一种冷凝法天然气BOG提氦的系统

技术领域

本发明涉及LNG工厂的BOG回收技术领域，具体涉及一种冷凝法天然气BOG提氦的系统。

背景技术

氦气是一种惰性不可燃稀有气体，其分子尺寸小，沸点低(约4.2K)，被广泛应用于医疗、科学研究和工业生产。随着经济和科技的发展，对氦气的需求量(以中国和印度为主)以每年5-7％的速度增长，面临着全球氦气资源供不应求的困境。虽然大气中含有丰富的氦(仅次于氢)，但浓度一般低于5ppm，提取难度大，因此，实际应用的氦气一般提取自富氦的天然气(氦浓度通常高于0.3％)。

在天然气产业链中，常将天然气制成液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)(其体积约为原来气态体积的1/600)，以便于贮运。在LNG生产过程中，需要通过末级节流阀将液化压力降至贮罐压力。天然气中各组分的沸点不同(常压下，氦气：4.22K，氢气：20.28K，氮气：77.36K，甲烷111.7K)，在贮罐压力下，节流过程相当于对LNG进行一次简单蒸发，沸点较低的气体分子率先从LNG中逸出，称为闪蒸气(Boil Off Gas,BOG)，因烃类气体被液化，氦气等不凝性气体在BOG中得到一定程度的富集。此外，将LNG流经节流阀后形成的气液混合物通过低温管道送至BOG缓冲罐贮存，贮存过程中因贮罐漏热也会产生BOG，其组分主要是氮气和甲烷。通常，BOG中氦的浓度高于原天然气，即使是少量BOG，也具有较高的利用价值。

目前已有的天然气提氦技术包括：膜分离技术、变压吸附技术和低温技术。其中，低温工艺因良好的经济性被广泛采用，其原理为利用天然气各组分沸点的不同，通过制冷循环逐步降低天然气的温度，进行深冷分离，依次脱除烃类气体和氮气，获得粗氦。

常用的低温方法包括：冷凝法、精馏法以及冷凝法与精馏法的结合。精馏法BOG提氦系统得到的产品纯度高，但工艺复杂，投资高，且需将BOG复温至常温后增压，然后二次降温液化，再进行分离，增加了换热过程的

发明内容

本发明提供了一种冷凝法天然气BOG提氦的系统，可以实现从BOG中提取粗氦，具有能耗低，结构简单紧凑，产品回收利用率高的特征。

一种冷凝法天然气BOG提氦的系统，包括顺次连接的BOG缓冲罐、冷压缩机、第一换热器、第二换热器、重烃分离器、甲烷固化单元、制冷机单元和液氮分离器；

所述的第二换热器和甲烷固化单元均与外部制冷单元连接；第一换热器和重烃分离器之间连接有第一节流阀；第一换热器和液氮分离器之间连接有第二节流阀；

所述BOG缓冲罐的进口与LNG贮罐的气相空间相连接；所述的冷压缩机用于对来自BOG缓冲罐的BOG增压；所述的第一换热器用于预冷来自冷压缩机增压后的BOG；所述的第二换热器用于将来自第一换热器的BOG部分液化；所述的重烃分离器用于分离来自第二换热器的BOG气液混合物；所述的第一节流阀用于对重烃分离器获得的液相进行节流；所述的甲烷固化单元用于将重烃分离器获得的气相混合物降温；所述的制冷机单元用于对来自甲烷固化单元的BOG降温；所述的液氮分离器用于分离来自制冷机单元的气液混合物；所述的第二节流阀用于对液氮分离器获得的液相进行节流；所述的外部制冷单元用于提供重烃分离及甲烷固化过程所需要的冷量。

进一步地，所述第二换热器出口处的BOG温度低于甲烷的饱和温度但高于其三相点。

进一步地，所述甲烷固化单元出口处的BOG温度低于甲烷的三相点，但高于氮气的饱和温度。

进一步地，所述的甲烷固化单元至少包含一组交替工作的换热器，优选采用高翅、大通道的板翅式换热器。

进一步地，所述的甲烷固化单元采用自动控制技术，通过监测换热器通道两侧的压力，实现换热器的自动切换。

进一步地，所述制冷机单元出口处的BOG温度低于氮的饱和温度，但高于其三相点。

进一步地，所述的制冷机单元包含1台或多台低温制冷机，优选采用斯特林制冷机。

进一步地，经过第一换热器回收冷量后的氮气用作所述甲烷固化单元的吹扫气。

进一步地，所述的外部制冷单元采用间壁式制冷机，优选采用氮气膨胀制冷技术和液氮节流制冷技术。

进一步地，所述的间壁式制冷机采用液氮节流制冷技术，提供第二换热器和甲烷固化单元所需要的冷量，将液氮节流产生的氮气-液混合物分为两股，分别提供第二换热器和甲烷固化单元所需要的冷量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用冷凝法分离BOG中的重烃和氮气制取粗氦，具有能耗低，结构简单紧凑，产品回收利用率高的特征。BOG无需复温至常温，避免了复温及二次降温过程的

2、本发明中，重烃分离和甲烷固化环节的外部制冷单元采用间壁式制冷机，所需要的冷量优选地分别由一股氮气提供，热力学效率高，所需制冷剂流量小，气源适应性强；氮气分离环节所需的冷量由回热式制冷机提供，避免了氢气或氦气为工作介质的制冷循环的使用，降低了系统复杂度，增强了工业可实现性。

附图说明

图1为本发明实施例一种冷凝法天然气BOG提氦的系统的结构示意图。

图中：BOG缓冲罐1，冷压缩机2，第一换热器3，第二换热器4，重烃分离器5，第一节流阀6，甲烷固化单元7，制冷机单元8，液氮分离器9，第二节流阀10，外部制冷单元11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种冷凝法天然气BOG提氦的系统，包括顺次相连的BOG缓冲罐1、冷压缩机2、第一换热器3、第二换热器4、重烃分离器5、甲烷固化单元7、制冷机单元8和液氮分离器9；还包括与第二换热器4和甲烷固化单元7相连接的外部制冷单元11、与第一换热器3和重烃分离器5相连接的第一节流阀6，以及与第一换热器3和液氮分离器9相连接的第二节流阀10。

BOG缓冲罐1的进口与LNG贮罐的气相空间相连接；冷压缩机2用于对来自BOG缓冲罐1的BOG进行增压；第一换热器3用于预冷来自冷压缩机1增压后的BOG；第二换热器4用于将来自第一换热器3的BOG部分液化；重烃分离器5用于分离来自第二换热器4的BOG气液混合物；第一节流阀6用于对重烃分离器5获得的液相进行节流；甲烷固化单元7用于将重烃分离器5获得的气相混合物降温；制冷机单元8用于对来自甲烷固化单元7的BOG降温；液氮分离器9用于分离来自制冷机单元8的气液混合物；第二节流阀10用于对液氮分离器9获得的液相进行节流；外部制冷单元11用于提供重烃分离及甲烷固化过程所需要的冷量。

冷压缩机2只需要将来自储罐1的BOG增压至克服后续流动阻力即可。

本实施例中，第二换热器4出口处的BOG温度低于甲烷的饱和温度但高于其三相点。甲烷固化单元7出口处的BOG温度低于甲烷的三相点，但高于氮气的饱和温度。

甲烷固化单元7至少包含一组交替工作的换热器，优选地选用高翅、大通道的板翅式换热器。甲烷固化单元7采用自动控制技术，通过监测换热器通道两侧的压力，实现换热器的自动切换。

制冷机单元8出口处的BOG温度低于氮的饱和温度，但高于其三相点。制冷机单元8包含1台或多台低温制冷机，优选地采用斯特林制冷机。

外部制冷单元11采用间壁式制冷机，优选地采用氮气膨胀制冷技术和液氮节流制冷技术；进一步的，液氮节流制冷技术提供所述的第二换热器4和甲烷固化单元7所需要的冷量，优选地将液氮节流产生的氮气-液混合物分为两股，分别提供所述的第二换热器4和甲烷固化单元7所需要的冷量。

经过第一换热器3回收冷量后的氮气优选地用作甲烷固化单元7的吹扫气。

本发明中，来自BOG缓冲罐的BOG无需复温，依次经冷压缩机2增压，降温部分液化，然后进入重烃分离器5，脱除大部分重烃及甲烷；重烃分离器5分离后得到的液相混合物节流后提供BOG降温所需要的部分冷量，分离得到的气相混合物进一步冷却至甲烷的三相点，使甲烷固化在换热器通道表面，脱除甲烷；脱除甲烷后的气相混合物进一步降温至氮气的饱和温度，部分液化后进入液氮分离器9，脱除大部分的氮气。重烃分离及甲烷固化过程所需要的冷量由外部制冷单元提供。

经测试，重烃分离器5获得的液相中甲烷含量不低于88％，液氮分离器9获得的液相产品中氮含量不低于98％。产品利用率高，系统经济性好。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。