[发明专利]一种采用超音速旋流分离器的天然气全液化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气的全液化工艺及其设备，尤其涉及一种采用超音速旋流分离器的天然气全液化工艺及其设备，属于天然气液化技术领域。

背景技术

天然气是一种优质洁净的化石能源，天然气经液化后，其体积约为原来的1/625，因而便于储存与运输。与管道气相比，液化天然气(LNG)在零散气田、边际气田的开发、煤层气的利用、海上天然气的开发利用和海外天然气的引进方面，有着不可替代的作用。我国虽然大型气田较少，但是小型零散和边缘的气田很多，这些小型气田和边际气田无法承担长输管道的成本。液化天然气因为具有投资小、灵活方便的优点而能够有效的开发零散气田和边际气田的资源。煤层气，俗名瓦斯，是长期困扰煤矿安全生产的严重问题。采用液化的方法实现煤层气的利用，不仅可解决煤矿生产安全问题，还可以改善能源结构，减少污染，并取得良好的经济效益。此外，天然气液化技术在天然气的调峰、利用浮式液化天然气生产储卸平台(即LNG FPSO，也称为FLNG)开发海上天然气资源和海外天然气的引进中也起到了重要的作用。

天然气液化技术是整个LNG产业链的第一环，也是十分重要的一环。常规的天然气液化工艺可以分为三类：级联式制冷工艺、膨胀机制冷工艺和混合制冷剂循环工艺(MRC)。级联式制冷工艺因为机组多，流程复杂，设备投资高、维护操作不便因而在七十年代后已经很少采用。常规的天然气液化工艺主要有MRC和膨胀机循环两类。其中MRC工艺虽然能量利用效率很高，但是一般设备较多，在循环中要多次进行气液分离因而流程复杂，且需要控制混合冷剂的配比。而采用膨胀机制冷，虽然流程简单且工艺较少，但是膨胀机的带液膨胀在技术上有较大难度，而且其制冷效率一般比MRC工艺略低。上述两种工艺分别采用了J-T阀和膨胀机作为制冷元件，均是常规的制冷方式。超音速旋流分离器是一种新型的制冷元件，但通常很难直接膨胀得到使天然气液化的温度，且只能部分液化入口的气体产品。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种天然气全液化工艺，采用超音速旋流分离器代替节流阀以及膨胀机等作为制冷部件，实现了天然气的全部液化。

本发明的目的还在于提供一种天然气全液化设备。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种天然气全液化工艺，其包括以下步骤：

将经过净化处理的原料天然气输入预冷换热器进行预冷处理；

将预冷处理后的天然气输入超音速旋流分离器进行膨胀、部分液化并进行分离，分离后得到的液化天然气(LNG)输出，气态天然气回流至预冷换热器回收冷量，然后与经过净化处理的原料天然气混合；

其中，当原料天然气压力为3-6MPa时，回流的气态天然气先进行压缩处理和空冷处理，然后再与经过净化处理的原料天然气混合，进入预冷换热器进行预冷处理；

当原料天然气压力为400-1200kPa(优选为400-800kPa)时，回流的气态天然气先与经过净化处理的原料天然气混合，然后在进行压缩处理和空冷处理之后，进入预冷换热器进行预冷处理。

本发明所提供天然气全液化工艺是一个整体，在工艺过程中，分离了液化天然气之后会有部分气体天然气回流并与新输入的原料天然气混合，这是一个循环的过程。本发明中所提到的全液化是针对整个工艺的，由于天然气回流的存在，在超音速旋流分离器中被液化的天然气不一定就是全部新输入的原料天然气，但是，从量上来说，新输入的原料天然气与液化后获得的液化天然气是相同的，即液化后获得的液化天然气的量与输入的原料天然气的量相同，这就相当于输入的原料天然气全部被液化了。

在本发明提供的天然气全液化工艺中，优选通过单循环单级压缩混合制冷剂循环装置为预冷换热器中的预冷处理提供冷量，在预冷换热器中将天然气(净化后的原料天然气，或者净化后的原料天然气与回流的气态天然气的混合物)预冷至一定温度，然后再将其输送到超音速旋流分离器中实现膨胀、部分液化和分离，在超音速旋流分离器的中间部分可以得到压力约为400-800kPa的液化天然气，其流量与净化后的天然气的流量相同，从而实现了原料天然气的全部液化。

在超音速旋流分离器中未被液化的天然气会经过其气体出口离开，并返回预冷换热器回收冷量，然后进一步压缩提高压力并冷却，根据原料天然气压力的高低而决定是在提高压力之前还是在冷却之后与净化后的原料天然气混合，从而实现循环。