專利名稱：一種綜合利用液化天然氣的氨合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源綜合利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種綜合利用液化天然氣(LNG)的高品質(zhì)甲烷和冷能的氨合成方法和裝置。能取代目前深冷精餾精制合成氣系統(tǒng)中單獨采用壓縮膨脹深冷制冷大量消耗電能的工藝方法，解決合成氨能耗過高的問題。同時也有助于解決目前LNG冷能的充分利用問題。
背景技術(shù)：
天然氣在從氣田開采后經(jīng)過凈化和超低溫處理，體積驟縮600倍轉(zhuǎn)變?yōu)槌蜏匾后w，形成液化天然氣(LNG)。經(jīng)凈化、液化而成的_162°C低溫LNG液體，通過LNG運輸船大規(guī)模地運往全球的天然氣市場。在天然氣市場，低溫 的LNG液體無法直接使用，需要進行再氣化轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)壓縮天然氣(CNG)通過管網(wǎng)送到最終用戶。LNG氣化所需的熱量，以往是通過與海水換熱或者通過燃燒天然氣補充加熱的方式提供。如此巨量的冷能不僅沒有被科學的利用，而且破壞了海洋生態(tài)環(huán)境甚至消耗了天然氣資源。目前，我國的LNG冷能利用還只是處于起步階段，而且能有效利用高品位冷能的項目為空氣分離制造工業(yè)氣體。但是目前幾乎所有的新建LNG接收站附件都規(guī)劃有空氣分離裝置，空氣分離市場競爭激烈、運輸成本高以及附加值有限等弊端要求尋找更合理的冷能利用方式，提高冷能的附加值，以降低LNG的下游成本。據(jù)發(fā)改委2005年發(fā)布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》統(tǒng)計，2000年大中型合成氨綜合能耗比國際先進水平高出31.2%，具有巨大的節(jié)能潛力?！痘使I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出“十二五”期間，產(chǎn)能置換、優(yōu)化布局、技術(shù)升級、節(jié)能減排將是我國合成氨行業(yè)的發(fā)展重點。目前合成氨工藝技術(shù)的發(fā)展集中在降低能耗和提高能量效率上。深冷凈化法合成氨工藝是當今世界先進水平的低能耗合成氨工藝，深冷凈化是其中的核心單元，使工藝操作更為靈活、方便、穩(wěn)定。深冷凈化工藝具有能耗低，投資省，轉(zhuǎn)化爐管和催化劑壽命長，原料氣利用率高，操作彈性大，運轉(zhuǎn)效率高的優(yōu)勢。從國內(nèi)一些大型采用深冷凈化工藝的實踐經(jīng)驗可以看出:長周期運行深冷凈化法合成氨工藝，能夠有效地節(jié)能。但是經(jīng)過多年的發(fā)展，此方法的節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘殆盡，如何在此基礎(chǔ)上進一步降低合成氨生產(chǎn)能耗成為難題。本發(fā)明提出將LNG的冷能耦合到深冷凈化工藝過程中，在深冷凈化單元以LNG的冷能利用為主，壓縮機、膨脹機輔助制冷的工藝將進一步大幅節(jié)約電能和冷卻水。

發(fā)明內(nèi)容
為了合理的利用天然氣氣化時放出的冷能，進一步降低深冷凈化法合成氨的能耗，本發(fā)明提供一種利用液化天然氣的副產(chǎn)冷能和品質(zhì)天然氣的合成氨裝置。該裝置一方面將LNG氣化后的高品質(zhì)甲烷作為氨的合成原料，另一方面通過換熱方式將LNG氣化時放出的高品位冷能用于深冷精餾法精制合成氣，調(diào)節(jié)合成氣中氮氫元素配比，去除過量的氮氣和甲烷，氬氣等雜質(zhì)。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種綜合利用LNG冷能的合成氨的方法。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種綜合利用液化天然氣的氨合成裝置，包括一次換熱單元，二次換熱單元，以天然氣為原料的造氣單元，調(diào)整粗合成氣組分的精餾分離單元。造氣單元的天然氣輸入管道連接至LNG儲罐且經(jīng)過一次換熱單元，造氣單元的粗合成氣輸出管道連接至一次換熱單元，且經(jīng)過深冷制冷設(shè)備、二次換熱單元后，連接至精餾分離單元；造氣單元還設(shè)有接蒸汽輸入管道、空氣輸入管道；
精餾分離單元塔頂?shù)木铣蓺廨敵龉艿澜?jīng)二次換熱單元、一次換熱單元連接至界區(qū)外合成單元；塔底產(chǎn)品輸送管道經(jīng)過二次換熱單元、一次換熱單元連接至界區(qū)外燃料系統(tǒng)；塔底產(chǎn)品節(jié)流減壓管道連接至精餾分離單元的上部殼層。

溫度為-178°C至_185°C，壓力為25_30bar的精合成氣由塔頂精制合成氣輸送管道110輸送至換熱單元與溫度為2-30°C，壓力為22-36bar粗合成氣換熱，為粗合成氣預冷提供冷能，實現(xiàn)冷能回用，同時使精合成氣預熱后外輸至界區(qū)外的合成單元。深冷精餾設(shè)備的塔底產(chǎn)品氫氣、氮氣、甲烷和氬氣的摩爾含量分別為5-9%，73-80%, 11-17%和1-5%的氫氣、氮氣、甲烷和氬氣等雜質(zhì)的廢氣依次通過塔底產(chǎn)品節(jié)流減壓管道，塔底產(chǎn)品輸送管道輸送至塔頂?shù)臍?，二次換熱單元，一次換熱單元進行余冷回收。余冷回收后的廢氣可通過管道輸送至界區(qū)外的燃料系統(tǒng)，回收甲烷和氫氣作為燃料使用。一種利用液化天然氣的副產(chǎn)冷能和副產(chǎn)物的氨合成方法，包括以下步驟:
(I )LNG儲罐內(nèi)-162°C的LNG低溫液體通過一次換熱單元換熱升溫至常溫氣化，輸入到造氣單元；
(2)在造氣單元，被氣化的天然氣與輸入的蒸汽、空氣反應生成粗合成氣;溫度為2_30°C，壓力為 22_36bar ；
(3)粗合成氣是氫氣、氮氣、甲燒和IS氣的混合氣體,摩爾含量分別為62-66%,29-34%,1-3.5% 和 0.1-1% ；
(4)粗合成氣經(jīng)換一次換熱單元換熱降溫至-10(TC至-140°C、經(jīng)深冷制冷設(shè)備、二次換熱單元繼續(xù)降溫到_170°C至_185°C后，輸入精餾分離單元；
(3)在精餾分離單元通過深冷精餾設(shè)備將粗合成氣中過量的氮氣分離，調(diào)整粗合成氣中氫氣與氮氣的體積比約為3:1(因為工藝方面的的原因，該比例為近似比例)，并去除全部的甲烷和60%的氬氣雜質(zhì)獲得精合成氣；
精合成氣中氫氣、氮氣和氬氣的摩爾含量分別為73-76%，24-26%和0.1-1%,溫度為-178°C至_185°C，壓力為25-30bar ;精合成氣從精餾塔頂餾出經(jīng)管道輸送至換熱單元與輸入的溫度為2-30°C，壓力為22-36bar粗合成氣逆流換熱，為粗合成氣預冷提供冷能，實現(xiàn)冷能回用，同時使精合成氣預熱后外輸至界區(qū)外的合成單元；
深冷精餾設(shè)備的塔底產(chǎn)品依次輸送至塔頂?shù)臍?、二次換熱單元、一次換熱單元進行余冷回收，余冷回收后的廢氣輸送至界區(qū)外的燃料系統(tǒng)，回收甲烷和氫氣作為燃料使用。塔底產(chǎn)品為摩爾含量分別為5-9%，73-80%, 11-17%和1-5%的氫氣、氮氣、甲烷和氬氣，來源是分離的過量氮氣和少量甲烷、氬氣等雜質(zhì)的廢氣。造氣單元在LNG接收站附近就地利用高品質(zhì)天然氣為原料制備粗合成氣，有效降低原料氣的脫硫成本。粗合成氣中氫氣與氮氣的體積比大于3,同時含有少量甲燒與気氣等雜質(zhì)。在造氣單元與合成單元之間的分離單元通過換熱的方式充分利用LNG在氣化時釋放的冷能，對來自造氣單元的粗合成氣進行預冷。然后再通過輔助制冷和二次換熱單元，將合成氣進一步降溫后達到精餾分離所需的工藝條件進入深冷精餾塔。利用深冷精餾技術(shù)將粗合成氣少量甲烷與氬氣等雜質(zhì)去除，并調(diào)整氫氣與氮氣的體積比約為3:1得到精合成氣。從精餾塔頂餾出的精合成氣再經(jīng)過與粗合成氣換熱對粗合成氣預冷實現(xiàn)冷能回用，同時使精合成氣升溫進入合成單元。在合成單元中精合成氣經(jīng)催化劑和高溫高壓作用合成氨氣產(chǎn)品。本發(fā)明提出將LNG的冷能耦合到合成氨的深冷凈化工藝過程中，不僅進一步大幅節(jié)約了合成裝置電能和冷卻水的消耗，而且緩解LNG氣化時對環(huán)境的負面影響。


圖1是工藝流程 圖中，1.LNG儲罐，2.—次換熱單元，3.二次換熱單元，4.深冷制冷設(shè)備，5.深冷精餾塔，6，造氣單元，101.LNG輸送管道，102.天然氣輸送管道，103.蒸汽輸送管道，104.空氣輸送管道，105.粗合成氣輸送管道，106.一次換熱粗合成氣輸送管道，107.二次換熱粗合成氣輸送管道，108.塔底產(chǎn)品節(jié)流減壓管道，109.低壓塔底產(chǎn)品輸送管道，110.塔頂精制合成氣輸送管道，111.合成系統(tǒng)進料管道，112.廢氣回收管道。
具體實施例方式結(jié)合圖1與實施例對本專利技術(shù)進一步詳細闡述: 實施例1
綜合利用LNG的合成氨裝置包括一次換熱單元2，二次換熱單元3，以天然氣為原料的造氣單元6，調(diào)整粗合成氣組分的分離單元5。換熱單元2與LNG儲罐I通過LNG輸送管道101相連，-162 °C的LNG低溫液體通過一次換熱單元2換熱升溫至室溫氣化。氣化后的天然氣、蒸汽、空氣分別通過天然氣輸送管道102、蒸汽輸送管道103、空氣輸送管道104輸送至造氣單元6。在造氣單元6中天然氣，蒸汽，空氣反應生成粗合成氣。粗合成氣中氫氣、氮氣、甲燒和IS氣的摩爾含量分別為65%,32%, 2.5% 和 0.5%o溫度為4°C，壓力為30bar粗合成氣以7840.4kmol/h的流速經(jīng)粗合成氣輸送管道105進入一次換熱單元2換熱降溫至-126.5°C。降溫后的粗合成氣通過一次換熱粗合成氣輸送管道106輸送至深冷制冷設(shè)備4，在深冷制冷設(shè)備4中粗合成氣進一步降溫后再送入二次換熱單元3繼續(xù)降溫至_175°C由管道107輸送進入精餾分離單元5。精餾分離單元5通過深冷精餾設(shè)備將粗合成氣中過量的氮氣分離，調(diào)整粗合成氣中氫氣與氮氣的體積比約為3:1并去除全部的甲烷,和60%的氬氣雜質(zhì)獲得精合成氣。從精餾塔頂餾出的精合成氣氫氣、氮氣和氬氣的摩爾含量分別為74.8%, 24.8%和0.4%，溫度為-182°C，壓力為28bar，精合成氣由塔頂精制合成氣輸送管道110以6643.8kmol/h的流速輸送至換熱單元與溫度為4°C，壓力為30bar粗合成氣換熱，為粗合成氣預冷提供冷能，實現(xiàn)冷能回用，同時使精合成氣預熱后外經(jīng)合成系統(tǒng)進料管道111輸至界區(qū)外的合成單元。深冷精餾設(shè)備的塔底產(chǎn)品氫氣、氮氣、甲烷和氬氣的摩爾含量分別為7%，77%，14%和2%分離的過量氮氣和少量甲烷、氬氣等雜質(zhì)的廢氣依次通過塔底產(chǎn)品節(jié)流減壓管道108、低壓塔底產(chǎn)品輸送管道109輸送至塔頂?shù)臍樱螕Q熱單元3，一次換熱單元2進行余冷回收。余冷回收后的廢氣可通過113管道輸送至界區(qū)外的燃料系統(tǒng)，回收甲烷和氫氣作為燃料使用。以上所述僅為本專利的較佳實施例，凡依本專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本專利 涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.綜合利用液化天然氣的氨合成方法，其特征在于包括以下步驟: (1)LNG儲罐內(nèi)低溫高純LNG液體通過換熱升溫氣化后，輸入到造氣單元(6)； (2)在造氣單元(6)，被氣化的天然氣與輸入的蒸汽、空氣反應生成粗合成氣； (3)粗合成氣經(jīng)換熱降溫至-170°C至_185°C后，輸入精餾分離單元； (4)在精餾分離單元通過深冷精餾設(shè)備將粗合成氣中過量的氮氣分離，調(diào)整粗合成氣中氫氣與氮氣的含量 分別為73-76%，24-26%，并去除全部的甲烷和50%以上的氬氣雜質(zhì)獲得精合成氣； 低溫精合成氣從精餾塔頂餾出經(jīng)管道輸送至一次換熱單元與高溫粗合成氣逆流換熱，使精合成氣預熱后外輸至界區(qū)外的合成單元； 深冷精餾設(shè)備的塔底產(chǎn)品進行余冷回收，余冷回收后的廢氣輸送至界區(qū)外的燃料系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用液化天然氣的氨合成裝置的氨合成方法，其特征在于步驟(2)中粗合成氣是氫氣、氮氣、甲燒和IS氣的混合氣體,摩爾含量分別為62-66%,29-34%, 1-3.5% 和 0.1-1% ;溫度為 2-30°C，壓力為 22_36bar。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用液化天然氣的氨合成裝置的氨合成方法，其特征在于步驟(3)粗合成氣經(jīng)換熱和深冷制冷設(shè)備降溫至-170°C至_185°C的過程是先經(jīng)一次換熱單元換熱降溫到-100°C至_140°C、經(jīng)深冷制冷設(shè)備、二次換熱單元降溫到-170°C至-185℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的綜合利用液化天然氣的氨合成裝置的氨合成方法，其特征在于步驟(4)中精合成氣中氫氣、氮氣和氬氣的摩爾含量分別為73-76%，24-26%和0.1-1%,溫度為-178°C至 _185°C，壓力為 25_30bar ； 所述的塔底產(chǎn)品為摩爾含量分別為5-9%，73-80%, 11-17%和1-5%的氫氣、氮氣、甲烷和氬氣，來源是分離的過量氮氣和少量甲烷、氬氣雜質(zhì)的廢氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種綜合利用液化天然氣的氨合成方法，其特征在于首先將LNG儲罐內(nèi)低溫LNG液體通過換熱單元換熱升溫氣化，輸入到造氣單元與輸入的蒸汽、空氣反應生成粗合成氣；粗合成氣經(jīng)換換熱降溫后，輸入精餾分離單元，調(diào)整粗合成氣中各氣體的比例獲得精合成氣后從塔頂輸至界區(qū)外氨合成單元；塔底產(chǎn)品進行余冷回收，廢氣輸送至燃料系統(tǒng)，回收甲烷和氫氣作為燃料使用。本發(fā)明提出將LNG的冷能耦合到氨氣的深冷凈化工藝過程中，緩解LNG氣化時對環(huán)境的負面影響，輔以壓縮機、膨脹機輔助制冷的工藝將進一步大幅節(jié)約電能和冷卻水。
文檔編號C01B3/50GK103213946SQ201310144419
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月23日
發(fā)明者劉維佳, 商凡, 張崗, 張立剛, 徐曉明, 喬風笙, 賀平, 穆立文, 徐楓, 沈建鋒, 吳元玲 申請人:江蘇中核華緯工程設(shè)計研究有限公司