[发明专利]用于LNG生产的多氮气膨胀工艺

说明书

背景技术

全世界用于LNG（液化天然气）生产的气体液化方法共有五类。

这些方法的复杂性和效率不同—基本系统具有低水平的效率（每单位生产的LNG的高能量需求）而更加复杂的系统具有较高的效率。需要在复杂性（就资本支出和运营成本而言）和效率之间做出权衡。

上述五类方法可以被归类为简单的气体膨胀、增强的膨胀、单一循环制冷、双循环制冷、三循环制冷。

LNG设备的效率可以以每吨生产的LNG的比功率需求（specific power demand）而进行测量，对于最高效大型的现代设备，其可以在250kWh/t（每吨千瓦时）的范围内，对于小规模的简单再液化和调峰设备，则高达600到700kWh/t。

这五种类型中的许多可用的工艺在一些重要方面也各不相同，如内在的安全风险、世界范围内作业的设备的数量和海上作业的适合度。

在第二类的增强的膨胀设备中，存在各种专利方法，目的是以不同的方式来提高单一膨胀方法的效率。为了产生更多的冷却，这些方法通常利用“压缩扩张器”（直接与气体压缩器偶联的气体涡轮-膨胀器）。大多数方法采用双级，即两个水平的气体膨胀（故而气体冷却），以优化该方法的效率。制冷流体可以是原料气体（野马设计，Mustang design），氮气（BHP,Kanfa Aragon,APCI和Statoil设计），或一个氮气环和一个甲烷环（CB&I Niche设计）。

基于氮气的膨胀器工艺很具有吸引力，尤其是在促进启动和关闭的方面，导致更高的可用性，由于该工艺不需要大量储存易燃制冷剂，而具有更好的内在安全性。然而它们的效率比更受欢迎的双级制冷循环方法低。

现有的双级膨胀方法具有通常在约420到约500kWh/t范围内的比功率需求，而该新的构思的目的是能够将比功率需求降低至400kWh/t以下。

以气体的形式从自然界存在的油气田中获得的天然气，从地球资源排出以形成天然气原料，该原料在商业使用之前需要经过处理。天然气原料进入处理设备，并通过各种不同的装置的操作进行处理，最终出现如适合于使用的形式的液化天然气（LNG）。该液化气随后储存和运输到另一个适合的地点用于再蒸发以及随后的使用。在天然气原料的处理中，为了减少或消除用于处理中的设备发生堵塞的可能性和克服其它处理困难，将其冷却以形成LNG前，从天然存在的油气田中获得的气体必须首先进行预处理以去除或减少杂质或污染物的浓度，例如二氧化碳和水等。杂质和/或污染物的一个实例是酸性气体如二氧化碳和硫化氢。在酸性气体脱除装置中将酸性气体去除后，原料气流被干燥以去除所有存在的水。冷却之前将汞也从天然原料气体中去除。一旦将所有的污染物或不想要或不希望的物质从原料气流中去除，即可使其经历随后的处理，如冷却，以生产LNG。

通常，在大气压强、-165℃到-155℃的温度范围内，天然气组合物会液化。天然气的临界温度为约-90℃到-80℃，这就意味着在实践中，天然气不可能仅通过施加压力而被液化，而也必须在低于临界温度下被冷却。

冷却天然气原料可以通过多个不同的冷却过程循环来实现，其中一种涉及使用氮气膨胀器循环，其中，以最简单的形式，使用闭环，首先将氮气压缩并在空气或水冷却的条件下冷却，然后通过与冷低压氮气逆流交换进一步冷却。然后经冷却的氮气流通过涡轮膨胀器膨胀以产生冷的低压流，冷的氮气被用于冷却天然气原料和冷却热交换设备中的高压氮气流。通过氮气膨胀在膨胀器中所做的功会在连接在膨胀器的轴上的氮气增压压缩器中得到回收。因此，在该过程中，冷的氮气不仅仅被用于通过冷却天然气而液化它，冷的氮气还被用于预冷或冷却在同一热交换器中的氮气。经预冷或冷却的氮气随后通过膨胀被进一步冷却而形成冷氮气制冷剂。

US6,412,302公开了双重膨胀器态位LNG的工艺，在这种用于LNG生产的工艺中，使用了双重独立的膨胀器制冷循环。

Kanfa Aragon的WO2009017414公开了一种用于生产LNG的与BHP方法相似的氮气双重膨胀器工艺。

Statoil的WO2009130466和美国专利7,386,996公开了一种氮双级膨胀器方法，这是一种BHP方法的改进版本，但还是基于两个膨胀器。