專利名稱：利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及液化天然氣冷能利用和空氣分離裝置。
另一方面，液化天然氣(簡稱LNG)作為潔凈燃料已逐漸在推廣使用。液化天然氣的主要成份是甲烷，儲藏罐中的LNG溫度在-162℃(111K)。當利用液化天然氣作燃料時，需從-162℃的液體狀態(tài)加熱氣化至常溫才能被利用，目前通常采用海水加熱。而冷能是一種很寶貴的能量，用海水加熱法，就使液化天然氣寶貴的冷能白白浪費了。如何科學地利用液化天然氣冷能的研究工作也是很有意義的。
本實用新型的技術解決方案如下一種利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，包括吸入空氣的過濾器1，空氣壓縮機2，空氣冷卻器3，分子篩吸附系統(tǒng)4，主熱交換器5，高壓分餾塔6，低壓分餾塔7，過冷器8，氬氣分餾系統(tǒng)10，液氬儲罐9，液氮儲罐11，液氧儲罐12，液體空氣節(jié)流閥J1，液體氮節(jié)流閥J2，制氬用液氮小節(jié)流閥J5，液氮開關閥F1，液氧開關閥F2，液氬開關閥F3以及連接管路，輔助系統(tǒng)的廢氮氣加熱器16等；所述主熱交換器5中設有上進下出的高壓空氣換熱通道A5→A6、下進上出的低純度廢氮氣通道n4→n5，其特征在于裝置中還包括與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)；所述主熱交換器5增設有循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10；其中所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)，是具有氮內循環(huán)和氮外循環(huán)的聯(lián)合制冷系統(tǒng)，它包括低壓氮氣壓縮機13、高壓氮氣壓縮機14、外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28、LNG熱交換器25、低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26、主熱交換器5中的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10、內循環(huán)氮節(jié)流閥J4、外循環(huán)氮節(jié)流閥J7和J8及其連接管路等；所述LNG熱交換器25中設有下進上出的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2、上進下出的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN4→SN5、上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN6→SN7、上進下出的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12和上進下出的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S15→S16；所述低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26中設有上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8、下進上出的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道SN1→SN2、上進下出高壓外循環(huán)氮氣放熱管S16→S17和下進上出的中壓外循環(huán)氮氣回熱管S13→S12；所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮內循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自低壓分餾塔7頂部純氮氣出口n1起，接過冷器8，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道SN1→SN2，經調節(jié)閥F6，接低壓氮氣壓縮機13，接LNG熱交換器25的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN4→SN5，接高壓氮氣壓縮機14，接LNG熱交換器25的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN6→SN7，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8，接內循環(huán)氮節(jié)流閥J4，經交匯口SN14接至高壓分餾塔6的液氮入口e；所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮外循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自與高壓分餾塔6中上部的氮氣出口d相接的單向閥DF1的出口和節(jié)流閥J7的出口交匯點S9起，接主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10，接調節(jié)閥F4，接LNG熱交換器25的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12，接外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28，接LNG熱交換器25的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S15→S16，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S16→S17，在接口S17之后分二路分別接外循環(huán)氮節(jié)流閥J7和J8；節(jié)流閥J7之后接主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10的入口S9，并從入口S9引一旁路接調節(jié)閥F8，再接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的中壓外循環(huán)氮氣回熱通道S13→S12；節(jié)流閥J8的出口與節(jié)流閥J4的出口交匯于SN14后，再接至高壓分餾塔6的液氮入口e；所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)包括天然氣回溫熱交換器15、冷卻循環(huán)泵17、空氣冷卻器3和連接管路及冷卻回路中的載冷劑；所述載冷劑為氟利昂類制冷工質或防凍液；所述空氣冷卻系統(tǒng)的載冷劑循環(huán)回路連接方式是天然氣回溫熱交換器15的載冷劑通路的出口R1接冷卻循環(huán)泵17，繼而接空氣冷卻器3的載冷劑通道R2→R3，而后接至天然氣回溫熱交換器15的載冷劑通道的入口；天然氣回溫熱交換器15的天然氣通路的入口與主熱交換器5中液化天然氣吸熱管的出口NG2連接，其天然氣通路的出口NG3與調節(jié)供氣閥F5連接；在上述方案的基礎上，所述LNG熱交換器25的頂部增設一個前置外循環(huán)氮氣預冷器29；所述外循環(huán)氮氣預冷器29中只設有液化天然氣與來自主熱交換器5的循環(huán)氮氣的兩換熱流道，其液化天然氣換熱流道的入口接自LNG熱交換器25的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2的出口，其液化天然氣換熱流道的出口接天然氣回溫熱交換器15的天然氣通路的入口，其循環(huán)氮氣換熱流道的入口與主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道的出口S10連接，其出口接調節(jié)閥F4后，接至LNG熱交換器25的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12的入口S11；所述低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的中上部也可增設液化天然氣的換熱流道，其入口與液化天然氣站18的低溫液化天然氣供應管口對接，其出口接LNG熱交換器25的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2的入口；在上述各方案的基礎上，所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)也可以是一個集天然氣回溫熱交換器15和空氣冷卻器3于一體的冷凝蒸發(fā)換熱器；所述冷凝蒸發(fā)換熱器是個箱體，由箱殼30、天然氣回溫熱交換器15、空氣冷卻器3和箱內氟里昂工質31組成；天然氣回溫熱交換器15置于箱體內的上部作為氟里昂工質的冷凝器，留有與天然氣連接的進口NG2和出口NG3，空氣冷卻器3置于箱體內的下部作為氟里昂工質的蒸發(fā)器，留有與壓縮空氣連接的進口A3和出口A4。
由于本實用新型在空氣分離裝置中設置了與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)，引用液化天然氣站的-162℃(111K)的液化天然氣通過氮內、氮外多級循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)來冷卻壓縮空氣，充分利用了LNG的寶貴冷能，從而使制取液氧、液氮和液氬為主產品的空氣分離裝置的耗電量大大降低。計算表明本實用新型所提出的空氣分離裝置的單位公斤液氧或液氮的耗電量可從傳統(tǒng)的0.9～1.2千瓦時降至0.3～0.5千瓦時，對于氧氣產量為10000NM3/h的空氣分離裝置日生產330噸液氧、300噸液氮、17噸液氬來說，年節(jié)電量達9千萬～1億千瓦時，價值5000～6000多萬元，日消耗700噸液化天然氣的冷能，約折合2.0×1011kJ能量，也無需另設加熱設備和消耗海水泵功。另外，由于把液化天然氣換熱管LNG1→NG2置于LNG熱交換器25內、與壓縮空氣回路隔離開，采用循環(huán)氮氣和氟里昂或防凍液冷卻壓縮空氣，保證了設備安全；裝置中還省去了低溫膨脹機等部件，結構緊湊，造價低。同時，本實用新型還具有對傳統(tǒng)空分設備改造較少和投資較省等優(yōu)點。
實施例1的空氣分離裝置所采用的設備及其連接路線是(見附


圖1所示)空氣過濾器1留有空氣吸入口A1，其出口接空氣壓縮機2的入口A2；空氣壓縮機2的出口接空氣冷卻器3的空氣入口A3；空氣冷卻器3的空氣出口接分子篩吸附系統(tǒng)4的空氣入口，連接點A4；分子篩吸附系統(tǒng)4的空氣出口接主熱交換器5熱端頂部的高壓空氣換熱管的入口，連接點A5；主熱交換器5的高壓空氣換熱管的出口A6設在底部，它與高壓分餾塔6的高壓空氣入口a連接；高壓分餾塔6的液體空氣出口b接過冷器8，液體空氣盤管出口與液體空氣節(jié)流閥J1連接，接點gb；液體空氣節(jié)流閥J1出口與氬氣分餾系統(tǒng)10中的粗氬塔19的液體空氣入口連接；粗氬塔19有二根與低壓分餾塔7連接的液體空氣的管路，連接點分別為L1、L2；粗氬塔19還有二根與低壓分餾塔7連接的氣體空氣的管路，連接點分別為g1、g2；高壓分餾塔6的液體氮出口c與過冷器8的液體氮盤管連接，過冷器8的液體氮盤管出口gc分二路一路與液體氮節(jié)流閥J2連接后進低壓分餾塔7，接口Ln，另一路經調節(jié)閥F1后與液氮儲罐11相接；高壓分餾塔6的低純度液體氮出口f引出的細管依序與氬氣分餾系統(tǒng)10中的精氬提純塔20的下?lián)Q熱器21、制氬用液體污氮小節(jié)流閥J5和上換熱器22連接后，與從低壓分餾塔7出口n2出來的低純氮氣管相匯在n3后，進入過冷器8的低純氮氣盤管；過冷器8的低純氮氣盤管的出口與主熱交換器5的低純度氮氣的低溫端入口連接，連接點n4；低純度氮氣在主熱交換器5中的廢氮氣通道通過，其高溫端出口n5與廢氮氣加熱器16連接，同時還與放氣閥F7相接；廢氮氣加熱器16的出口與分子篩吸附系統(tǒng)4的氮氣入口連接，連接點n6；分子篩吸附系統(tǒng)4的氮氣出口n7通大氣；低壓分餾塔7底部的液體氧出口Lo接調節(jié)閥F2后與液氧儲罐12連接；氬氣分餾系統(tǒng)10中粗氬塔19的近頂部有粗氬氣出口Y1，接氬氣熱交換器24、經接口Y2接氫鈀催化脫氧器23、經接口Y3回接氬氣熱交換器24、經接口Y4接精氬提純塔20、由精氬提純塔20的下部液氬出口接調節(jié)閥F3后再與液氬儲罐9相連接；液氮儲罐11、液氬儲罐9和液氧儲罐12都留有液氮、液氬、液氧的出口。
以上部分的連接與普通的空分裝置相同，而本實用新型的不同之處是在空分裝置中所增加的與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)；其中所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)，是具有氮內循環(huán)和氮外循環(huán)的聯(lián)合制冷系統(tǒng)，它包括低壓氮氣壓縮機13、高壓氮氣壓縮機14、外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28、LNG熱交換器25、低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26、主熱交換器5中的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10、內循環(huán)氮節(jié)流閥J4、外循環(huán)氮節(jié)流閥J7和J8及其連接管路等；所述LNG熱交換器25中設有下進上出的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2、上進下出的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN4→SN5、上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN6→SN7、上進下出的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12和上進下出的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S15→S16；所述低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26中設有上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8、下進上出的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道SN1→SN2、上進下出高壓外循環(huán)氮氣放熱管S16→S17和下進上出的中壓外循環(huán)氮氣回熱管S13→S12；
所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮內循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自低壓分餾塔7頂部純氮氣出口n1起，接過冷器8，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道SN1→SN2，經調節(jié)閥F6，接低壓氮氣壓縮機13，接LNG熱交換器25的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN4→SN5，接高壓氮氣壓縮機14，接LNG熱交換器25的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN6→SN7，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8，接內循環(huán)氮節(jié)流閥J4，經交匯口SN14接至高壓分餾塔6的液氮入口e；所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮外循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自與高壓分餾塔6中上部的氮氣出口d相接的單向閥DF1的出口和節(jié)流閥J7的出口交匯點S9起，接主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10，接調節(jié)閥F4，接LNG熱交換器25的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12，接外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28，接LNG熱交換器25的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S15→S16，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S16→S17，在接口S17之后分二路分別接外循環(huán)氮節(jié)流閥J7和J8；節(jié)流閥J7之后接主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10的入口S9(即單向閥DF1的出口和節(jié)流閥J7的出口交匯點S9)，并從入口S9引一旁路接調節(jié)閥F8，再接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的中壓外循環(huán)氮氣回熱通道S13→S12；節(jié)流閥J8的出口與節(jié)流閥J4的出口交匯于SN14后，再接至高壓分餾塔6的液氮入口e低壓氮氣壓縮機13、高壓氮氣壓縮機14和外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28為透平式，三者可共用一臺電機27；LNG熱交換器25為盤管式，管間流動的是來自主熱交換器5的外循環(huán)氮氣；低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26為盤管式，管間流動的是低壓循環(huán)氮氣；主熱交換器5為板式熱交換器。
所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)包括天然氣回溫熱交換器15、冷卻循環(huán)泵17、空氣冷卻器3和連接管路及冷卻回路中的載冷劑；所述載冷劑為氟利昂類制冷工質或防凍液；所述空氣冷卻系統(tǒng)的載冷劑循環(huán)回路連接方式是天然氣回溫熱交換器15的載冷劑通路的出口R1接冷卻循環(huán)泵17，繼而接空氣冷卻器3的載冷劑通道R2→R3，而后接至天然氣回溫熱交換器15的載冷劑通道的入口；天然氣回溫熱交換器15的天然氣通路的入口與主熱交換器5中液化天然氣吸熱管的出口NG2連接，其天然氣通路的出口NG3與調節(jié)供氣閥F5連接。
載冷劑可選用氟利昂R22或R134a，也可以選用防凍液，如二醇溶液；天然氣回溫熱交換器15可采用盤管式，管間流動的是載冷劑；冷卻循環(huán)泵17可采用旋轉式。
實施例1的空氣分離裝置是這樣運行的空氣經空氣過濾器1過濾去除灰塵雜質后進入空氣壓縮機2被壓縮到0.5MPa以上，壓縮空氣在空氣冷卻器3中被載冷劑降溫至1～5℃(274～278K)，進入分子篩吸附系統(tǒng)4，由分子篩吸附掉空氣中的水份和二氧化碳后進入主熱交換器5的高壓空氣換熱通道A5→A6；主熱交換器5中還設有下進上出的中壓循環(huán)氮氣回熱通道SN9→SN10和低純度廢氮氣通道n4→n5，壓縮空氣被返流的-180℃(93K)左右的中壓循環(huán)氮氣和低純度廢氮氣所冷卻，成為飽和態(tài)濕空氣，而后進入高壓分餾塔6的入口a；在高壓分餾塔6內，空氣與從塔頂流下的液氮在多層的塔板上反復冷凝和蒸發(fā)，含有較多液氧成分的富氧液空集于高壓分餾塔6的底部，氮氣集于高壓分餾塔6的頂部，并與低壓分餾塔7底部液氧交換熱量，然后氮氣被冷凝成液體；高壓分餾塔6頂部液氮收集器收集的液氮由出口c引出，經過冷器8進一步降溫，再經液體氮節(jié)流閥J2降壓至0.14MPa左右，進入低壓分餾塔7頂部的接口Ln，作為低壓分餾塔7頂部的回流液，另一部分經調節(jié)閥F1后流放到液氮儲罐11儲存；高壓分餾塔6底部的富氧液空從出口b流出后經過冷器8冷卻，再經液體空氣節(jié)流閥J1降壓后，進入氬氣分餾系統(tǒng)10的粗氬塔19，富氧液空在氬氣分餾系統(tǒng)10中被初步提取氬氣后又經與低壓分餾塔7連接的液體空氣的管路從低壓分餾塔7中部的接口L1、L2流到低壓分餾塔7內，低壓分餾塔7內的富氬空氣由連接管路g1進入粗氬塔19，粗氬塔19中的空氣經連接管路g2返回低壓分餾塔7；經低壓分餾塔7分餾后高純度液氧集于低壓分餾塔7底部，并從接口Lo經調節(jié)閥F2放至液氧儲罐12儲存；低壓分餾塔7頂部出口n1流出的高純氮氣，經過冷器8回收部分冷量后，進入低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道SN1→SN2，把冷量傳給上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8的高壓循環(huán)氮氣，升溫至約110～150K(-163～-123℃)，而后進入低壓氮氣壓縮機13進行壓縮，壓縮至1.0MPa以上、出口溫度超過220K(-53℃)以后，進入LNG熱交換器25的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN4→SN5，放出熱量給LNG，溫度降回到約120～150K(-153～-123℃)，再進入高壓氮氣壓縮機14壓縮至5.0～5.5MPa，再進入LNG熱交換器25的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN6→SN7放出熱量給LNG，溫度降至約115～150K(-158～-123℃)后，再進入低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓內循環(huán)氮氣放熱管SN7→SN8，進一步降溫至約100K(-173℃)，而后經內循環(huán)氮節(jié)流閥J4節(jié)流降壓到約0.5MPa，產生大量液氮和部分飽和氮氣，而后經交匯口SN14進入高壓分餾塔6的液氮入口e；自高壓分餾塔6中上部的氮氣出口d引出的中壓循環(huán)氮氣，只是在裝置剛開動初期，經單向閥DF1，進主熱交換器5的中壓循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10；在裝置正常運行時外循環(huán)的氮氣不再從高壓分餾塔6中上部的氮氣出口d引出，而引自氮節(jié)流閥J7節(jié)流后的低溫氮氣；約90～100K(-183～-173℃)的低溫外循環(huán)氮氣在主熱交換器5的中壓循環(huán)氮氣回熱通道S9→S10中把冷量傳給壓縮空氣，同時自身回熱到接近壓縮空氣進入主熱交換器入口的溫度，經調節(jié)閥F4調節(jié)到合適的流量，而后進入LNG熱交換器25的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12，重新被液化天然氣冷卻至120～150K(-153～123℃)左右，再進入外循環(huán)中壓氮氣壓縮機28、把氮氣壓縮到3～5MPa，出口的循環(huán)氮氣溫度約高于190K(-83℃)，而后進入LNG熱交換器25的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S15→S16，吸收LNG冷量降溫至115～140K(-158～133℃)左右、再進入低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的高壓外循環(huán)氮氣放熱管S16→S17，再進一步降溫至約100K(-173℃)；當裝置起動之初，關節(jié)流閥J7、開節(jié)流閥J8，讓循環(huán)氮氣進入分離塔，參與分餾；當循環(huán)管內已充滿高純氮氣之后，關閉節(jié)流閥J8，開通外循環(huán)氮節(jié)流閥J7和調節(jié)閥F8，節(jié)流后壓力也在約0.5MPa，上述回路外循環(huán)氮制冷系統(tǒng)正常運行；該系統(tǒng)外循環(huán)的氮氣起制冷和傳輸LNG冷能給壓縮空氣、內循環(huán)壓縮氮氣和外循環(huán)壓縮氮氣的作用，而不進入分餾塔，因而可避免因天然氣泄漏而進入分餾塔與氧化合引起的危險；低壓分餾塔7上部出口n2流出的低純度氮氣，與從高壓分餾塔6中部出口f引出的、流經氬氣分餾系統(tǒng)10中精氬提純塔20的下?lián)Q熱器21和制氬用液體污氮小節(jié)流閥J5及上換熱器22的氮氣在接口n3處匯合，而后經過冷器8換熱后溫度約在90K(-183℃)進入主熱交換器5的廢氮氣通道n4→n5，在主熱交換器中吸收壓縮空氣的熱量并被回熱，最終在出口n5處被回熱至接近于A5入口處的壓縮空氣溫度；將該回熱至室溫的低純氮氣在廢氮氣加熱器16被電熱器加熱后，送到分子篩吸附系統(tǒng)4，去脫附已飽和的分子篩中的水份和二氧化碳，使之再生，或由閥F7放空；富氬液空在氬氣分餾系統(tǒng)10中經粗氬塔19初步分餾后，經熱交換器24換熱、在脫氧器23中經加氫鈀催化脫氧，再經熱交換器24回熱后，送到精氬提純塔20提純，液氬經開關閥F3存于液氬儲罐9中；流過液化天然氣換熱管LNG1→NG2的液體天然氣在LNG熱交換器25中吸收循環(huán)氮氣的熱量后溫度仍較低，于是被引到天然氣回溫換熱器15，使載冷劑冷凝，載冷劑液體被冷卻循環(huán)泵17送至空氣冷卻器3的載冷劑通道，被壓縮空氣加熱蒸發(fā)，同時壓縮空氣被冷卻，可冷至1～5℃(274～278K)。
該裝置和不用LNG冷能的、同樣日生產量為液氧330噸、液氮300噸、液氬17噸的常規(guī)空氣分離裝置相比，節(jié)約用電約30～33萬千瓦時/日，使用初始溫度-162℃(111K)、壓力為1～8MPa的液化天然氣700噸/日的冷能，節(jié)省了循環(huán)氮氣量約3/4，使循環(huán)氮的壓縮機投資成本降低50％以上，并可省去300～500冷噸普通冷水機組一套，綜合總投資經費可節(jié)約10～20％，約節(jié)約1000～2000萬元，年節(jié)電9千萬～1億千瓦時，約6000萬元，有巨大經濟效益。
實施例2的空氣分離裝置與實施例1的不同設備及其連接路線是(見附圖2所示)在所述LNG熱交換器25的頂部增設一個前置外循環(huán)氮氣預冷器29，其中只設有液化天然氣與來自主熱交換器5的循環(huán)氮氣的兩換熱流道，其液化天然氣換熱流道的入口接自LNG熱交換器25的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2的出口，其液化天然氣換熱流道的出口接天然氣回溫熱交換器15的天然氣通路的入口，其循環(huán)氮氣換熱流道的入口與主熱交換器5的循環(huán)氮氣回熱通道的出口S10連接，其出口接調節(jié)閥F4后，接至LNG熱交換器25的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道S11→S12的入口S11。這對于高壓LNG系統(tǒng)有效。前置外循環(huán)氮氣預冷器29可采用盤管式換熱器，管間流動的是來自主熱交換器5的中壓外循環(huán)氮氣；另外，LNG熱交換器25中的液化天然氣吸熱管也可下移一段至所述的低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的中上部，即其入口與液化天然氣站18的低溫液化天然氣供應管口對接，其出口接LNG熱交換器25的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2的入口；液化天然氣站18的低溫液化天然氣供應管先進入低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26的中上部，把LNG的低溫冷量先集中供給低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器26中自上而下的高壓循環(huán)氮氣，而后進入LNG熱交換器25的液化天然氣吸熱管LNG1→NG2；這對于LNG冷能被利用之后必須保持6～8Mpa氣壓的工況的系統(tǒng)是有利的；如果還想利用本實用新型的裝置生產氧氣或純氮氣，可以根據已有技術在裝置中增加相應的管路。如實施例2中所設的氧氣管路從低壓分餾塔7的底部、液氧出口的上方設一氣氧的出口Go，經連接管進入主熱交換器5中另設的氧氣回熱通道，在主熱交換器5中回熱至室溫后經調節(jié)閥F8送出；再者，裝置中的氬氣分餾系統(tǒng)10還可簡化省去氫鈀催化脫氧器23和熱交換器24，而在粗氬塔19和精氬塔20內放置規(guī)則蜂窩狀填料分餾器，液空經節(jié)流閥J1進入低壓分餾塔7，液空另設支路經節(jié)流閥J3進入粗氬塔19頂部冷凝器，富氬空氣由低壓分餾塔7的出口g1進入粗氬塔19下部，被抽取了氬氣的液空經接口L1返回低壓分餾塔7，粗氬塔19頂部有被抽取了氬氣的飽和空氣經接口g2返回低壓分餾塔7，粗氬塔19近頂部有粗氬氣直接進入精氬塔20的中部，精氬塔20的下?lián)Q熱器21和上換熱器22置于塔內、所需的液氮加熱和冷卻回路與實施例1相同。
在實施例1和實施例2的裝置中，也可在所述高壓分餾塔6中部的f出口另接一低純度的液體氮管路，經過冷器8、液體污氮主節(jié)流閥、接至低壓分餾塔7上部的污氦接口，這樣低壓分餾塔7上部就又有一股液氮回流液，對于獲得高純氮氣有好處。
附圖3所示的空氣冷卻系統(tǒng)是一種冷凝蒸發(fā)換熱器形式的空氣冷卻集成設備。該設備是集天然氣回溫熱交換器15和空氣冷卻器3于一體的冷凝蒸發(fā)換熱器；所述冷凝蒸發(fā)換熱器是個箱體，由箱殼30、天然氣回溫熱交換器15、空氣冷卻器3和箱內氟里昂工質31組成；天然氣回溫熱交換器15置于箱體內上部作為氟里昂工質的冷凝器，留有與天然氣連接的進口NG2和出口NG3，空氣冷卻器3置于箱體內下部作為氟里昂工質的蒸發(fā)器，留有與壓縮空氣連接的進口A3和出口A4，這樣，就省去了冷卻循環(huán)泵17。氟里昂工質選用R22或R134a，充注壓力為0.1～0.5MPa，飽和溫度235～270K(-38～-3℃)；工作時，液體氟里昂聚于箱底部被壓縮空氣加熱蒸發(fā)，在箱頂部的蒸氣氟里昂被低溫天然氣所冷卻而凝結為液體，靠自身重量滴落于箱底。該冷凝蒸發(fā)換熱器是大型的熱管換熱交換器，有很高的傳熱效率。
權利要求1.一種利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，包括吸入空氣的過濾器(1)，空氣壓縮機(2)，空氣冷卻器(3)，分子篩吸附系統(tǒng)(4)，主熱交換器(5)，高壓分餾塔(6)，低壓分餾塔(7)，過冷器(8)，氬氣分餾系統(tǒng)(10)，液氬儲罐(9)，液氮儲罐(11)，液氧儲罐(12)，液體空氣節(jié)流閥(J1)，液體氮節(jié)流閥(J2)，制氬用液氮小節(jié)流閥(J5)，液氮開關閥(F1)，液氧開關閥(F2)，液氬開關閥(F3)以及連接管路，輔助系統(tǒng)的廢氮氣加熱器(16)等；所述主熱交換器(5)中設有上進下出的高壓空氣換熱通道(A5→A6)、下進上出的低純度廢氮氣通道(n4→n5)，其特征在于裝置中還包括與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)；所述主熱交換器(5)增設有循環(huán)氮氣回熱通道(S9→S10)；其中1.1、所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮循環(huán)制冷系統(tǒng)，是具有氮內循環(huán)和氮外循環(huán)的聯(lián)合制冷系統(tǒng)，它包括低壓氮氣壓縮機(13)、高壓氮氣壓縮機(14)、外循環(huán)中壓氮氣壓縮機(28)、LNG熱交換器(25)、低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)、主熱交換器(5)中的循環(huán)氮氣回熱通道(S9→S10)、內循環(huán)氮節(jié)流閥(J4)、外循環(huán)氮節(jié)流閥(J7和J8)及其連接管路等；1.1.1、所述LNG熱交換器(25)中設有下進上出的液化天然氣吸熱管(LNG1→NG2)、上進下出的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN4→SN5)、上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN6→SN7)、上進下出的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道(S11→S12)和上進下出的高壓外循環(huán)氮氣放熱管(S15→S16)；1.1.2、所述低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)中設有上進下出的高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN7→SN8)、下進上出的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道(SN1→SN2)、上進下出高壓外循環(huán)氮氣放熱管(S16→S17)和下進上出的中壓外循環(huán)氮氣回熱管(S13→S12)；1.1.3、所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮內循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自低壓分餾塔(7)頂部純氮氣出口(n1)起，接過冷器(8)，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)的低壓內循環(huán)氮氣回熱通道(SN1→SN2)，經調節(jié)閥(F6)，接低壓氮氣壓縮機(13)，接LNG熱交換器(25)的次高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN4→SN5)，接高壓氮氣壓縮機(14)，接LNG熱交換器(25)的高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN6→SN7)，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)的高壓內循環(huán)氮氣放熱管(SN7→SN8)，接內循環(huán)氮節(jié)流閥(J4)，經交匯口(SN14)接至高壓分餾塔(6)的液氮入口(e)；11.4、所述與液化天然氣冷能進行熱交換的氮外循環(huán)制冷系統(tǒng)的連接方式順序是自與高壓分餾塔(6)中上部的氮氣出口(d)相接的單向閥(DF1)的出口和節(jié)流閥(J7)的出口交匯點(S9)起，接主熱交換器(5)的循環(huán)氮氣回熱通道(S9→S10)，接調節(jié)閥(F4)，接LNG熱交換器(25)的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道(S11→S12)，接外循環(huán)中壓氮氣壓縮機(28)，接LNG熱交換器(25)的高壓外循環(huán)氮氣放熱管(S15→S16)，接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)的高壓外循環(huán)氮氣放熱管(S16→S17)，在接口(S17)之后分二路分別接外循環(huán)氮節(jié)流閥(J7和J8)；節(jié)流閥(J7)之后接主熱交換器(5)的循環(huán)氮氣回熱通道(S9→S10)的入口(S9)，并從入口(S9)引一旁路接調節(jié)閥(F8)，再接低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)的中壓外循環(huán)氮氣回熱通道(S13→S12)；節(jié)流閥(J8)的出口與節(jié)流閥(J4)的出口交匯于(SN14)后，再接至高壓分餾塔(6)的液氮入口(e)；1.2、所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)包括天然氣回溫熱交換器(15)、冷卻循環(huán)泵(17)、空氣冷卻器(3)和連接管路及冷卻回路中的載冷劑；所述載冷劑為氟利昂類制冷工質或防凍液；所述空氣冷卻系統(tǒng)的載冷劑循環(huán)回路連接方式是天然氣回溫熱交換器(15)的載冷劑通路的出口(R1)接冷卻循環(huán)泵(17)，繼而接空氣冷卻器(3)的載冷劑通道(R2→R3)，而后接至天然氣回溫熱交換器(15)的載冷劑通道的入口；天然氣回溫熱交換器(15)的天然氣通路的入口與主熱交換器(5)中液化天然氣吸熱管的出口(NG2)連接，其天然氣通路的出口(NG3)與調節(jié)供氣閥(F5)連接；
2.如權利要求1所述的利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，其特征在于所述LNG熱交換器(25)的頂部增設一個前置外循環(huán)氮氣預冷器(29)；所述外循環(huán)氮氣預冷器(29)中只設有液化天然氣與來自主熱交換器(5)的循環(huán)氮氣的兩換熱流道，其液化天然氣換熱流道的入口接自LNG熱交換器(25)的液化天然氣吸熱管(LNG1→NG2)的出口，其液化天然氣換熱流道的出口接天然氣回溫熱交換器(15)的天然氣通路的入口，其循環(huán)氮氣換熱流道的入口與主熱交換器(5)的循環(huán)氮氣回熱通道的出口(S10)連接，其出口接調節(jié)閥(F4)后，接至LNG熱交換器(25)的中壓外循環(huán)氮氣放熱通道(S11→S12)的入口(S11)；
3.如權利要求1或2所述的利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，其特征在于所述低-高壓循環(huán)氮氣熱交換器(26)的中上部也可增設液化天然氣的換熱流道，其入口與液化天然氣站(18)的低溫液化天然氣供應管口對接，其出口接LNG熱交換器(25)的液化天然氣吸熱管(LNG1→NG2)的入口；
4.如權利要求1或2所述的利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，其特征在于所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)也可以是一個集天然氣回溫熱交換器(15)和空氣冷卻器(3)于一體的冷凝蒸發(fā)換熱器；所述冷凝蒸發(fā)換熱器是個箱體，由箱殼(30)、天然氣回溫熱交換器(15)、空氣冷卻器(3)和箱內氟里昂工質(31)組成；天然氣回溫熱交換器(15)置于箱體內的上部作為氟里昂工質的冷凝器，留有與天然氣連接的進口(NG2)和出口(NG3)，空氣冷卻器(3)置于箱體內的下部作為氟里昂工質的蒸發(fā)器，留有與壓縮空氣連接的進口(A3)和出口(A4)。
5.如權利要求3所述的利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置，其特征在于所述與液化天然氣冷能進行熱交換的空氣冷卻系統(tǒng)也可以是一個集天然氣回溫熱交換器(15)和空氣冷卻器(3)于一體的冷凝蒸發(fā)換熱器；所述冷凝蒸發(fā)換熱器是個箱體，由箱殼(30)、天然氣回溫熱交換器(15)、空氣冷卻器(3)和箱內氟里昂工質(31)組成；天然氣回溫熱交換器(15)置于箱體內的上部作為氟里昂工質的冷凝器，留有與天然氣連接的進口(NG2)和出口(NG3)，空氣冷卻器(3)置于箱體內的下部作為氟里昂工質的蒸發(fā)器，留有與壓縮空氣連接的進口(A3)和出口(A4)。
專利摘要本實用新型是一種利用液化天然氣冷能的空氣分離裝置,它涉及液化天然氣冷能利用和空氣分離裝置等技術。它是在現有空氣分離裝置的基礎上,增設由多級循環(huán)氮氣壓縮機(13、14、28)、LNG熱交換器(25)、循環(huán)氮氣熱交換器(26)等組成的氮內循環(huán)和氮外循環(huán)的聯(lián)合制冷系統(tǒng),以及由載冷劑冷凝蒸發(fā)傳熱的空氣冷卻系統(tǒng)。它可充分利用液化天然氣低溫的冷量來冷卻低溫壓縮的循環(huán)氮氣和常溫壓縮的空氣,使裝置的能耗大幅下降,日產330噸液氧、300噸液氮、17噸液氬的空氣分離裝置年節(jié)電約1億度,并可節(jié)省對液化天然氣進行氣化的設備及其運行費。而且,由于把液化天然氣換熱管(LNG1→NG2)與壓縮空氣回路隔離開,保證了設備安全。
文檔編號F25J5/00GK2499774SQ01245519
公開日2002年7月10日 申請日期2001年8月19日 優(yōu)先權日2001年8月19日
發(fā)明者陳則韶, 程文龍 申請人:中國科學技術大學