[發明專利]一種LNG冷能利用的熱集成精餾空分系統

在審

• 申請號: 201810013441.3
• 申請日: 2018-01-07
• 公開（公告）號: CN108007068A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發明（設計）人: 董學智;許劍;劉錫陽;陳仕卿;高慶;張華良;譚春青
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F25J3/04
• 分類號: F25J3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種LNG冷能利用的熱集成精餾空分系統，采用LNG冷能冷卻原料低壓空氣，并利用熱集成精餾塔進行空氣分離，相較于傳統空分系統，本發明采用熱集成精餾系統可將原料空氣的壓力由0.6MPa降到0.4MPa，降低了總壓比，減少了空壓機耗功；采用LNG冷卻原料空氣，可使得空壓機耗功進一步降低，液氧產量得到提高，從而降低了單位液體產品能耗；熱集成精餾還可降低高壓塔精餾和低壓塔提餾過程的火用損失，提高氧氮的分離純度；此外，采用LNG冷卻原料空氣，可以大幅度降低空分系統啟動時間。

技術領域

本發明屬于空氣分離領域，涉及一種熱集成精餾空分系統，尤其涉及一種LNG冷能利用的熱集成精餾空分系統。

背景技術

空氣分離系統在鋼鐵、化工、半導體、食品加工以及醫療領域都具有很重要的作用。低溫精餾空分系統是實現大規模制取高純度氮氣、氧氣以及氬氣的主要方案。低溫精餾空分系統需要消耗大量能量，尤其是制取液氧與液氮的產品過程中。液化天然氣(LNG)是采用深冷工藝將天然氣液化得到的低溫(約111K)混合液體，其主要成分為甲烷(CH4)，具有燃燒熱值高、排放物污染小、儲運成本低等優點。LNG冷能不僅數量巨大，而且能量品階高，常見的運用主要包括直接發電、空氣液化分離、制取液化干冰、深冷粉碎以及低溫冷庫等。考慮到空分系統的工藝溫度約為78～100K，比LNG的溫度更低，可避免“低溫冷能高溫用”的情況，符合“溫度對口、梯級利用”能的高效利用原理，因此這種冷能利用方案也被認為是目前技術上最為合理的利用方式。

現有的LNG冷能利用空氣分離系統的節能效果主要可歸為以下兩種因素：(1)LNG冷能冷卻空壓機或氮壓機進口工質溫度，可使得空分系統對電力能耗的需求降低；(2)LNG冷能可代替進入主換熱器高純度的液氧/液氮的釋冷量實現原料空氣溫度的降低，減少額外的制取低溫液體產品冷量所需的電力能耗。經過相關文獻與專利計算，與常規空分系統相比，采用LNG冷能的空分系統制取單位液體產品的能耗可降低50％左右。

然而，現有LNG冷能利用的空分系統方案其精餾塔運行壓力都接近于0.6MPa，冷能的加入只是減少生產液體產品能耗而對空分系統分離功無任何有益影響。產生這一現象的主要有2個原因：(1)傳統空分系統其精餾單元都采用雙級精餾塔，通過低壓液氧與高壓氮氣換熱實現上塔與下塔回流氣液，由于同一壓力下氮氣的沸點遠低于氧氣沸點，因此，下精餾塔需要在高壓運行；(2)雙級精餾塔的工作溫度為78～100K，LNG的儲存溫度為112K，如若LNG冷能作用于精餾過程，仍需要對原料空氣進行增壓，通過膨脹或節流產生更低工作溫度。調節上述兩個原因的方法只有通過改變傳統的雙級精餾冷熱耦合方式，降低精餾塔壓力，將部分LNG冷能轉為分離功，實現LNG冷能利用的空分系統能耗進一步降低。

發明內容

針對現有技術的缺點和不足，本發明旨在提供一種LNG冷能利用的熱集成精餾空分系統，采用LNG冷能冷卻原料低壓空氣，并利用熱集成精餾塔進行空氣分離，相較于傳統空分系統，本發明采用熱集成精餾系統可將原料空氣的壓力由0.6MPa降到0.4MPa，降低了總壓比，減少了空壓機耗功；采用LNG冷卻原料空氣，可使得空壓機耗功進一步降低，液氧產量得到提高，從而降低了單位液體產品能耗；熱集成精餾還可降低高壓塔精餾和低壓塔提餾過程的火用損失，提高氧氮的分離純度；此外，采用LNG冷卻原料空氣，可以大幅度降低空分系統啟動時間。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為：

一種LNG冷能利用的熱集成精餾空分系統，包括風扇、水冷塔、分子篩、預冷器、空壓機、主換熱器、過冷器Ⅰ、高壓塔、熱集成單元、低壓塔、過冷器Ⅱ、LNG存儲裝置、低溫泵，其特征在于，

所述預冷器包括空氣通路和天然氣通路；

所述主換熱器包括空氣通路、LNG通路、氮氣通路和污氮通路；

所述過冷器Ⅰ包括空氣通路、污氮通路和氮氣通路；