从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的系统和方法与流程

[0001]
本发明总体来说涉及氦提纯及液化技术领域，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。


背景技术：

[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。


技术实现要素：

[0010]
本发明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]
本发明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]
根据本发明的一些实施方式，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]
根据本发明的一些实施方式，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]
根据本发明的一些实施方式，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]
根据本发明的一些实施方式，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]
根据本发明的一些实施方式，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、所述纯氦、所述制冷氦气和所述外接冷源提供热交换的场所。
[0036]
根据本发明的一些实施方式，所述深度冷却分离纯化装置包括纯化冷箱、第一纯化分离罐和第二纯化分离罐；所述纯化冷箱能为所述粗氦提供冷量；
[0037]
所述第一纯化分离罐的入口连通于所述总冷箱，用于初步纯化经总冷箱预冷后的粗氦；所述第一纯化分离罐的液相出口连通于一压力调压阀的入口，所述压力调压阀的出口连通于原液化天然气的大罐前的汇总端口；
[0038]
所述纯化冷箱连通于所述第一纯化分离罐的气相出口；
[0039]
所述第二纯化分离罐的入口连通于所述纯化冷箱，用于纯化经所述纯化冷箱深冷后的粗氦；
[0040]
所述第二纯化分离罐的气相出口用于排出纯氦；所述第二纯化分离罐的液相出口能够与原液化天然气大罐前的汇总端口连通，使得所述第二纯化分离罐内产生的杂质能够排入所述原液化天然气大罐。
[0041]
根据本发明的一些实施方式，所述液化装置包括液化冷箱、液化节流阀、氦气液分离罐、循环膨胀机、液化膨胀机和循环氦气流量控制阀；
[0042]
所述循环氦气流量控制阀的入口连通于所述第二纯化分离罐的气相出口，所述循环氦气流量控制阀的出口连通于所述循环膨胀机的入口；
[0043]
所述循环膨胀机的出口连通于所述液化冷箱；
[0044]
所述液化膨胀机的出口连通于所述液化冷箱；
[0045]
所述液化节流阀的入口连通于所述液化冷箱，所述液化节流阀的出口连通于所述氦气液分离罐的入口；
[0046]
所述氦气液分离罐的底部出口用于排出液氦，所述氦气液分离罐的气相出口连通于所述液化冷箱；
[0047]
经所述循环膨胀机作用后的氦气与从所述氦气液分离罐的气相出口排出的氦气分别通过所述液化冷箱后混合，并流入所述纯化冷箱；
[0048]
其中，所述液化冷箱为所述纯氦提供冷量。
[0049]
本发明实施例的从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的方法，包括如下步
骤：
[0050]
对所述闪蒸汽的压力和流量进行控制，以保证后路所述闪蒸汽的压力和流量及氦气回收率；
[0051]
充分利用所述闪蒸汽的冷量，以对所述闪蒸汽进行逐级深冷分离处理，形成粗氦；
[0052]
对所述粗氦进行深度冷却分离纯化处理，形成纯氦；
[0053]
采用纯氦循环膨胀、纯氦液化膨胀和纯氦节流液化工艺，对所述纯氦进行液化处理，形成液态氦和制冷氦气；以及
[0054]
提供循环冷却介质，以在进行逐级深冷分离处理、深度冷却分离纯化处理和液化处理的过程中提供冷量；其中所述冷却介质包括所述制冷氦气。
[0055]
根据本发明的一些实施方式，对所述闪蒸汽进行逐级深冷分离处理，包括：
[0056]
所述闪蒸汽依次通过温度逐渐变低的第一温度区间、第二温度区间、第三温度区间和第四温度区间，进行逐级深冷；其中，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℃；
[0057]
利用所述冷却介质的冷量，向所述第四温度区间和所述第三温度区间的上部空间提供冷量；
[0058]
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，利用所述第一液态物质通过所述第三温度区间，以向所述第三温度区间提供冷量；
[0059]
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，利用所述第二液态物质向所述第二温度区间提供冷量；
[0060]
所述方法还包括：提供一外接冷源，向所述第三温度区间提供冷量。
[0061]
上述申请中的一个实施例具有如下优点或有益效果：
[0062]
本发明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和方法打破了现有技术或相关技术中先对闪蒸汽进行复温增压的常规技术手段，而是利用闪蒸汽的冷量，继续对闪蒸汽进行逐级深冷逐级分离操作，基于闪蒸汽中各组分的沸点不同，脱除掉闪蒸汽中的绝大部分的烃类和氮气。这样，脱除掉大部分甲烷及氮气的粗氦的量就大大少于闪蒸汽的量而氦气回收率并没有受到太多影响，后续的纯化装置及液化的能耗就大大降低，有效地解决了现有技术或相关技术中的能耗高的问题。
[0063]
本发明实施例充分利用了液化天然气产生的闪蒸汽的冷量脱除绝大部分的烃类及大部分氮气；经过脱氢、脱氮后，剩余少量的氧气、二氧化碳及极少量烃类的粗氦通过深冷纯化分离罐，在高压低温工况下完成纯化及后续的液化。
[0064]
本发明实施例的能耗低，投资低，纯氦回收率高，设备尺寸小且易于撬装化，具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
[0065]
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
[0066]
图1示出的是本发明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的工艺流程图。
[0067]
图2示出的是本发明实施例的逐级分离装置的结构示意图。
[0068]
图3示出的是本发明实施例的脱氢单元的结构示意图。
具体实施方式
[0069]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
[0070]
本发明的整体思路是先控制闪蒸汽的流量和压力，再充分利用闪蒸汽的冷量继续深冷，在逐级分离装置中利用闪蒸汽中各组分沸点不同，先分离除去绝大部分的烃类及氮气，然后除去氢气及剩余的绝大部分氮气，剩余的粗氦中就仅剩极少量的氮气、甲烷、氧气等，接着经过高压低温纯化，就可以达到商品氦气的纯度要求，然后通过氦气的循环膨胀及液化膨胀继续深度深冷，就可以达到并超过氦气的液化临界条件，经过节流，完成氦气的液化。
[0071]
本发明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和方法打破了现有技术或相关技术中先对闪蒸汽进行复温增压的常规技术手段，而是利用闪蒸汽的冷量，继续对闪蒸汽进行逐级深冷逐级分离操作，基于闪蒸汽中各组分的沸点不同，脱除掉闪蒸汽中的绝大部分的烃类和氮气。这样，脱除掉大部分甲烷及氮气的粗氦的量就大大少于闪蒸汽的量而氦气回收率并没有受到太多影响，后续的纯化装置及液化的能耗就大大降低，有效地解决了现有技术或相关技术中的能耗高的问题。
[0072]
下面结合附图，详细说明本发明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的各部件之间的连接关系和工作原理。
[0073]
如图1所示，图1示出的是本发明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的工艺流程图。本发明实施例的系统包括：闪蒸汽压力和流量控制装置、多功能低温分离装置、低温高压深度冷却分离纯化装置、液化装置和循环装置。
[0074]
多功能低温分离装置10用于对闪蒸汽逐级深冷逐级分离，以形成粗氦。低温高压深度冷却分离纯化装置连接于多功能低温分离装置10，液化装置连接于低温高压深度冷却分离纯化装置。低温高压深度冷却分离纯化装置可以包括脱氢单元、脱氮单元、第一纯化分离罐811和第二纯化分离罐805，脱氢单元用于脱除粗氦中的氢，脱氮单元用于脱除粗氦中的氮、纯化分离罐用于纯化粗氦形成纯氦。液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纯氦形成液态氦和制冷氦气。循环装置用于在逐级分离装置、低温高压深度冷却分离纯化装置和纯化装置间循环冷却介质，并能够向逐级分离装置、低温高压深度冷却分离纯化装置和纯化装置提供冷量。
[0075]
继续参阅图1，本发明实施例的系统还包括总冷箱20和循环管路，总冷箱20连通于多功能逐级分离装置10。总冷箱10为粗氦、冷却介质、纯氦、制冷氦气和外接冷源提供热交换的场所。多功能低温分离装置10的出口112 与总冷箱20的进口205相连接，使得粗氦能够由多功能低温分离装置10进入总冷箱20。
[0076]
深度冷却分离纯化装置包括纯化冷箱80、第一纯化分离罐811和第二纯化分离罐805。纯化冷箱能为粗氦提供冷量。第一纯化分离罐811的入口连通于总冷箱10，用于纯化经
总冷箱10预冷后的氦气；第一纯化分离罐811 的液相出口连通于一压力调压阀813的入口，压力调压阀813的出口连通于原液化天然气的大罐；纯化冷箱80连通于第一纯化分离罐811的气相出口；第二纯化分离罐805的入口连通于纯化冷箱，用于纯化经纯化冷箱80深冷后的氦气。
[0077]
液化装置包括液化冷箱90、液化节流阀906、氦气液分离罐907、循环膨胀机902、液化膨胀机903和循环氦气流量控制阀901；循环氦气流量控制阀901的入口连通于第二纯化分离罐805的气相出口，循环氦气流量控制阀 901的出口连通于循环膨胀机902的入口；循环膨胀机902的出口连通于液化冷箱90；液化膨胀机903的出口连通于液化冷箱90；液化节流阀906的入口连通于液化冷箱90，液化节流阀906的出口连通于氦气液分离罐907的入口；氦气液分离罐907的底部出口用于排出液氦，氦气液分离罐907的气相出口连通于液化冷箱90；经循环膨胀机902作用后的氦气与从氦气液分离罐907的气相出口排出的氦气分别通过液化冷箱90后混合，并流入纯化冷箱80；其中，液化冷箱90为纯氦提供冷量。
[0078]
一般来说，液化天然气的闪蒸汽中大概含有60～80％的甲烷、20％左右的氮气、2～10％左右的氦气及少量的乙烷、氧气、氢气、二氧化碳等，闪蒸汽从多功能低温分离装置10的下部入口进入，这样闪蒸汽的冷量被充分利用，并在外来冷量的冷却情况下，内部闪蒸汽就由下及上逐级深冷，逐级分离。这样多功能低温分离装置10的顶部出来的就为粗氦(he％＞60％，ch4％＜ 0.5％，n2％＜30％，h2％为3％～8％，o2、co2等都为ppm级)。
[0079]
闪蒸汽经过多功能低温分离装置10后，脱除掉绝大部分烃类及氮气后的粗氦，其流量相比原闪蒸汽量大大减少，这样就大大减轻了后续装置(例如脱氢单元、脱氮单元、纯化分离罐、液化装置等)的负荷，降低了能耗。因此，本发明实施例的系统要比传统对闪蒸汽复温加压的提氦方案有优势。
[0080]
此粗氦从多功能低温分离装置10出来经总冷箱20预热后，再经加压加热进行多级中压脱氢处理，脱除几乎所有的氢气；脱除氢气后的粗氦再继续增压压缩后进行脱除大部分氮气处理。
[0081]
这样，脱除氢气、绝大部分氮气后的粗氦还含有少量氧气、二氧化碳、水、氮气、甲烷等，这样的粗氦进入深冷低温高压深度冷却分离纯化装置。具体来说，粗氦通过总冷箱20实现预冷、通过第一纯化分离罐811实现初步纯化、通过纯化冷箱80实现深冷、通过第二纯化分离罐805实现进一步纯化后，在高压低温工况下，在纯化分离罐中完成纯化，高纯商品氦由纯化分离罐顶部排出，杂质由纯化分离罐底部排出或者与前述液化天然气混合进入原液化天然气大罐。
[0082]
纯化分离罐分离出的高纯氦与制冷氦气混合后，一部分经流量控制阀 901控制氦气循环流量后进入循环膨胀机902，另一部分经液化膨胀机903 后再经高深冷，达到并超过氦气的液化临界条件，经节流阀906后进入氦气液分离罐907。氦气液分离罐907底部为液氦，顶部气相部分与氦气循环膨胀后氦气循环部分一起为液化部分氦气提供高深冷冷量，然后这部分剩余的冷量再为预冷后纯化粗氦及循环预冷氦气提供冷量，再剩余的冷量继续在多功能低温分离装置10内由上及下与进入多功能低温分离装置10内由下及上的闪蒸汽提供配套的温度梯度冷量，然后经过总冷箱20预热后进入氦气循环压缩机完成循环。
[0083]
本发明实施例的多功能低温分离装置10包括自下而上依次设置的多个温度区间，多个温度区间自下而上温度逐渐变低。闪蒸汽自下而上能够依次通过多个温度区间，使得
多个温度区间能够对闪蒸汽进行逐级深冷。
[0084]
在本实施例中，温度区间为四个，自下而上分别为第一温度区间2100、第二温度区间2200、第三温度区间2300和第四温度区间2400。具体来说，自下而上的闪蒸汽首先通过第一温度区间2100、第二温度区间2200和第三温度区间2300脱除掉绝大部分烃类，然后进入第四温度区间2400。在第四温度区间2400内与更低温度的制冷剂换冷，脱除掉大部分的氮气(＞80％)。这样，分离罐顶部出来的就是粗氦。
[0085]
在一实施例中，第一温度区间2100的温度介于-165℃～-140℃；第二温度区间2200的温度介于-181℃～-165℃；第三温度区间2300的温度介于-205 ℃～-185℃；第四温度区间2400的温度介于-230℃～-210℃。
[0086]
多功能低温分离装置10充分利用闪蒸汽的冷量及在外来冷量，闪蒸汽从下往上与不同温度区间的制冷剂介质换冷，内部闪蒸汽由下及上逐级深冷，逐级分离，脱除绝大部分烃类(粗氦中甲烷＜0.5％)及脱除掉大部分的氮气 (＞80％)，其顶部出来的为粗氦(＞60％)。
[0087]
如图2所示，图2示出的是本发明实施例的多功能低温分离装置10的结构示意图。本发明实施例的多功能低温分离装置10包括罐体、第一隔板125 和第二隔板121。
[0088]
罐体从下往上依次设有第三液态物质出口129、下部闪蒸汽入口101、液位控制出口127及外接冷源液氮气化出口110、外接冷源液氮入口103、第二液态物质出口111、深冷制冷剂出口109、深冷制冷剂入口108、顶部的粗氦出口112。
[0089]
第一隔板125和第二隔板121自下而上相间隔地设置在罐体内。第一隔板125与罐体的底壁间的空间为第一温度区间2100。闪蒸汽进入分离罐的入口101设置在第一温度区间2100的偏上位置。第二隔板121沿着竖直方向与第一隔板125相间隔设置。第一隔板125与第二隔板121之间除了第二温度区间2200的空间为第三温度区间2300。
[0090]
第一隔板125的上方空间为第二温度区间2200，第一隔板125的上表面设有多个管束126。多个管束126可以焊接在第一隔板125上。各管束126 分别连通于第一温度区间2100和第三温度区间2300，闪蒸汽进入第一温度区间2100后经多道管束126由下及上通过并进入第三温度区间2300。
[0091]
第二隔板121上设有一集液箱113，集液箱113为脱除大部分甲烷后的闪蒸汽进入第二隔板121上方的通道。
[0092]
罐体内设有盘管104、盘管105、盘管106和盘管107。盘管106自上而下盘绕设置，一部分盘管106设置在第四温度区间2400，另一部分盘管106 穿过第二隔板121设置在第三温度区间2300。
[0093]
罐体上设有入口108和出口109，盘管106的一端连接于入口108，另一端连接于出口109。冷却介质通过入口108和出口109与盘管106相连通。冷却介质能够进入盘管106，并向第四温度区间2400和部分第三温度区间 2300提供冷量。
[0094]
当闪蒸汽自下而上进入第四温度区间2400后，闪蒸汽与盘管106的冷量实现热交换，闪蒸汽分离出第一液态物质。第一液态物质为从闪蒸汽分离出的液氮及液化天然气。其中，在第四温度区间2400内的闪蒸汽已经脱出掉了大部分甲烷和大部分氮气。
[0095]
第一液态物质能够穿过第二隔板121并通过设置在第一隔板125和第二隔板121之间的盘管105流向出口111。第一液态物质从出口111流出后，能够流入总冷箱20的入口203，
并从出口204流出，实现热交换。第一液态物质热交换完成且从出口204流出后，可返回至原液化天然气的大罐。
[0096]
冷却介质在第四温度区间2400与闪蒸汽实现换冷后剩余的冷量能够通过盘管106在第三温度区间2300内与闪蒸汽实现换冷。其中，在第三温度区间2300内的闪蒸汽已经脱出掉了大部分甲烷。第三温度区间2300内换冷后的闪蒸汽能够分离出液化天然气，液化天然气落在第一隔板125上，并在第二温度区间2200形成液位。
[0097]
同时，盘管105中的第一液态物质的冷量也可以在第三温度区间2300 内与脱除掉大部分甲烷的闪蒸汽实现换冷，从而生成的液化天然气也能够落在第一隔板125上，并在第二温度区间2200形成液位。
[0098]
当然，可以理解的是，为了防止第三温度区间2300内的冷量不足或系统开机时，还可提供一外接冷源，例如液氮。外接冷源通过入口103连通于盘管104，并从出口110流出，从而能够向第三温度区间2300提供冷量。外接冷源通过第三温度区间2300后，可以与总冷箱20的入口201连通，并由出口202流出，从而实现热交换。脱除掉大部分甲烷的闪蒸汽与盘管104换冷后，生成的液化天然气同样落在第一隔板125上，并在第二温度区间2200 形成液位。同时，外界冷源还可以在操作波动冷量不足时补充冷量，或者在系统刚启动时补充冷量。
[0099]
也就是说，闪蒸汽通过第三温度区间2300后(第三温度区间2300内的冷量可以来自盘管104、盘管105和部分盘管106)分离出的第二液态物质包括闪蒸汽分别与上述盘管104、盘管105和部分盘管106生成的液化天然气。
[0100]
第一隔板125的上表面需具有一定的液位，该液位是由第二液态物质形成。也就是说，在竖直方向上，第二液态物质需淹没各管束126的至少部分，第二液态物质淹没的空间为第二温度区间2200。
[0101]
当然，可以理解的是，盘管106也可以不穿过第二隔板121进入第三温度区间2300，而是先出多功能低温分离装置10，再进入第二隔板121的下方空间与盘管107换冷后，再流入出口109。
[0102]
可以理解的是，上述盘管104、盘管105、盘管106和盘管107可以是交错缠绕的，以形成最大的换冷面积从而提供最大的换冷冷量。
[0103]
每个管束126分别连通于第一温度区间2100和第三温度区间2300，以使闪蒸汽能够由第一温度区间2100通过管束126进入第三温度区间2300，并在经过第二温度区间2200时，能够与第二液态物质实现换冷，生成第三液态物质。第三液态物质可以包括闪蒸汽在第二温度区间2200深冷后掉下来的液化天然气。该液化天然气掉落在罐体的底部(即第一温度区间2100)，并可以通过出口129并经阀门114控制返回原液化天然气大罐。第三液态物质可以利用底部出口129的高差排出。
[0104]
在一实施方式中，多功能低温分离装置10的的外壳表面可以进行深度保冷处理。
[0105]
液位控制装置用于控制第二液态物质的液位，以使第二液态物质能够淹没各管束126。液位控制装置可以包括液位显示器102和液位控制阀115。当第二液态物质的液位过高时，可以控制液位控制阀115开启，使第二液态物质能够从出口127流出。
[0106]
粗氦脱氢压缩机30的入口206与总冷箱20相连，粗氦脱氢压缩机30 和总冷箱20之间连接有粗氦返回管道，由阀门120控制，使不合格的粗氦能够返回至原液化天然气大罐。
[0107]
从多功能低温分离装置10的顶部出来的粗氦经总冷箱20复热后，经粗氦脱氢压缩机30增压到中压进入脱氢设备，进行中压脱氢，脱除掉几乎全部的氢气；若粗氦不合格，此闪蒸汽也可以经闪蒸汽返回线返回液化天然气大罐。
[0108]
可以理解的是，提氦分离过程中生成的液化天然气、液氮气化及不合格粗氦、纯化杂质等都可以通过返回汇总端口122与液化天然气出装置进大罐入口连接。
[0109]
氦脱氢压缩机30与粗氦脱氢加热器301相连，经加热后的粗氦进入脱氢设备40。
[0110]
脱氢设备40可以是钯管脱氢，也可以是钯催化反应脱氢。
[0111]
如图3所示，图3示出的是本发明实施例的脱氢单元的结构示意图。粗氦由入口401进入脱氢设备40，经钯管404作用，高纯氢气由出口402流出，不含氢气气体由出口403流出。
[0112]
具体来说，金属钯(pd)对氢具有高度的选择性和透过性，将氢气通入钯管，在钯的催化作用下，氢分子在钯合金膜表面被分解为氢原子，再进一步电离为氢离子，即
[0113]
h2-----→
2h
[0114]
h
-----→
h
+
+e
[0115]
并以h
+
的形式渗透过钯合金膜,由于钯的晶格常数0.338nm，而氢离子半径为1.5
×
10-6
nm，然后再与电子结合为氢原子，氢原子再结合为氢分子，即
[0116]
h
+
+e
-----→
h
[0117]
h+h
-----→
h2[0118]
钯合金膜只允许氢透过，而其他气体分子几乎不能通过。这是由于金属钯的催化作用和钯对氢具有高度的可透性，氧杂质在钯合金催化作用下,与氢化合成水而就留在钯管的一侧。
[0119]
如果采用钯催化反应脱氢，则包括反应床、反应气入口、氧气入口、比例混合器、燃烧器、冷却器等，通入过剩的高纯氧气与氢气及极少量的甲烷在反应床上燃烧反应生成水和二氧化碳(或一氧化碳)，剩余过剩的氧气及氦气、氮气、水、二氧化碳。
[0120]
h2+o2-----→
h2o
[0121]
ch4+o2-----→
co2+h2o
[0122]
催化燃烧在借助钯催化剂的作用下，可以在低温下(200～400℃)就能实现对氢气、甲烷等的完全燃烧氧化，能耗少、操作方便、安全，净化效率高。
[0123]
钯管脱除氢气后的粗氦含有氦气、极少量的甲烷、氧气及少量的氮气；钯催化反应脱除氢气后的粗氦含有氦气及少量的氮气、氧气、二氧化碳、水。
[0124]
脱除氢气后的粗氦再经粗氦脱氮压缩机及高压脱氮设备，进行高压脱氮，再脱除掉大部分的氮气，此设备可以再生操作，一台脱氮另一台再生。
[0125]
请继续参阅图1，脱氢设备40与前置空冷器501相连，后置空冷器502 与前置空冷器501之间设有粗氦脱氮压缩机50。
[0126]
后置空冷器502与脱氮装置的入口601相连，脱氮装置的出口602与总冷箱20的入口209相连。
[0127]
脱氮装置60为脱氮分子筛604a和604b，脱氮分子筛604a的出入口分别由阀门603a、603c控制，脱氮分子筛604b的出入口分别由阀门603b、 603d控制。
[0128]
在本实施例中，总冷箱20的出口2010连接第一纯化分离罐811的入口，第一纯化分离罐811的气相出口连接于纯化冷箱80的入口801。第一纯化分离罐811的罐底的液相出口
812经压力调压阀813调压后，经管路814与前述生成的液化天然气混合，通过汇总端口122进入lng大罐。可以理解的是，经过增压后脱除氢气、绝大部分甲烷、氮气后的粗氦含有氦气及极少量的氮气、氧气、甲烷、二氧化碳、水等，经总冷箱20预冷后，进入深冷纯化系统，在高压低温工况下，由第一和第二纯化分离罐完成纯化，第二纯化分离罐805 的顶部排出的气体为高纯商品氦，底部排出的为杂质，杂质排出装置外。
[0129]
纯化冷箱80连接于第二纯化分离罐805的入口804。第二纯化分离罐805 的气相出口809与循环氦气单向阀807出口相连混合，混合后的一部分进入循环氦气流量控制阀901和氦气循环膨胀机902，另一部分进入氦气液化膨胀机903。第二纯化分离罐805底部设有液相出口8010，用以供纯化杂质排出。
[0130]
粗氦纯化一方面必须保证有足够的冷量，在低温高压工况下，把一些微量杂质甲烷、氮气、氧气、二氧化碳、水等脱除干净，达到商品氦气的要求；另一方面，前述流程中应脱除尽量多的杂质，使纯化氦气中的杂质浓度尽量的低，不能使纯化冷箱80中粗氦管束产生冻堵，为此需要氦气循环工艺，通过控制循环氦气的量及其它工艺参数综合考虑。
[0131]
参照图1，提氦分离过程中生成的液化天然气、液氮气及不合格粗氦、纯化杂质等都可以通过返回汇总端122与进大罐入口3连接。
[0132]
氦气流量控制阀901与氦气循环膨胀机902相连，氦气循环膨胀机的出口905与液化冷箱90相连。
[0133]
本发明实施例充分利用氦气的特性，采用高压氦气循环膨胀+高压氦气液化膨胀+中压氦气节流液化工艺。
[0134]
氦气液化膨胀机出口904与液化冷箱90相连，液化冷箱90的出口9012 与氦气液化节流阀906相连，氦气液化节流阀906的另一端与氦气液分离罐 907相连。
[0135]
氦气液分离罐907底部出口为液氦出口908，顶部气相出口9013与气氦液化冷箱90入口909相连，气氦液化冷箱90出口9010与循环氦气液化冷箱90出口9011混合，二者混合端口9014与循环氦气纯化冷箱80的入口806 相连，循环氦气纯化冷箱80的出口808与多功能低温分离装置10的进口108 相连。
[0136]
纯化分离罐805分离出的高纯氦与循环氦气混合后，一部分进入纯氦循环膨胀机902，另一部分经纯氦液化膨胀机903后再经深度深冷，达到并超过氦气的液化临界条件，经节流阀906后进入氦气液分离罐907；氦气液分离罐907底部为液氦，顶部气相部分与经循环膨胀后的氦气合为一起为需液化部分氦气提供高深冷冷量，然后这部分剩余的冷量再为预冷后需纯化粗氦及循环预冷氦气提供冷量，再剩余的冷量继续为进入多功能低温分离装置10 内部的第四温度区间2400和第三温度区间2300的闪蒸汽提供配套的温度梯度冷量，然后经过总冷箱20复热进入氦气循环压缩机完成循环。
[0137]
多功能低温分离装置10的出口109与总冷箱20的氦气循环预热入口207 相连。
[0138]
总冷箱20的氦气循环预热出口208与氦气循环压缩机70的前置缓冲罐 701的入口703相连。
[0139]
氦气循环压缩机70的前置缓冲罐701的气相出口704与氦气循环压缩机 70相连，氦气循环压缩机70与后空冷器702相连，后空冷器702与总冷箱 20的氦气循环预冷入口2011相连。
[0140]
总冷箱20的氦气循环预冷出口2012与粗氦纯化冷箱80的循环氦气深冷入口802相
连，纯化冷箱80的循环氦气深冷出口803与循环氦气单向阀807 的一端相连，单向阀807的另一端分别连接氦气液化膨胀机903的入口、循环氦气流量控制阀901的入口及纯化分离罐的气相出口809。
[0141]
通过上述对总冷箱20、纯化冷箱80和液化冷箱90的说明可知，总冷箱 20为粗氦、循环纯氦、制冷氦气及低温氮气实现热交换提供了场所，纯化冷箱80能向粗氦提供冷量，液化冷箱90能向纯氦提供冷量。
[0142]
作为实施例，所有要求低温的设备、连接管道、阀门、容器、仪表等都要进行深度保冷处理。
[0143]
本发明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可以设置在在原有液化天然气大罐的前面，并安装在原液化天然气出冷箱的节流j-t 阀后的手阀旁通管道上，使得本发明实施例的系统并不会对原液化天然气工厂的生产操作产生影响，并可回收来自不同装置节点处的液化天然气及不合格的粗氦。
[0144]
具体来说，来自原液化天然气工厂冷箱的液化天然气从出口1处，跨原 j-t阀2后的手阀5进入本发明实施例的系统中，即本发明实施例的系统安装在原有液化天然气进大罐的j-t阀2后的手阀5旁通管道上，经本系统的入口手阀123进入本系统；来自本系统的液化天然气及不合格氦气经本系统的出口手阀124返回汇总端口122出本系统，然后再经手阀4和入口3进入原有液化天然气大罐。
[0145]
本发明实施例的闪蒸汽压力和流量控制装置包括气液分离罐116、流量控制阀117、液位控制阀118、流量控制器119、压力控制阀130及压力控制器131。流量控制阀117的入口连通于气液分离装置116的气相出口，流量控制阀117的出口连通于逐级分离装置10。压力控制阀130和压力控制器131 设置在气液分离装置113的入口。
[0146]
来自本系统外并经过j-t阀节流后为准饱和状态的液化天然气进入本系统的入口处的气液分离装置116，气液分离装置116的气相出口安装有闪蒸汽流量控制阀117，控制后续装置的闪蒸汽流量，以保证提氦装置流量的需要及冷量要求，又能保证氦气的回收率。气相出口管道上安装有流量控制器 119，以确认闪蒸汽的量。
[0147]
当然，可以理解的是，本发明实施例的系统还可以安装在原液化天然气大罐顶部的闪蒸汽的出口处。
[0148]
气液分离装置116用于对液化天然气进行气液分离，气液分离装置116 顶部出来的闪蒸汽由多功能低温分离装置10的底部进入，气液分离装置116 底部出来的液化天然气经液位控制阀118控制后进入原液化工厂的液化天然气大罐。
[0149]
在一个实施例中，气液分离装置116可以为一卧式分离器，以尽可能的大面积蒸发出最大氦气量。
[0150]
气液分离装置116的气相出口管道128与多功能低温分离装置10的下部入口接口101相连。
[0151]
气液分离装置116位高低于多功能低温分离装置10的位高，这样多功能低温分离装置10的底部生成的液化天然气就可以通过出口阀门靠二者的高差汇入气液分装置的底部出口。
[0152]
本发明实施例还提供一种从液化天然气的闪蒸汽中提纯氦气并液化的方法，包括如下步骤：
[0153]
对所述闪蒸汽的压力和流量进行控制，以保证后路所述闪蒸汽的压力和流量及氦气回收率；
[0154]
充分利用所述闪蒸汽的冷量，以对所述闪蒸汽进行逐级深冷分离处理，形成粗氦；
[0155]
对所述粗氦进行深度冷却分离纯化处理，形成纯氦；
[0156]
采用纯氦循环膨胀、纯氦液化膨胀和纯氦节流液化工艺，对所述纯氦进行液化处理，形成液态氦和制冷氦气；以及
[0157]
提供循环冷却介质，以在进行逐级深冷分离处理、深度冷却分离纯化处理和液化处理的过程中提供冷量；其中所述冷却介质包括所述制冷氦气。
[0158]
在一实施方式中，对所述闪蒸汽进行逐级深冷分离处理，包括：
[0159]
所述闪蒸汽依次通过温度逐渐变低的第一温度区间、第二温度区间、第三温度区间和第四温度区间，进行逐级深冷；
[0160]
其中，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℃；
[0161]
利用所述冷却介质的冷量，向所述第四温度区间和所述第三温度区间的上部空间提供冷量；
[0162]
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，利用所述第一液态物质通过所述第三温度区间，以向所述第三温度区间提供冷量；
[0163]
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，利用所述第二液态物质向所述第二温度区间提供冷量；
[0164]
所述方法还包括：提供一外接冷源，向所述第三温度区间提供冷量。
[0165]
本发明实施例的方法充分利用闪蒸汽压力流量控制、闪蒸汽冷量低温低压逐级脱除绝大部分烃类及氮气、粗氦(高温)中压脱氢、粗氦(常温)高压脱氮、粗氦低温高压纯化、纯氦低温高压膨胀及节流液化、纯氦低温高压膨胀循环及常温增压循环的技术手段。
[0166]
综上所述，本发明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和方法的优点和有益效果在于：
[0167]
(1)本发明实施的系统安装于原液化天然气大罐的前面，并安装在液化天然气出冷箱的节流j-t阀后的手阀旁通管道上，对原液化天然气工厂的生产操作不产生影响，并可回收来自不同装置节点处的液化天然气及不合格的粗氦。
[0168]
(2)本发明实施例充分利用液化天然气闪蒸汽的特性，在装置入口安装有闪蒸汽压力及流量控制阀，可以通过调节闪蒸汽的压力流量，以满足后续装置的压力流量要求及冷量需求，并最大程度的提高氦气回收率。
[0169]
(3)本发明实施例打破了现有技术或相关技术中先对闪蒸汽进行复温增压的常规技术手段，而是在一定的闪蒸汽压力下，充分利用了闪蒸汽的冷量，利用不同的温度区间，继续对闪蒸汽进行逐级深冷逐级分离操作，脱除掉绝大部分的烃类和氮气。这样，脱除掉大部分甲烷及氮气的粗氦的量就大大少于闪蒸汽的量而氦气回收率并没有受到多大影响，后续装置纯化及液化的能耗就大大降低了。
[0170]
(4)本发明实施例充分利用后路不同节点处的温度梯度为不同节点处的闪蒸汽及粗氦提供冷量，大大节省了能耗。
[0171]
(5)要生产出液氦，必须先对粗氦进行纯化，然后为高纯氦提供足够的冷量，本发明实施例提出循环装置，使得管路内的氦气能够循环，在控制氦气循环量的基础上，既能生产出液氦，又能为生成液氦提供冷量。
[0172]
(6)本发明实施例充分利用氦气的特性，采用高压氦气循环膨胀+高压氦气液化膨胀+中压氦气节流液化工艺，改善了膨胀机的工作条件，对膨胀机的设计加工要求大大降低了。
[0173]
在发明实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
[0174]
发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对发明实施例的限制。
[0175]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0176]
以上仅为发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制发明实施例，对于本领域的技术人员来说，发明实施例可以有各种更改和变化。凡在发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明实施例的保护范围之内。