一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统技术方案

本发明专利技术属于LNG冷能利用和低成本制取液氧液氮的空分技术领域，更具体地，涉及一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统。本发明专利技术合理利用多种冷媒对原料空气冷却降温，并对空气多级压缩，大大降低了空分系统的能耗，同时节约了乙二醇水溶液的用量，充分利用了LNG以及污氮的低品位冷能，降低空分成本。对于换热模块，合理匹配换热温度，采用分级换热，提高换热器整体㶲效率；将中压精馏塔氮气作为中间换热介质，一方面避免了天然气进入空分装置带来的危险，另一方面可以节流获得高品位冷能，并且循环氮压机的功耗相对较小。本发明专利技术能够有效解决空分能耗高、LNG冷能浪费严重的问题，并获得高纯度的液态产物，具有明显社会效益和经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统
本专利技术属于LNG冷能利用和低成本制取液氧液氮的空分
，更具体地，涉及一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统。
技术介绍
近些年来，面对日益增长的能源需求和严峻的碳减排压力，世界各国加大了绿色燃料的应用和碳捕获和封存(CCS)技术的研究。天然气作为一种清洁、高效的化石燃料，受到了广泛关注。富氧燃烧(oxy-fuel)被认为是最具潜力的电厂大规模碳减排技术之一。目前富氧燃烧技术中所需的高浓度氧气主要来自于空气分离，然而常规的空分制氧环节能耗巨大，导致发电效率下降，限制了富氧燃烧技术的推广。探寻低成本的空气分离技术对实际生产具有重要意义，已成为目前的一大研究热点。为了缓解国内天然气供应紧张，我国每年从国外进口大量LNG。LNG是常压下温度约为-162℃的液化天然气，气化过程会释放约830kJ/kg的冷量，利用价值巨大。但从全球范围来看，对LNG冷能的利用程度只有20％左右，冷能资源开发利用率较低，冷浪费严重。积极寻求高效利用LNG冷能的方法十分必要。将高品位的LNG冷能用于深度冷却空气实现分离，是目前一种有效的冷能利用方式。空气分离工艺中温度区间为-196～-150℃，而LNG气化温度是-162℃，与空气分离温区相匹配，LNG冷能得到合理利用，同时也大大降低了空分系统的压缩能耗，节省了常规空分系统中由机械制冷产生的用来维持液化气体所需的大量冷能，所以低温空分被视为LNG冷能直接利用的最合理方式之一。除了产品液氧外，液氮也是低温空分产物之一，是一种较为方便的冷源，在医疗事业、食品工业、低温研究以及航天、机械制造等方面的应用不断拓宽和发展。专利201610255634.0公开了利用液化天然气生产高压富氧气体的空气分离方法，该专利包括了空气压缩净化、空气液化、空气精馏和LNG冷能利用，但该方法中采用高压氮气作为中间介质，需要较多的循环氮气去满足系统的冷能需求，导致循环氮压机的功耗增加；且换热模块的㶲损大。对于LNG以及废氮的冷能利用不充分，冷能投入成本高；对于空气预冷环节所需乙二醇流量大，成本高。专利201220185469.3公开了利用LNG冷能生产液体空分产品的装置，该专利将LNG冷能应用于空分单元，但由于采用双压空分(高压和低压)，大量空气需压缩至高压，导致空气压缩的功耗较高；对于产品废气直接放空，其冷能未加以利用，造成浪费。专利201010297096.4公开了一种利用液化天然气冷能的空分方法，该专利采用高压氮气循环，循环氮压机功耗大，冷却后温度高，节流损失大。使用LNG直接与冷却剂换热，换热效果差，恐难以实现。污氮多数被直接放空，冷能浪费；最终系统的LNG的用量过大。专利200910059100.0公开了一种高效利用液化天然气冷能的空分系统，该专利采用压力氮气作为循环氮气，其中高压氮气(压力值为3.6～6MPa)，LNG-氮气换热部分需要多级压缩以实现深度冷却，系统结构复杂，压缩能耗较大。并且系统运行压力高(6MPa)，不利于系统的节能和安全运行。因此迫切需要在现有设备基础上对空分系统进行创新设计，以实现高效利用LNG冷能制取液氧和液氮。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种梯级利用LNG冷能空分制取液氧液氮的系统，其充分结合LNG冷能利用的特点，针对性地对空气分离系统进行合理设计，并对关键性的系统结构进行优化设计和参数匹配，以适用于实际工业生产，相应获得了一种空分制氧能耗低、LNG冷能利用效率高的梯级利用LNG冷能空分制取液氧液氮的系统，由此解决现有空分制氧中能耗大、LNG冷能浪费严重的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压得到中压空气，该中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷液化；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再将该高压空气通入所述主换热模块进行深冷液化；所述主换热模块用于对所述中压空气和高压空气进行深冷液化，经深冷液化后分别得到中压液态空气和高压液态空气，所述中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮；所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后该LNG冷能转化为低温天然气，该低温天然气再为所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。优选地，所述精馏模块包括高压精馏塔、中压精馏塔和低压精馏塔，所述高压液态空气进入所述高压精馏塔，在所述高压精馏塔的塔顶获得产品液氮；所述中压液态空气进入所述中压精馏塔；所述高压精馏塔和所述中压精馏塔的塔底出口物流作为中间产物通入过冷器过冷，过冷后的中间产物节流至所述低压精馏塔的进料压力，并送入所述低压精馏塔中精馏；从所述低压精馏塔塔底获得液氧产品；从所述低压精馏塔塔顶得到液态污氮。优选地，所述液态污氮通入所述过冷器释放冷量后从所述过冷器出口流出；所述过冷器出口的污氮通入所述主换热模块用于协同循环氮气为空气降温；所述主换热模块出口的污氮先通入所述空气多级预冷压缩模块用于实现空气的预冷，然后通入所述空气净化模块用于实现分子筛的再生，实现污氮的梯级利用。优选地，所述空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机；原料空气在所述预冷器中使用冷却水作为冷却介质进行冷却，然后进入所述冷却器与乙二醇水溶液换热进行再次冷却；所述冷却器的热流出口与所述气液分离器进口相连，用于去除空气中的水分；所述气液分离器气相出口的空气进入所述再冷器中吸收所述主换热模块出口的污氮的冷量从而进一步降温；所述再冷器出口的空气进入所述压缩机中完成加压；加压后的空气进入下一级预冷压缩装置，重复上述过程，实现空气的多级压缩过程。优选地，完成三级所述预冷压缩过程获得所述中压空气，完成四级所述预冷压缩过程获得所述高压空气。优选地，所述压缩机的进口空气温度为-5～-15℃。优选地，所述主换热模块内设置有第一级换热器和第二级换热器；所述中压空气和所述高压空气先分别进入所述第一级换热器冷却，形成低温空气；所述第一级换热器出口的低温空气通入所述第二级换热器进一步冷却为低温液态空气。优选地，采用所述中压精馏塔产出的气相产品氮气作为循环氮气，经过氮压机加压，所述循环氮气进入所述LNG换热模块与LNG换热，循环氮气温度降低，然后节流，通入所述第二级换热器，用于为所述主换热模块提供冷量，实现空气深冷液化；所述第二级换热器出口的循环氮气进入所述一级换热器，用于冷却空气。优选地，所述中压精馏塔塔顶出口的氮气，一部分经过节流后通入低压精馏塔为其补充冷量，剩余的所述中压精馏塔塔顶出口的氮气用作所述循环氮气，所述循环氮气经过氮压机加压，用于弥补换热过程中的压力损失；然后进行分流，一部分通入所述主换热模块的第二级换热器，用于为所述主换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，其特征在于，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压得到中压空气，该中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷液化；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再将该高压空气通入所述主换热模块进行深冷液化；所述主换热模块用于对所述中压空气和高压空气进行深冷液化，经深冷液化后分别得到中压液态空气和高压液态空气，所述中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮；所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后该LNG冷能转化为低温天然气，该低温天然气再为所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。

【技术特征摘要】
1.一种梯级利用LNG冷能制取液氧液氮的系统，其特征在于，包括空气多级预冷压缩模块、空气净化模块、主换热模块、精馏模块以及LNG换热模块；其中，所述空气多级预冷压缩模块用于对原料空气进行多级压缩冷却至中压得到中压空气，该中压空气经所述空气净化模块进行净化处理后分流，一部分通入所述主换热模块进行深冷液化；另一部分在所述空气多级预冷压缩模块进一步加压为高压空气后，再将该高压空气通入所述主换热模块进行深冷液化；所述主换热模块用于对所述中压空气和高压空气进行深冷液化，经深冷液化后分别得到中压液态空气和高压液态空气，所述中压液态空气和高压液态空气分别通入所述精馏模块进行精馏得到产品液氧和产品液氮；所述LNG换热模块用于对所述空气多级预冷压缩模块和所述主换热模块的冷却介质通过换热器提供冷量；LNG冷能先与所述主换热模块的冷却介质循环氮气换热降温，换热后该LNG冷能转化为低温天然气，该低温天然气再为所述空气多级预冷压缩模块的冷却介质乙二醇水溶液的换热冷却，实现LNG冷能的梯级利用。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述精馏模块包括高压精馏塔、中压精馏塔和低压精馏塔，所述高压液态空气进入所述高压精馏塔，在所述高压精馏塔的塔顶获得产品液氮；所述中压液态空气进入所述中压精馏塔；所述高压精馏塔和所述中压精馏塔的塔底出口物流作为中间产物通入过冷器过冷，过冷后的中间产物节流至所述低压精馏塔的进料压力，并送入所述低压精馏塔中精馏；从所述低压精馏塔塔底获得液氧产品；从所述低压精馏塔塔顶得到液态污氮。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述液态污氮通入所述过冷器释放冷量后从所述过冷器出口流出；所述过冷器出口的污氮通入所述主换热模块用于协同循环氮气为空气降温；所述主换热模块出口的污氮先通入所述空气多级预冷压缩模块用于实现空气的预冷，然后通入所述空气净化模块用于实现分子筛的再生，实现污氮的梯级利用。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述空气多级预冷压缩模块包括多级预冷压缩装置，其中每一级预冷压缩装置均依次设置有预冷器、冷却器、气液分离器、再冷器以及压缩机；原料空气在所述预冷器中使用冷却水作为冷却介质进行冷却，然后进入所述冷却器与乙二醇水溶液换热进行再次冷却；所述冷却器的热流出口与所述气液分离器进口相连，用于去除空气中的水分；所述气液分离器气相出口的空气进入所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡磊，梁莹，管延文，刘文斌，刘海天，吴逸倩，高奕，韩逸骁，向艳蕾，刘泽曦，曹艳光，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42