TWI782190B - 利用液態氮將天然氣液化之方法與系統 - Google Patents

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Abstract

一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法。在LNG液化設施處接收至少一道液態氮(LIN)物流，該等LIN物流可在與該LNG液化設施不同之位置製得。天然氣物流係藉由與氮排氣物流間接熱交換而液化以形成經加壓之LNG物流。該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度。將該經加壓之LNG物流引導至塔之一或多個階段以製造LNG物流和該氮排氣物流。該塔具有上方階段和下方階段。將該等LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段。

Description

利用液態氮將天然氣液化之方法與系統 [相關申請案之交叉引用]
本申請案主張在2018年3月14日提出之標題為「使用液態氮將天然氣液化的方法和系統(METHOD AND SYSTEM FOR LIQUEFACTION OF NATURAL GAS USING LIQUID NITROGEN)」的美國專利申請案62/642,961優先權，該申請案整體藉由引用被併入本文。
本揭示內容之領域
本揭示內容通常關於天然氣液化以形成液化天然氣(LNG)的領域。更特別地，本揭示內容係關於藉由使用液態氮將包含高於1mol%之氮濃度的天然氣液化。
此節意圖介紹可與本揭示內容相關之技術的不同方面。此討論意圖提供一種使本揭示內容之特別方面 更好被了解的架構。因此，應了解：此節應鑒於此觀點被研讀，且並不必然承認為先前技藝。
LNG是將天然氣從豐富供應天然氣之位置供給至強烈需要天然氣之遠方位置的快速成長之手段。該常見的LNG循環包括：a)起初處理該天然氣資源以移除汙染物諸如水、硫化合物和二氧化碳；b)藉由包括自體冷凍、外部冷凍、貧油等之多種可能方法分離一些較重烴氣體諸如丙烷、丁烷、戊烷等；c)藉由外部冷凍將該天然氣實質冷凍以在大氣壓或接近大氣壓及約-160℃下形成液化天然氣；d)從該LNG諸如氮和氦移除輕成分；e)在為此目的設計之船或油輪中運送該LNG產物至市場位置；f)在再氣化廠將該LNG再加壓並再氣化以形成可分配至天然氣之消費者的經加壓之天然氣物流。該常見LNG循環的步驟c)經常需要使用大的冷凍壓縮機，其係藉由放出大量碳和其他排放物之大的氣渦輪機提供動力。需要數十億美元之大的資金投資和廣大的基礎建設作為液化工廠的部分。該常見LNG循環之步驟f)通常包括使用低溫泵將該LNG再加壓至所需壓力，然後藉由通過中間流體但至終與海水交換熱或藉由燃燒一部分之該天然氣以將該LNG加熱並蒸發而將該LNG再氣化以形成經加壓之天然氣。通常，不利用該低溫LNG之可利用的有效能量。
製造LNG之相對新的技術已知是浮動LNG(FLNG)。FLNG技術涵蓋在浮動結構體諸如駁船或船上的氣體處理和液化之設施的構造體。FLNG是貨幣化近海擱 淺氣體的技術解決方式，其中彼對建構氣體管線至岸上不是經濟可行的。也日益考慮將FLNG用於定位在遙遠的，環境敏感性的及/或政治挑戰性之區中的岸上及近岸氣田。該技術比常見之岸上LNG具有某些優點，因為該技術在生產位置具有較低之環境足跡。該技術也可更快且低成本地提出方案，因為大體積之該LNG設施係以較低勞動率和降低之執行危機被建構在造船廠中。
雖然FLNG製造比常見之岸上LNG製造具有數項優點，在該FLNG技術之應用中仍有明顯的技術挑戰。例如，該FLNG結構體必須在常常小於岸上LNG工廠可利用者的四分之一的面積中提供相同程度之氣體處理和液化。因這理由，需要發展降低該FLNG工廠之足跡並同時維持該液化設施之容量以降低整體方案之成本的技術。
在很多天然氣儲存層中發現氮之濃度大於1mol%。來自這些儲存層之天然氣的液化常需要將氮從所製造之LNG分離以將該LNG中之氮濃度降低至低於1mol%。氮濃度高於1mol%之經儲存的LNG在該儲存槽中具有較高之自動分層(auto-stratification)和翻轉(rollover)的危機。此現象導致在該儲存槽中由該LNG快速蒸氣釋出，這有顯著之安全疑慮。
對於氮濃度低於2mol%的LNG，當來自水力渦輪機之該經加壓的LNG係藉由流經閥而被膨脹至壓力在或接近該LNG儲存槽壓力時，由該LNG充分的氮分離可能發生。所得之雙相混合物在末端閃蒸(end-flash)氣體分離 器中被分成富氮蒸氣物流(常稱為末端閃蒸氣體)以及氮濃度低於1mol%之LNG物流。將該末端閃蒸氣體壓縮且併入該設施之該燃料氣體系統，其中使用該末端閃蒸氣體以製造製程熱，產生電功率，及/或產生壓縮功率。對於氮濃度大於2mol%之LNG，使用簡單之末端閃蒸氣體分離器會需要過度之末端閃蒸氣體流速以充分地降低在該LNG物流中的氮濃度。在此一事例中，可以使用分餾塔以將該雙相混合物分成該末端閃蒸氣體和該LNG物流。該分餾塔一般會包含再沸器系統或與再沸器系統合併以製造汽提氣體，其被引導至該塔之底部階段以將在該LNG物流中之氮濃度降至低於1mol%。在具有再沸器之此分餾塔的一般設計中，該再沸器之熱負載係在該經加壓之LNG物流在該分餾塔之入口閥中膨脹之前，藉由塔之液態塔底物與該經加壓之LNG物流的間接熱傳而獲得。
該分餾塔相較於簡單之末端閃蒸分離器，提供由該LNG物流分離氮之更有效率的方法。然而，來自該塔頂餾出物之末端閃蒸氣體會包括顯著之氮濃度。該末端閃蒸氣體在一般LNG工廠中充作該氣渦輪機之主要燃料。氣渦輪機諸如航空衍生型氣渦輪機對於在該燃料氣體中之氮濃度可具有不大於10或20mol%之限制。來自該分餾塔之塔頂餾出物之末端閃蒸氣體之氮濃度可以明顯大於一般航空衍生型氣渦輪機之濃度限制。例如，氮濃度約4mol%的經壓縮LNG物流將製造氮濃度高於30mol%的塔頂餾出物的蒸氣。具有高氮濃度之末端閃蒸氣體常被引導至氮排 斥單元(nitrogen rejection unit，NRU)。在該NRU中，該氮係由該甲烷分離以製造a)在烴類中係充分低以致其可被排放至大氣的氮物流及b)具有降低之氮濃度以使其適合作為燃料的富甲烷物流。對於NRU之需要使該LNG工廠之處理設備和足跡的量增加，且對於離岸LNG方案及/或在遙遠區域之LNG方案，在設備和足跡方面之此種增加面臨高資本成本狀況。
當該末端閃蒸氣體具有高的氮濃度時，就某些情況可避免對NRU的需要。已經證實：若將該末端閃蒸氣體壓縮至比該氣渦輪機所一般需要者高的壓力，則一些航空衍生型氣渦輪機可使用具有高的氮濃度之末端閃蒸氣體來操作。例如，已經顯示：若其燃燒壓力係由該一般之50巴提高至約70巴，則Trent-60航空衍生型氣渦輪機能利用包含至高40mol%之氮的燃料氣體來操作。在此事例下，較高壓之燃料氣體系統提供對NRU之使用的替代手段。此替代手段之優點是：免除所有該設備及NRU之附加足跡。然而，彼之缺點是：提高用於末端閃蒸氣體壓縮及/或燃料氣體壓縮所需之功率。另外，此替代手段之缺點是：與該NRU所提供之操作彈性相比，對LNG之氮濃度的改變沒有彈性。
圖1描述可與LNG液化系統一同使用之常見的末端閃蒸氣體系統100。來自該主要LNG低溫熱交換器(未顯示)之經加壓的LNG物流102流經水力渦輪機104以部分降低其壓力且進一步冷卻該經加壓之LNG物流102。然 後使該經冷卻並加壓之LNG物流106在與LNG分餾塔110相聯之再沸器108中過冷。該LNG分餾塔110之該液態底部物流112在該再沸器108中藉由與該經冷卻並加壓之LNG物流106熱交換而部分蒸發。將來自該再沸器108之蒸氣係從該液態物流分離並引導回到該LNG分餾塔110以作為汽提氣體物流114，其用以將在該LNG物流122中之氮濃度降低至低於1mol%。使該經過冷並加壓之LNG物流116在該LNG分餾塔之入口閥118中膨脹以製造具有較佳低於40mol%，或更佳低於20mol%之蒸氣分率的雙相混合物流120。將該雙相混合物流120引導至該LNG分餾塔110之該等上方階段。從該再沸器108分離之液體是具有低於1mol%氮之LNG物流122。然後將該LNG物流122抽送至儲存槽124或其他輸出物。在該LNG分餾塔110之該塔頂餾出物流中之氣體被稱為末端閃蒸氣體物流126。該末端閃蒸氣體物流126在熱交換器130中與經處理之天然氣物流128交換熱以將該天然氣冷凝並製造額外之經加壓的LNG物流132，其可與該經加壓之LNG物流102混合。該經加溫之末端閃蒸氣體物流134離開該熱交換器130且在壓縮系統136中被壓縮至合適壓力以充作燃料氣體138。
該末端閃蒸氣體系統100可製造具有低於1mol%之氮濃度的LNG，同時降低所製造之末端閃蒸氣體的量。然而，對於氮濃度高於3mol%之經加壓的LNG物流，該末端閃蒸氣體的氮濃度可以高於20mol%。在該末端閃蒸氣體之高的氮濃度可能使其較不適合做為航空衍生 型氣渦輪機之燃料氣體。可能必須添加NRU以製造在該氣渦輪機內所用之具有合適甲烷濃度的燃料氣體。
圖2顯示在末端閃蒸氣體系統200中用於將氮由LNG分離的系統，且在結構上與美國專利2012/0285196中所揭示之系統類似。如同該末端閃蒸氣體系統100，來自該主要之LNG低溫之熱交換器(未顯示)之經加壓的LNG物流202流經水力渦輪機204以將其壓力部分地降低並進一步冷卻該經加壓之LNG物流202。然後使該經冷卻並加壓之LNG物流206在與LNG分餾塔210相關聯之再沸器208中過冷。該LNG分餾塔210之該液態底部物流212在該再沸器208中藉由與該經冷卻並加壓之LNG物流206交換熱而部分地被蒸發。將來自該塔之再沸器的蒸氣由該液態物流分離並引導回到該LNG分餾塔210以作為氣提氣體物流214，其用以將在該LNG物流中之該氮濃度降低至低於1mol%。使該經過冷並加壓之LNG物流216在該LNG分餾塔210之入口閥218中膨脹以製造具有較佳低於40mol%，或更佳低於20mol%之蒸氣分率的雙相混合物流220。將該雙相混合物流220引導至該LNG分餾塔210之該等上方階段。由該再沸器208分離之液體是具有低於1mol%氮之LNG物流222。可將該LNG物流222引導第一熱交換器224，其中將彼部分蒸發以提供一部分該冷卻負載給塔之迴流物流226。在該LNG物流222儲存於LNG槽228中之前，該LNG物流222之部分蒸發明顯增加該揮發氣體(BOG)壓縮機230的需求。例如，流至該BOG壓縮機230之該BOG體積流速可以比在常 見之末端閃蒸氣體系統之後的BOG壓縮機大6倍。首先將來自該LNG分餾塔210之該末端閃蒸氣體232引導至該第一熱交換器224，其中彼藉由幫助冷凝該塔之迴流物流226而被加溫至中間溫度。然後將此中間溫度之末端閃蒸氣體物流234分成迴流物流236和冷的氮排氣物流238。可在第一迴流壓縮機240中將該迴流物流236壓縮並在第一冷卻器242中利用環境冷卻且可在第二迴流壓縮機244中進一步壓縮並在第二冷卻器246中利用環境冷卻以提供製造該雙相迴流物流226(其進入該LNG分餾塔210)所需之一些冷凍作用。該經壓縮並經環境冷卻之迴流物流248係藉由在第二熱交換器250中與該冷的氮排氣物流238間接熱交換而進一步冷卻以製造冷的迴流物流252。然後該冷的迴流物流252係藉由在該第一熱交換器224中與該LNG物流222和該末端閃蒸氣體物流234間接熱交換而冷凝並過冷。使該經冷凝並過冷之迴流物流226在該分餾塔210之該入口閥254中膨脹以製造進入該分餾塔210之富氮的雙相迴流物流256。
在圖2中顯示之系統附加精餾區，其使該末端閃蒸氣體物流能具有低於2mol%，或更佳低於1mol%之甲烷濃度，且隨後允許一部分之該末端閃蒸氣體排放至環境以作為氮排氣物流258。在圖2中顯示之系統在不加上分離的NRU系統下製造氮排氣物流和低氮的燃料氣體物流。對於具有5至3mol%之氮濃度的經加壓LNG物流，常見之末端閃蒸氣體系統將製造氮濃度高於20mol%但低於40mol%之末端閃蒸氣體。已經顯示：此高氮含量之末端閃 蒸氣體在合適條件下仍適合用於航空衍生型氣渦輪機。然而，在常見之末端閃蒸氣體系統仍能產生在氣渦輪機中用於燃燒之適合的燃料氣體的情況下，在圖2中顯示之系統之缺點是：比常見的末端閃蒸氣體系統需要多三分之一的壓縮功率。在圖2中顯示之系統之額外的缺點是：LNG之製造相較於常見之末端閃蒸氣體系統降低約6%。
將包含高莫耳濃度之氮的天然氣液化的已知方法對離岸及/或遙遠區域之LNG方案是有挑戰性的。因這理由，需要發展一種將該天然氣液化並由所得LNG物流分離氮的方法，其中該方法比前述方法需要明顯更少之製造位址製程設備及足跡。進一步需要發展一種液化系統，其藉由再冷凝一或多道低壓烴物流諸如來自該LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體提高LNG製造。
本揭示內容提供一種將具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流液化的方法。該天然氣物流係藉由與冷的氮排氣物流間接熱交換而至少部分液化以形成經加壓之LNG物流。接收來自儲存槽的至少一道液態氮(LIN)物流，該至少一道LIN物流在與該LNG設施不同之位置製得。使該經加壓之LNG物流膨脹，然後引導至分離塔之一或多個階段。將該LIN物流引導至該分離塔之該頂部階段。在該分離塔內，該LIN物流與該天然氣在該分離塔內直接交換熱，而形成LNG物流作為該分離塔之液態出口物 以及該冷的氮排氣物流作為該分離塔之蒸氣出口物。可隨意地將低壓天然氣物流諸如來自該LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體引導至該分離塔之下方階段以將在該低壓天然氣物流內之烴類液化。
本揭示內容也提供一種將具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流液化的系統。熱交換器將熱從該天然氣物流傳至冷的氮排氣物流以形成經加壓之LNG物流。分離塔將該經加壓之LNG物流分成LNG物流和該冷的氮排氣物流，其中該冷的氮排氣物流之氮濃度比該經加壓之LNG物流之氮濃度更高且該LNG物流之氮濃度比該經加壓之LNG物流之氮濃度更低。將在與該LNG液化設施不同位置上所製造之液態氮(LIN)物流引導至該分離塔之上方階段。該分離塔可隨意地接收低壓天然氣物流諸如來自該LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體至該分離塔之下方階段以將在該低壓天然氣物流內之該烴類液化。
以上已廣泛地列舉本揭示內容之特徵，以致可良好地了解以下之詳細描述。額外之特徵也將在此描述。
100:末端閃蒸氣體系統
102:經加壓之LNG物流
104:水力渦輪機
106:經冷卻並加壓之LNG物流
108:再沸器
110:LNG分餾塔
112:液態底部物流
114:汽提氣體物流
116:經過冷並加壓之LNG物流
118:入口閥
120:雙相混合物流
122:LNG物流
124:儲存槽
126:末端閃蒸氣體物流
128:經處理之天然氣物流
130:熱交換器
132:額外之經加壓的LNG物流
134:經加溫之末端閃蒸氣體物流
136:壓縮系統
138:燃料氣體
200:末端閃蒸氣體系統
202:經加壓之LNG物流
204:水力渦輪機
206:經冷卻並加壓之LNG物流
208:再沸器
210:LNG分餾塔
212:液態底部物流
214:汽提氣體物流
216:經過冷並加壓之LNG物流
218:入口閥
220:雙相混合物流
222:LNG物流
224:第一熱交換器
226:塔之迴流物流
228:LNG槽
230:揮發氣體壓縮機
232:末端閃蒸氣體
234:中間溫度之末端閃蒸氣體物流
236:迴流物流
238:冷的氮排氣物流
240:第一迴流壓縮機
242:第一冷卻器
244:第二迴流壓縮機
246:第二冷卻器
248:經壓縮並經環境冷卻之迴流物流
250:第二熱交換器
252:冷的迴流物流
254:入口閥
256:富氮的雙相迴流物流
258:氮排氣物流
300:液化系統
302:天然氣物流
304:冷的氮排氣物流
306:熱交換器
308:經加壓之LNG物流
310:經加溫之氮排氣物流
312:液態氮物流
313:LIN儲存槽
315:膨脹閥
316:分離塔
318:LNG物流
320:低壓天然氣物流
322:LNG儲存槽
400:液化系統
402:液態氮來源物流
404:泵
406:第一液態氮物流
408:第二液態氮物流
410:天然氣物流
412:冷的氮排氣物流
414:熱交換器
416:經加壓之LNG物流
418:第一暖的氮排氣物流
420:第二暖的氮排氣物流
422:閥
424:噴射泵
426:低壓天然氣物流
428:雙相LNG物流
430:分離槽
432:LNG蒸氣物流
434:LNG液態物流
436:分離塔
438:LNG物流
500:液化系統
502:液態氮物流
504:天然氣物流
506:冷的氮排氣物流
508:熱交換器
510:經加壓之LNG物流
512:暖的氮排氣物流
513:分離槽
514:LNG蒸氣物流
516:LNG液態物流
518:膨脹閥
520:分離塔
522:噴射泵
524:第一低壓天然氣物流
526:第二低壓天然氣物流
528:LNG物流
600:液化系統
602:液態氮來源物流
604:泵
606:第一液態氮物流
608:第二液態氮物流
610:經加壓之液態氮物流
612:天然氣物流
614:第一熱交換器
616:冷的氮排氣物流
618:第一冷的氣體冷凍劑物流
620:第二冷的氣體冷凍劑物流
622:經加壓之LNG物流
624:第一暖的氮排氣物流
626:第一暖的氣體冷凍劑物流
628:第二暖的氣體冷凍劑物流
630:第二暖的氮排氣物流
632:第一膨脹器
634:第二經壓縮之冷凍劑物流
636:第二熱交換器
638:第三暖的氣體冷凍劑物流
640:第一壓縮機
642:第一冷卻器
644:第一經壓縮之冷凍劑物流
646:第二壓縮機
648:第二冷卻器
650:第二膨脹器
652:膨脹閥
654:分離塔
656:LNG物流
658:低壓天然氣物流
700:一種製造液化天然氣(LNG)的方法
702:接收LIN物流
704:將天然氣物流液化
706:經加壓之LNG物流至塔
800:一種製造液化天然氣(LNG)的方法
802:接收LIN物流
804:將天然氣物流液化
806:經加壓之LNG物流至噴射泵
808:製造雙相LNG物流
810:分離雙相LNG物流
812:LNG液態物流至塔
814:LNG蒸氣物流至塔
816:第一LIN物流至塔
818:製造LNG和氮排氣物流
900:一種製造液化天然氣(LNG)的方法
902:接收LIN物流
904:將天然氣物流液化
906:LNG至分離槽
908:LNG蒸氣物流至噴射泵
910:製造第二較低壓天然氣物流
912:LNG液態物流至塔
914:第二較低壓天然氣物流至塔
916:LIN物流至塔
918:製造LNG和氮排氣物流
1000:一種製造液化天然氣(LNG)的方法
1002:接收LIN物流
1004:將天然氣物流液化
1006:經加壓之LNG物流至塔
1008:較低壓天然氣物流至塔
1010:第一LIN物流至塔
1012:製造LNG物流及氮排氣物流
本揭示內容之這些和其他特徵、態樣和優點將由在以下簡單說明之以下說明、附加之申請專利範圍和附圖所顯明。
圖1是顯示已知之末端閃蒸氣體系統的概 圖。
圖2是顯示另一已知之末端閃蒸氣體系統的概圖。
圖3是顯示根據所揭示之態樣之液化系統的概圖。
圖4是顯示根據所揭示之態樣之液化系統的概圖。
圖5是顯示根據所揭示之態樣之液化系統的概圖。
圖6是顯示根據所揭示之態樣之液化系統的概圖。
圖7是顯示根據所揭示之態樣之方法的流程圖。
圖8是顯示根據所揭示之態樣之方法的流程圖。
圖9是顯示根據所揭示之態樣之方法的流程圖。
圖10是顯示根據所揭示之態樣之方法的流程圖。
應註明：該等圖僅是實例且不藉此限制本揭示內容之範圍。進一步地，該等圖通常不按比例繪製，而是為方便地且清晰地闡明本揭示內容之態樣的目的來草繪。
為促進了解本揭示內容之原則，現在將引用在該等圖中所闡明之特徵且將使用特定用語以描述該等特徵。然而，應了解：無意藉此限制本揭示內容之範圍。任何替代型和進一步之改良型，以及如在此所描述之本揭示內容的原則的任何進一步應用被認為是與本揭示內容相關之技藝的技術人員一般可想到的。為清楚之故，與本揭示內容無關之一些特徵不得在該等圖中顯示。
一開始為容易引用，列出在本申請案中所用之某些語詞及在此背景中使用之其意義。在本文所用之語詞不在以下被定義的程度上，應給予該語詞在該相關技藝之人士所給予之最寬定義，如在至少一出版的刊物中所反映的。進一步地，本技術不被以下顯示之語詞的使用所限制，因為用於該目的或類似目的之所有的等效型、同義詞、新發展、和語詞或技術被認為是在本申請專利範圍之範圍內。
正如一般技術人員會理解的：不同的人士會用不同名稱來引述該特徵或組件。此文件無意區別僅名稱不同之組件或特徵。該等圖無須按比例。在此之某些特徵和組件可以在比例上或以概略型式誇大顯示，且為利於澄清和簡明，常見元件之一些細節不得顯示。當引用在此所述之圖時，相同之引用數字為簡化之故可在多個圖中被引用。在以下說明和申請專利範圍中，“包括”和“包含”以開放方式被使用，且因此應被解釋成意指“包括但不限 於”。
冠詞“該”和“一”無須限於意指單一個，而是包括性並開放性的，以致隨意地包括多個此種元件。
如在此使用的，語詞“約略”、“約”、“基本上”及類似語詞意圖具有與本揭示內容之主題相關之技藝的一般技術人員普遍接受之使用一致的廣泛意義。檢視本揭示內容之此技藝的技術人員應了解：這些語詞意圖能有所描述及主張之某些特徵的說明，卻不將這些特徵之範圍限制於所提供之精確數字範圍。因此，這些語詞應被解釋成指明：所述之主題的非實質或不重要之改良型或替代型被認為是在本揭示內容之範圍內。
語詞“熱交換器”是指經設計以有效率地從一物質傳送或“交換”熱至另一物質。例示之熱交換器類型包括同向流型或逆向流型熱交換器、間接式熱交換器(例如螺旋纏繞式熱交換器、板翅式熱交換器諸如銅焊之鋁板翅類型、管殼式熱交換器等)、直接接觸式熱交換器、或這些交換器之某些組合等。
所揭示之態樣更特別地描述一種方法，其中改良上述步驟c)和d)以包括LIN之使用以幫助天然氣液化且將氮由該LNG物流分離。對於在25巴之壓力之具有5.0mol%之氮濃度的天然氣物流，用於經建議之液化系統的LIN之規格是每噸所製造之LNG約2噸LIN。用於此經建議之液化系統，約100%之該烴類在該LNG物流內被液化。在已知之液化系統(其中該天然氣物流首先藉由與LIN間接熱 交換而液化，然後接著常見之末端閃蒸氣體系統)的事例中，約20%之甲烷與該末端閃蒸氣體一同被移除。因此，該經建議之液化系統將LNG製造提高約20%。此液化系統之額外優點是明顯降低該設備的總數，因為不需要壓縮該末端閃蒸氣體。與該已知系統相比，在此所揭示之揮發氣體系統受該經建議之液化系統最少的影響。該經揭示之態樣之額外優點是：在該氣渦輪機中使用之燃料氣體將是來自揮發氣體及/或進料氣體。此二燃料氣體物流具有比末端閃蒸氣體相對低之氮濃度而可使彼等更適合作為用於氣渦輪機之燃料氣體。
圖4之經建議的液化系統的優點是比該常見的設計製造更多之LNG且需要較少之設備。該經建議之液化系統之額外利益是降低流至此分離塔之該LIN而降低該分離塔的尺寸。
圖5之經建議的液化系統之優點是比該常見的設計製造更多之LNG且需要較少之設備。該液化系統之額外利益是簡化該噴射泵的設計，因為在該噴射泵內沒有液體閃蒸。該熱交換器設計也被簡化，因為在該蒸氣相中有單一冷卻物流。
圖3描繪根據本揭示內容之一態樣的液化系統300。天然氣物流302藉由在熱交換器306中與冷的氮排氣物流304間接交換熱而至少部分被液化以形成經加壓之LNG物流308及經加溫之氮排氣物流310。可將該經加溫之氮排氣物流310釋放至環境或引導至該設施之其他部分以 供使用。接收來自一或多個LIN儲存槽313的LIN物流312。該LIN物流312可在與該LNG設施(其中設置該液化系統300)不同之位置製得且使用已知之低溫輸送技術被輸送至液化設施300。使該經加壓之LNG物流308係在膨脹閥315中膨脹，然後引導至分離塔316之一或多個階段。該分離塔316和在此所揭示之所有其他的分離塔可以是分餾塔、蒸餾塔、或吸收塔。將該LIN物流312引導至該分離塔之該頂部階段。在該分離塔內，該LIN物流312在該分離塔316內與該天然氣直接交換熱，而使作為該分離塔316之液態出口物的LNG物流318和作為該分離塔316之蒸氣出口物的冷的氮排氣物流304形成。該LNG物流318可具有低於2mol%之氮莫耳濃度，或更佳地低於1mol%之氮莫耳濃度。該冷的氮排氣物流304可具有低於1mol%之甲烷莫耳濃度，或更佳地低於0.1mol%之甲烷莫耳濃度。可隨意地將低壓天然氣物流320引導至該分離塔316之該等下方階段以液化在該低壓天然氣物流320內之該烴類。低壓天然氣物流320之特徵可在於其壓力比該經加壓之LNG物流308之壓力相對低。低壓天然氣物流320可包含來自LNG儲存槽322(其可以是陸上型儲存槽或海洋LNG運輸船的部分)之揮發氣體。該揮發氣體可在該LNG儲存槽322中之LNG的儲存、裝填、及/或卸貨的期間被產生。
圖4描繪根據本揭示內容之另一態樣的液化系統400。液態氮(LIN)來源物流402是在與該液化系統400不同之位置製得且使用已知之低溫輸送技術被輸送至該液 化系統400的位置。該LIN來源物流402係使用泵404被抽送且分成第一LIN物流406和第二LIN物流408。天然氣物流410藉由在熱交換器414中與冷的氮排氣物流412及該第二LIN物流408間接交換熱而至少部分液化以形成經加壓之LNG物流416、第一暖的氮排氣物流418、和第二暖的氮排氣物流420。可將該第一暖的氮排氣物流418和該第二暖的氮排氣物流420釋放至環境或引導至該設施之其他部分以供使用。在藉由閥422或其他壓力降低裝置將壓力降低後，將該經加壓之LNG物流416引導至噴射泵424，其中在該噴射泵424內使用彼以作為原動流體(motive fluid)。將低壓天然氣物流426諸如來自LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體引導至該噴射泵424，其中彼與該經加壓之LNG物流416混合以形成雙相LNG物流428。可將該雙相LNG物流428引導至分離槽430以形成LNG蒸氣物流432和LNG液態物流434。將該LNG液態物流434引導至分離塔436之一或多個階段。將該LNG蒸氣物流432引導至該分離塔436之該等下方階段。將該第一LIN物流406引導至該分離塔436之該頂部階段。在該分離塔436內，該第一LIN物流406在該分離塔436內與該天然氣直接交換熱，使作為該分離塔436之液態出口物的LNG物流438及作為來自該分離塔436之蒸氣出口物的冷的氮排氣物流412形成。該LNG物流438可具有低於2mol%之氮莫耳濃度，或更佳地低於1mol%之氮莫耳濃度。該冷的氮排氣物流412可具有低於1mol%之甲烷莫耳濃度，或更佳地低於0.1mol%之甲烷莫耳濃度。
低壓天然氣物流426特徵可在於其壓力比該經加壓之LNG物流416之壓力相對低。低壓天然氣物流426可包含來自LNG儲存槽(其與LNG儲存槽322類似且其可以是陸上型儲存槽或海洋LNG運輸船的部分)之揮發氣體。該揮發氣體可在該LNG儲存槽中之LNG之儲存、裝填、及/或卸貨的期間產生。
圖5描繪根據本揭示內容之另一態樣的液化系統500。使LIN物流502在與該LNG系統不同之位置製得且使用已知之低溫輸送技術輸送至該液化系統的位置。天然氣物流504藉由在熱交換器508中與冷的氮排氣物流506間接交換熱而至少部分液化以形成經加壓之LNG物流510和暖的氮排氣物流512。可將該暖的氮排氣物流512釋放至環境或引導至該液化系統500之其他部分或其他設施以供使用。將該經加壓之LNG物流510引導至分離槽513以形成LNG蒸氣物流514和LNG液態物流516。使該LNG液態物流516在膨脹閥518中膨脹，然後引導至分離塔520之一或多個階段。將該LNG蒸氣物流514引導至噴射泵522，其中使用彼作為在該噴射泵522內之該原動流體。將第一低壓天然氣物流524諸如來自該LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體引導至該噴射泵522，其中彼與該LNG蒸氣物流514混合以形成第二低壓天然氣物流526。將該第二低壓天然氣物流526引導至該分離塔520之該等下方階段。將該LIN物流502引導至該分離塔520之該頂部階段。該LIN物流502在該蒸餾塔內與該天然氣直接交換熱，使作為來自該分離塔520 之液態出口物之LNG物流528和作為來自該分離塔520之蒸氣出口物之冷的氮排氣物流506形成。該LNG物流528可具有低於2mol%之氮莫耳濃度，更佳地低於1mol%之氮莫耳濃度。該冷的氮排氣物流506可具有低於1mol%之甲烷莫耳濃度，或更佳地低於0.1mol%之甲烷莫耳濃度。
低壓天然氣物流524特徵可在於其壓力比該經加壓之LNG物流510之壓力相對低。低壓天然氣物流524可包含來自LNG儲存槽(其與LNG儲存槽322類似且其可以是陸上型儲存槽或海洋LNG運輸船的部分)之揮發氣體。該揮發氣體可在該LNG儲存槽中之LNG的儲存、裝填、及/或卸貨的期間產生。
圖6描繪根據本揭示內容之另一態樣的液化系統600。液態氮(LIN)來源物流602係在與該液化系統600不同之位置製得且使用已知之低溫輸送技術被輸送至該液化系統600的位置。將該LIN來源物流602分成第一LIN物流606和第二LIN物流608。該第二LIN物流608係藉由泵604抽送以製造經加壓之LIN物流610。天然氣物流612係藉由在第一熱交換器614中與冷的氮排氣物流616、該經加壓之LIN物流610、第一冷的氣體冷凍劑物流618、和第二冷的氣體冷凍劑物流620間接交換熱而至少部分液化以形成經加壓之LNG物流622、第一暖的氮排氣物流624、第一暖的氣體冷凍劑物流626、第二暖的氣體冷凍劑物流628、和第二暖的氮排氣物流630。該經加壓之LIN物流610可藉由抽送該第二LIN物流608至大於200psia的壓力而製造。可 將該第一暖的氮排氣物流624和該第二暖的氮排氣物流630釋放至環境或引導至該設施之其他部分以供使用。使該第一暖的氣體冷凍劑物流626在第一膨脹器632中膨脹以製造該第一冷的氣體冷凍劑物流618。該第二暖的氣體冷凍劑物流628在第二熱交換器636中與第二經壓縮之冷凍劑物流634交換熱以形成第三暖的氣體冷凍劑物流638。將該第三暖的氣體冷凍劑流638在第一壓縮機640中壓縮，然後在第一冷卻器642中冷卻以形成第一經壓縮的冷凍劑物流644。將該第一經壓縮之冷凍劑物流644在第二壓縮機646中壓縮，然後在第二冷卻器648中冷卻以形成該第二經壓縮的冷凍劑物流634。該第二經壓縮之冷凍劑流634進一步在該第二熱交換器636內冷卻，然後在第二膨脹器650中膨脹以形成該第二冷的氣體冷凍劑物流620。可將該第一壓縮機640機械偶合至該第一膨脹器632。可將該第二壓縮機646機械偶合至該第二膨脹器650。使該經加壓之LNG物流622在膨脹閥652中膨脹，然後引導至分離塔654之一或多個階段。將該第一LIN物流606引導至該分離塔654之該頂部階段。在該分離塔654內，該第一LIN物流606在該分離塔654內與該天然氣直接交換熱，使作為該分離塔654之液態流出物之LNG物流656和作為該分離塔654之蒸氣流出物的冷的氮排氣物流616形成。該LNG物流656可具有低於2mol%之氮莫耳濃度，更佳地低於1mol%之氮莫耳濃度。該冷的氮排氣物流616可具有低於1mol%之甲烷莫耳濃度，或更佳地低於0.1mol%之甲烷莫耳濃度。可隨意地將低壓天然 氣物流658諸如來自該LNG儲存槽及/或船槽的揮發氣體引導至該分離塔654之該等下方階段以液化在該低壓天然氣物流658內之該烴類。低壓天然氣物流658特徵可在於其壓力比該經加壓之LNG物流622之壓力相對低。低壓天然氣物流658可包含來自LNG儲存槽(其類似於LNG儲存槽322，且其可以是陸上型儲存槽或海洋LNG運輸船的部分)之揮發氣體。該揮發氣體可在該LNG儲存槽中之LNG的儲存、裝填、及/或卸貨的期間被產生。
該噴射泵424和522(其也可被稱為噴射器)使用該經加壓之LNG物流的高壓以提高該較低壓天然氣物流之壓力，該較低壓天然氣流如前述可包含在儲存、輸送、裝填及/或卸貨LNG往返於靜止的LNG槽或在LNG運輸船上的LNG槽的期間所製造之揮發氣體。噴射器也可用在圖3和6中所說明的態樣中以使用該經加壓之LNG物流308、622之較高壓以分別提高該較低壓天然氣物流320、658之壓力。可將這些噴射器之混合的輸出物直接送至如圖4和5中說明的塔316、654。
圖7是根據所揭示之態樣的一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法700的流程圖。在方塊702，在LNG液化設施處接收至少一道液態氮(LIN)物流。該至少一道LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得。在方塊704，藉由與氮排氣物流間接熱交換將天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流。該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度。在方塊 706，將該經加壓之LNG物流引導至塔之一或多個階段以製造LNG物流和該氮排氣物流，其中該塔具有上方階段和下方階段。在方塊708，將一或多道LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段。
圖8是根據所揭示之態樣的一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法800的流程圖。在方塊802，在LNG液化設施處接收第一液態氮(LIN)物流和第二LIN物流。該第一和第二LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得。在方塊804，藉由與氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換將該天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流。該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度。在方塊806，將該經加壓之LNG物流引導至噴射泵。使用該經加壓之LNG物流作為該噴射泵之原動流體。在方塊808，在該噴射泵中將該經加壓之LNG物流與較低壓之天然氣物流混合以製造雙相LNG物流。該較低壓之天然氣物流之壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低。在方塊810，將該雙相LNG物流分成LNG蒸氣物流和LNG液態物流。在方塊812，將該LNG液態物流引導至塔之一或多個階段。在方塊814，將該LNG蒸氣物流引導至該塔之一或多個下方階段。在方塊816，將該第一LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段。在方塊818，由該塔製造LNG物流和該氮排氣物流。
圖9是根據所揭示之態樣的一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法 900的流程圖。在方塊902，在LNG液化設施處接收一或多道液態氮(LIN)物流。該一或多道LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得。在方塊904，藉由與氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換將該天然氣物流至少部分液化以形成經加壓之LNG物流。該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度。在方塊906，將該經加壓之LNG物流引導至分離槽以製造LNG蒸氣物流和LNG液態物流。在方塊908，將該LNG蒸氣物流引導至噴射泵。使用該LNG蒸氣物流作為該噴射泵之原動流體。在方塊910，在該噴射泵中將該LNG蒸氣物流與第一較低壓之天然氣物流混合以製造第二較低壓天然氣物流。該第一和第二較低壓之天然氣物流之每一者的壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低。在方塊912，將該LNG液態物流引導至塔之一或多個階段。在方塊914，將該第二較低壓天然氣物流引導至該塔之一或多個下方階段。在方塊916，將該一或多道LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段。在方塊918，由該塔製造LNG物流和該氮排氣物流。
圖10是根據所揭示之態樣的一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法1000的流程圖。在方塊1002，在LNG液化設施處接收第一液態氮(LIN)物流和第二LIN物流。該第一和第二LIN物流可在與該LNG液化設施不同之位置製得。在方塊1004，藉由與氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換將該天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流，其中該經加壓之 LNG物流具有高於1mol%之氮濃度。在方塊1006，將該經加壓之LNG物流引導至塔之一或多個階段。在方塊1008，將該較低壓天然氣物流引導至該塔之一或多個下方階段。該較低壓天然氣物流之壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低。在方塊1010，將該第一LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段。在方塊1012，由該塔製造LNG物流和該氮排氣物流。
應了解：可以在不偏離本揭示內容之範圍下，對先前揭示內容進行很多改變、改良和替代。先前描述因此無意限制本揭示內容之範圍。反而，本揭示內容之範圍是要僅取決於所附之申請專利範圍及其等效型。也認定：在該等實例中之結構和特徵能被更改、重組、取代、消去、複製、結合或彼此相加。
300:液化系統
302:天然氣物流
304:冷的氮排氣物流
306:熱交換器
308:經加壓之LNG物流
310:經加溫之氮排氣物流
312:液態氮物流
313:LIN儲存槽
315:膨脹閥
316:分離塔
318:LNG物流
320:低壓天然氣物流
322:LNG儲存槽

Claims (19)

  1. 一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法，其包含：在LNG液化設施處接收來自儲存槽之至少一道液態氮(LIN)物流，該至少一道LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得；藉由與一氮排氣物流間接熱交換而將一天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流，其中該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度；將該經加壓之LNG物流引導至塔之一或多個階段以製造一LNG物流和該氮排氣物流，其中該塔具有上方階段和下方階段；及將一或多道LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段；及其進一步包含：在將該經加壓之LNG物流引導至該塔之一或多個階段之前，將該經加壓之LNG物流分成一LNG蒸氣物流和一LNG液態物流，其中該LNG蒸氣物流的氮濃度比該經加壓之LNG物流之氮濃度高且該LNG液態物流的氮濃度比該經加壓之LNG物流之氮濃度低；其中將該經加壓之LNG物流引導至該塔之一或多個階段包含將該LNG液態物流引導至該塔之該等上方階段之一；及 將該LNG蒸氣物流引導至該塔之該等下方階段之一。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該天然氣物流為一第一天然氣物流，該方法還包含：將一第二天然氣物流引導至該塔之下方階段之一，其中該第二天然氣物流具有比該經加壓之LNG物流低之壓力。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該第二天然氣物流包含來自LNG儲存槽之揮發氣體(boil-off gas)或來自LNG運送船之儲存槽的揮發氣體。
  4. 如申請專利範圍第2項之方法，其進一步包含在該第二天然氣物流被引導至該塔之前壓縮該第二天然氣物流。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：使該氮排氣物流與該天然氣物流之間間接交換熱以形成經加溫之氮排氣物流。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氮排氣物流具有低於0.1mol%之甲烷濃度。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：使該經加壓之LNG物流在被引導至該塔之前在液體水 力渦輪機內膨脹。
  8. 一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法，該方法包含：在LNG液化設施處接收第一液態氮(LIN)物流和第二LIN物流，該第一和第二LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得；藉由與一氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換而將該天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流，其中該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度；將該經加壓之LNG物流引導至噴射泵，且使用該經加壓之LNG物流作為該噴射泵之原動流體(motive fluid)；在該噴射泵中將該經加壓之LNG物流與一較低壓之天然氣物流混合以製造一雙相LNG物流，其中該較低壓之天然氣物流的壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低；將該雙相LNG物流分成一LNG蒸氣物流和一LNG液態物流；將該LNG液態物流引導至塔之一或多個階段，其中該塔是分餾塔、蒸餾塔、或吸收塔之一；將該LNG蒸氣物流引導至該塔之一或多個下方階段；將該第一LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段；及由該塔製造一LNG物流和該氮排氣物流。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該較低壓之天然氣物流包含下列之一：由LNG儲存槽提取之揮發氣體，或在儲存或由LNG運送船卸貨操作之期間從LNG提取之揮發氣體。
  10. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含在該較低壓之天然氣物流被引導至該塔之前將其壓縮。
  11. 如申請專利範圍第8項之方法，其進一步包含：使該氮排氣物流與該天然氣物流之間間接交換熱以形成經加溫之氮排氣物流。
  12. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該LNG物流具有低於1mol%之氮莫耳濃度。
  13. 一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法，其中該方法包含：在LNG液化設施處接收一或多道液態氮(LIN)物流，該一或多道LIN物流係在與該LNG液化設施不同之位置製得；藉由與一氮排氣物流和第二LIN物流間接熱交換而將該天然氣物流至少部分液化以形成經加壓之LNG物流，其中該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度；將該經加壓之LNG物流引導至分離槽以製造一LNG蒸 氣物流和一LNG液態物流；將該LNG蒸氣物流引導至噴射泵，且使用該LNG蒸氣物流作為該噴射泵之原動流體；在該噴射泵中將該LNG蒸氣物流與一第一較低壓之天然氣物流混合以製造一第二較低壓氣體物流，其中該第一和第二較低壓之天然氣物流之每一者的壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低；將該LNG液態物流引導至塔之一或多個階段；將該第二較低壓天然氣物流引導至該塔之一或多個下方階段；將該一或多道LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段；及由該塔製造一LNG物流和該氮排氣物流。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中該較低壓之天然氣物流包含下列之一：由LNG儲存槽提取之揮發氣體，或在儲存或由LNG運送船卸貨操作之期間從LNG提取之揮發氣體。
  15. 一種由具有高於1mol%之氮濃度的天然氣物流製造液化天然氣(LNG)的方法，其中該方法包含：在LNG液化設施處接收第一液態氮(LIN)物流和第二LIN物流，該第一和第二LIN物流係在與該LNG液化設施不 同之位置製得；藉由與一氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換而將該天然氣物流液化以形成經加壓之LNG物流，其中該經加壓之LNG物流具有高於1mol%之氮濃度；將該經加壓之LNG物流引導至塔之一或多個階段；將一較低壓天然氣物流引導至該塔之一或多個下方階段，其中該較低壓之天然氣物流之壓力比該經加壓之LNG物流之壓力低；將該第一LIN物流引導至該塔之一或多個上方階段；及由該塔製造一LNG物流和該氮排氣物流。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中藉由與氮排氣物流和該第二LIN物流間接熱交換而將該天然氣物流液化係在一熱交換器中完成，該方法進一步包含：在該第二LIN物流通過該熱交換器之後，從該第二LIN物流形成第一暖氣冷凍劑物流；使該第一暖氣冷凍劑物流膨脹以形成第一冷氣冷凍劑物流；及將該第一冷氣冷凍劑物流引導經過該熱交換器以液化該天然氣物流。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其進一步包含：在該第一冷氣冷凍劑物流通過該熱交換器之後，從該 第一冷氣冷凍劑物流形成第二暖氣冷凍劑物流；壓縮並冷卻該第二暖氣冷凍劑物流以形成經壓縮之冷凍劑物流；在一第二熱交換器中，使該第二暖氣冷凍劑物流與該經壓縮之冷凍劑物流之間交換熱；使該經壓縮之冷凍劑物流膨脹以形成第二冷氣冷凍劑物流；及將該第二冷氣冷凍劑物流引導通過該熱交換器以液化該天然氣物流。
  18. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該氮排氣物流具有低於0.1mol%之甲烷莫耳濃度。
  19. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該較低壓之天然氣物流包含下列之一：由LNG儲存槽提取之揮發氣體，或在儲存或由LNG運送船卸貨操作之期間從LNG提取之揮發氣體。
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