本发明属于氦气分离提纯，涉及一种从bog中同时提取氦气和氢气的系统及方法。
背景技术：
1、氦气(he)，是一种稀有气体，无色无味，化学性质不活泼，一般状态下很难和其他物质发生反应；是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有资源之一，广泛应用于半导体制造、航空航天、医疗卫生等高新科技领域，市场需求逐步扩大。
2、氦气主要分布于地幔、空气、矿石及天然气中。空气中的氦气含量极少，仅为5ppm；在富氦天然气中，氦气的浓度为0.02％～5％，即200～50000mmp。因此，从天然气中提取氦气是其主要工业来源。
3、液化天然气(liquefied natural gas，简称lng)，是天然气的一种利用形式，主要成分是甲烷，被公认是地球上最干净的化石能源。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，液化天然气的质量仅为同体积水的45％左右。lng工厂生产lng的过程中会产生一定量的蒸发气体(boil off gas，bog)。氦气在bog中的浓度较高(其浓度可以达到15％)。bog的组成主要为he(沸点：-268.9℃)、ch4(沸点：-161.5℃)、n2(沸点：-195.8℃)、h2(沸点：-253℃)、o2(沸点：-183℃)、ar(沸点：-185.9℃)等。
4、目前天然气提氦的主要方法有变压吸附法(psa)、吸收法、膜分离法和深冷法。变压吸附法，以吸附剂分子筛为例，其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开。膜分离法，利用有些金属膜或有机膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性，来达到气体分离和纯化的目的。它是以膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解、扩散、渗透、脱附等步骤，产生组份间传递速率的差异来实现分离的。深冷法，又叫低温冷凝吸附法，是一种深冷提氦的方法，一般由常压液氮提供，可制得纯度99.99％的氦气。变压吸附法和膜分离法均不需要低温冷凝后分离气体，因此在能耗和材料消耗上优于深冷法。
5、氢气(h2)是氢元素形成的一种单质，常温常压下氢气是一种无色无味极易燃烧且难溶于水的气体。工业上一般从天然气或水煤气制氢气，而不采用高耗能的电解水的方法。
6、既然氦气和氢气均能从天然气中提取，那么能否有一种系统或者方法能从天然气副产物bog中同时提取并分离这两种气体呢？
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，一方面，本发明公开了一种从bog中同时提取氦气和氢气的系统，包括通过管道依次连接的第一膜分离系统、变压吸附纯化系统和氢气吸附系统；第一膜分离系统被设置为将bog中的非渗透气去除或部分去除，得到渗透气；变压吸附纯化系统被设置为将渗透气处理得到解析气和非解析气；氢气吸附系统被设置为将非解析气处理得到氦气和氢气。
2、在一些实施方案中，第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机；一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的bog；二级压缩机的出气口与变压吸附纯化系统的进气口连接；二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与一级膜分离装置的进气口连接；变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道与二级膜分离装置的进气口连接。
3、在一些实施方案中，第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机、三级膜分离装置和三级压缩机；一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的bog；三级压缩机的出气口与变压吸附纯化系统的进气口连接；二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与一级膜分离装置的进气口连接；三级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与二级膜分离装置的进气口连接；变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道与三级膜分离装置的进气口连接。
4、在一些实施方案中，第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机、三级膜分离装置和三级压缩机，以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门；一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的bog；三级压缩机的出气口与变压吸附纯化系统的进气口连接；二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与一级膜分离装置的进气口连接；三级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道和第一阀门4与二级膜分离装置的进气口连接；变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道和第二阀门10与三级膜分离装置的进气口连接；变压吸附纯化系统的解析气出气口还通过管道和第三阀门11与二级膜分离装置的进气口连接；二级膜分离装置与二级压缩机之间通过管道和第四阀门5连接；二级膜分离装置与三级压缩机之间通过管道和第五阀门7连接；
5、第一膜分离系统的工作流程被设置为：在bog中氦气浓度大于等于50000mmp的情形下，关闭第一阀门4、第四阀门5和第二阀门10，打开第三阀门11和第五阀门7，使得二级膜分离装置获得的渗透气直接进入三级压缩机，且变压吸附纯化系统的解析气返回到二级膜分离装置的进气口进行回收重复处理；在bog中氦气浓度小于50000mmp的情形下，打开第一阀门4、第四阀门5和第二阀门10，关闭第三阀门11和第五阀门7，使得二级膜分离装置获得的渗透气进入二级压缩机，三级膜分离装置得到的非渗透气返回到二级膜分离装置的进气口进行回收重新处理，且变压吸附纯化系统的解析气返回到三级膜分离装置的进气口进行回收重复处理。
6、在一些实施方案中，还包括氦气浓度监测系统，用于监测进入一级膜分离装置的bog中氦气的浓度。
7、在一些实施方案中，还包括与氦气浓度监测系统通信的控制系统，用于根据氦气浓度监测系统监测到的bog中氦气浓度控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门的开启与闭合，从而帮助完成第一膜分离系统的工作流程，具体为：
8、在氦气浓度监测系统监测到bog中氦气浓度大于等于50000mmp的情形下，控制系统关闭第一阀门4、第四阀门5和第二阀门10，打开第三阀门11和第五阀门7，使得二级膜分离装置获得的渗透气直接进入三级压缩机，且变压吸附纯化系统的解析气返回到二级膜分离装置的进气口进行回收重复处理；在氦气浓度监测系统监测到bog中氦气浓度小于50000mmp的情形下，控制系统打开第一阀门4、第四阀门5和第二阀门10，关闭第三阀门11和第五阀门7，使得二级膜分离装置获得的渗透气进入二级压缩机，三级膜分离装置得到的非渗透气返回到二级膜分离装置的进气口进行回收重新处理，且变压吸附纯化系统的解析气返回到三级膜分离装置的进气口进行回收重复处理。
9、在一些实施方案中，还包括第二膜分离系统和lng工厂；第二膜分离系统通过lng工厂与第一膜分离系统连接，使得含氦天然气经第二膜分离系统浓缩后再通过lng工厂获得bog用于第一膜分离系统、变压吸附纯化系统和氢气吸附系统处理，即bog为含氦天然气经第二膜分离系统浓缩后通过lng工厂制备lng时产生的副产物。
10、在一些实施方案中，第二膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离系统、第二膜分离系统的压缩机和二级膜分离系统，还包括第六阀门和第七阀门；第六阀门设置在一级膜分离系统与lng工厂的连接管道上；第七阀门设置在一级膜分离系统与第二膜分离系统的压缩机的连接管道上；
11、氦气浓度监测系统还用于监测进入一级膜分离系统的含氦天然气中氦气的浓度；控制系统还用于根据氦气浓度监测系统监测到的含氦天然气中氦气浓度控制第六阀门和第七阀门的开启与闭合，从而帮助完成第二膜分离系统的工作流程，具体为：
12、在氦气浓度监测系统监测到含氦天然气中氦气浓度大于等于500ppm的情形下，控制系统关闭第七阀门，打开第六阀门，使得含氦天然气通过一级膜分离系统直接进入lng工厂；在氦气浓度监测系统监测到含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，控制系统关闭第六阀门，打开第七阀门，使得含氦天然气通过一级膜分离系统经第二膜分离系统的压缩机和二级膜分离系统进入lng工厂。
13、在一些实施方案中，一级膜分离系统可将氦气提浓5～10倍。
14、在一些实施方案中，一级膜分离系统和所述二级膜分离系统共同作用可将氦气提浓10～40倍。
15、在一些实施方案中，第二膜分离系统的压缩机、一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机分别可将气体压缩，使得二级膜的入口压力高于一级膜入口压力0.2mpa，以此类推。
16、另一方面，本发明还公开了一种从bog中同时提取氦气和氢气的方法，包括以下步骤：
17、s1、将bog通入一级膜分离装置得到全部或者部分去除了非渗透气的渗透气；
18、s2、将步骤s1得到的渗透气用一级压缩机增压后进入二级膜分离装置，得到二级膜分离装置分离的渗透气和非渗透气；
19、s3、将二级膜分离装置分离的渗透气通过二级压缩机增压后进入三级膜分离装置，得到三级膜分离装置分离的渗透气和非渗透气；将二级膜分离装置分离的非渗透气返回到步骤s1中的一级膜分离装置的进气口，重复步骤s1-s3；
20、s4、将三级膜分离装置分选的渗透气通过三级压缩机增压后进入变压吸附纯化系统，得到非解析气和解析气；解析气返回到步骤s3中的三级膜分离装置的进气口，重复步骤s3和s4；
21、s5、将非解析气通过氢气吸附系统分离出氦气和氢气。
22、在一些实施方案中，还包括bog的获取方法，具体为：
23、1)将含氦天然气进行膜分离氦气提浓，除去或部分除去非渗透气，得到产品气；
24、2)将步骤1)得到的产品气用于lng工厂生产lng，同时产生获得bog；
25、步骤1)分两种情形处理：
26、a)在含氦天然气中氦气浓度大于等于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，除去或部分除去非渗透气，得到产品气；
27、b)在含氦天然气中氦气浓度大于等于200ppm但小于500ppm的情形下，含氦天然气通过一级膜分离系统后除去或部分除去一级膜分离系统分离的非渗透气，然后再经第二膜分离系统的压缩机压缩，进入二级膜分离系统进行膜分离氦气提浓，得到产品气；对于一级膜分离系统分离的非渗透气进行回收重新进入一级膜分离系统处理。
28、在一些实施方案中，第二膜分离系统的压缩机、一级压缩机、二级压缩机、三级压缩机分别可将气体压缩，使得二级膜的入口压力高于一级膜入口压力0.2mpa，以此类推。
29、本发明的有益效果包括：
30、1、本发明将膜分离、变压吸附、氢气吸附技术完美的结合起来，生产出高纯氦和高纯氢。
31、2、该技术比传统技术经济性更优，尤其是在氢气浓度较高的情况下，避免了催化燃烧脱氢诸多不利地方，将氢气燃烧掉，可以生产出高纯氦气和高纯氢气。
32、3、本发明中所涉及的膜分离的操作温度为40～60℃，优选50℃，温度高效率高，温度低分离效果好。40～60℃，温和，易控，安全。
33、4、对于bog中氦气浓度大小，以及含氦天然气中氦气浓度大小，双重选择，通过氦气浓度监测系统和控制系统的设置使得本发明能够自动化地实现对不同含氦天然气以及bog的处理。
34、5、通过一级膜分离将天然气中氦气浓度提高5～10倍，体积缩小为原来的1/5～1/10，作为原料气再进入lng工厂生产lng，其bog气体浓度是直接使用天然气做原料的5～10倍。
35、6、通过二级膜分离将天然气中氦气浓度提高10～40倍，体积缩小为原来的1/10～1/40，作为原料气再进入lng工厂生产lng，其bog气体浓度是直接使用天然气做原料的10～40倍。
36、7、该技术比直接从天然气提氦可大幅降低提氦成本，而且不影响原天然气正常使用。适合天然气量比lng工厂处理能力大5～10倍或10～40倍的情况。
37、8、该技术一旦推广，可以解决我国天然气中氦气浓度低，提氦成本高的问题，从氦气浓度500ppm以上，或者200ppm以上不足500ppm的天然气中提氦，经济性上都是可行的。
38、9、本发明的氦气回收率大于95％；天然气压力小于10mpa，在形成bog后的后续处理过程中压力1.0～2.0mpa；流量无限定。
39、lng工厂根据规模不同，其lng产能也不同，但都有其上限，从4万立方米/天到400万立方米/天不等，因此从天然气中提取氦气也会受到lng产能的限制。本发明不但将膜分离、变压吸附、氢气吸附技术完美的结合起来，生产出高纯氦和高纯氢，而且从天然气源头提氦，巧妙地结合下游的lng工厂，使得天然气处理量是原先lng工厂处理能力的5～10倍，甚至10～40倍，极大的提高了效能。
40、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
1.一种从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，包括通过管道依次连接的第一膜分离系统、变压吸附纯化系统和氢气吸附系统；所述第一膜分离系统被设置为将bog中的非渗透气去除或部分去除，得到渗透气；所述变压吸附纯化系统被设置为将所述渗透气处理得到解析气和非解析气；所述氢气吸附系统被设置为将所述非解析气处理得到氦气和氢气。
2.如权利要求1所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，所述第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机；所述一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的所述bog；所述二级压缩机的出气口与所述变压吸附纯化系统的进气口连接；所述二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与所述一级膜分离装置的进气口连接；所述变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道与所述二级膜分离装置的进气口连接。
3.如权利要求1所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，所述第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机、三级膜分离装置和三级压缩机；所述一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的所述bog；所述三级压缩机的出气口与所述变压吸附纯化系统的进气口连接；所述二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与所述一级膜分离装置的进气口连接；所述三级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与所述二级膜分离装置的进气口连接；所述变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道与所述三级膜分离装置的进气口连接。
4.如权利要求1所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，所述第一膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离装置、一级压缩机、二级膜分离装置、二级压缩机、三级膜分离装置和三级压缩机，以及第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门；所述一级膜分离装置的进气口用于接入待处理的所述bog；所述三级压缩机的出气口与所述变压吸附纯化系统的进气口连接；所述二级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道与所述一级膜分离装置的进气口连接；所述三级膜分离装置的非渗透气出气口通过管道和所述第一阀门4与所述二级膜分离装置的进气口连接；所述变压吸附纯化系统的解析气出气口通过管道和第二阀门10与所述三级膜分离装置的进气口连接；所述变压吸附纯化系统的解析气出气口还通过管道和第三阀门11与所述二级膜分离装置的进气口连接；所述二级膜分离装置与所述二级压缩机之间通过管道和所述第四阀门5连接；所述二级膜分离装置与所述三级压缩机之间通过管道和所述第五阀门7连接；
5.如权利要求4所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，还包括氦气浓度监测系统，用于监测进入所述一级膜分离装置的bog中氦气的浓度。
6.如权利要求5所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，还包括与所述氦气浓度监测系统通信的控制系统，用于根据所述氦气浓度监测系统监测到的bog中氦气浓度控制所述第一阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第四阀门和所述第五阀门的开启与闭合，从而帮助完成所述第一膜分离系统的工作流程，具体为：
7.如权利要求6所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，还包括第二膜分离系统和lng工厂；所述第二膜分离系统通过所述lng工厂与所述第一膜分离系统连接，使得含氦天然气经所述第二膜分离系统浓缩后再通过所述lng工厂获得所述bog用于所述第一膜分离系统、所述变压吸附纯化系统和所述氢气吸附系统处理，即所述bog为含氦天然气经所述第二膜分离系统浓缩后通过所述lng工厂制备lng时产生的副产物。
8.如权利要求7所述的从bog中同时提取氦气和氢气的系统，其特征在于，所述第二膜分离系统包括通过管道依次连接的一级膜分离系统、第二膜分离系统的压缩机和二级膜分离系统，还包括第六阀门和第七阀门；所述第六阀门设置在所述一级膜分离系统与所述lng工厂的连接管道上；所述第七阀门设置在所述一级膜分离系统与所述第二膜分离系统的压缩机的连接管道上；
9.一种从bog中同时提取氦气和氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.如权利要求9所述的从bog中同时提取氦气和氢气的方法，其特征在于，还包括bog的获取方法，具体为：
