[發明專利]用于LNG生產的多氮氣膨脹工藝

有效

• 申請號: 201280051699.3
• 申請日: 2012-10-22
• 公開（公告）號: CN103998881B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: M·懷利;F·克里米尼西
• 申請（專利權）人: 單浮標系泊有限公司
• 主分類號: F25J1/02
• 分類號: F25J1/02
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 李婉婉;張苗

背景技術

全世界用于LNG（液化天然氣）生產的氣體液化方法共有五類。

這些方法的復雜性和效率不同—基本系統具有低水平的效率（每單位生產的LNG的高能量需求）而更加復雜的系統具有較高的效率。需要在復雜性（就資本支出和運營成本而言）和效率之間做出權衡。

上述五類方法可以被歸類為簡單的氣體膨脹、增強的膨脹、單一循環制冷、雙循環制冷、三循環制冷。

LNG設備的效率可以以每噸生產的LNG的比功率需求（specific?power?demand）而進行測量，對于最高效大型的現代設備，其可以在250kWh/t（每噸千瓦時）的范圍內，對于小規模的簡單再液化和調峰設備，則高達600到700kWh/t。

這五種類型中的許多可用的工藝在一些重要方面也各不相同，如內在的安全風險、世界范圍內作業的設備的數量和海上作業的適合度。

在第二類的增強的膨脹設備中，存在各種專利方法，目的是以不同的方式來提高單一膨脹方法的效率。為了產生更多的冷卻，這些方法通常利用“壓縮擴張器”（直接與氣體壓縮器偶聯的氣體渦輪-膨脹器）。大多數方法采用雙級，即兩個水平的氣體膨脹（故而氣體冷卻），以優化該方法的效率。制冷流體可以是原料氣體（野馬設計，Mustang?design），氮氣（BHP,Kanfa?Aragon,APCI和Statoil設計），或一個氮氣環和一個甲烷環（CB&I?Niche設計）。

基于氮氣的膨脹器工藝很具有吸引力，尤其是在促進啟動和關閉的方面，導致更高的可用性，由于該工藝不需要大量儲存易燃制冷劑，而具有更好的內在安全性。然而它們的效率比更受歡迎的雙級制冷循環方法低。

現有的雙級膨脹方法具有通常在約420到約500kWh/t范圍內的比功率需求，而該新的構思的目的是能夠將比功率需求降低至400kWh/t以下。

以氣體的形式從自然界存在的油氣田中獲得的天然氣，從地球資源排出以形成天然氣原料，該原料在商業使用之前需要經過處理。天然氣原料進入處理設備，并通過各種不同的裝置的操作進行處理，最終出現如適合于使用的形式的液化天然氣（LNG）。該液化氣隨后儲存和運輸到另一個適合的地點用于再蒸發以及隨后的使用。在天然氣原料的處理中，為了減少或消除用于處理中的設備發生堵塞的可能性和克服其它處理困難，將其冷卻以形成LNG前，從天然存在的油氣田中獲得的氣體必須首先進行預處理以去除或減少雜質或污染物的濃度，例如二氧化碳和水等。雜質和/或污染物的一個實例是酸性氣體如二氧化碳和硫化氫。在酸性氣體脫除裝置中將酸性氣體去除后，原料氣流被干燥以去除所有存在的水。冷卻之前將汞也從天然原料氣體中去除。一旦將所有的污染物或不想要或不希望的物質從原料氣流中去除，即可使其經歷隨后的處理，如冷卻，以生產LNG。

通常，在大氣壓強、-165℃到-155℃的溫度范圍內，天然氣組合物會液化。天然氣的臨界溫度為約-90℃到-80℃，這就意味著在實踐中，天然氣不可能僅通過施加壓力而被液化，而也必須在低于臨界溫度下被冷卻。

冷卻天然氣原料可以通過多個不同的冷卻過程循環來實現，其中一種涉及使用氮氣膨脹器循環，其中，以最簡單的形式，使用閉環，首先將氮氣壓縮并在空氣或水冷卻的條件下冷卻，然后通過與冷低壓氮氣逆流交換進一步冷卻。然后經冷卻的氮氣流通過渦輪膨脹器膨脹以產生冷的低壓流，冷的氮氣被用于冷卻天然氣原料和冷卻熱交換設備中的高壓氮氣流。通過氮氣膨脹在膨脹器中所做的功會在連接在膨脹器的軸上的氮氣增壓壓縮器中得到回收。因此，在該過程中，冷的氮氣不僅僅被用于通過冷卻天然氣而液化它，冷的氮氣還被用于預冷或冷卻在同一熱交換器中的氮氣。經預冷或冷卻的氮氣隨后通過膨脹被進一步冷卻而形成冷氮氣制冷劑。

US6,412,302公開了雙重膨脹器態位LNG的工藝，在這種用于LNG生產的工藝中，使用了雙重獨立的膨脹器制冷循環。

Kanfa?Aragon的WO2009017414公開了一種用于生產LNG的與BHP方法相似的氮氣雙重膨脹器工藝。

Statoil的WO2009130466和美國專利7,386,996公開了一種氮雙級膨脹器方法，這是一種BHP方法的改進版本，但還是基于兩個膨脹器。