一种非常规天然气液化脱氮系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种天然气液化脱氮系统，具体地说，是涉及一种非常规天然气液化脱氮系统及其工作方法。

背景技术

在非常规天然气液化过程中，需要对原料气进行脱氮，并尽量在液化脱氮过程中最大限度的减少甲烷的损失。通常情况下，现有技术中对非常规天然气的液化回收处理大部分沿用现有的对常规天然气液化回收处理的系统及装置。然而，现有系统沿用常规天然气液化处理系统对非常规天然气液化处理过程中，存在如下不足。

一方面，现有天然气液化处理系统存在脱氮效率较低的问题。常规天然气液化脱氮多采用将原料气降温后直接引入精馏塔进行精馏分离，其脱氮效率低，导致精馏塔的规格和尺寸均较大。

另一方面，由于非常规天然气原料气中氮浓度存在波动，而常规天然气液化回收处理系统的处理能力相对稳定，即处理过程中富氮尾气中甲烷的含量随非常规天然气原料气中甲烷浓度的波动而波动，而富氮尾气中甲烷含量过高会导致严重的环境和资源浪费问题。

当非常规天然气原料气中氮含量高，甲烷含量低时，回收处理系统中富氮尾气中甲烷含量很低，这种情况下，可以将富氮尾气直接排放。而当非常规天然气原料气中氮含量低，甲烷含量高时，回收处理系统中富氮尾气中甲烷含量相对较高，这种情况下将富氮尾气直接排放是非常不经济的。考虑到非常规天然气气井往往在偏远山区，故富氮尾气中甲烷含量较高时，其热值含量较大，可直接将这部分尾气作为燃料气体用于由电动机驱动的中小型设施中。

如何通过优化非常规天然气液化脱氮系统，进一步提高其脱氮效率，且在处理过程中能够提高系统对原料气氮浓度波动的适应性是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明专利的目的是为了解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种非常规天然气液化脱氮系统及其工作方法。

本发明一方面通过低温系统对液化系统进行降温，将其液化过程进行分段处理，收集中间过程得到的液相，同时得到不同温度以及不同含氮量的气相，另一方面在分离系统中精馏塔的不同塔板高度处设置若干进料口。通过将液化系统中不同温度以及不同含氮量下的原料气引出，根据其含氮量或温度的不同分别引入精馏塔不同的塔板中来提高整体系统的脱氮效率，保证液化产品的纯度和回收率。本发明的工作方法，在液化系统中设置两种工作模式，可以根据现场需要将富氮尾气作为燃料气使用或直接排空。

为达到上述目的，本发明采用如下技述方案予以实现。

一种非常规天然气液化脱氮系统，其特征在于，由液化系统、分离系统和低温系统构成，

所述液化系统由原料气经第一压缩机1连接至第一换热器2的左端进口2c，第一换热器2的右端出口2d与第二换热器3的左端进口3c相连，第二换热器3的右端出口3d处管路经三通阀8分流为两路管路，第一路与第一气液分离罐9的进口相连，第二路与第三换热器7的左端进口7c相连，第三换热器7的右端出口7d经管路连接至精馏塔15下部的至少一个进口处；第一气液分离罐9的气相出口与第四换热器11的左端进口11c相连，第四换热器11的右端出口11d与第二气液分离罐10的进口相连，第二气液分离罐10的气相出口与第五换热器12的左端进口12c相连，第五换热器12的右端出口12d经管路连接至精馏塔15上部的至少一个进口处；第二气液分离罐10的液相出口、第一气液分离罐9的液相出口以及再沸器17的液相出口处管路，三路管路汇合后共同连接至LNG储罐18进口，LNG储罐18的气相出口经第二压缩机14与第六换热器13的左端进口13c相连，第六换热器13的右端出口13d经管路连接至精馏塔15中部的至少一个进口处构成；

所述分离系统由精馏塔15的气相出口与冷凝器16的壳侧气相进口相连，冷凝器16的壳侧液相出口与精馏塔15的塔顶回流口相连，冷凝器16的气相出口与第一换热器2上端进口2a相连，第一换热器2的下端出口2b与外界相连，冷凝器16的管侧进出口分别与外界冷源进出口相连，精馏塔15的液相出口与再沸器17的壳侧进口相连，再沸器17的气相出口与精馏塔15的塔底回流口相连，再沸器17的管侧进出口与外界热源进出口相连构成；

所述低温系统由第三压缩机4的出口与第七换热器5的左端进口5c相连，第七换热器5的右端出口5d与膨胀机6的进口相连，膨胀机6的出口与第三换热器7的上端进口7a相连，第三换热器7的下端出口7b与第六换热器13的下端进口13b相连，第六换热器13的上端出口13a与第五换热器12的下端进口12b相连，第五换热器12的上端出口12a与第四换热器11的上端进口11a相连，第四换热器11的下端出口11b与第二换热器3的上端进口3a相连，第二换热器3的下端出口3b与第三压缩机4的进口相连构成。

进一步优选的，原料气与第一压缩机1所连管路中设置有第一截止阀49；第二气液分离罐10的进口处设置有第四截止阀40；第二气液分离罐10的液相出口处设置有第五截止阀44。

进一步优选的，第四换热器11的右端出口11d处并联有两路管路，第一路经第四截止阀40连接至第二气液分离罐10进口；第二路经第二截止阀39与第五换热器12的右端出口12d处管路汇合后，经设置的第一单向阀41连接至精馏塔15上部的至少一个进口；第六换热器13的右端出口13d经设置的第二单向阀42连接至精馏塔15中部的至少一个进口；第三换热器7的右端出口7d经设置的第三单向阀43连接至精馏塔15下部的至少一个进口。

进一步优选的，第二截止阀39出口管路上还设置有第九温度计27，第五换热器12的右端出口12d管路上还设置有第十温度计28，且两路管路汇合后，再次并联设置有两路管路，第一路依次经第十截止阀19、第六单向阀38以及第一温度计30连接至精馏塔15的第一进料口15a；第二路依次经第三截止阀20、第一单向阀41以及第二温度计31连接至分离系统中精馏塔15的第二进料口15b；

进一步优选的，第六换热器13的右端出口13d处管路上通过设置第十一温度计29并联有三路管路，第一路依次经第六截止阀21、第二单向阀42以及第三温度计32连接至精馏塔15的第三进料口15c；第二路依次经第十一截止阀24、第七单向阀46以及第四温度计33连接至精馏塔15的第四进料口15d；第三路依次经第十二截止阀23、第八单向阀47以及第五温度计34连接至精馏塔15的第五进料口15e；

进一步优选的，第三换热器7的右端出口7d管路上通过设置第十二温度计50并联有三路管路，第一路依次经第七截止阀22、第三单向阀43以及第六温度计35连接至精馏塔15的第六进料口15f；第二路依次经第八截止阀25、第四单向阀48以及第七温度计36连接至精馏塔的第七进料口15g；第三路依次经第九截止阀26、第五单向阀45以及第八温度计37连接至精馏塔的第八进料口15h。

进一步优选的，第一换热器2、第二换热器3、第三换热器7、第四换热器11、第五换热器12、第六换热器13以及第七换热器5均为管壳式换热器、翅片管式换热器或套管式换热器。

进一步优选的，膨胀机6为涡旋膨胀机或螺杆膨胀机。

进一步优选的，第一压缩机1、第二压缩机14以及第三压缩机4均为活塞压缩机、螺杆压缩机、离心压缩机或直线压缩机。

一种非常规天然气液化脱氮系统的工作方法，其特征在于：分别为液化系统、分离系统和低温系统的工作方法，

一、液化系统的工作方法包括两种工作模式：

1当富氮尾气作为燃料气体使用时：打开第一截止阀49、第二截止阀39，关闭第四截止阀40和第五截止阀44；尾气经第一压缩机1增压后，在第一换热器2内回收富氮尾气冷能，在第二换热器3内降温后，经三通阀8分流，一部分进入第一气液分离罐9内进行气液分离，分离得到的液化天然气进入LNG储罐18储存，气相经第四换热器11进一步降温后，依次经第二截止阀39和第一单向阀41进入精馏塔15的第二进料口15b，经三通阀8分流的另一部分在第三换热器7中降温后经第三单向阀43进入精馏塔15的第六进料口15f，LNG储罐18的闪蒸气经第二压缩机14增压后，在第六换热器13内降温，经第二单向阀42进入精馏塔15的第三进料口15c；

2当富氮尾气直接排放时：打开第一截止阀49、第四截止阀40和第五截止阀44，关闭第二截止阀39，第一气液分离罐9得到的气相经第四换热器11进一步降温后，经第四截止阀40在第二气液分离罐10中进一步进行气液分离，得到的液相进入LNG储罐18储存，得到的气相经第五换热器12降温后经第一单向阀41进入精馏塔15的第二进料口15b；

二、分离系统的工作方法：从不同进料口位置进入的流体在精馏塔15内进行分离，塔顶气相经冷凝器16冷凝，富氮尾气经第一换热器2回收冷能后排放，冷凝回收的液相回流至精馏塔15，塔底液相经再沸器17再沸，得到的气相回流至精馏塔15，液相进入LNG储罐18；

三、低温系统的工作方法：制冷剂经第三压缩机4压缩后，在第七换热器5内经冷源降温后，在膨胀机6内膨胀降温，依次在第三换热器7、第六换热器13、第五换热器12、第四换热器11以及第二换热器3中升温后继续回到第三压缩机4中压缩，完成循环。

本发明具有的优点和有益效果：

1、不同于现有技术中直接将非常规天然气原料气直接引入精馏塔进行精馏，本发明的一种非常规天然气液化脱氮系统，对液化系统中的液化过程做分流分级液化处理，将前期液化得到的液化天然气分离出，将未液化的气相引入精馏塔进行精馏，其分离效率更高，可以大幅度减小精馏塔尺寸，进而很好的改善天然气液化处理系统存在脱氮效率较低的问题。通过HYSYS模拟结果得到，同样组分的进料气，当现有技术与本发明分离效果接近时，即现有技术塔顶气含氮量达0.9151，本发明塔顶气含氮量达0.9039时，现有技术中精馏塔塔板数应设置12个塔板，而本发明中精馏塔塔板数仅需6个塔板，大幅度缩小了精馏塔的尺寸，显著提高整体系统的脱氮效率。

2、本发明根据现场需求，将液化系统的工作方法分为两种工作模式，当富氮尾气作为燃料气体使用时，原料气经过一次液化分离后进入精馏塔进行精馏分离。当富氮尾气直接排放时，原料气经过二次液化分离后进入精馏塔进行分离。保证在实际工作中，现场由电动机驱动的中小型液化天然气设施的动力需求。

附图说明

图1是本发明中实施例一的构造示意图；

图2是本发明中实施例二的构造示意图；

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整的描述。

实施例一：

如图1所示，一种非常规天然气液化系统，由液化系统、分离系统和低温系统构成。

液化系统的构成和连接方式如下：

原料气依次经第一截止阀49和第一压缩机1连接至第一换热器2的左端进口2c，第一换热器2的右端出口2d与第二换热器3的左端进口3c相连，第二换热器3的右端出口3d处管路经三通阀8分流为两路管路，第一路与第一气液分离罐9的进口相连，第二路与第三换热器7的左端进口7c相连，第三换热器7的右端出口7d经第三单向阀43连接至精馏塔15的第六进料口15f。第一气液分离罐9的气相出口与第四换热器11的左端进口11c相连，第四换热器11的右端出口11d处并联设置有两路管路，第一路经第四截止阀40与第二气液分离罐10的进口相连，第二路经第二截止阀39与第五换热器12的右端出口12d处管路汇合后，经第一单向阀41连接至分离系统中精馏塔15的第二进料口15b。第二气液分离罐10的气相出口与第五换热器12的左端进口12c相连，第二气液分离罐10的液相出口与第五截止阀44进口相连，第五截止阀44出口、第一气液分离罐9的液相出口以及再沸器17的液相出口处管路，三路管路汇合后共同连接至LNG储罐18进口。LNG储罐18的气相出口经第二压缩机14与第六换热器13的左端进口13c相连，第六换热器13的右端出口13d经第二单向阀42接至精馏塔15的第三进料口15c。

液化系统的工作方法包括两种工作模式：

当富氮尾气作为燃料气体使用时：打开第一截止阀49、第二截止阀39，关闭第四截止阀40和第五截止阀44；尾气经第一压缩机1增压后，在第一换热器2内回收富氮尾气冷能，在第二换热器3内降温后，经三通阀8分流，一部分进入第一气液分离罐9内进行气液分离，分离得到的液化天然气进入LNG储罐18储存，气相经第四换热器11进一步降温后，依次经第二截止阀39和第一单向阀41进入精馏塔15的第二进料口15b，经三通阀8分流的另一部分在第三换热器7中降温后经第三单向阀43进入精馏塔15的第六进料口15f，LNG储罐18的闪蒸气经第二压缩机14增压后，在第六换热器13内降温，经第二单向阀42进入精馏塔15的第三进料口15c；

当富氮尾气直接排放时：打开第一截止阀49、第四截止阀40和第五截止阀44，关闭第二截止阀39，第一气液分离罐9得到的气相经第四换热器11进一步降温后，经第四截止阀40在第二气液分离罐10中进一步进行气液分离，得到的液相进入LNG储罐18储存，得到的气相经第五换热器12降温后经第一单向阀41进入精馏塔15的第二进料口15b；

分离系统的构成和连接方式如下：

精馏塔15的气相出口与冷凝器16的壳侧气相进口相连，冷凝器16的壳侧液相出口与精馏塔15的塔顶回流口相连，冷凝器16的气相出口与第一换热器2上端进口2a相连，第一换热器2的下端出口2b与外界相连，冷凝器16的管侧进出口分别与外界冷源进出口相连，精馏塔15的液相出口与再沸器17的壳侧进口相连，再沸器17的气相出口与精馏塔15的塔底回流口相连，再沸器17的管侧进出口与外界热源进出口相连。

分离系统的工作方法：从不同进料口位置进入的流体在精馏塔15内进行分离，塔顶气相经冷凝器16冷凝，富氮尾气经第一换热器2回收冷能后排放，冷凝回收的液相回流至精馏塔15，塔底液相经再沸器17再沸，再沸得到的气相回流至精馏塔15，液相进入LNG储罐18。

低温系统的构成和连接方式如下：

第三压缩机4出口与第七换热器5的左端进口5c相连，第七换热器5的右端出口5d与膨胀机6的进口相连，膨胀机6的出口与第三换热器7的上端进口7a相连，第三换热器7的下端出口7b与第六换热器13的下端进口13b相连，第六换热器13的上端出口13a与第五换热器12的下端进口12b相连，第五换热器12的上端出口12a与第四换热器11的上端进口11a相连，第四换热器11的下端出口11b与第二换热器3的上端进口3a相连，第二换热器3的下端出口3b与第三压缩机4的进口相连。

制冷剂经第三压缩机4压缩后，在第七换热器5内经冷源降温后，在膨胀机6内膨胀降温，依次在第三换热器7、第六换热器13、第五换热器12、第四换热器11以及第二换热器3中升温后继续回到第三压缩机4中压缩，完成循环。

本实施例一中，将原料气进行分流，第一股气流经三通阀8分流得到，经第三换热器7降温得到甲烷含量最高的气流，进入精馏塔15的第六进料口15f。第二股气流为LNG储罐18上方的闪蒸气，其甲烷含量低于第一股气流，将其引入精馏塔15的第三进料口15c。第三股气流为第二气液分离罐10(当富氮尾气作为燃料气体使用时)或第一气液分离罐9(当富氮尾气直接排放时)的气相出口处气流，其甲烷含量最低，将其引入精馏塔的第六进料口15f。一方面通过将其液化过程进行分段处理，收集中间过程得到的液相，同时得到不同温度以及不同含氮量的气相，另一方面在分离系统中精馏塔的不同塔板高度处设置若干进料口。通过将液化系统中不同温度以及不同含氮量下的原料气引出，根据其含氮量或温度的不同分别引入精馏塔不同的塔板中来提高整体系统的脱氮效率，保证液化产品的纯度和回收率。相比于现有技术中，全部将原料气从精馏塔的一个进料口引入进行精馏，本发明的脱氮效率更高，精馏塔的塔板数更小，尺寸更小。

下面对实施例一中的流程通过Aspen Hysys进行模拟。精馏塔塔板数设置为6，回流比为2.5，

表1进料参数

表2流股参数

现有液化脱氮技术，将第二换热器3右侧出口3d处原料气不经过分段液化处理，将流体全部引入精馏塔15内分离，塔板数为12，回流比为3.9，进料塔板为10，精馏得到的塔顶气和液化产品。模拟结果表3。

表3现有技术与实施例一对比

可以看到，本发明中对通过低温系统对液化系统进行降温，将其液化过程进行分段处理，收集中间过程得到的液相，同时得到不同温度以及不同含氮量的气相，通过将液化系统中不同温度及含氮量的原料气引出，根据其含氮量或温度的不同分别引入精馏塔不同的塔板，可以显著减小精馏塔的规格和尺寸，提高整体系统的脱氮效率。

实施例二：

实施例一中通过原料气中含氮量的不同，使其在精馏塔不同的塔板处进入来提高精馏塔的分离效率。实际操作中，若原料气的含氮量无法测定，或在每路进料气管路中均设置测量元件，对管路中流体的成分逐一进行分析的方式，不具有经济性时，可将温度作为指标来确定原料气在精馏塔中的进料位置。本实施例针对如何以温度作为指标来确定原料气在精馏塔中的进料位置的方法进行详细说明。

如图2所示，一种非常规天然气液化系统，由液化系统、分离系统和低温系统构成。

其中，分离系统和低温系统的构成和连接方式与实施例一中一致。

液化系统的构成和连接方式如下：

原料气依次经第一截止阀49和第一压缩机1连接至第一换热器2的左端进口2c，第一换热器2的右端出口2d与第二换热器3的左端进口3c相连，第二换热器3的右端出口3d处管路经三通阀8分流为两路管路。

经三通阀8分流的第一路与第一气液分离罐9的进口相连，第二路与第三换热器7的左端进口7c相连，第三换热器7的右端出口7d与第十二温度计50相连，第十二温度计50出口处并联有三路管路，第一路依次经第七截止阀22、第三单向阀43以及第六温度计35连接至精馏塔15的第六进料口15f，第二路依次经第八截止阀25、第四单向阀48以及第七温度计36连接至精馏塔的第七进料口15g，第三路依次经第九截止阀26、第五单向阀45以及第八温度计37连接至精馏塔的第八进料口15h。

经三通阀8分流的第二路与第一气液分离罐9的进口相连，第一气液分离罐9的气相出口与第四换热器11的左端进口11c相连，第四换热器11的右端出口11d处并联设置有两路管路，第一路经第四截止阀40与第二气液分离罐10的进口相连，第二气液分离罐10的气相出口与第五换热器12的左端进口12c相连，第五换热器12的右端出口12d与第十温度计28相连，第二路依次经第二截止阀39和第九温度计27与第十温度计28出口处管路汇合后，再次并联有两路管路，分别是，第一路依次经第十截止阀19、第六单向阀38以及第一温度计30连接至精馏塔15的第一进料口15a，第二路依次经第三截止阀20、第一单向阀41以及第二温度计31连接至分离系统中精馏塔15的第二进料口15b。

第二气液分离罐10的液相出口与第五截止阀44进口相连，第五截止阀44出口、第一气液分离罐9的液相出口以及再沸器17的液相出口处管路，三路管路汇合后共同连接至LNG储罐18进口。LNG储罐18的气相出口经第二压缩机14与第六换热器13的左端进口13c相连，第六换热器13的右端出口13d与第十一温度计29进口相连，第十一温度计29出口处并联有三路管路，分别是，第一路依次经第六截止阀21、第二单向阀42以及第三温度计32连接至精馏塔15的第三进料口15c。第二路依次经第十一截止阀24、第七单向阀46以及第四温度计33连接至精馏塔15的第四进料口15d。第三路依次经第十二截止阀23、第八单向阀47以及第五温度计34连接至精馏塔15的第五进料口15e。

本实施例二对精馏塔的进料处进行优化，根据不同进料流体的温度来进一步匹配精馏塔的进料位置，以进一步优化精馏塔的操作条件。

一种非常规天然气液化系统的工作方法。

分离系统和低温系统的工作方法与实施例一中所述一致。

液化系统的工作方法具体包括：

当富氮尾气作为燃料气体使用时：开机时，按照实施例一中所述方法运行。待系统运行稳定后，对精馏塔15的进料口处进行如下调整：

将第九温度计27测量得到的温度值T9，分别与第一温度计30测量得到的温度值T1和第二温度计31测量得到的温度值T2进行比较。若|T9-T1|＜|T9-T2|，则打开第十截止阀19，关闭第三截止阀20，使原料气经精馏塔15的第一进料口15a进入精馏塔15；反之则关闭第十截止阀19，打开第三截止阀20，使原料气经精馏塔15的第二进料口15b进入精馏塔15。

将第十一温度计29测量得到的温度值T11，分别与第三温度计32测量得到温度值T3、第四温度计33测量得到的温度值T4以及第五温度计34测量得到的温度值T5进行比较。若|T11-T3|＜|T11-T4|＜|T11-T5|或|T11-T3|＜|T11-T5|＜|T11-T4|，则关闭第十一截止阀24和第十二截止阀23，打开第六截止阀21，若|T11-T4|＜|T11-T3|＜|T11-T5|或|T11-T4|＜|T11-T5|＜|T11-T3|，则关闭第六截止阀21和第十二截止阀23，打开第十一截止阀24。若|T11-T5|＜|T11-T4|＜|T11-T3|或|T11-T5|＜|T11-T3|＜|T11-T4|，则关闭第六截止阀21和第十一截止阀24，打开第十二截止阀23。

将第十二温度计50测量得到的温度值T12，分别与第六温度计35测量得到温度值T6，第七温度计36测量得到温度值T7以及第八温度计37测量得到温度值T8进行比较。若|T12-T6|＜|T12-T7|＜|T12-T8|或|T12-T6|＜|T12-T8|＜|T12-T7|，则关闭第八截止阀25和第九截止阀26，打开第七截止阀22，若|T12-T7|＜|T12-T6|＜|T12-T8|或|T12-T7|＜|T12-T8|＜|T12-T6|，则关闭第七截止阀22和第九截止阀26，打开第八截止阀25。若|T12-T8|＜|T12-T6|＜|T12-T7|或|T12-T8|＜|T12-T7|＜|T12-T6|，则关闭第七截止阀22和第八截止阀25，打开第九截止阀26。

当富氮尾气直接排放时：开机时，按照实施例一中所述方法运行。待系统运行稳定后，对精馏塔15的进料口处进行如下调整：

将第十温度计28测量得到的温度值T10，分别与第一温度计30测量得到的温度值T1和第二温度计31测量得到的温度值T2进行比较。若|T10-T1|＜|T10-T2|，则打开第十截止阀19，关闭第三截止阀20，使原料气经精馏塔15的第一进料口15a进入精馏塔15；反之则关闭第十截止阀19，打开第三截止阀20，使原料气经精馏塔15的第二进料口15b进入精馏塔15。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰都应视为本发明权利要求书要求保护的范围。