CN115991493B - 一种基于lng冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，包括LNG冷却***、双级热泵精馏空气分离制氮***、甲烷水蒸气重整制氢***与合成氨***，双级热泵精馏空气分离制氮***将预处理后的空气分离出氮气并输送至合成氨***；甲烷水蒸气重整制氢***将甲烷与水充分反应后分离出氢气送至合成氨***，合成氨***将氮气与氢气混合后反应生成氨，并经冷却***分离出液氨；LNG冷却***作为双级热泵精馏空气分离制氮***中空气分离部分的换热冷源，同时作为合成氨***中氨分离模块换热器的冷源。利用LNG的冷能和开式热泵精馏技术，解决LNG气化过程的冷能浪费问题，解决空气分离环节精馏塔耗能严重的问题，实现能量的内部高效回收与梯级利用。

Description

一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***
技术领域
本发明涉及一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***。
背景技术
合成氨工业是名列前茅的高耗能产业，但是同时合成氨工业也是基础化学工业之一，产量居各种化工产品的首位。其产品氨是重要的化工原料，同时也是重要的氮素肥料。氮素肥料一般是先合成氨，然后再加工成各种铁盐或尿素，所以合成氨工业在生产生活中不可或缺。因此，我国现有众多的合成氨装置应成为改造节能的首要目标。由于合成氨需要氢气和氮气作为原料，其中氢气一般是以天然气为原料，通过水气变换制得；氮气是通过空气分离过程进行获取。在此过程中不仅需要大量的以能源物质为主的原材料，同时在生产过程中还对冷能需求较大。
天然气具有低碳环保，无味无毒，热值高等优点。随着对绿色环保以及生态环境需求显著提升，我国液化天然气LNG进口量逐年递增。在LNG接收终端，LNG需要加热气化成天然气以便后续利用。由于LNG通常通过海上运输，在接收终端通常以海水为热源来气化LNG，这不仅浪费了LNG大量宝贵的冷能，同时还会对海洋造成冷污染，影响海洋生物生存环境。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，包括LNG冷却***、双级热泵精馏空气分离制氮***、甲烷水蒸气重整制氢***与合成氨***，所述双级热泵精馏空气分离制氮***将预处理后的空气分离出氮气并输送至合成氨***；所述甲烷水蒸气重整制氢***将甲烷与水充分反应后生成氢气并送至合成氨***，所述合成氨***将氮气与氢气混合后反应生成氨，并经冷却***分离出液氨；所述LNG冷却***作为双级热泵精馏空气分离制氮***中空气分离部分的换热冷源，同时作为合成氨***中氨分离模块中换热器的冷源。
进一步的，所述双级热泵精馏空气分离制氮***包括一级热泵精馏***和二级热泵精馏***，所述一级热泵精馏***的输入端连接有用于空气预处理的气体处理组件，一级热泵精馏***的液氮输出端与二级热泵精馏***的输入端之间依次连接有主冷却器、压缩机A、换热器B、节流阀A、闪蒸罐A以及分流器A，一级热泵精馏***输出的富氧液空输送至二级热泵精馏***的提馏段，所述二级热泵精馏***的液氮输出端与合成氨***相连接；所述LNG冷却***通过以R23为中间载冷剂的循环回路与换热器B相连接，作为换热器B的冷源。
进一步的，所述一级热泵精馏***包括高压精馏塔、压缩机B、换热器C、节流阀B、换热器D、分流器B、换热器E以及闪蒸罐B，所述高压精馏塔的内部经过进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，高压精馏塔的输入端与气体处理组件相连接，高压精馏塔塔顶输出的蒸汽组分经压缩机B压缩后和塔底输出的液相组分在换热器C进行换热，换热器C的一个输出口与分流器B的输入端之间依次连接节流阀B和换热器D，所述分流器B的一个输出口与高压精馏塔的精馏段相连接，分流器B的另一个输出口与主冷却器相连接；所述换热器C的另一个输出口与闪蒸罐B之间连接换热器E，所述闪蒸罐B的气相出口与高压精馏塔的提馏段相连接，闪蒸罐B液相出口二级热泵精馏***的输入端相连接。
进一步的，所述二级热泵精馏***包括低压精馏塔、压缩机C、换热器F、节流阀C、节流阀D、换热器G、分流器C、换热器H以及闪蒸罐C，所述低压精馏塔的内部经进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，低压精馏塔的输入端与闪蒸罐B液相出口之间连接节流阀C，低压精馏塔塔顶输出的蒸汽组分经压缩机C压缩后和塔底输出的液相组分在换热器F进行换热，换热器F的一个输出口与分流器C的输入端之间依次连接节流阀D、换热器G，所述分流器C的一个输出口与低压精馏塔的精馏段相连接，分流器C的另一个输出口与合成氨***相连接；所述换热器F的另一个输出口与闪蒸罐C之间连接换热器H，所述闪蒸罐C的气相输出口与低压精馏塔的提馏段相连接。
进一步的，所述气体处理组件包括沿空气输送方向依次连接的压缩机D、换热器I、主冷却器，所述主冷却器的输出口与高压精馏塔的输入端相连接；所述换热器I与LNG冷却***之间有换热器V、换热器B，LNG冷却***通过以R23为中间载冷剂的循环回路与换热器B完成冷却后继续直接作为换热器I的冷源。
进一步的，所述甲烷水蒸气重整制氢***包括依次连接的混合器A、换热组件A、混合器B、预热组件、蒸汽重整反应器、换热组件B、变换反应器、气液分离器、分离组件，从混合器A输入的水经过换热组件A加热为水蒸气后与甲烷气体在混合器B中混合，混合器B输出的混合物经过预热组件预热后送入蒸汽重整反应器进行重整反应，之后经过换热组件B冷却降温后送入变换反应器进行变换反应，经过气液分离器分离，液态水组分回流至混合器A中，剩余气态组分经过分离组件分离，得到的氢气组分作为合成氨原料气流入合成氨***。
进一步的，所述换热组件A包括依次设置的换热器L、换热器M、换热器N；所述预热组件包括依次设置的预热器A、预热器B和预热器C；所述换热组件B包括依次设置的换热器O和换热器P；所述气液分离器与变换反应器之间连接有用于对反应产物进行冷却的换热器Q；所述分离组件包括分离器A和分离器B。
进一步的，所述合成氨***包括依次连接的原料混合器、第一段合成氨反应器、第二段合成氨反应器、第三段合成氨反应器、冷却器、闪蒸罐D以及混合器C，第三段合成氨反应器输出的气体经过冷却器冷却后进入闪蒸罐D分离出液氮，所述混合器C的一个输出口与原料混合器的输入端相连接。
进一步的，所述原料混合器与第一段合成氨反应器之间依次连接有压缩机D、换热器R、压缩机E以及换热器S，所述第一段合成氨反应器与第二段合成氨反应之间连接有换热器T，所述第二段合成氨反应器与第三段合成氨反应器之间连接有换热器U。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明设计合理，高效利用了LNG的冷能，解决了LNG气化过程的冷能浪费问题，气化后的NG一部分用于制氢原料，同时通过开式热泵精馏技术，解决了空气分离环节精馏塔耗能严重的问题，实现了能量的内部高效回收与梯级利用，用于高效率地制取高纯氮、氢气和氨气。
附图说明
图1是本发明实施例的构造示意图。
图中：
1-双级热泵精馏空气分离制氮***；2甲烷水蒸气重整制氢***；3-合成氨***；4- LNG冷却***；6-一级热泵精馏***；7-二级热泵精馏***；9-压缩机A；10-换热器B；11-节流阀A；12-闪蒸罐A；13-分流器A；14-高压精馏塔；15-压缩机B；16-换热器C；17-节流阀B；18-换热器D；19-分流器B；20-换热器E；21-闪蒸罐B；22-低压精馏塔；23-压缩机C；24-换热器F；25-节流阀C；26-节流阀D；27-换热器G；28-分流器C；29-换热器H；30-闪蒸罐C；31-压缩机D；32-换热器I；35-混合器A；36-混合器B；37-蒸汽重整反应器；38-变换反应器；39-气液分离器；40-换热器L；41-换热器M；42-换热器N；43-预热器A；44-预热器B；45-预热器C；46-换热器O；47-换热器P；48-换热器Q；49-分离器A；50-分离器B；51-原料混合器；52-第一段合成氨反应器；53-第二段合成氨反应器；54-第三段合成氨反应器55-冷却器；56-闪蒸罐D；57-混合器C；58-压缩机D；59-换热器R；60-压缩机E；61-换热器S；62-换热器T；63-换热器U；64-分流器； 65-载冷剂循环泵；66-换热器V；67--主冷却器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”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，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，包括LNG冷却***4、双级热泵精馏空气分离制氮***1、甲烷水蒸气重整制氢***2与合成氨***3，所述双级热泵精馏空气分离制氮***1将预处理后的空气分离出氮气并输送至合成氨***3，作为原料气；所述甲烷水蒸气重整制氢***2将甲烷与水充分反应后分离出氢气并输送至合成氨***3，作为原料气；所述合成氨***3将氮气与氢气混合后反应生成氨，并经冷却***分离出液氨；所述LNG冷却***4作为双级热泵精馏空气分离制氮***1中空气分离部分的换热冷源，LNG冷却***4同时作为合成氨***3中氨分离模块中换热器的冷源。
本实施例中，所述双级热泵精馏空气分离制氮***1包括一级热泵精馏***6和二级热泵精馏***7。所述一级热泵精馏***6的输入端连接有用于空气预处理的气体处理组件，一级热泵精馏***6的液氮输出端与二级热泵精馏***7的输入端之间依次连接有主冷却器67、压缩机A9、换热器B10、节流阀A11、闪蒸罐A12以及分流器A13，一级热泵精馏***6输出的富氧液空输送至二级热泵精馏***7的精馏段，所述二级热泵精馏***7的液氮输出端与合成氨***3相连接；所述LNG冷却***4的LNG输出段与换热器B10相连接，作为换热器B的冷源。工作时，一级热泵精馏***6输出的液氮在主冷却器67中升温后变为气态，同时经过压缩机A9压缩后，经过换热器B10降温、节流阀A11节流使之大部分液化，并且降低其压力至0.15bar；最后在闪蒸罐A12中进行气液分离，气体部分循环至压缩机A9进口继续循环，液体部分通过分流器A13进行分流，大部分送到二级热泵精馏***7的精馏段进行二级精馏，小部分作为产品送到储罐中。
本实施例中，所述一级热泵精馏***6包括高压精馏塔14、压缩机B15、换热器C16、节流阀B17、换热器D18、分流器B19、换热器E20以及闪蒸罐B21，所述高压精馏塔14的内部以进料塔板为界，经过进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，高压精馏塔14的输入端与气体处理组件相连接。在高压精馏塔14的精馏段中，蒸汽组分沿进料塔板上升进入压缩机B15加压提高组分温度，高压精馏塔14塔顶输出的蒸汽组分经压缩机B15压缩后和塔底输出的液相组分在换热器C16进行换热，换热器C16的一个输出口与分流器B19的输入端之间依次连接节流阀B17和换热器D18，所述分流器B19的一个输出口与高压精馏塔14的精馏段相连接，以便部分液氮回流至精馏塔；分流器B19的另一个输出口与主冷却器67相连接；所述换热器C16的另一个输出口与闪蒸罐B21之间连接换热器E20，所述闪蒸罐B21的气相出口与高压精馏塔14的提馏段相连接，闪蒸罐B21液相出口二级热泵精馏***7的输入端相连接。
本实施例中，所述二级热泵精馏***7包括低压精馏塔22、压缩机C23、换热器F24、节流阀C25、节流阀D26、换热器G27、分流器C28、换热器H29以及闪蒸罐C30，所述低压精馏塔22的内部经进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，低压精馏塔22的输入端与闪蒸罐B21液相出口之间连接节流阀C25，低压精馏塔22塔顶输出的蒸汽组分经压缩机C23压缩后和塔底输出的液相组分在换热器F24进行换热，换热器F24的一个输出口与分流器C28的输入端之间依次连接节流阀D26、换热器G27，所述分流器C28的一个输出口与低压精馏塔14的精馏段相连接，分流器C28的另一个输出口与合成氨***相连接；所述换热器F24的另一个输出口与闪蒸罐C30之间连接换热器H29，所述闪蒸罐C30的气相输出口与低压精馏塔14的提馏段相连接。
本实施例中，所述气体处理组件包括沿空气输送方向依次连接的压缩机D31、换热器I32、主冷却器67。所述主冷却器67的输出口与高压精馏塔14的输入端相连接；所述换热器I32中的空气通过中间载冷剂与LNG进行热交换。具体为：换热器I32的冷端与LNG冷却***4之间加入一个中间载冷剂的循环回路。中间载冷剂可采用不可燃的R23为介质，以隔绝LNG与空气的直接换热，避免潜在风险。LNG在换热器V66中将冷量传递给R23，冷却后的R23在换热器I32中对压缩空气进行预冷，温度升高后回到换热器V66，循环泵65为R23循环提供动力。由于氧气沸点高于氮气沸点，预处理后的空气经过压缩机D31压缩至0.60MPa后，通过换热器I32、主冷却器67降温至氧气的沸点以下（-168℃），变为气液两相混合物，随后作为原料气体输入高压精馏塔。
本实施例中，所述甲烷水蒸气重整制氢***2包括依次连接的混合器A35、换热组件A、混合器B36、预热组件、蒸汽重整反应器37、换热组件B、变换反应器38、气液分离器39、分离组件，从混合器A35输入的水经过换热组件A加热为水蒸气后与甲烷气体在混合器B35中混合，混合器B35输出的混合物经过预热组件预热后送入蒸汽重整反应器37进行重整反应，之后经过换热组件B冷却降温后送入变换反应器38进行变换反应，经过气液分离器39分离，液态水组分回流至混合器A35中，剩余气态组分经过分离组件分离，得到的氢气组分作为合成氨原料气流入合成氨***。工作时，甲烷水蒸气重整制氢***中水经过换热组件A加热为水蒸气后与甲烷气体在混合器B36中混合，经过预热组件预热至800℃，送入蒸汽重整反应器37进行重整反应，随后经过换热组件B进行冷却降温至400℃，送入变换反应器38中进行变换反应，反应产物进行冷却后，经过气液分离器39分离，液态水组分重新回流混合器A循环反应，剩余气态组分经过分离组件，最终得到氢气组分作为合成氨原料气流入下一级。
本实施例中，所述换热组件A包括依次设置的换热器L40、换热器M41、换热器N42；所述预热组件包括依次设置的预热器A43、预热器B44和预热器C45；所述换热组件B包括依次设置的换热器O46和换热器P47；所述气液分离器39与变换反应器38之间连接有用于对反应产物进行冷却的换热器Q48；所述分离组件包括分离器A49和分离器B50。
本实施例中，所述合成氨***3采用哈伯-博世法，包括依次连接的原料混合器51、第一段合成氨反应器52、第二段合成氨反应器53、第三段合成氨反应器54、冷却器55、闪蒸罐D56以及混合器C57，所述原料混合器51与第一段合成氨反应器52之间依次连接有压缩机D58、换热器R59、压缩机E60以及换热器S61，所述第一段合成氨反应器52与第二段合成氨反应53之间连接有换热器T62，所述第二段合成氨反应器53与第三段合成氨反应器54之间连接有换热器U63，第三段合成氨反应器54输出的气体经过冷却器55冷却后进入闪蒸罐D56分离出液氮，所述混合器C57的一个输出口与原料混合器51的输入端相连接。工作时，原料混合器51将双级热泵精馏空气分离制氮***和甲烷水蒸气重整制氢***送来的原料气混合后，在双级压缩（压缩机D58和压缩机E60）中间冷却压缩至15.6MPa，经过换热器S61降温至310℃后进入第一段合成氨反应器52中反应，随后通过换热器T62降温至330℃，再进入第二段合成氨反应器53中反应，经换热器U63降温至340℃，进入第三段合成氨反应器54中反应。从第三段合成氨反应器54出来的气体经过冷却器55冷却至-23℃后进入闪蒸罐D56分离出液氨，同时将大部分气体作为循环气引入原料混合器51入口与后续反应原料气混合重新反应，抽出部分作为弛放气排出，防止惰性气体堆积影响后续反应进行。
本实施例中，所述LNG冷却***4先作为空气分离部分的换热器B10、换热器I32的冷源，此时温度LNG温度升高至-148℃，进入合成氨***作为冷却器55冷源，用于冷却第三段合成氨反应器54出口的混合气。
本实施例中，冷却器55中由第三段合成氨反应器54出来的流股为左进右出；LNG冷却***4出来的流股为上进下出，冷却器55输出的NG气体经过分流器64分流后，一部分往储罐，一部分输送至到混合器B36中的甲烷处，作为甲烷重整制氢的原料。
具体实施过程：
启动阶段，双级热泵精馏空气分离制氮***中经过预处理后的空气经过压缩机D31压缩至0.60MPa后，由于氧气沸点比氮气高，空气通过换热器I32、主冷却器67继续降温至氧气的沸点以下（-168℃）后，此时原料气体变为气液两相混合物，进入高压精馏塔14。高压精馏塔以进料塔板为界，在进料塔板以上为精馏段，进料塔板以下为提馏段。在精馏段中，蒸汽组分沿进料塔板上升进入压缩机B15加压提高组分温度，通过换热器C16与塔底冷流股进行热交换，进入节流阀B17泄压，在通过换热器D18全冷凝为液氮，最后通过分流器B19部分回流至高压精馏塔14的精馏段，回流液体与后续上升的蒸汽换热，蒸汽遇冷后部分冷凝成液体，其中氧气更易被冷凝成液体流入提馏段，经过多次冷凝，在分流器B19出口得到浓度较高的液氮。在提馏段中，液相组分沿进料塔板从高压精馏塔底部流出，经过换热器C16与塔顶蒸汽组分热流股换热，再通过换热器E20进行加热，最后通过闪蒸罐B21进行分相，其中挥发度更高的液氮被蒸发为氮气重新回流至高压精馏塔14的提馏段，沿塔底上升至塔顶并从高压精馏塔14上部流出，闪蒸罐B21液相出口得到富氧液空。
从高压精馏塔顶部制得的液氮，在主冷却器67中升温后变为气态，同时经过压缩机A9压缩后，经过换热器B10降温、节流阀A11节流使之大部分液化，并且降低其压力至0.15bar。最后在闪蒸罐A12中进行气液分离，气体部分循环至压缩机A9进口继续循环，液体部分通过分流器A13进行分流，大部分送到低压塔精馏塔22进行二级精馏，小部分作为产品送到储罐中。
最后闪蒸罐B21液相出口的富氧液空经过节流降压变为气液两相，从第12块塔板入口送入低压精馏塔22，同时分流器A13分出的大部分液氮从第2块塔板送入低压精馏塔，蒸汽组分沿塔板上升进入压缩机C23加压提高组分温度，通过换热器F24与塔底冷流股进行热交换，进入节流阀D26泄压，再通过换热器G27全冷凝为液氮，最后通过分流器C28部分回流至低压精馏塔22的精馏段，回流液体与后续上升的蒸汽换热，蒸汽遇冷后部分冷凝成液体，其中氧气更易被冷凝成液体流入提馏段，经过多次冷凝，在分流器C出口得到浓度更高的液氮。在提馏段中，液相组分沿塔板从低压精馏塔22底部流出，经过换热器F24与塔顶蒸汽组分热流股换热，再通过换热器H29进行加热，最后通过闪蒸罐C30进行分相，其中挥发度更高的液氮被蒸发为氮气重新回流至低压精馏塔的提馏段，沿塔底上升至塔顶并从低压精馏塔上部流出，闪蒸罐C30液相出口得到浓度较高的氧气。
甲烷水蒸气重整制氢***中水经过换热器L40、换热器M41、换热器N42加热为水蒸气后与甲烷气体在混合器B36中混合，经过预热器A43、预热器B44、预热器C45预热至800℃，送入蒸汽重整反应器37进行重整反应，随后经过换热器O46、换热器P47进行冷却降温至400℃，送入变换反应器中进行变换反应，反应产物进行冷却后，经过气液分离器分离，液态水组分重新回流混合器A35入口循环反应，剩余气态组分经过分离器A49、分离器B50，最终得到氢气组分作为合成氨原料气流入下一级。
合成氨***采用哈伯-博世法，将双级热泵精馏空气分离制氮***和甲烷水蒸气重整制氢***送来的原料气混合后在双级压缩中间冷却压缩至15.6MPa，经过换热器S61降温至310℃后进入第一段合成氨反应器52中反应，随后通过换热器T62降温至330℃，再进入第二段合成氨反应器53中反应，经换热器U63降温至340℃，进入第三段合成氨反应器54中反应。从第三段合成氨反应器54出来的气体经过冷却器55冷却至-23℃后进入闪蒸罐D56分离出液氨，同时将大部分气体作为循环气引入原料混合器51入口与后续反应原料气混合重新反应，抽出部分作为弛放气排出，防止惰性气体堆积影响后续反应进行。
LNG冷却***4先作为空气分离部分的换热器B10、换热器I32的冷源，此时温度LNG温度升高至-148℃，进入合成氨***作为冷却器冷源，用于冷却第三段合成氨反应器54出口的混合气。
本发明的优点在于：高效利用了LNG的冷能，解决了LNG气化过程的冷能浪费问题，同时通过开式热泵精馏技术，解决了空气分离环节精馏塔耗能严重的问题，实现了能量的内部高效回收与梯级利用，用于高效率地制取高纯氮、氢气、氨气。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：包括LNG冷却***、双级热泵精馏空气分离制氮***、甲烷水蒸气重整制氢***与合成氨***，所述双级热泵精馏空气分离制氮***将预处理后的空气分离出氮气并输送至合成氨***；所述甲烷水蒸气重整制氢***将甲烷与水充分反应后生成氢气并送至合成氨***；所述合成氨***将氮气与氢气混合后反应生成氨，并经冷却***分离出液氨；所述LNG冷却***作为双级热泵精馏空气分离制氮***中空气分离部分的换热冷源，同时作为合成氨***中氨分离模块换热器的冷源；
所述双级热泵精馏空气分离制氮***包括一级热泵精馏***和二级热泵精馏***；所述一级热泵精馏***的输入端连接用于空气预处理的气体处理组件，一级热泵精馏***的液氮输出端与二级热泵精馏***的输入端之间依次连接有主冷却器、压缩机A、换热器B、节流阀A、闪蒸罐A以及分流器A，一级热泵精馏***输出的富氧液空输送至二级热泵精馏***的提馏段；所述二级热泵精馏***的液氮输出端与合成氨***相连接；所述LNG冷却***通过以R23为中间载冷剂的循环回路与换热器B相连接，作为换热器B的冷源；
所述一级热泵精馏***包括高压精馏塔、压缩机B、换热器C、节流阀B、换热器D、分流器B、换热器E以及闪蒸罐B，所述高压精馏塔的内部经过进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，高压精馏塔的输入端与气体处理组件相连接，高压精馏塔塔顶输出的蒸汽组分经压缩机B压缩后和塔底输出的液相组分在换热器C进行换热，换热器C的一个输出口与分流器B的输入端之间依次连接节流阀B和换热器D，所述分流器B的一个输出口与高压精馏塔的精馏段相连接，分流器B的另一个输出口与主冷却器相连接；所述换热器C的另一个输出口与闪蒸罐B之间连接换热器E，所述闪蒸罐B的气相出口与高压精馏塔的提馏段相连接，闪蒸罐B液相出口二级热泵精馏***的输入端相连接；
所述二级热泵精馏***包括低压精馏塔、压缩机C、换热器F、节流阀C、节流阀D、换热器G、分流器C、换热器H以及闪蒸罐C，所述低压精馏塔的内部经进料塔板分隔成上下分布的精馏段和提馏段，低压精馏塔的输入端与闪蒸罐B液相出口之间连接节流阀C，低压精馏塔塔顶输出的蒸汽组分经压缩机C压缩后和塔底输出的液相组分在换热器F进行换热，换热器F的一个输出口与分流器C的输入端之间依次连接节流阀D、换热器G，所述分流器C的一个输出口与低压精馏塔的精馏段相连接，分流器C的另一个输出口与合成氨***相连接；所述换热器F的另一个输出口与闪蒸罐C之间连接换热器H，所述闪蒸罐C的液相输出口与低压精馏塔的提馏段相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：所述气体处理组件包括沿空气输送方向依次连接的压缩机D、换热器I、主冷却器，所述主冷却器的输出口与高压精馏塔的输入端相连接；所述换热器I与LNG冷却***之间有换热器V、换热器B，LNG冷却***通过以R23为中间载冷剂的循环回路与换热器B完成冷却后继续直接作为换热器I的冷源。
3.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：所述甲烷水蒸气重整制氢***包括依次连接的混合器A、换热组件A、混合器B、预热组件、蒸汽重整反应器、换热组件B、变换反应器、气液分离器、分离组件，从混合器A输入的水经过换热组件A加热为水蒸气后与甲烷气体在混合器B中混合，混合器B输出的混合物经过预热组件预热后送入蒸汽重整反应器进行重整反应，之后经过换热组件B冷却降温后送入变换反应器进行变换反应，经过气液分离器分离，液态水组分回流至混合器A中，剩余气态组分经过分离组件分离，得到的氢气组分作为合成氨原料气流入合成氨***。
4.根据权利要求3所述的一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：所述换热组件A包括依次设置的换热器L、换热器M、换热器N；所述预热组件包括依次设置的预热器A、预热器B和预热器C；所述换热组件B包括依次设置的换热器O和换热器P；所述气液分离器与变换反应器之间连接有用于对反应产物进行冷却的换热器Q；所述分离组件包括分离器A和分离器B。
5.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：所述合成氨***包括依次连接的原料混合器、第一段合成氨反应器、第二段合成氨反应器、第三段合成氨反应器、冷却器、闪蒸罐D以及混合器C，第三段合成氨反应器输出的气体经过冷却器冷却后进入闪蒸罐D分离出液氨，所述混合器C的一个输出口与原料混合器的输入端相连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于LNG冷能的开式热泵空气分离与高效合成氨***，其特征在于：所述原料混合器与第一段合成氨反应器之间依次连接有压缩机D、换热器R、压缩机E以及换热器S，所述第一段合成氨反应器与第二段合成氨反应之间连接有换热器T，所述第二段合成氨反应器与第三段合成氨反应器之间连接有换热器U。
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