从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统和方法技术方案

本发明专利技术的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统及方法，系统设于原液化天然气出冷箱的节流阀后的手阀旁通管道上，包括闪蒸汽压力和流量控制装置、逐级分离装置、深度冷却分离纯化装置、液化装置和循环装置，闪蒸汽压力和流量控制装置用于控制进入后续装置的闪蒸汽的压力和流量，并保证氦气的回收率；逐级分离装置连通于闪蒸汽压力和流量控制装置，充分利用闪蒸汽的冷量而使闪蒸汽逐级深冷分离形成粗氦；深度冷却分离纯化装置连通于逐级分离装置，用于形成纯氦；液化装置连通于深度冷却分离纯化装置，用于形成液态氦和制冷氦气；循环装置在上述装置间循环冷却介质，向逐级分离装置、深度冷却分离纯化装置和液化装置提供冷量。提供冷量。提供冷量。

【技术实现步骤摘要】
从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统和方法


[0001]本专利技术总体来说涉及氦提纯及液化
，具体而言，涉及一种从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统和方法。

技术介绍

[0002]氦气是重要的战略物资，在芯片制造、航空航天、国防、低温超导、半导体生产、光纤、核磁共振、特种金属冶炼及气体检漏等领域具有非常重要的用途，战略地位极高。
[0003]氦气可以提供芯片制造的超净环境以及解决火箭燃料制造的难题。2020 年7月23日，长征五号遥四运载火箭将我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射升空并送入预定轨道，其中就用了氦气作为泵送火箭燃料；另外，氦气在半导体芯片中可以实现零部件的快速冷却，从而提高生产率，还能控制热传递速率，以改善生产效率并减少缺陷。
[0004]从氦分布来看，氦气在地球上极其稀有且不可再生，被誉为“气体稀土”，美国是全球最大氦资源国，全球氦气资源总计约520亿立方米，其中美国206 亿、卡塔尔100亿、阿尔及利亚82亿、俄罗斯70亿，这四个国家就占了约 90％的储量，其中美国拥有世界上三分之一以上的氦储量，而中国仅拥有11 亿立方米氦气储量，属于“贫氦国”。
[0005]从氦气生产来看，目前主流技术是天然气提氦，美国拥有全球最大的富氦天然气田，是全球最大的氦气生产国。2018年全球氦气产量1.6亿立方米，美国本土产量占全球56.25％，可谓称霸氦气市场。
[0006]而我国不仅氦气储量少，而且富氦天然气田很少，直接提取氦气成本很高，很难实现产业化。2018年我国氦气总需求量约2200万立方米(4000吨左右)，其中95％来自进口，中国目前每年需要大概4300多吨的氦气量。
[0007]由于近年来随着我国航天和国防工业等高科技的快速发展，氦气的需求量越来越大，2016-2018年，国内氦气需求量维持近20％左右的增速，所以近年来氦气越来越贵。2019年中国进口氦气均价为57美元/公斤，相比2018 年同期的48美元/公斤，大幅上涨18％。
[0008]总之，对于中国来说，氦气资源就是气体中的“稀土”。氦气已经上升到国家利益及国家安全的高度，因此，自行生产高纯度氦是国家安全的需要，也是我国工业发展的需要。
[0009]由于单纯提氦的工艺设备多，技术路线长，成本高，缺乏市场竞争力。对氦进行提纯并液化技术比较复杂，该技术主要掌握在美国人手里并一直对中国进行严格封锁，而我国的氦气资源又几乎只能从天然气中获得，而且含量普遍很低，因此在现有成熟的天然气液化工业中同时开发联产高纯氦，是提取高纯氦气必走的途径，并对提高整个装置的经济性具有重要意义。然而，现有技术的提纯氦气并液化的技术大多消耗较多的能耗，导致成本过高。

技术实现思路

[0010]本专利技术实施例提供一种从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统和方法，其能够在消耗较少能耗的情况下提纯氦气并液化。
[0011]本专利技术实施例的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，所述系统设于原液化天然气出冷箱的节流阀后的手阀旁通管道上，所述系统包括：
[0012]闪蒸汽压力和流量控制装置，用于控制进入后续装置的闪蒸汽的压力和流量，并保证氦气的回收率；
[0013]逐级分离装置，连通于所述闪蒸汽压力和流量控制装置，能够充分利用所述闪蒸汽的冷量而使所述闪蒸汽逐级深冷分离，以形成粗氦；
[0014]深度冷却分离纯化装置，连通于所述逐级分离装置，用于提纯所述粗氦，形成纯氦；
[0015]液化装置，连通于所述深度冷却分离纯化装置，用于采用纯氦循环膨胀、纯氦液化膨胀和纯氦节流液化工艺液化所述纯氦，以形成液态氦和制冷氦气；以及
[0016]循环装置，用于在所述逐级分离装置、所述深度冷却分离纯化装置和所述液化装置间循环冷却介质，并能够向所述逐级分离装置、所述深度冷却分离纯化装置和所述液化装置提供冷量；
[0017]其中，所述冷却介质包括所述制冷氦气。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述闪蒸汽压力和流量控制装置包括气液分离装置、流量控制阀、压力控制阀及压力控制器，所述流量控制阀的入口连通于所述气液分离装置的气相出口，所述流量控制阀的出口连通于所述逐级分离装置；
[0019]所述压力控制阀和所述压力控制器设置在所述气液分离装置的入口。
[0020]根据本专利技术的一些实施方式，所述逐级分离装置包括自下而上依次设置的多个温度区间，所述多个温度区间自下而上温度逐渐变低；
[0021]所述闪蒸汽自下而上能够依次通过所述多个温度区间，使得所述多个温度区间能够对所述闪蒸汽进行逐级深冷。
[0022]根据本专利技术的一些实施方式，所述逐级分离装置包括四个所述温度区间，自下而上依次为第一温度区间、第二温度区间、第三温度区间和第四温度区间；
[0023]所述循环装置内的冷却介质自上而下通过所述第四温度区间，以向所述第四温度区间提供冷量，并通过所述第三温度区间的上部空间，以向所述第三温度区间的上部空间提供冷量；
[0024]所述闪蒸汽通过所述第四温度区间后分离出第一液态物质，所述第一液态物质自上而下通过所述第三温度区间，以向所述第三温度区间提供冷量；
[0025]所述闪蒸汽通过所述第三温度区间后分离出第二液态物质，所述第二液态物质能够向所述第二温度区间提供冷量；
[0026]所述逐级分离装置包括罐体、第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板自下而上相间隔地设置在所述罐体内；
[0027]所述第一隔板与所述罐体的底壁间的空间为所述第一温度区间；
[0028]所述第二隔板的上方空间为所述第四温度区间；所述第二隔板上设有集液箱，闪蒸汽能够通过所述集液箱进入所述第四温度区间；
[0029]所述第一隔板的上表面设有多个管束；在竖直方向上，所述第二液态物质淹没各所述管束，所述第二液态物质淹没的空间为所述第二温度区间；
[0030]所述第一隔板和所述第二隔板间除了所述第二温度区间的其他空间为所述第三
温度区间；
[0031]其中，每个所述管束分别连通于所述第一温度区间和所述第三温度区间，以使所述闪蒸汽能够由所述第一温度区间通过所述管束进入所述第三温度区间，并在经过所述第二温度区间后分离出第三液态物质；
[0032]所述系统还包括液位控制装置，用于控制所述第二液态物质的液位，以使所述第二液态物质淹没各所述管束；
[0033]所述第一温度区间的温度介于-165℃～-140℃；所述第二温度区间的温度介于-181℃～-165℃；所述第三温度区间的温度介于-205℃～-185℃；所述第四温度区间的温度介于-230℃～-210℃。
[0034]根据本专利技术的一些实施方式，所述系统还包括一外接冷源，所述外接冷源能够向所述第三温度区间提供冷量。
[0035]根据本专利技术的一些实施方式，所述系统还包括总冷箱，所述总冷箱连通于所述逐级分离装置；所述总冷箱为所述粗氦、所述冷却介质、所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，其特征在于，所述系统设于原液化天然气出冷箱的节流阀后的手阀旁通管道上，所述系统包括：闪蒸汽压力和流量控制装置，用于控制进入后续装置的闪蒸汽的压力和流量，并保证氦气的回收率；逐级分离装置，连通于所述闪蒸汽压力和流量控制装置，能够充分利用所述闪蒸汽的冷量而使所述闪蒸汽逐级深冷分离，以形成粗氦；深度冷却分离纯化装置，连通于所述逐级分离装置，用于提纯所述粗氦，形成纯氦；液化装置，连通于所述深度冷却分离纯化装置，用于采用纯氦循环膨胀、纯氦液化膨胀和纯氦节流液化工艺液化所述纯氦，以形成液态氦和制冷氦气；以及循环装置，用于在所述逐级分离装置、所述深度冷却分离纯化装置和所述液化装置间循环冷却介质，并能够向所述逐级分离装置、所述深度冷却分离纯化装置和所述液化装置提供冷量；其中，所述冷却介质包括所述制冷氦气。2.根据权利要求1所述的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，其特征在于，所述闪蒸汽压力和流量控制装置包括气液分离装置、流量控制阀、压力控制阀及压力控制器，所述流量控制阀的入口连通于所述气液分离装置的气相出口，所述流量控制阀的出口连通于所述逐级分离装置；所述压力控制阀和所述压力控制器设置在所述气液分离装置的入口。3.根据权利要求1所述的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，其特征在于，所述逐级分离装置包括自下而上依次设置的多个温度区间，所述多个温度区间自下而上温度逐渐变低；所述闪蒸汽自下而上能够依次通过所述多个温度区间，使得所述多个温度区间能够对所述闪蒸汽进行逐级深冷。4.根据权利要求3所述的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，其特征在于，所述逐级分离装置包括四个所述温度区间，自下而上依次为第一温度区间、第二温度区间、第三温度区间和第四温度区间；所述循环装置内的冷却介质自上而下通过所述第四温度区间，以向所述第四温度区间提供冷量，并通过所述第三温度区间的上部空间，以向所述第三温度区间的上部空间提供冷量；所述闪蒸汽通过所述第四温度区间后分离出第一液态物质，所述第一液态物质自上而下通过所述第三温度区间，以向所述第三温度区间提供冷量；所述闪蒸汽通过所述第三温度区间后分离出第二液态物质，所述第二液态物质能够向所述第二温度区间提供冷量；所述逐级分离装置包括罐体、第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和所述第二隔板自下而上相间隔地设置在所述罐体内；所述第一隔板与所述罐体的底壁间的空间为所述第一温度区间；所述第二隔板的上方空间为所述第四温度区间；所述第二隔板上设有集液箱，闪蒸汽能够通过所述集液箱进入所述第四温度区间；所述第一隔板的上表面设有多个管束；在竖直方向上，所述第二液态物质淹没各所述
管束，所述第二液态物质淹没的空间为所述第二温度区间；所述第一隔板和所述第二隔板间除了所述第二温度区间的其他空间为所述第三温度区间；其中，每个所述管束分别连通于所述第一温度区间和所述第三温度区间，以使所述闪蒸汽能够由所述第一温度区间通过所述管束进入所述第三温度区间，并在经过所述第二温度区间后分离出第三液态物质；所述系统还包括液位控制装置，用于控制所述第二液态物质的液位，以使所述第二液态物质淹没各所述管束；所述第一温度区间的温度介于-165℃～-140℃；所述第二温度区间的温度介于-181℃～-165℃；所述第三温度区间的温度介于-205℃～-185℃；所述第四温度区间的温度介于-230℃～-210℃。5.根据权利要求4所述的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统，其特征在于，所述系统还包括一外...

【专利技术属性】
技术研发人员：张孔明，王华琛，
申请(专利权)人：北京福典工程技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：