一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统

1.本发明属于节能环保技术领域，具体涉及一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统及方法。


背景技术：

2.液化天然气（lng）是一种运输成本低、节能环保并且安全可靠的能源。与煤炭、石油等化石能源相比较，天然气的杂质含量低，充分燃烧后产生的有害气体少，且燃烧热值与能量密度高，被认为地球上最清洁的化石能源。一般而言，lng通过海上运输，在接收端通常使用海水作为热源，直接将lng加热汽化为天然气后送入管网。lng通常为低温常压存储，温度约为-162℃，蕴含大量冷能，直接与海水换热则该冷能被全部浪费。
3.氨是最重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品之首。由于合成氨工艺氨的合成率较低，产生的合成气中含有大量未反应气体，因此通常采用冷凝法进行氨分离，该过程将消耗大量能量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统及方法，在冷凝分离液氨的同时可输出电能，既实现了lng冷能的梯级高效利用，又可降低合成氨工艺的能耗。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统，包括lng冷能发电系统和合成氨系统；所述氨合成系统与lng冷能发电系统由三个换热器耦合，以通过lng冷能来冷凝合成氨系统所生产的合成气中的氨气。
6.进一步的，所述合成氨系统包括混合器i、混合器ii、混合器iii、多级压缩机、压缩机、换热器i、换热器ii、换热器iii、换热器iv、换热器v、换热器vi、一段合成氨反应塔、二段合成氨反应塔、三段合成氨反应塔、水冷器i、水冷器ii、水冷器iii、氨分离器和氨闪蒸罐；所述混合器i、多级压缩机、混合器ii、压缩机和换热器i合成气冷侧依次连接；所述一段合成氨反应塔、换热器ii合成气热侧、水冷器i、二段合成氨反应塔、水冷器ii、三段合成氨反应塔、水冷器iii、换热器i合成气热侧、换热器iii合成气侧和换热器iv合成气热侧依次连接；所述换热器i合成气冷侧还与换热器ii合成气冷侧相连；所述换热器iv合成气冷侧还与混合器iii、混合器ii分别连接；所述混合器iii还与氨分离器、氨闪蒸罐分别连接；所述氨闪蒸罐还与氨分离器相连。
7.进一步的，所述lng冷能发电系统包括lng储罐、lng泵、膨胀机、发电机、辅助加热器、换热器iii、换热器v和换热器vi；所述lng泵与lng储罐、换热器iii天然气侧、换热器vi天然气侧、换热器v天然气侧、膨胀机、辅助加热器依次连接。
8.一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统的工作原理，包括以下步骤：混合器i接收新鲜的氮气和氢气，并将混合后的气体通入多级压缩机；
混合器ii接收来自压缩机多级压缩机的气体104和合成氨分离出后的过量气体126进行混合，得到混合气体105；压缩机接收混合气体105并进行压缩,得到压缩气106，随后压缩气106分别经所述换热器i、所述换热器ii预热，成为混合气108;；混合气108首先通入一段合成氨反应塔进行氨合成反应，反应后经换热器ii和水冷器i降温后进述进入二段合成氨反应塔进行氨合成反应，再经过水冷器ii降温后进入三段合成氨反应塔进行氨合成反应，再经水冷器iii和换热器i冷却，成为混合合成气116；混合合成气116依次经过换热器iii、换热器iv、换热器v和换热器vi降温冷却，成为混合合成气120；氨分离器在塔底分离出液氨121，其余的氢、氮、氨混合气124从塔顶分离，混合气124被输送至所述混合器iii；所述由氨分离器塔底分离出的液氨121被输送至氨闪蒸罐进一步提纯；所述氨闪蒸罐分离出高纯度的液氨122和过量的氢、氮、氨混合气123。过量的氢、氮、氨混合气123被输送至所述混合器iii与过量的氢、氮、氨混合气124混合，混合后的气体125被输送至所述换热器iv预热，随后与来自多级压缩机的气体104一同输送至混合器ii进行混合，进入到下一次合成氨循环；完成三段合成氨反应的粗合成气由lng进行冷凝。lng储罐内的液化天然气经lng泵加压后成为过冷液化天然气，再先后经过所述换热器iii、vi、v对粗合成气进行冷凝，接收粗合成气所放热量，再气化后成为天然气205；（205为液化天然气吸收粗合成气热量后气化而成的天然气）随后天然气进入膨胀机膨胀以输出机械功，膨胀机与发电机刚性连接，完成机械能到电能的转化；膨胀过后的天然气压力降至管网压力，经过辅助加热器被海水加热后输送到管网以供用户使用。
9.进一步的，所述lng储罐的液化天然气温度为-162℃，压力为0.1mpa，最终被辅助加热器加热至零度以上。
10.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明利用lng冷能代替传统制冷方式实现合成氨工艺中氨气的冷凝分离，可大幅降低合成氨工艺的能耗。同时lng吸收合成氨工艺中产生的热量，气化后进入膨胀机直接膨胀做功，带动发电机旋转将机械能转化为电能输出。通过lng直接膨胀发电与合成氨工艺的有机结合以及换热流程的高效匹配，既可实现lng冷能的梯级回收对外输出电能，又可降低合成氨工艺的能耗。
附图说明
11.图1是本发明系统结构示意图；图中：1-混合器i，2-多级压缩机，3-混合器ii，4-压缩机，5-换热器i，6-换热器ii，7-一段合成氨反应塔，8-水冷器i，9-二段合成氨反应塔，10-水冷器ii，11-三段合成氨反应塔，12-水冷器iii，13-换热器iii，14-换热器iv，15-换热器v，16-换热器vi，17-氨分离器，18-氨闪蒸罐，19-混合器iii，20-lng储罐，21-lng泵，22-膨胀机，23-发电机，24-辅助加热
器。
具体实施方式
12.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
13.请参照图1，本发明提供一种液化天然气冷能发电与合成氨联合系统，包括lng冷能发电系统和合成氨系统；合成氨系统包括三个混合器1、3、19，两个压缩机2、4，三个换热器5、6、14，三个合成氨反应塔7、9、11，三个水冷器8、10、12，氨分离器，氨闪蒸罐；lng冷能发电系统包括lng储罐，lng泵，膨胀机，发电机，辅助加热器。氨合成系统与lng冷能发电系统由换热器13、15、16耦合，以通过lng冷能来冷凝合成氨系统所生产的合成气。
14.混合器1接收新鲜的氮气101和氢气102，并将混合后的气体通入多级压缩机2加压；混合器3接收来自压缩机2的气体104和合成氨分离出的过量气体126进行混合，混合后的气体为105；压缩机4接收气体105并进行压缩，随后压缩气106分别经所述换热器5、所述换热器6预热，成为混合气108；混合气108通入所述一段合成氨反应塔7进行氨合成反应，反应后经所述换热器6和所述水冷器8降温后进入所述二段合成氨反应塔9进行氨合成反应，再经过所述水冷器10降温后进入所述三段合成氨反应塔11进行氨合成反应，再经所述水冷器12和所述换热器5冷却，成为混合气116。
15.混合气116先后经所述换热器13、所述换热器14、所述换热器15和所述换热器16降温冷却，成为混合气120。
16.所述氨分离器17从塔底分离出液氨121，而从塔顶分离出过量的氢、氮、氨混合气124，混合气124被输送至所述混合器19；塔底液氨121被输送至所述氨闪蒸罐18进一步提纯。
17.所述氨闪蒸罐分离出高纯度的液氨122和过量的氢、氮、氨混合气123，过量气体123被输送至所述混合器19与混合气124混合，混合后的气体125被输送至所述换热器14预热，随后与混合气104一同输送至混合器3进行混合，进入到下一次合成氨循环。
18.完成三段合成氨反应的粗合成气116由lng进行冷凝。所述lng储罐20内的液化天然气201温度为-162℃，压力为0.1mpa，经所述lng泵21加压至10mpa后成为过冷液化天然气202，再先后经过所述换热器13、16、15对粗合成气进行冷凝，接收粗合成气所放热量，再气化后成为天然气205。随后天然气进入所述膨胀机22膨胀以输出机械功，所述膨胀机与所述发电机23刚性连接，完成机械能到电能的转化。膨胀过后的天然气压力降至管网压力5mpa，经过所述辅助加热器24被加热至零度以上后进入管网以供用户使用。
19.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。