專利名稱：礦井瓦斯氣的低溫分離設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種氣體分離設(shè)備，特別涉及一種礦井瓦斯氣的低溫分離設(shè)備。
背景技術(shù)：
采煤過程中抽放的煤層氣即礦井瓦斯氣，因為壓力低，甲烷含量低，其中混有空氣，給 這種氣體的加工和運輸帶來了困難，通常都是把它排放到大氣中。這不但造成了嚴(yán)重的大氣 污染，也造成很大的資源浪費。如果把這種瓦斯氣中的煤層氣(主要是甲烷)和空氣分離出 來，這就會使運輸和利用都變得很方便。
常規(guī)的分離方法有吸收法、吸附法、薄膜滲透法和低溫精餾法等。前面幾種方法，分離 的純度很難達到要求，有的回收率低，有的還需要加熱，混有空氣的瓦斯氣在高溫下易爆炸 ，存在安全隱患，因此沒有能夠得到應(yīng)用。美國BCCK工程公司實用新型了一種工藝，是先將 混有空氣的礦井瓦斯氣壓縮，然后用接觸氧化法把其中的氧氣脫除，然后脫除硫化氫和二氧 化碳，再脫除水分，最后再用節(jié)流制冷分離的方法把氮氣脫除。這種工藝設(shè)備比較復(fù)雜。于 2007年10月提出的內(nèi)容為"空氣回?zé)崾降V井瓦斯氣分離液化方法及設(shè)備"中國專利申請中， 描述了一種低溫分離液化工藝(申請?zhí)枮?00720178398.3)，這種工藝及設(shè)備比美國BCCK 的工藝要簡單，而且能直接生產(chǎn)出液體的甲烷。但是，由于其工藝生產(chǎn)的是液體天然氣產(chǎn)品 ，因此適合于遠(yuǎn)距離輸送，而對于近距離、只需要氣態(tài)天然氣產(chǎn)品的場合，就不適用。

實用新型內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種礦井瓦斯氣的低溫分離設(shè)備，通過采用分離 出的液體甲烷并使其返回到熱交換器回收冷量，從而能夠顯著地降低能耗，并生產(chǎn)出便于使 用的氣體天然氣產(chǎn)品。
本實用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下包括壓縮凈化設(shè)備、制冷設(shè)備、分離設(shè) 備和輔助設(shè)備；所述分離設(shè)備包括有依次相連的換熱器和一個分餾塔，壓縮凈化設(shè)備的原料 氣輸出管路與分離設(shè)備中的換熱器的原料氣輸入通道連接，制冷設(shè)備的制冷管路與分離設(shè)備 的換熱器的制冷通道連接，所述分離設(shè)備的換熱器的原料氣輸出管道與位于分餾塔中部的原 料氣輸入口相連；分餾塔頂部具有冷凝器，同時其頂部還設(shè)有氣體管路將低溫空氣引回到換熱器中；分餾塔底部具有蒸發(fā)器，同時底部設(shè)有液體管路將液態(tài)天然氣依次引回到換熱器中 ，再連接到氣態(tài)天然氣輸出管道。
所述輔助設(shè)備可以是制氮設(shè)備。制氮設(shè)備可以為變壓吸附制氮機或空氣分離制氮機，制 氮機的氮氣輸出管線與凈化設(shè)備的再生管路、還有氮氣制冷系統(tǒng)的氮氣管路相連接。輔助設(shè) 備還可以有天然氣壓縮機，天然氣壓縮機的進氣管道與液化分離設(shè)備中換熱器的天然氣出氣 管相連接。
本實用新型的有益效果是僅需要一個分餾塔，而不需要建昂貴的液化天然氣儲槽，就 可以生產(chǎn)出氣體天然氣產(chǎn)品，氣體產(chǎn)品使用方便，具有單位能耗低、成本低的優(yōu)點，尤其適 合近距離利用煤礦瓦斯氣的場合。
進一步，所述分餾塔頂部的氣體管路將低溫空氣引回到換熱器后，再連接到膨脹機，然 后再連接到換熱器。
進-一止 少，輸入到分餾塔中部的原料氣輸入口的原料氣的溫度在攝氏負(fù)82.5度以下。
進-一止 少，換熱器的原料氣輸出管路先連接一個減壓閥，然后再連接到分餾塔中部的輸入
進-一止 少，分餾塔底部的液體輸出管路先連接一個減壓閥，然后再連接到換熱器。
進-一止 少，所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與換熱器的制冷介質(zhì)管路相連通。
進-一止 少，所述分餾塔的冷凝器制冷管路與換熱器的制冷介質(zhì)管路相連通。
進-一止 少，所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與原料氣管路相連通。
進-一止 少，所述制冷設(shè)備為氣體膨脹制冷設(shè)備或混合制冷劑制冷設(shè)備。
進-一止 少，所述壓縮凈化設(shè)備中的凈化設(shè)備是分子篩吸附凈化器，或者是由胺吸收塔與再
生塔組成的凈化系統(tǒng)。
進一步，所述輔助設(shè)備是制氮設(shè)備。
進一步，所述輔助設(shè)備是天然氣壓縮機，其天然氣的入口管道與換熱器的天然氣出口管 道相連接。
本實用新型的礦井瓦斯氣的低溫分離設(shè)備，利用了我國豐富的煤礦瓦斯氣資源，將甲烷 含量低的瓦斯氣提純?yōu)榧兲烊粴?，并且采用回收利用液體冷量的方法，降低了能耗，減少了 成本，生產(chǎn)出的氣體天然氣更有利于近距離運輸和使用。


圖l為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中壓縮凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖3為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中制冷設(shè)備和分離設(shè)備第一實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖4為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中制冷設(shè)備和分離設(shè)備第二實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖5為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中分餾塔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型， 并非用于限定本實用新型的范圍。
圖l為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，包括壓縮凈化設(shè) 備、制冷設(shè)備、分離設(shè)備和輔助設(shè)備；所述分離設(shè)備包括有依次相連的換熱器和一個分餾塔 ，壓縮凈化設(shè)備的原料氣輸出管路與分離設(shè)備中的換熱器的原料氣輸入通道連接，制冷設(shè)備 的制冷管路與分離設(shè)備的換熱器的制冷通道連接，所述分離設(shè)備的換熱器的原料氣輸出管道 與位于分餾塔中部的原料氣輸入口相連；分餾塔頂部具有冷凝器，同時其頂部還設(shè)有氣體管 路將低溫空氣引回到換熱器中；分餾塔底部具有蒸發(fā)器，同時底部設(shè)有液體管路將液態(tài)天然 氣依次引回到換熱器中，再連接到氣態(tài)天然氣輸出管道。
在本實用新型中將礦井瓦斯原料氣壓縮凈化，除去原料氣中的雜質(zhì)，得到壓縮凈化的礦 井瓦斯氣；將壓縮凈化后的礦井瓦斯氣通入換熱器，使其溫度冷卻到攝氏負(fù)82.5度以下；將 冷卻后的礦井瓦斯氣通入一個分餾塔的中部，經(jīng)分餾塔底部的蒸發(fā)器的蒸發(fā)和頂部冷凝器的 冷凝、塔內(nèi)的氣體與液體進行充分的質(zhì)、熱交換，在分餾塔頂部得到高純度的低溫空氣，分 餾塔底部得到高純度的液態(tài)天然氣；將從分餾塔底部分離出的液態(tài)天然氣弓1入換熱器中作為 制冷氣回收冷量，即得到氣態(tài)天然氣，同時，將從分餾塔頂部分離出的低溫空氣也引入換熱 器中回收冷量。
圖2為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備壓縮凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該 壓縮凈化設(shè)備包括過濾器l、氣液分離器2、壓縮機3、冷卻器4、氣液分離器5、分子篩凈化 設(shè)備組。所述分子篩凈化設(shè)備組包括第一臺分子篩干燥機6和第二臺分子篩干燥機7，當(dāng)?shù)谝?臺分子篩干燥機6工作時，第二臺分子篩干燥機7加熱再生、冷卻備用，每12小時切換一次。 該分子篩干燥機主要用來脫除水和二氧化碳。所述分子篩凈化設(shè)備組還連接有過濾器8和加 熱器9。另外，還有一臺變壓吸附制氮機10提供氮氣，用于置換壓縮凈化設(shè)備中的氣體。這種分子篩凈化設(shè)備是常規(guī)技術(shù)，這里不再詳細(xì)說明。
在本實用新型中自排放管道來的礦井瓦斯氣原料氣首先經(jīng)過濾器l除去灰塵；除塵后的 礦井瓦斯氣進入氣液分離器2氣液分離后，氣體進入壓縮機3壓縮；壓縮后經(jīng)冷卻器4冷卻， 然后經(jīng)氣液分離器5去除游離水；礦井瓦斯氣先進入第一臺分子篩干燥機6，脫出水和二氧化 碳，變壓吸附制氮機10提供的氮氣后，再進入第二臺分子篩干燥機7，置換其中的瓦斯氣， 然后用流程中產(chǎn)生的潔凈空氣經(jīng)加熱器9加熱至24(TC-25(rC，用于第二臺分子篩干燥機7的 再生；加熱再生完成后，將潔凈空氣不經(jīng)過加熱，直接輸入第二臺分子篩干燥機7，冷卻分 子篩，降低第二臺分子篩干燥機7的溫度，然后再用氮氣置換第二臺分子篩干燥機7中的空氣 ，備用；經(jīng)分子篩干燥機脫除水和二氧化碳的原料氣再經(jīng)過濾器8即可進入制冷設(shè)備和分離 設(shè)備。
圖3為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中制冷設(shè)備和分離設(shè)備第一實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。如圖3所示，在本實施例中，所述分離設(shè)備包括四級換熱器即第一換熱器ll、第二換 熱器17、第三換熱器12、第四換熱器13和分餾塔15。所述分餾塔頂部有冷凝器16，分餾塔底 部有蒸發(fā)器14，冷凝器16的制冷管道與制冷氣的管道相連，蒸發(fā)器14的加熱管道在第一換熱 器11和第三換熱器12之間與制冷氣的管道相連。原料氣管道依次與第一換熱器ll、第二換熱 器17、第三換熱器12和第四換熱器13相連，第四換熱器13的原料氣出口管道與分餾塔15的中 部相連。所述分餾塔15頂部有氣體管道依次與第四換熱器13、第三換熱器12和第二換熱器17 ，膨脹機18，第四換熱器13、第三換熱器12、第二換熱器17和第一換熱器11相連。所述分餾 塔15底部還有液體管路將液體天然氣通過閥門依次連接到第四換熱器13、第三換熱器12、第 二換熱器17和第一換熱器11，然后連接到輔助設(shè)備即天然氣壓縮機(天然氣壓縮機未在圖中 表示)。
所述制冷設(shè)備為壓縮膨脹制冷系統(tǒng)，采用了一臺壓縮機19、冷卻器20、 22、帶透平增壓 機21的透平膨脹機23。制冷氣管道在第一換熱器11和第三換熱器12之間與蒸發(fā)器14的加熱管 道相連，膨脹機23的排氣管路與冷凝器16的制冷管道相連，然后依次與第四換熱器13、第三 換熱器12、第二換熱器17和第一換熱器11相連。
所述制冷設(shè)備可以是氮氣膨脹制冷設(shè)備或者氮、甲烷膨脹制冷設(shè)備，包括有壓縮機、膨 脹機等，也可以用混合制冷劑制冷設(shè)備，包括有混合制冷壓縮機、冷卻器、氣液分離器等
在本實用新型中經(jīng)壓縮凈化的礦井瓦斯原料氣(甲烷45%，空氣55%)進入第一換熱器ll 、第二換熱器17、第三換熱器12和第四換熱器13中被制冷氣體冷卻，降低溫度達到約-175'C ;溫度下降后的原料氣進入分餾塔15的中部，其液體自上而下流過塔板，在分餾塔15底部的
7蒸發(fā)器14內(nèi)原料氣液體的一部分被蒸發(fā)為氣體，加熱溫度約為-14(TC，被蒸發(fā)的氣體向上流 動與向下流動的液體進行熱、質(zhì)交換；向上流動的氣體到達分餾塔頂部，又被分餾塔頂部的 冷凝器16冷凝，其中一部分冷凝為液體，向下回流，同樣又與氣體再進行熱、質(zhì)交換。冷凝 器16的冷凝溫度約為-18(TC;從分餾塔的頂部放出的氣體是潔凈的空氣，流量為原料氣的 55%，這部分氣體含甲烷量小于O. 1%，溫度約為-178。C，先經(jīng)過第四換熱器13、第三換熱器 12和第二換熱器17回收一部分冷量，然后，再經(jīng)過膨脹機18膨脹，再依次進入第四換熱器13 、第三換熱器12、第二換熱器17和第一換熱器11回?zé)幔M一步回收冷量；從分餾塔12底部出 來的就是純度很高的液化天然氣。流量為原料氣的45%，純度達到99.9%以上，溫度約為-143 °C。這部分液體天然氣經(jīng)閥門減壓后，依次進入第四換熱器13、第三換熱器12、第二換熱器 17和第一換熱器11氣化、回?zé)?，回收冷量，從第一換熱器ll出來的氣體天然氣可送往天然氣 壓縮機，生產(chǎn)壓縮天然氣。
上述液化分離過程中第四換熱器13、第三換熱器12、第二換熱器17、第一換熱器ll和冷 凝器16所需要的冷量都是由制冷系統(tǒng)提供的，所述制冷設(shè)備包括依次連接的壓縮機19，冷卻 器20，透平增壓機21和冷卻器22，然后連接第一換熱器ll，從第一換熱器ll出來再進一步連 接蒸發(fā)器14的管道，然后制冷管道連接第三換熱器12，第三換熱器12的制冷管道再和透平膨 脹機23的進氣口連接，透平膨脹機23的排氣口再和冷凝器16的制冷管道連接，再依次連接第 四換熱器13、第三換熱器12、第二換熱器17和第一換熱器11的冷介質(zhì)通道，最后，連接到壓 縮機19的入口 。透平增壓機21由透平膨脹機23的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動。
在本實用新型的制冷系統(tǒng)啟動之前，系統(tǒng)內(nèi)充滿氮氣作為制冷氣；啟動制冷系統(tǒng)，制冷 氣先經(jīng)壓縮機19壓縮，在冷卻器20中冷卻，再經(jīng)過透平增壓機21增壓，再經(jīng)冷卻器22冷卻， 進入第一換熱器ll預(yù)冷，溫度降低到-128'C;制冷氣再經(jīng)蒸發(fā)器14的管道(溫度為-143'C) 被進一步冷卻到-142。C，然后制冷氣進入第三換熱器12，被進一步冷卻到-15(TC，再進入透 平膨脹機23膨脹制冷；從透平膨脹機23膨脹后的制冷氣溫度為-182'C，它先進入冷凝器16的 制冷管道，為冷凝器16提供冷源，隨后，制冷氣溫度升高，再返流進入第四換熱器13用來冷 卻原料氣；從第四換熱器13的熱端出來的制冷氣再依次進入第三換熱器12、第二換熱器17和 第一換熱器ll，作為換熱器的冷源，制冷氣體復(fù)熱后，再回到壓縮機19入口，重新壓縮、增 壓、冷卻、膨脹制冷，如此循環(huán)。
圖4為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中制冷設(shè)備和分離設(shè)備第二實施例的結(jié)構(gòu)示 意圖。如圖4所示，在本實施例中，所述分離設(shè)備的換熱器、分餾塔與第一實施例基本相同 ，在此不再重復(fù)說明。不同之處在于，先使原料氣通過第一換熱器24冷卻到(TC至-5(rC，然后經(jīng)過分餾塔28底部的蒸發(fā)器27為蒸發(fā)器提供熱量，同時原料氣本身得到預(yù)冷。因此，在設(shè) 備上，分餾塔28的蒸發(fā)器27的加熱管路與原料氣管路相連通，然后原料氣再經(jīng)過第三換熱器 25和第四換熱器26冷卻至-15(TC -1S(TC，使大部分礦井瓦斯氣冷卻為液體，再進入分餾塔 28的中部。另外一點不同之處是，制冷系統(tǒng)采用了混合制冷劑制冷的方法，混合制冷劑系統(tǒng) 由混合制冷劑壓縮機系統(tǒng)32、 35，后冷卻器33、 36，氣液分離器34、 37和幾個節(jié)流閥門組成 ，這是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，在這里不需要敘述。只是在設(shè)備上，分餾塔的冷凝器29的制冷介質(zhì) 管路是與混合制冷劑制冷設(shè)備的制冷管路連通，不同于第一實施例中與氮氣制冷的膨脹機制 冷氣管路相連通。
圖5為本實用新型礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備中分餾塔的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，同時參 見圖3，所述分餾塔15的頂部設(shè)有冷凝器16，分餾塔15的底部設(shè)有蒸發(fā)器14。第二實施例中 的分餾塔28與第一實施例中的分餾塔15的結(jié)構(gòu)相同。
本實用新型中的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備與申請?zhí)枮?00720178398. 3的專利申請相比， 本實用新型不需要建昂貴的液化天然氣儲槽，生產(chǎn)的氣體產(chǎn)品便于近距離使用，單位能耗也 低。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的 精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，包括壓縮凈化設(shè)備、制冷設(shè)備、分離設(shè)備和輔助設(shè)備；所述分離設(shè)備包括有依次相連的換熱器和一個分餾塔，壓縮凈化設(shè)備的原料氣輸出管路與分離設(shè)備中的換熱器的原料氣輸入通道連接，制冷設(shè)備的制冷管路與分離設(shè)備的換熱器的制冷通道連接，所述分離設(shè)備的換熱器的原料氣輸出管道與位于分餾塔中部的原料氣輸入口相連；分餾塔頂部具有冷凝器，同時其頂部還設(shè)有氣體管路將低溫空氣引回到換熱器中；分餾塔底部具有蒸發(fā)器，同時底部設(shè)有液體管路將液態(tài)天然氣依次引回到換熱器中，再連接到氣態(tài)天然氣輸出管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在于所 述分餾塔頂部的氣體管路將低溫空氣引回到換熱器后，再連接到膨脹機，然后再連接到換熱器。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在于輸 入到分餾塔中部的原料氣輸入口的原料氣的溫度在攝氏負(fù)82.5度以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在于換熱器的原料氣輸出管路先連接一個減壓閥，然后再連接到分餾塔中部的輸入口。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在于分 餾塔底部的液體輸出管路先連接一個減壓閥，然后再連接到換熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在 于所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與換熱器的制冷介質(zhì)管路相連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在 于所述分餾塔的冷凝器制冷管路與換熱器的制冷介質(zhì)管路相連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在 于所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與原料氣管路相連通。
9 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在 于所述制冷設(shè)備為氣體膨脹制冷設(shè)備或混合制冷劑制冷設(shè)備。
10 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征 在于所述壓縮凈化設(shè)備中的凈化設(shè)備是分子篩吸附凈化器，或者是由胺吸收塔與再生塔組 成的凈化系統(tǒng)。
11 根據(jù)權(quán)利要求l-5任一所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征 在于所述輔助設(shè)備是制氮設(shè)備。
12 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，其特征在于 所述輔助設(shè)備是天然氣壓縮機，其天然氣的入口管道與換熱器的天然氣出口管道相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種礦井瓦斯氣低溫分離設(shè)備，包括壓縮凈化設(shè)備、制冷設(shè)備、分離設(shè)備和輔助設(shè)備；所述分離設(shè)備包括有依次相連的換熱器和一個分餾塔，壓縮凈化設(shè)備的原料氣輸出管路與分離設(shè)備中的換熱器的原料氣輸入通道連接，制冷設(shè)備的制冷管路與分離設(shè)備的換熱器的制冷通道連接，所述分離設(shè)備的換熱器的原料氣輸出管道與位于分餾塔中部的原料氣輸入口相連；分餾塔頂部具有冷凝器，同時其頂部還設(shè)有氣體管路將低溫空氣引回到換熱器中；分餾塔底部具有蒸發(fā)器，同時底部設(shè)有液體管路將液態(tài)天然氣依次引回到換熱器中。本實用新型的設(shè)備僅需要一個分餾塔，而不需要建昂貴的液化天然氣儲槽，結(jié)構(gòu)簡單，能耗較少，成本較低，有利于推廣。
文檔編號F25J3/02GK201359420SQ20092030101
公開日2009年12月9日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日
發(fā)明者楊克劍 申請人:北京國能時代能源科技發(fā)展有限公司;楊克劍