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CN102200370A - 一种膨胀式可燃气体液化装置及流程 - Google Patents

一种膨胀式可燃气体液化装置及流程 Download PDF

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CN102200370A
CN102200370A CN2011101008011A CN201110100801A CN102200370A CN 102200370 A CN102200370 A CN 102200370A CN 2011101008011 A CN2011101008011 A CN 2011101008011A CN 201110100801 A CN201110100801 A CN 201110100801A CN 102200370 A CN102200370 A CN 102200370A
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gas
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subcooler
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马重芳
王通旭
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Beijing University of Technology
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Abstract

一种膨胀式可燃气体液化装置及流程，属节能与环保领域。其包括脱水脱酸装置，预冷器，单螺杆膨胀机，过冷器，液化气储罐、制冷循环和节流阀。其中，制冷循环由多级压缩单元、中间冷却单元和多级膨胀单元过冷器、预冷器组成，它与可燃气直接膨胀制冷相耦合，为待液化可燃气提供冷量。经过脱水脱酸装置过滤净化后的可燃气首先进入预冷器，进行预冷；然后经过可然气膨胀机进行进一步膨胀降温冷却，再进入过冷器过冷液化，之后再经过节流阀降低压力，最终转化成液化可然气进入储罐，待运。本液化装置采用天然气直接膨胀和利用空气或氮气多级压缩膨胀联合制冷，充分利用了原料天然气的压力能，降低了能耗，提高了装置的液化效率。

Description

一种膨胀式可燃气体液化装置及流程
技术领域
一种膨胀式可燃气体液化装置及流程属节能与环保领域，主要利用压缩和膨胀过程，实现可燃气体的液化，达到节能、减排和回收有用资源的目的。
发明背景
目前我国石油消费的40％以上依赖进口，新一轮的石油危机已经凸现。有关部门及人士已经开始考虑国家能源石油战略储备问题。因此，新型洁净能源的开发和利用不仅在经济发展，而且在国家安全方面具有重要的意义。天然气资源的开发利用对于我国社会和经济的可持续发展具有更加重要的意义。
从能源角度讲，广义的天然气包括常规意义上的天然气，与石油共生的油田伴生气和与煤炭共生的煤层气等。我国煤层气储量与常规天然气资源相当，在30～35×1012立方米左右。开采和充分利用边远小储量气田、煤层气等天然气资源，一方面可为解决我国越来越严重的能源现状贡献力量，另一方面可以有效减少煤矿事故。此外，我国常规天然气约超过50％分布在西部地区。在非常规天然气资源中，煤层气资源量在西部地区约占总资源量的30％。因此，开展天然气开发利用技术的研究和推动后续产业的发展，对于加快西部地区的发展也具有重要意义。
除煤层气资源外，我国还存在大量的零散气田和边远气田的天然气、油田伴生气、水溶气、填埋气、沼气、火炬气等天然气资源，由于具有量小，难以输运等特点，目前却没有被有效利用，每年的天然气消费缺口却靠进口液化天然气来补充。据统计，2009年中国天然气表观消费量875亿立方米，在一次能源消费构成中占3.7％，而2009年我国天然气的生产量仅为830亿立方米，天然气供需缺口达40多亿立方米，此供需缺口由进口量来补充，2009年中国液化天然气进口量高达76.4亿立方米数据来源于BP2010年世界能源年度统计。
据社科院发布的“2009能源蓝皮书”预计，到2010年和2015年，我国天然气消费量将分别达到1200亿立方米和2000亿立方米左右；2010年我国天然气供需缺口为200-300亿立方米，进口占比约20％；2015年缺口为300-700亿立方米，2020年缺口将达到700-1000亿立方米，2015-2020年进口占比有望进一步扩大至30％-40％。因此，开发小型撬装式天然气液化装置，充分利用我国的现有资源，不仅可以缓解我国目前的能源紧张现状，还可降低我国天然气消费对外依存度，对于能源安全具有十分重要的意义。
由于各种原因，我国天然气液化技术方面的发展还远远落后于国际水平。目前国内几乎没有具有自主知识产权的液化工业和实际运行的LNG装置。因此有必要深入展开可燃气体液化技术研究。
液化天然气(LNG)是天然气经过脱酸、脱水处理，通过低温工艺液化而成的低温液体混合物。液化天然气的体积只有同量气态体积的1/625，因而将其液化之后，一是有利于降低贮存和运输成本，便于远距离运输；二是可以提高单位体积的燃值(达到相当于汽油的水平)，用于发电和交通运输工具(汽车、船舶和飞机)的燃料。此外，还具有清洁、环保等特点。
天然气液化装置在国外的研究较早，早在1941年，美国在克里夫兰建成了世界上第一套工业规模的LNG装置，液化能力为8500m3/d。从上世纪60年代开始，LNG工业得到了迅猛发展，规模越来越大，基本负荷型液化能力已达到2.5×104m3/d。目前，天然气的液化工艺主要有三类，分别为阶式液化工艺、混合制冷剂制冷工艺和膨胀机制冷循环工艺。阶式液化工艺通常采用三级制冷循环，不同冷剂在不同的温度下蒸发，与不同温位下的天然气换热，使天然气逐级冷却，达到液化的目的；阶式液化工艺的优点是能耗低，但工艺复杂，设备多，维护不便。混合制冷剂制冷工艺是目前国外LNG装置最常最常采用的工艺，因混合制冷剂在换热器内的变温特性，使其能与混合组分的天然气相匹配，达到降低冷热流体间换热温差的目的，该方法避免了级联式系统复杂的缺点，机组设备少，流程简单，初期投资省，维护费用少，但混合制冷剂的准确配比比较困难，且压缩机等设备泄露容易使混合组分偏离设计参数，造成系统效率下降，同时，能耗较高比阶式蒸发循环高20％左右。目前，阶式制冷和混合冷剂制冷的液化装置在国外都在运行，国外新投产设计的主要为混合冷剂制冷工艺。膨胀机制冷循环多用于液化量较小的小型天然气液化工厂，其系统简单，体积小，操作方便，对原料气组分变化适应性强，缺点是能耗高如氮气膨胀制冷比混合制冷剂制冷循环能耗高40％左右。我国在20世纪末开始对天然气液化技术进行研究，起步较晚。目前三种液化流程工艺在我国大型天然气液化工厂中都有运行，如阶式制冷循环上海LNG事故调峰站、中原LNG工厂、膨胀机制冷循环陕北气田液化天然气示范工程和混合制冷剂制冷工艺新疆液化天然气工厂。而对于撬装式的小型液化工艺则主要以膨胀机液化流程为主要研究方向。混合制冷剂循环在国内还没有成熟的技术和设计、运行管理经验，仪表控制系统复杂。因此，开发膨胀式小型可燃气体液化系统适合我国目前的技术现状，有利于快速实现液化系统的装置化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种小型膨胀式的可燃气体液化方法，该方法可实现可燃气体的液化，将大量存在于我国的零散气田和边远气田的天然气、油田伴生气、水溶气、填埋气、沼气、火炬气等天然气资源液化再利用，节约了能源，同时减小了目前因直接燃烧或排放而造成的大气环境污染。
为达到上述目的，本流程提供了一种利用空气或氮气压缩膨胀制冷和天然气直接膨胀制冷的相耦合的天然气液化装置，其包括沿着可燃气传输方向布置的脱水脱酸装置1、预冷器2、可燃气膨胀机3、过冷器4、液化可燃气储罐5和为预冷器2、过冷器4提供冷量的压缩膨胀式制冷循环机组10；在其天然气处理管路中，脱水脱酸装置1通过管道穿过预冷器2，和可燃气膨胀机3入口相连，可燃气膨胀机3的出口通过管路穿过过冷器4，连接到可燃气储罐5；其中预冷器2与过冷器4由压缩膨胀式制冷循环机组10提供冷量；
所述的压缩膨胀式制冷循环机组10，包括多级压缩单元6，中间冷却单元7，多级膨胀单元8和预冷器2，过冷器4组成；在制冷机组中，多级压缩单元6是由多台压缩机依次串联而成，每一台压缩机后连接一台中间冷却器；后再连接由多台膨胀机依次串联组成的多级膨胀单元8，最后一级膨胀机出口通过管道依次穿过预冷器2、过冷器4后连接到第一台压缩机的入口，形成一个循环，为预冷器2、过冷器4提供冷量。
压缩单元6是由三台6a，6b，6c或两台或一台压缩机实现，压缩机压缩比为3～20；压缩机6为离心式压缩机或活塞式压缩机或螺杆式压缩机；膨胀单元8由三台8a，8b，8c或两台或一台膨胀机实现，膨胀机膨胀比为3～20。所述的膨胀机可以是单螺杆式，也可以是透平式的，还可以是活塞式的。
中间冷却单元7是通过水冷换热器或气冷换热器实现冷却，此冷却器可以集成在压缩机内部，或单独外置在压缩机外。
压缩机可以由同轴布置的一台电动机或燃气发动机9来驱动，也可以由各自的电动机或燃气发动机单独驱动。
所述的脱水脱酸装置1包括脱水装置和脱酸装置；其采用吸附法实现可燃气的脱水、脱硫和脱重烃等净化功能，所采用的吸附剂为活性氧化铝，或硅胶，或分子筛。
所述的过冷器和预冷器由管壳式换热器或板翅式换热器构成。
所述的可燃气膨胀机3可以是透平膨胀机，也可以是活塞式膨胀机，还可以是单螺杆式膨胀机；可燃气膨胀机3可用节流阀代替。
所述的液化可燃气储罐5可以具有气液分离的功能，也可以没有气液分离功能。
待液化的可燃气依次经过脱水脱酸装置1、预冷器2、可燃气膨胀机3、过冷器4后，可以连接一个节流阀11节流降压，也可以不连接，经过冷器4液化的可燃气进入液化可燃气储罐5，带压储存。
待液化的可燃气经过脱水脱酸装置1除去水分、酸性气体重烃等组分后进入预冷器2初步降温，再经过可燃气膨胀机3进一步膨胀降温后，进入过冷器4可燃气吸收冷量液化，再经过节流阀11降压，最后液化后的可燃气进入液化可燃气储罐5储存；在制冷循环机组10中，循环工质依次压缩单元6压缩，中间冷却单元7冷却，形成常温高压气体，后经多级膨胀单元8产生低温工质依次为过冷器4和预冷器2提供冷量；
所述的制冷循环机组10中的工质可以是空气，也可以是氮气。
所述装置的具体流程为：带压的待液化可然气经过脱水脱酸装置1处理后，除掉了原料其中的水分、酸性气体等杂质，变为干净的高压可然气，进入预冷器2将其温度降至-80～-100℃，此时部分可燃气体已经液化，再经过可燃气膨胀机3膨胀降温至-120～-140℃，在此条件下可然气还未全部液化，后经过冷器4冷却至-155～-165℃，最终液化的天然气进入液化气储罐5，待运。
本发明所提出的液化流程，可实现可燃气的液化率可达到100％。
本发明的创新点主要体现在：
(1)所述的可燃气液化装置及流程采用压缩膨胀制冷循环和天然气直接膨胀制冷相耦合的制冷系统，一方面，可以充分利用高压天然气能量从而降低装置能耗；另一方面，通过辅助的制冷循环达到较低的温度，可以提高装置的液化率。
(2)所述的可燃气液化装置及流程中，在预冷器和过冷器两级换热器间采用中间膨胀降温，使得过冷器和预冷器的换热温差减小，避免冷热流体间的温度交叉，减少冷量损失，降低了功耗。
(3)所述的可燃气液化装置及流程液化率较高，单位功耗较低，具有良好的节能效益。
(4)所述的可燃气液化装置及流程的制冷工质可以使用氮气也可以使用干燥的空气，制冷剂获取方便，易于存放，工艺流程简单，操作方便，易于撬装，便于从事分散的天然气液化工作。
(5)所述的压缩膨胀制冷机组10采用了膨胀机代替了节流阀，可以有效回收工质压缩过程消耗的功，从而很大程度地降低了装置的能耗，提高了能源的利用效率。
附图说明
图1.三级压缩三级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图2.两级压缩三级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图3.两级压缩两级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图4.单级压缩单级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图5.单级压缩两级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图6.单级压缩三级膨胀的可燃气膨胀式液化装置及流程示意图；
图中，1、脱水、脱酸装置，2、预冷器，3、可燃气膨胀机或节流阀，4、过冷器，5、液化气储罐，6a，6b，6c、压缩机，7a，7b，7c、中间冷却器，8a，8b，8c、膨胀机，9、燃气轮机电动机。10、制冷机组、11节流阀。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例是针对带压的可燃气进行液化处理，带压的待液化可燃气进入脱水脱酸装置1，除去可燃气中的水分及酸性气体等杂质，使其达到液化的标准。净化后的可燃气进入预冷器2，将可燃气体预冷至-80℃～-100℃，预冷后的可燃气经过膨胀机(3)膨胀降压降温，温度降低至-120℃～-140℃，从膨胀机出来的低温可燃气与来自压缩膨胀式制冷机组的低温工质在过冷器(4)内进行热量交换，温度进一步降低至-155～-166℃，再经过节流阀11降压至100～200kPa，此时可燃气已全部液化，最终进入液化气储罐5储存，待运。
本实施例中预冷器2和过冷器4的冷量来自于空气的压缩膨胀制冷机组10；常压的空气经由三级单螺杆压缩机(6a，6b，6c)组成的压缩单元6压缩压缩比分别为6，6，6后，其压力变为216个大气压；压缩后的空气同时经由三个空气冷却器7a，7b，7c组成的中间冷却单元7冷却，温度变为常温；后又经过由三级膨胀(8a，8b，8c)组成的膨胀单元8膨胀膨胀比为6，6，6后，其温度将降至-178℃左右，压力变回了1个大气压，此低温空气在过冷器内将可燃气冷凝并过冷，同时剩余冷量进入预冷器内为可燃气的预冷提供冷量。
本实施例中，压缩机动力的驱动是利用燃气发动机同轴驱动三台压缩机实现工质的压缩膨胀制冷。经模拟计算，此流程的天然气液化率为100％，液化量11t/d。
实施例2
如图2所示，本实例具体实施方式与实施例1相似，所不同的是压缩制冷机组10中所采用的工质为氮气，压缩单元6由2级压缩6a，6b组成，中间冷却单元7由两级7a，7b来实现，压缩机的驱动是通过各自的电动机来驱动。
实施例3
如图3所示，本实例具体实施方式与实施例2相似，所不同的是压缩制冷机组中所采用的工质为空气，制冷机组10由两级压缩6a，6b和两级冷却7a，7b和两级膨胀8a，8b来实现，压缩机为离心压缩机，而膨胀机为螺杆膨胀机。
实施例4
如图4所示，本实施例的具体实施方式与实施例3相似，所不同的是压缩制冷机组10由单级压缩6、单级冷却7和单级膨胀8来实现，压缩机为离心压缩机，而膨胀机为透平膨胀机，同时，待液化可燃气经预冷器2预冷后，通过节流阀3实现了可燃气的节流降温，然后进入过冷器4冷凝为液态。
实施例5
如图5所示，本实施例的具体实施方式与实施例4相似，所不同的是压缩制冷机组10中的膨胀单元8由两级膨胀8a，8b来实现，压缩机为离心压缩机，而膨胀机为两台活塞式膨胀机。
实施例6
如图6所示，本实施例的具体实施方式与实施例5相似，所不同的是压缩制冷机组10中的膨胀单元8由三级膨胀8a，8b，8c来实现，压缩机为离心压缩机，而膨胀机为三台单螺杆膨胀机，天然气膨胀降温降压过程是通过膨胀机3来实现的。

Claims (10)

1.一种膨胀式可燃气液化装置，包括沿着可燃气传输方向布置的脱水脱酸装置(1)、预冷器(2)、可燃气膨胀机(3)、过冷器(4)、液化可燃气储罐(5)和为预冷器(2)、过冷器(4)提供冷量的压缩膨胀式制冷循环机组(10)；其特征在于：在其天然气处理管路中，脱水脱酸装置(1)通过管道穿过预冷器(2)，和可燃气膨胀机(3)入口相连，可燃气膨胀机(3)的出口通过管路穿过过冷器(4)，连接到可燃气储罐(5)；其中预冷器(2)与过冷器(4)由压缩膨胀式制冷循环机组(10)提供冷量；
所述的压缩膨胀式制冷循环机组(10)，包括多级压缩单元(6)，中间冷却单元(7)，多级膨胀单元(8)和预冷器(2)，过冷器(4)组成；在制冷机组(10)中，多级压缩单元(6)是由多台压缩机依次串联而成，每一台压缩机后连接一台中间冷却器；后再连接由多台膨胀机依次串联组成的多级膨胀单元(8)，最后一级膨胀机出口通过管道依次穿过预冷器(2)、过冷器(4)后连接到第一台压缩机的入口，形成一个循环，为预冷器(2)、过冷器(4)提供冷量。
2.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：压缩单元(6)是由三台(6a，6b，6c)或两台或一台压缩机实现，压缩机压缩比为3～20；压缩机(6)为离心式压缩机或活塞式压缩机或螺杆式压缩机；膨胀单元(8)由三台(8a，8b，8c)或两台或一台膨胀机实现，膨胀机膨胀比为3～20。所述的膨胀机可以是单螺杆式，也可以是透平式的，还可以是活塞式的。
3.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：中间冷却单元(7)是通过水冷换热器或气冷换热器实现冷却，此冷却器可以集成在压缩机内部，或单独外置在压缩机外。
4.根据权利要求3所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：压缩机可以由同轴布置的一台电动机或燃气发动机(9)来驱动，也可以由各自的电动机或燃气发动机单独驱动。
5.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：所述的脱水脱酸装置(1)包括脱水装置和脱酸装置；其采用吸附法实现可燃气的脱水、脱硫和脱重烃等净化功能，所采用的吸附剂为活性氧化铝，或硅胶，或分子筛。
6.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：所述的过冷器和预冷器由管壳式换热器或板翅式换热器构成。
7.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：所述的可燃气膨胀机(3)可以是透平膨胀机，也可以是活塞式膨胀机，还可以是螺杆式膨胀机；可燃气膨胀机(3)可用节流阀代替。
8.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：所述的液化可燃气储罐(5)可以具有气液分离的功能，也可以没有气液分离功能。
9.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置，其特征在于：待液化的可燃气依次经过脱水脱酸装置(1)、预冷器(2)、可燃气膨胀冷却器(3)、过冷器(4)后，可以连接一个节流阀(11)节流降压，也可以不连接，经过冷器(4)液化的可燃气进入液化可燃气储罐(5)，带压储存。
10.根据权利要求1所述的一种膨胀式可燃气液化装置的工作流程，其特征在于：待液化的可燃气经过脱水脱酸装置(1)进入预冷器(2)，再经过可燃气膨胀机(3)膨胀降温后，进入过冷器(4)可燃气吸收冷量液化，再经过节流阀(11)降压，最后液化后的可燃气进入液化可燃气储罐(5)储存；在制冷循环机组(10)中，循环工质依次压缩单元(6)压缩，中间冷却单元(7)冷却，形成常温高压气体，后经多级膨胀单元(8)产生低温工质依次为过冷器(4)和预冷器(2)提供冷量；
所述的制冷循环机组(10)中的工质可以是空气，也可以是氮气。
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