本實(shí)用新型涉及一種利用液化空氣供冷制取LNG的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

天然氣是以烴類物質(zhì)為主的多成分混合氣體，其中甲烷占絕大部分，乙烷和丙烷等重?zé)N相對(duì)較少。除烴類外，天然氣還含有二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫、水蒸氣和氦、氬等惰性氣體物質(zhì)。天然氣已然成為當(dāng)前世界上的一種極其重要能源，同時(shí)也是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)清潔燃料，熱值高，每立方米大約8500Kcal，燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境所產(chǎn)生的污染少。由于世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤、石油的過度消耗和所帶來的環(huán)境問題的日益加重，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正在逐步改變，天然氣因其無法比擬的優(yōu)勢(shì)在世界能源結(jié)構(gòu)中比重逐漸加大。天然氣在熱泵、分布式能源發(fā)電、燃料電池、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、工業(yè)燃料等方面都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

但在我國(guó)，天然氣氣源分布分散，產(chǎn)地往往在工業(yè)落后、人口稀薄地區(qū)，這些地區(qū)有很多零散的小氣田、石油伴生氣、煤層氣等氣源，但要開發(fā)利用這些氣源就必須要解決輸送問題，而絕大部分氣田由于單井產(chǎn)量小，能夠開采的時(shí)間非常短，在當(dāng)?shù)劁佋O(shè)管道投資高，經(jīng)濟(jì)性較差，采用管道運(yùn)輸或氣態(tài)高壓罐體運(yùn)輸已失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，天然氣可經(jīng)制冷至-162℃變成液態(tài)，液化后的體積是液化前的1/625，在常壓下即可儲(chǔ)存運(yùn)輸，量大、安全可靠，使開發(fā)利用這些偏遠(yuǎn)天然氣氣源成為可能。因此，開展小型液化流程的技術(shù)開發(fā)有助于我們更大限度的利用我國(guó)西部等地的偏遠(yuǎn)天然氣資源，緩解東西部分配不均衡的局勢(shì)，未來必將為天然氣行業(yè)的高速發(fā)展帶來新的活力。

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開始對(duì)天然氣的液化工藝進(jìn)行研究開發(fā)工作，但大多針對(duì)大型LNG液化裝置，也出現(xiàn)了一些小型液化天然氣裝置。美國(guó)愛達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種利用輸氣管網(wǎng)的壓差能來液化天然氣的小型天然氣液化流程，依靠膨脹機(jī)膨脹制冷。ABB燃?xì)饧夹g(shù)公司設(shè)計(jì)了兩種小型天然氣液化流程。其中一種新型流程先使用丙烷制冷，在天然氣的溫度初步降低后，再把天然氣送入膨脹機(jī)降溫。另一種采用雙膨脹制冷循環(huán)流程，冷量由兩個(gè)獨(dú)立的膨脹系統(tǒng)提供，一個(gè)系統(tǒng)以氮?dú)庾鳛榕蛎浹h(huán)的制冷劑，另一系統(tǒng)制冷劑選擇甲烷、乙烷等碳?xì)浠衔?。Kryopak公司針對(duì)小型天然氣液化裝置設(shè)計(jì)了Kryopak EXP流程、Kryopak PCMR流程。Kryopak EXP流程采用膨脹機(jī)膨脹制冷，采用自蒸發(fā)氣體作為制冷劑。Kryopak PCMR流程設(shè)置預(yù)冷部分，預(yù)冷部分采用的制冷劑為氨或者丙烷，而主要的制冷部分采用以多種烴類或者氮?dú)饣旌隙傻幕旌现评鋭?。?guó)內(nèi)針對(duì)小型天然氣液化裝置也做了不少探索和嘗試。1996年，吉林油田、中石油和中科院低溫中心三家聯(lián)合開發(fā)了一套500L/h天然氣液化裝置。該裝置的液化流程以高純氮?dú)庾鳛橹评涔べ|(zhì)，為了方便搬運(yùn)，全部設(shè)備撬裝成10個(gè)撬塊，設(shè)備全部自主生產(chǎn)。氣體軸承膨脹機(jī)制冷技術(shù)是本裝置采用的一種獨(dú)創(chuàng)性技術(shù)。2000年，中原油田委托法國(guó)索菲燃?xì)夤驹O(shè)計(jì)的小型天然氣液化裝置投產(chǎn)，原料天然氣的日處理量為30×10⁴m³，液化率為50％。液化系統(tǒng)制冷循環(huán)部分為復(fù)疊式制冷循環(huán)，制冷劑為丙烷和乙烯。

但上述小型天然氣液化工藝流程均采用制冷循環(huán)的方式提供天然氣液化所需冷量，其存在的共同缺點(diǎn)就是流程結(jié)構(gòu)及設(shè)備復(fù)雜、占地面積大、不靈活、造價(jià)高、消耗大量電能，單位能耗高，同時(shí)也不適合在沒有充足電力甚至沒有電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)氣源地進(jìn)行推廣應(yīng)用。所以，亟需一種利用液化空氣供冷制取LNG的系統(tǒng)來解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用液化空氣供冷制取LNG的系統(tǒng)，來解決傳統(tǒng)設(shè)備流程結(jié)構(gòu)及設(shè)備復(fù)雜、占地面積大、不靈活、造價(jià)高、消耗大量電能，單位能耗高，同時(shí)也不適合在沒有充足電力甚至沒有電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)氣源地進(jìn)行推廣的問題。

本實(shí)用新型采用以下的技術(shù)方案：

一種利用液化空氣供冷制取LNG的系統(tǒng)，包括過濾器(1)、凈化系統(tǒng)(2)、第一級(jí)換熱器(3)、節(jié)流閥(4)、LNG儲(chǔ)罐(5)、液化空氣儲(chǔ)罐(6)、低溫泵(7)、第二級(jí)換熱器(8)、第三級(jí)換熱器(9)，所述第一級(jí)換熱器(3)、第二級(jí)換熱器(8)、第三級(jí)換熱器(9)均設(shè)置有熱流體管路、冷流體管路，所述熱流體管路、冷流體管路均設(shè)置有其進(jìn)口和出口，所述過濾器(1)、凈化系統(tǒng)(2)、第一級(jí)換熱器(3)的熱流體管路、節(jié)流閥(4)、LNG儲(chǔ)罐(5)通過管道依次串聯(lián)，所述過濾器(1)的進(jìn)料口連接天然氣氣源；所述液化空氣儲(chǔ)罐(6)、低溫泵(7)、第二級(jí)換熱器(8)的冷流體管路通過管道依次串聯(lián)；

所述凈化系統(tǒng)(2)為脫碳塔(201)、浸硫活性炭吸附器(202)、乙二醇水溶液換熱器(203)的熱流體管路、分子篩吸附器(204)通過管道依次串聯(lián)形成凈化系統(tǒng)，所述脫碳塔(201)的進(jìn)料端(A)與所述過濾器(1)及所述分子篩吸附器(204)出料端(B)通過管道連通；所述脫碳塔(201)的進(jìn)料端(A)與所述濾器(1)連接，所述分子篩吸附器(204)出料端與第一級(jí)換熱器(3)的熱流體管路連接；

所述第一級(jí)換熱器(3)的冷流體管路進(jìn)口(C)連通所述低溫泵(7)與所述第二級(jí)換熱器(8)之間的管道，所述第一級(jí)換熱器(3)的冷流體管路出口(D)通過管道連通所述第三級(jí)換熱器(9)冷流體管路進(jìn)口(E)，所述第三級(jí)換熱器(9)冷流體管路的出口(F)將空氣排出系統(tǒng)；所述第三級(jí)換熱器(9)的熱流體管路(91)與所述乙二醇水溶液換熱器(203)的冷流體管路(2031)進(jìn)口、出口連通構(gòu)成其內(nèi)部介質(zhì)的循環(huán)冷卻回路；

所述第二級(jí)換熱器(8)的冷流體管路出口(G)連通所述第一級(jí)換熱器(3)與第三級(jí)換熱器(9)之間的管道，所述第二級(jí)換熱器(8)的熱流體管路進(jìn)口(H)與所述LNG儲(chǔ)罐(5)連通，所述第二級(jí)換熱器(8)的熱流體管路出口(I)連通所述節(jié)流閥(4)與LNG儲(chǔ)罐(5)之間的管道。

所述第一級(jí)換熱器(3)為板翅式換熱器，包括三段板翅式換熱器串聯(lián)，每段的熱流體管路、冷流體管路分別串聯(lián)，所述熱流體管路與所述冷流體管路流體的流向相反形成逆流換熱，每段板式換熱器熱流體管路出口端分別設(shè)置節(jié)流裝置。

所述第二級(jí)換熱器為板式換熱器、第三級(jí)換熱器為板翅式換熱器，所述第三級(jí)換熱器的熱流體管路換熱介質(zhì)為乙二醇水溶液。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)如下：

工藝流程簡(jiǎn)單、液化空氣易得，充分利用液化空氣的低溫冷量，通過直接換熱、余熱利用即可完成與天然氣的預(yù)冷與液化，不需要消耗大量電力。另一方面，本發(fā)明設(shè)備小、可撬裝化，靈活應(yīng)用，初始投資低，可獲得廉價(jià)LNG，非常適合用于開發(fā)偏遠(yuǎn)零散氣源。

附圖說明：

圖1為本實(shí)用新型利用液化空氣供冷制取LNG的小型液化系統(tǒng)流程示意圖；

圖2為本實(shí)用新型凈化系統(tǒng)的流程示意圖；

圖3為本實(shí)用新型第一級(jí)換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型第二、三級(jí)換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。

以下實(shí)施例僅是為清楚說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在下述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動(dòng)，而這些屬于本實(shí)用新型精神所引出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。

一種利用液化空氣供冷制取LNG的系統(tǒng)，包括過濾器1、凈化系統(tǒng)2、第一級(jí)換熱器3、節(jié)流閥4、LNG儲(chǔ)罐5、液化空氣儲(chǔ)罐6、低溫泵7、第二級(jí)換熱器8、第三級(jí)換熱器9，所述第一級(jí)換熱器3、第二級(jí)換熱器8、第三級(jí)換熱器9均設(shè)置有熱流體管路、冷流體管路，所述熱流體管路、冷流體管路均設(shè)置有其進(jìn)口和出口，所述過濾器1、凈化系統(tǒng)2、第一級(jí)換熱器3的熱流體管路、節(jié)流閥4、LNG儲(chǔ)罐5通過管道依次串聯(lián)，所述過濾器1的進(jìn)料口連接天然氣氣源；所述液化空氣儲(chǔ)罐6、低溫泵7、第二級(jí)換熱器8的冷流體管路通過管道依次串聯(lián)；

所述凈化系統(tǒng)2為脫碳塔201、浸硫活性炭吸附器202、乙二醇水溶液換熱器203的熱流體管路、分子篩吸附器204通過管道依次串聯(lián)形成凈化系統(tǒng)，所述脫碳塔201的進(jìn)料端A與所述過濾器1及所述分子篩吸附器204出料端B通過管道連通；所述脫碳塔201的進(jìn)料端A與所述濾器1連接，所述分子篩吸附器204出料端與第一級(jí)換熱器3的熱流體管路連接；

所述第一級(jí)換熱器3的冷流體管路進(jìn)口C連通所述低溫泵7與所述第二級(jí)換熱器8之間的管道，所述第一級(jí)換熱器3的冷流體管路出口D通過管道連通所述第三級(jí)換熱器9冷流體管路進(jìn)口E，所述第三級(jí)換熱器9冷流體管路的出口F將空氣排出系統(tǒng)；所述第三級(jí)換熱器9的熱流體管路91與所述乙二醇水溶液換熱器203的冷流體管路2031進(jìn)口、出口連通構(gòu)成其內(nèi)部介質(zhì)的循環(huán)冷卻回路；

所述第二級(jí)換熱器8的冷流體管路出口G連通所述第一級(jí)換熱器3與第三級(jí)換熱器9之間的管道，所述第二級(jí)換熱器8的熱流體管路進(jìn)口H與所述LNG儲(chǔ)罐5連通，所述第二級(jí)換熱器8的熱流體管路出口I連通所述節(jié)流閥4與LNG儲(chǔ)罐5之間的管道。

所述第一級(jí)換熱器3為板翅式換熱器，包括三段板翅式換熱器串聯(lián)，每段的熱流體管路、冷流體管路分別串聯(lián)，所述熱流體管路與所述冷流體管路流體的流向相反形成逆流換熱，每段板式換熱器熱流體管路出口端分別設(shè)置節(jié)流裝置。

所述第二級(jí)換熱器為板式換熱器、第三級(jí)換熱器為板翅式換熱器，所述第三級(jí)換熱器的熱流體管路換熱介質(zhì)為乙二醇水溶液。

其流程與工作原理說明如下：

如圖1所示，壓力為2.8MPa(G)的井口天然氣原料氣經(jīng)過天然氣管道輸送至所述過濾器1，盡可能除去原料氣中攜帶的游離液體和機(jī)械雜質(zhì)。

過濾后的原料氣隨后進(jìn)入凈化系統(tǒng)2進(jìn)行天然氣的凈化處理。過濾后的原料氣首先進(jìn)入所述脫碳塔201中，去除掉原料氣中的CO₂和H₂S，使原料氣中的CO₂含量小于50ppm，H₂S含量小于4ppm。完成脫碳后，原料氣進(jìn)入所述浸硫活性炭吸附器202進(jìn)行脫汞操作，去除掉原料氣中的汞，以保證原料氣中的汞含量小于0.01μg/Nm³。脫汞完成后，原料氣進(jìn)入所述乙二醇水溶液換熱器203進(jìn)行低溫脫水，用所述第三級(jí)換熱器引來的低溫空氣冷量與乙二醇水溶液進(jìn)行熱交換，如圖2所示，預(yù)冷后的低溫乙二醇水溶液進(jìn)入乙二醇水溶液換熱器203對(duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷，使原料氣的溫度降低至5℃，這樣可分離出原料氣中的大部分水分，而預(yù)冷原料氣后的常溫乙二醇水溶液返回至所述第三級(jí)換熱器9中繼續(xù)進(jìn)行乙二醇水溶液的循環(huán)換熱。低溫脫水后，原料氣進(jìn)入所述分子篩吸附塔204中進(jìn)行進(jìn)一步的脫水，分子篩吸附塔里裝有4A型分子篩，4A分子篩是一種堿金屬硅鋁酸鹽，能吸附水，以保證原料氣中的H₂O含量小于1ppm。原料氣在經(jīng)過凈化系統(tǒng)2后，成為合格原料氣，若出現(xiàn)凈化不合格的原料氣，則原料氣將通過所述脫碳塔201的進(jìn)料端與所述分子篩吸附器204出料端之間的管道該處設(shè)有原料氣檢測(cè)器205，可檢測(cè)CO₂、H₂O含量是否達(dá)標(biāo)，若檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，節(jié)流閥4關(guān)閉自動(dòng)切換回到凈化系統(tǒng)中重新凈化，返回至凈化系統(tǒng)2繼續(xù)凈化，直至達(dá)到要求。

來自所述液化空氣儲(chǔ)罐6出口的液態(tài)空氣經(jīng)低溫泵7輸送成恒定恒壓的液態(tài)空氣，之后液態(tài)空氣將分成兩股。

如圖3所示，一股液態(tài)空氣將進(jìn)入第一級(jí)換熱器3，其中：液態(tài)空氣是冷流體通過換熱器的冷流體管路通過，原料氣為熱流體通過熱流體管路通過。熱流體原料氣依次進(jìn)入三段換熱器與液態(tài)空氣逐級(jí)逆流換熱，每一段換熱器分別設(shè)有節(jié)流裝置，從而最大限度而有效地利用液態(tài)空氣的冷量。原料氣與液態(tài)空氣在第一級(jí)換熱器3進(jìn)行冷量交換后溫度降至-160℃左右，變成低溫天然氣。隨后低溫天然氣通過節(jié)流閥4節(jié)流后，溫度降至-162℃、壓力降至0.015MPa(G)，成為合格的液化天然氣產(chǎn)品直接送入LNG儲(chǔ)罐5。

如圖4所示，另外一股液態(tài)空氣將進(jìn)入第二級(jí)換熱器8中，利用液態(tài)空氣的低溫區(qū)段給LNG儲(chǔ)罐6內(nèi)的低溫天然氣再液化提供冷量，回收LNG儲(chǔ)罐6內(nèi)氣化的天然氣。低溫天然氣在第二級(jí)換熱器后溫度可直接降至-162℃，作為合格的液化天然氣36又返回到LNG儲(chǔ)罐6內(nèi)。

液態(tài)空氣經(jīng)過第一級(jí)換熱器3與原料氣換熱后變成低溫空氣，而液態(tài)空氣經(jīng)過第二級(jí)換熱器8與低溫天然氣后換熱后也變成了低溫空氣，為了充分利用低溫空氣的冷量。兩股低溫空氣將混合進(jìn)入第三級(jí)換熱器9中，用于預(yù)冷常溫乙二醇水溶液，常溫乙二醇水溶液與低溫空氣換熱器后成為低溫乙二醇水溶液，之后低溫乙二醇水溶液進(jìn)入乙二醇水溶液換熱器203中用于低溫脫水，初步脫除原料氣中的水分。而完成乙二醇水溶液預(yù)冷循環(huán)的低溫空氣失去冷量變成常溫空氣，最后直接排入大氣中。