鉴于液化天然气（LNG）储罐中产生的蒸发气（BOG）含有较高浓度的氦气，本研究提出了一种基于三塔-氮膨胀法的低温提氦工艺，并通过Aspen HYSYS软件进行了模拟和优化。与传统的两塔-膨胀制冷提氦工艺相比，新工艺在多个关键指标上展现出了显著的优势。

传统两塔-膨胀制冷提氦工艺在分离效率和氦气产品浓度上存在一定的局限性。为了克服这些限制，本研究设计了一种新的三塔-氮膨胀法低温提氦工艺。通过模拟分析，该工艺在LNG液化率、氦气产品浓度和氦气回收率等方面均优于传统工艺。特别是在经过进一步优化后，新工艺能够在总功耗略有增加的情况下，使氦气产品浓度达到95.60%，氦气回收率达到99.99%，充分体现了其高效性和经济性。

氦气作为一种重要的工业气体，在多个领域具有广泛的应用，如工业气体保护焊接、医学核磁共振成像和航空航天超导体研究等。然而，我国氦气进口依赖度高，自给能力不足，因此提高氦气自产量具有重要意义。本研究针对LNG储罐BOG气体，通过设计和优化提氦工艺，旨在充分利用国内资源，提高氦气自产量，降低对外部市场的依赖。

在工艺设计和模拟优化过程中，本研究考虑了多个关键参数的影响，如理论塔板数、进料温度、进料压力、气相流率和回流比等。通过对这些参数的精细调控和优化，实现了新工艺的高效稳定运行，并提高了氦气产品的浓度和回收率。

综上所述，本研究提出的LNG储罐BOG气体三塔-氮膨胀法低温提氦工艺在氦气提取方面展现出了显著的优势。该工艺不仅提高了氦气产品的浓度和回收率，而且通过优化关键参数，实现了高效稳定运行。未来，该工艺有望在国内氦气生产领域得到广泛应用，对于提高我国氦气自给能力、降低进口依赖度具有重要意义。

三塔-氮膨胀法低温提氦工艺设计

传统BOG气体提氦工艺及模拟

某工厂LNG储罐的含氦BOG处理量为417kmol/h，模拟采用的原料气参数见表1。

氮气、氢气和氦气的沸点分别为77K、22K和4K，因而分离难度大，利用低温提氦工艺得到的氦气产品浓度偏低，且工艺能耗偏高。文献[6]对比了膨胀制冷+氮气循环制冷与克劳特循环工艺，在原料气相同的情况下，膨胀制冷+氮气循环制冷得到的氦气产品浓度高于克劳特循环工艺，一定程度解决了低温提氦工艺中粗氦浓度偏低的问题。膨胀制冷+氮气循环制冷分为前膨胀提氦和后膨胀提氦，相比于前膨胀提氦，后膨胀提氦可以利用膨胀比灵活地控制下一级提氦塔的流体温度，对塔的要求较低，操作灵活，且不影响冷量交换和分离等其他环节。考虑到原料气中氮含量为14.67%，因而采用后膨胀+循环制冷提氦工艺。

以后膨胀+循环制冷为基础的传统两塔-膨胀制冷提氦工艺流程见图2。利用ApsenHYSYS软件对上述工艺进行模拟，物性方程选用天然气处理中应用最普遍、物性计算准确度较高的Peng-Robinson方程。

传统两塔-膨胀制冷提氦工艺流程模拟图见图3。该工艺主要由氮膨胀制冷循环单元和提氦单元组成，包含两个提氦塔、3个换热器、1个膨胀机和4个压缩机。氦气含量约为2.5%的原料气进入压缩机K-100加压至300kPa，通入一级提氦塔，分离出大部分的甲烷，其中塔底甲烷的含量为99%；塔顶为富氮混合气体，其中氦气含量为8.41%。塔顶气体经过LNG换热器LNG-103后，二级提氦塔塔底出来的液氮继续回流至LNG换热器LNG-100和LNG-101，回收其冷量。二级提氦塔塔顶冷凝器流出的粗氦依次进入LNG-103、LNG-100和LNG-101回收冷量，产出的粗氦进入粗氦纯化系统，最后得到氦气产品（20℃、235kPa、10.426kmol/h）的纯度为52.13%。传统两塔-膨胀制冷提氦工艺流程主要流股参数见表2。

图2传统两塔-膨胀制冷提氦工艺流程

V-101—LNG储罐；K-100、K-102、K-103、K-104—压缩机；LNG-100、LNG-101、LNG-103—换热器；K-101—膨胀机；T-102、T-103—提氦塔；E-100、E-101、 E-102、E-103—冷却器；RCY-1—循环器

图3传统两塔-膨胀制冷提氦工艺流程模拟

三塔-氮膨胀法低温提氦工艺及模拟

为提高氦气产品浓度，在传统两塔-膨胀制冷提氦工艺的基础上加入第三提氦塔。第三提氦塔（T-104）塔顶气体经过LNG-103后，二级提氦塔（T-103）塔底出来的液氮继续回流至LNG-103、LNG-100和LNG-101，回收其冷量。二级提氦塔（T-103）采出的粗氦再次进入第三提氦塔，塔顶冷凝器流出的粗氦依次经过LNG-103、LNG-100和LNG-101，回收冷量。产出粗氦进入粗氦纯化系统，最后得到纯度为94.77%的氦气（20℃、225kPa、10.427kmol/h）。三塔-氮膨胀法低温提氦工艺流程模拟图见图4。参考两塔工艺确定主要工艺参数后，利用HYSYS软件进行工艺模拟得到的主要流股参数见表3。

T-104—提氦塔；VLV-100—节流阀

图4 三塔-氮膨胀法低温提氦工艺模拟流程

为了充分利用LNG（液化天然气）储罐中BOG（蒸发气体）的高氦含量优势，本文开发了一种创新的低温提氦工艺，即基于后膨胀与氮循环制冷相结合的三塔-氮膨胀法。该工艺旨在通过精细调控和充分利用不同温位的冷量，实现原料气的有效降温和精馏，从而提高整体的能量效率和氦气提取效果。

通过对三塔-氮膨胀法低温提氦工艺进行深入研究，本文得到了以下主要结论：

工艺创新与优势：与传统的两塔-膨胀制冷提氦工艺相比，三塔氮膨胀法低温提氦工艺不仅操作更为简化，而且在能耗增加有限的条件下，能够显著提高氦气产品的浓度。实验结果显示，该工艺可使氦气产品浓度达到95.60%，同时维持了LNG液化率约86%和氦气回收率高达99.99%，从而实现了工艺综合性能的显著提升。

关键参数优化：针对三塔-氮膨胀法低温提氦工艺中的一级提氦塔，本文进行了详细的参数优化分析。通过对理论塔板数、进料温度、进料压力、气相流率和回流比等关键参数的调整和优化，确保了提氦塔的稳定运行，并保证了氦气回收率不低于99.99%。最终确定一级提氦塔的理论塔板数为10，回流比控制在4.74.9之间，气相流率控制在8090kmol/h。经过优化，一级提氦塔的能耗显著降低至854.66kW，总能耗降至1459.74kW，单位能耗降低至140.01kW·h/kmol，总能耗相比优化前减少了35.36%，显示出显著的工艺性能提升。

综上所述，基于后膨胀+氮循环制冷的三塔-氮膨胀法低温提氦工艺不仅充分利用了LNG储罐中BOG的高氦含量优势，而且通过精细的参数优化和冷量利用，实现了高氦气产品浓度、高LNG液化率和接近完美的氦气回收率，同时显著降低了能耗，展现了优异的工艺性能和市场应用潜力。

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