天然气液化过程的冷能、热能、净化、压缩、管道及辅助设施设备，有效降低氦气回收纯化工艺能耗，加大设备设施利用水平和利用率，提升深冷回收稀缺工艺气的能力，助力高值资源的高效利用回收，为大规模连续性提取氦气提供稳定、充足、低价和高纯的氦源；

(3)本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，建设周期短，收益高，具有工艺流程短、易操作、能耗低、性价高、操作弹性大、运行稳定可靠，提高产品转化效率、降低装置能耗。

附图说明

图1是本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置的结构示意图。

图中，1.原料气缓冲罐，2.原料气压缩机，3.精密过滤器，4.分子筛干燥装置，5.膜前加热装置，2.膜前压缩机，7.混合气收集罐，2.焚烧炉，9.蒸汽系统，10.换热器，11.膜渗透分离装置，12.压缩机，13.催化氧化脱氢装置，14.TSA，15.真空压缩机，12.PSA，17.氦气储罐，12.氦气增压机，19.高压储氦罐，20.中压储氦罐，21.低压储氦罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型中所使用的设备、材料、催化剂、分子筛、辅助设施，如无特殊说明，均为正常的设备、工艺、技术及方法，可从正常途径得到。

本实用新型提供一种天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，结构如图1所示，包括预处理单元，预处理单元分别连接膜分离渗透分离单元、蒸汽系统9，膜分离渗透分离单元分别连接精处理单元、混合气收集罐7，精处理单元分别连接氦气纯化单元、蒸汽系统9、混合气收集罐7，氦气纯化单元分别连接混合气收集罐7、蒸汽系统9、换热器10、预处理单元，混合气收集罐7连接有焚烧炉2，焚烧炉2与蒸汽系统9连接，蒸汽系统9与换热器10连接。

预处理单元包括原料气缓冲罐1，原料气缓冲罐1依次连接原料气压缩机2、精密过滤器3、分子筛干燥装置4、膜前加热装置5，膜前加热装置5与蒸汽系统9连接。

膜渗透分离单元包括与膜前加热装置5连接的膜前压缩机2，膜前压缩机2连接有膜渗透分离装置11，膜渗透分离装置11与混合气收集罐7连接，其中，膜渗透分离装置11由至少1个并联或串联连接的气体分离渗透膜组件构成的中空纤维膜、卷式膜活板式膜中的一种或几种组成,，采用较高氦气/甲烷分离系数的膜型，去除原料气中的甲烷和氮气及其他气体，预浓缩原料气中的氦气，并保持较高的氦气回收率。

氦气精处理单元包括与膜渗透分离装置11连接的压缩机12，压缩机12分别与催化氧化脱氢装置13、混合气收集罐7、蒸汽系统9连接，催化氧化脱氢装置13选择列管式反应器，脱氧催化剂装填在管程，冷却介质走壳程，催化氧化脱氢催化剂使用钯。

氦气纯化单元包括与催化氧化脱氢装置13连接的TSA14，TSA14分别与混合气收集罐7、蒸汽系统9、真空压缩机15连接，真空压缩机15依次连接有PSA12、氦气储罐17、氦气增压机12，氦气增压机12分别连接高压储氦罐19、中压储氦罐20、低压储氦罐21，PSA12还分别与原料气缓冲罐1、换热器10，PSA12由2台吸附塔组成。

本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，对来自于界外天然气已按照液化工艺进行脱碳、脱水、脱汞、脱烃处理，将LNG储罐、液化生产、槽车装卸过程及气化运行等产生的再生气收集于原料气缓冲罐1中，则原料气缓冲罐1中的气体组成为氦气11vol％、氢气3.12vol％、氮气1.72vol％和烷烃24.09vol％、氩气0.03vol％，进入原料气压缩机2，增压至1.0～2.0Mpa.G，升压后进入精密过滤器3进一步去除原料气中的固体物质、粉尘，再进入分子筛干燥装置4去除原料气多余水分，最后进入膜前加热装置5，采用焚烧炉2产生的热能给蒸汽系统9加热，使原料气升温至45℃，以在进入膜渗透分离单元之前达到合适的原料气温度使膜渗透分离效率更高。经过上述预处理的原料气达到入膜最低要求：粉尘达到≤0.01μm；残油达到≤0.01ppm；干球温度达到25～50℃。

原料气进入膜前压缩机2加压，升压至2.2Mpa.G后进入膜渗透分离装置11，利用各气体组分在膜材料中的溶解扩散速率差异，在膜两侧压力差的作用不同原料气组分在中空纤维膜中的渗透率不同而实现混合气体分离，从而对氦气进行分离富集以及后续高回收氦气再纯化的目的，渗透气浓缩富集的含氦混合气体(氦气25vol％、氢气0.25vol％、氮气0.34vol％、烷烃0.25vol％)，通过膜渗透分离单元分离出N₂、CH₄及其它少量组分的非渗透气，并通过膜渗透分离装置11的出口排至混合气收集罐7作为焚烧炉2的燃料，余下包含He、H₂及其它少量组分的渗透气。膜渗透分离装置11以其模块化和节能性具有优势，但膜渗透分离获得的氦气浓度≤99.9％；由于He、H₂的可凝性和分子尺寸非常接近，仅依靠膜渗透分离难以实现氦气的高纯化，需将渗透气进行精处理脱氢提高氦气的纯度。

初步富集浓缩的混合气体组分包括氦气、氢气、氧气及水，混合气体进入压缩机12增压后进入催化氧化脱氢装置13与来自液化生产的液化空分系统纯度92％的氧气充分混合，除去水和过量的氧气实现从氦气中净化掉氢气当混合气体中氢气含量≥2.2vol％，催化氧化脱氢装置13选择列管式反应器，脱氧催化剂装填在管程，冷却介质走壳程，催化氧化脱氢催化剂使用钯，在金属Pd含量0.5wt％的活性组分的脱氢催化剂作用下，运行脱氢温度为45～230℃、体积空速为300～4000h^-1，催化氧化脱氢反应温度145～120℃，混合气体中氢气与氧反应生成水，获得脱氢氦气中H₂≤0.5ppmv，分离气排至混合气收集罐7作为焚烧炉2的燃料，反应所需中温采用焚烧炉2产生的蒸汽。

天然气为多组分混合物，由于各物质的凝固点和溶解度的差异，随提取净化温度的降低，应防止其在后续精制纯化处理出现固体杂质或低温冰堵，影响设备正常运行及混合气中分离杂质气，纯化氦气的高纯度受到限制。混合气进入TSA14(常压变温吸附)变温吸附流程，在不同温度变化时利用吸附剂(多孔固体物质)内部表面对混合气体中的含水气体具有特殊选择性实现分离、吸附、净化。混合气体通过吸附剂床层在温度较低时吸附剂吸附水分，吸附剂床层在加热升温时吸附剂脱附再生，使吸附剂所吸附水分脱附返回气相，从而实现循环往复。氦气穿透床层得以净化，达到持续深度脱除水分目的，获得脱水氦气水分小于0.1ppmv，解吸气排至混合气收集罐7作为焚烧炉2的燃料，反应所需热能采用焚烧炉2产生的蒸汽系统9产生的蒸汽，整个流程回收率高、吸附剂利用率高为可逆反应的物理过程，无化学反应；混合气经TSA精脱氢脱水后进入真空压缩机15加压，升压至2.0Mpa.G后进入PSA12(低温变压吸附)纯化，变压吸附分离利用不同压力分子筛对不同介质吸附性能的差异，在高压吸附，在低压解吸。吸附剂用活性炭、分子筛等高比表面积、强吸附能力的介质。吸附杂质后的吸附塔经过降压、逆放、冲压流程解吸杂质，完成再生，实现吸附剂的吸附和再生循环往复，吸附剂利用率高、产品纯度高。PSA(低温变压吸附)由2个吸附塔组成，每个吸附塔为装填活性炭的塔体，运行时一塔吸附、一塔再生，吸附温度-175℃，加热再生温度50～25℃，反应所需热能来自焚烧炉2产生的蒸汽系统，经过换热器10提供。在活性炭的高压强力吸附分离作用下，除氦气以外的微量杂质均被解吸深度精脱，获得高纯氦气纯度达到99.999％，氦气总体收率达到93％，解吸气经压缩机加压返回原料气缓冲单元1，再次循环往复回收解吸气中含量≤1.5vol％的氦气，氦气产品储存于氦气储罐17，经过氦气增压机12，输入高压储氦罐19、中压储氦罐20、低压储氦罐21，作为商品氦销售。

本实用新型氦气纯化装置对液化天然气工厂1条200万方/天的生产线，生产用气3.5亿方/年；11万方低温储罐闪蒸气13～20万方/天(2座3万方LNG储罐，1座5万方LNG储罐)；液化运行的再生气32～39万方/天，集中收集作为氦气回收原料气源，经第三方多批次氦含量组分检测均值达到11～53vol％。结合集成回收技术纯化，充分利用原有相关设备设施、高效利用能源、降低生产运行成本，延伸液化天然气的工艺链条和增加附加值，实现高纯氦气回收提纯和价值再现。

本实用新型天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，基于天然气液化生产、低温储存和装卸过程副产的闪蒸气及其他气体，对原料气样品进行混合气体组分测定，氦气含量达到国际公认的商业级别＞0.2vol％以上，在工业生产和市场经济上极具开发回收价值，并且依据百万方天然气处理规模的天然气液化工厂完善的管理体系、成熟的生产技术、可靠的安全运行、精确的操作控制、高度的自动化，实现氦气纯化提纯节省运行成本，提高整个运行的安全性和可靠性，设备设施操作弹性40～110％。

Claims (3)

1.天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，其特征在于，包括预处理单元，所述预处理单元分别连接膜分离渗透分离单元、蒸汽系统(9)，所述膜分离渗透分离单元分别连接氦气精处理单元、混合气收集罐(7)，所述氦气精处理单元分别连接氦气纯化单元、蒸汽系统(9)、混合气收集罐(7)，所述氦气纯化单元分别连接混合气收集罐(7)、蒸汽系统(9)、换热器(10)、预处理单元，所述混合气收集罐(7)连接有焚烧炉(8)，所述焚烧炉(8)与蒸汽系统(9)连接，所述蒸汽系统(9)与换热器(10)连接；

所述预处理单元包括原料气缓冲罐(1)，所述原料气缓冲罐(1)依次连接原料气压缩机(2)、精密过滤器(3)、分子筛干燥装置(4)、膜前加热装置(5)，所述膜前加热装置(5)与蒸汽系统(9)连接；

所述膜分离渗透分离单元包括与膜前加热装置(5)连接的膜前压缩机(6)，所述膜前压缩机(6)连接有膜渗透分离装置(11)，所述膜渗透分离装置(11)与混合气收集罐(7)连接；

所述氦气精处理单元包括与膜渗透分离装置(11)连接的压缩机(12)，所述压缩机(12)分别与催化氧化脱氢装置(13)、混合气收集罐(7)、蒸汽系统(9)连接；

所述氦气纯化单元包括与催化氧化脱氢装置(13)连接的TSA(14)，所述TSA(14)分别与混合气收集罐(7)、蒸汽系统(9)、真空压缩机(15)连接，所述真空压缩机(15)依次连接有PSA(16)、氦气储罐(17)、氦气增压机(18)，所述氦气增压机(18)分别连接高压储氦罐(19)、中压储氦罐(20)、低压储氦罐(21)，所述PSA(16)还分别与原料气缓冲罐(1)、换热器(10)。

2.根据权利要求1所述的天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，其特征在于，所述膜渗透分离装置(11)由至少1个并联或串联连接的气体分离渗透膜组件构成的中空纤维膜、卷式膜活板式膜中的一种或几种组成。

3.根据权利要求1所述的天然气液化富氦蒸发气氦气纯化装置，其特征在于，所述由2台吸附塔组成。

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