利用lng冷能空分制取液氧液氮的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用LNG冷能和少量電能使空氣低溫液化、分離并制取液氧、液氮等工業(yè)氣體產(chǎn)品的全液體空氣分離的分離方法及其LNG冷能利用系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]液化天然氣LNG不僅蘊(yùn)藏有巨大冷量，更重要的是它的冷量品質(zhì)很高。隨著LNG用量的持續(xù)增長(zhǎng)，氣化產(chǎn)生的冷量也相繼增多。LNG氣化過(guò)程中，其釋放的冷能可采用直接或間接的方法加以利用。直接利用方法有冷能發(fā)電、空氣液化分離、冷凍倉(cāng)庫(kù)、制造液化二氧化碳、海水淡化、空調(diào)和低溫養(yǎng)殖栽培等；間接利用方法有空分得到的液氧、液氮來(lái)進(jìn)行低溫破碎、污水處理、低溫醫(yī)療等?？辗猪?xiàng)目對(duì)空氣進(jìn)行深度冷卻分離，需要大量的冷量。LNG冷能的利用是將LNG的冷量傳遞給需要冷卻的工質(zhì)，達(dá)到冷能回收的目的。與其它LNG冷能利用方法相比，空分裝置中循環(huán)氮?dú)庖夯瘻囟容^低，在145?235K之間，與LNG的溫差相對(duì)較小，冷能回收過(guò)程中的不可逆損失較小，是比較理想而高效的利用方法。
[0003]目前應(yīng)用最為廣泛的空氣分離產(chǎn)品是氧氣、氮?dú)?、氬氣三種氣體。氧氣是反應(yīng)活躍的氣體，主要用于冶金行業(yè)和化工行業(yè)，還可以用于醫(yī)療衛(wèi)生，城市污水處理，金屬焊接和切割，并且由于它對(duì)任何燃料都有充分的助燃性，氧氣也用于燃燒工藝中；氮?dú)饪梢员粡V泛應(yīng)用于工業(yè)和研宄領(lǐng)域。在大多數(shù)的應(yīng)用中，氮?dú)馐亲鳛橐环N物理的制冷劑或是一種化學(xué)的惰性氣體；氬氣最重要的化學(xué)特性是它的惰性，這一特性使其成為高溫處理的保護(hù)氣體，通常被用于冶金和焊接工藝中。
[0004]現(xiàn)有空分技術(shù)分離出液氧、液氮等工業(yè)氣體產(chǎn)品的方法通常用林德循環(huán)或其他改進(jìn)型循環(huán)的低溫液化空氣分離法制造。這種方法首先把空氣壓縮到高壓，用冷卻水使被壓縮的空氣冷卻到常溫，讓高壓空氣節(jié)流或膨脹產(chǎn)生低溫，并利用自身產(chǎn)生的低溫空氣或分離出的低溫氮?dú)夂偷蜏匮鯕獾幕亓鱽?lái)冷卻高壓空氣，于是，高壓空氣將在較低溫度下進(jìn)行節(jié)流或膨脹產(chǎn)生更低的溫度，如此循環(huán)繼續(xù)，直至使空氣液化?？諝庖夯?，利用分餾塔根據(jù)空氣中不同成分沸點(diǎn)不同進(jìn)行分離，獲得純度很高的氧氣、氮?dú)?、氬氣或它們的液體。這種方法是要在-150°C?_191°C條件下進(jìn)行，創(chuàng)造和維特低溫要消耗大量電能，并產(chǎn)生空氣分離的冷能損失。目前利用LNG冷能的空分裝置的文獻(xiàn)很少，經(jīng)檢索的國(guó)際有關(guān)專利也不多。美國(guó)專利解決使用的LNG冷源的空氣分離裝置，因LNG需求波動(dòng)造成LNG冷量供應(yīng)不足時(shí)，采用內(nèi)部?jī)?chǔ)存的惰性氣體的液體氣化補(bǔ)充冷量。美國(guó)專利公開(kāi)的一種用高壓氮流體把液化天然氣的冷量傳輸給低溫空氣分離裝置，該發(fā)明涉及用改善制冷性能的聯(lián)合低溫空分裝置生產(chǎn)的氮液化的過(guò)程，溫度很低的LNG在氣化和輸運(yùn)同時(shí)被作為制冷劑，其特點(diǎn)是用高壓的氮流體用作載冷劑，把LNG冷量傳給壓縮之前的空氣和氮?dú)?，又用LNG的冷能使高壓氮流體冷凝，另外又用高壓氮經(jīng)節(jié)流產(chǎn)生含有液體氮的濕蒸氣，經(jīng)分離生產(chǎn)出液體氮。日本專利:No:1090715公開(kāi)的一種不用常規(guī)高壓分餾塔而只用高壓分餾塔冷凝段和低壓分餾塔，通過(guò)把低壓分餾塔生產(chǎn)的氮?dú)庠賶嚎s，利用LNG冷卻，采用氟里昂作低溫LNG與壓縮氮?dú)饧皦嚎s空氣之間的載冷劑等方法，原料空氣只壓縮到低壓分餾塔操作壓力，生產(chǎn)液氧、液空和液氬。這些方法分別從某個(gè)側(cè)面提出了利用LNG冷能制氧、制氮的方法。目前用LNG冷能制取液氧和液氮的空氣分離裝置流程的不足之處在于:①消耗大量冷量的氧氣液化和氮?dú)庖夯铚囟鹊陀贚NG氣化溫度-161°C，必須由主動(dòng)制冷法補(bǔ)充。②單純壓縮空氣制冷不能平衡液氧和液氮所需的冷量，能耗很大。③不同組分的LNG物性不一樣，甲烷含量越低，LNG氣化產(chǎn)生冷量溫度上移，可用冷量減小、品質(zhì)降低。④系統(tǒng)要在不同溫區(qū)下實(shí)現(xiàn)冷量的補(bǔ)充與平衡。⑤LNG冷能利用效率偏低。流程中采用的空分設(shè)備的部件多，有:空氣過(guò)濾器，空氣壓縮機(jī)，空氣冷卻器，分子篩吸附系統(tǒng)，主熱交換器，高壓分飽塔，低壓分飽塔，過(guò)冷器，氬氣分餾系統(tǒng)，液氬儲(chǔ)罐，液氮儲(chǔ)罐，液氧儲(chǔ)罐，液體空氣節(jié)流閥，液體氮節(jié)流閥，液體氨開(kāi)關(guān)閥，液體氧開(kāi)關(guān)閥，液體氬開(kāi)關(guān)閥以及連接管路和必要的吹除閥，液空乙炔吸附器，輔助系統(tǒng)的廢氮?dú)饧訜崞鞯?。還增設(shè)了以LNG冷能冷卻的氮內(nèi)循環(huán)和氮外循環(huán)制冷系統(tǒng)，以及采用LNG冷卻的氟里昂為載冷劑冷卻高壓空氣循環(huán)系統(tǒng)。這些新增系統(tǒng)流程是這樣運(yùn)行的:空氣經(jīng)空氣過(guò)濾器過(guò)濾去除灰塵雜質(zhì)后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)被壓縮到0.5MPa以上，壓縮空氣在空氣冷卻器被氟利昂載冷劑降溫至I?5°C，進(jìn)入分子篩吸附系統(tǒng)，由分子篩吸附掉空氣中的水份和二氧化碳后進(jìn)入主熱交換的高壓空氣換熱通道；主熱交換器為板式熱交換器，還設(shè)有下進(jìn)上出的中壓循環(huán)氮?dú)饣責(zé)嵬ǖ篮偷图兌葟U氮?dú)馔ǖ?，壓縮空氣被返流的-180°C左右的中壓循環(huán)氮?dú)夂偷图兌葟U氮?dú)馑鋮s，成為飽和態(tài)濕空氣，而后進(jìn)入高壓分餾塔入口 ；在高壓分餾塔內(nèi)空氣與從塔頂流下的液氮在多層的塔板上反復(fù)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的底部，氮?dú)饧诟邏悍逐s塔的頂部，并與低壓分餾塔底部液氧交換熱量后氮?dú)獗焕淠梢后w。高壓分餾塔頂部液氮收集器收集的液氮由出口引出，經(jīng)過(guò)冷器進(jìn)一步降溫，再經(jīng)液體氮節(jié)流閥降壓至0.14MPa左右，進(jìn)入低壓分餾塔頂部，作為低壓分餾塔頂部的回流液，另一部分經(jīng)調(diào)節(jié)閥后流放到液氮儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。高壓分餾塔底部的富氧液空從出口流出后經(jīng)液空乙炔吸附器吸附掉乙炔，并經(jīng)過(guò)冷器冷卻，再經(jīng)液體空氣節(jié)流閥降壓后，進(jìn)入氬氣分餾系統(tǒng)的粗氬塔，富氧液空在氬氣分餾系統(tǒng)中被初步提取氬氣后，又經(jīng)低壓分餾塔連接的液體空氣的管路從低壓分餾塔中部接流到低壓分餾塔內(nèi)；經(jīng)低壓分餾塔分餾后高純度液氧集于低壓分餾塔底部，并從接口經(jīng)調(diào)節(jié)閥放至液氧儲(chǔ)罐儲(chǔ)存；低壓分餾塔頂部流出的高純氮?dú)?，?jīng)過(guò)冷器回收部分冷量后，進(jìn)入低高壓循環(huán)氮?dú)鉄峤粨Q器的低壓內(nèi)循環(huán)氮?dú)饣責(zé)嵬ǖ溃牙淞總鹘o上進(jìn)下出的高壓內(nèi)循環(huán)氮?dú)夥艧峁艿母邏貉h(huán)氮?dú)?，升溫約至110?120K，而后進(jìn)入中壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮至1.0MPa以上，出口溫度超過(guò)220K以后，進(jìn)入液化天然氣熱交換器的次高壓內(nèi)循環(huán)氮?dú)夥艧峁?，放出熱量給LNG，溫度降回到約110?120K，再進(jìn)入高壓氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓縮至5.0MPa，再進(jìn)入液化天然氣熱交換器的高壓內(nèi)循環(huán)氮?dú)夥艧峁芊懦鰺崃拷oLNG，溫度降至約110?120K后，再進(jìn)入低高壓循環(huán)氮?dú)鉄峤粨Q器的高壓內(nèi)循環(huán)氮?dú)夥艧峁?，進(jìn)一步降溫至約100K，而后經(jīng)內(nèi)循環(huán)氮節(jié)流閥節(jié)流降壓到高壓分餾塔操作壓力約0.5MPa，產(chǎn)生大量液氮和部分飽和氮?dú)猓蠼?jīng)交匯進(jìn)入高壓分餾塔的液氮入口。自高壓分餾塔中上部的氮?dú)獬隹谝龅闹袎貉h(huán)氮?dú)?，只是在裝置剛開(kāi)動(dòng)初期，經(jīng)單向閥，進(jìn)主熱交換器的中壓循環(huán)氮?dú)饣責(zé)嵬ǖ?。在裝置正常運(yùn)行時(shí)外循環(huán)的氮?dú)獠辉購(gòu)母邏悍逐s塔中上部的氮?dú)獬隹谝觯缘?jié)流閥節(jié)流后的低溫氮?dú)?；約90?100K的低溫外循環(huán)氮?dú)庠谥鳠峤粨Q器的中壓循環(huán)氮?dú)饣責(zé)嵬ǖ乐邪牙淞總鹘o壓縮空氣，同時(shí)自身回?zé)岬浇咏鼔嚎s空氣進(jìn)入主熱交換器入口的溫度，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到適合的流量，而后進(jìn)入液化天然氣熱交換器的中壓外循環(huán)氮?dú)夥?