專利名稱：含氧煤層氣的液化精餾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種燃?xì)馓峒兗夹g(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種含氧煤層氣的液化精 餾方法。
背景技術(shù)：
煤層氣是一種新型清潔能源，它是一種與煤伴生并以吸附狀態(tài)的形式自生自儲(chǔ)于 煤層中的非常規(guī)天然氣。我國(guó)煤層氣資源潛力巨大，其開(kāi)發(fā)和利用可以增加新的潔凈能源， 減少對(duì)進(jìn)口能源的依賴，有效減少溫室氣體的排放，而且還可以降低或避免瓦斯爆炸事故， 具有安全效應(yīng)。可供開(kāi)發(fā)利用的煤層氣有兩種，一種是煤礦開(kāi)采前抽采的煤層氣，這種氣體甲烷 含量超過(guò)95 %，利用價(jià)值較高，可直接加壓進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)輸，也可直接進(jìn)行液化儲(chǔ)運(yùn)，但是這 種氣體規(guī)模數(shù)量較?。涣硪环N是在煤礦開(kāi)采過(guò)程中抽采的煤層氣，這種氣體數(shù)量巨大，但是 甲烷含量較低，通常在30% -80%之間，而且含有空氣?？諝庵械难鯕馐菍?dǎo)致煤層氣難于回 收利用的主要因素。煤層氣的脫氧是國(guó)內(nèi)外的一個(gè)技術(shù)難題，目前主要的脫氧技術(shù)包括吸 附法、膜分離法、燃燒法和低溫分離法。其中吸附方法常導(dǎo)致產(chǎn)品回收率降低，膜分離方法 以氣壓差為推動(dòng)力，分離效果受膜滲透系數(shù)和滲透面積等多種因素的影響，不易操作，而且 高壓會(huì)帶來(lái)安全隱患，通過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)，采用這兩種方法進(jìn)行煤層氣脫氧的文獻(xiàn)非常少見(jiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利CN101613627A中提出了采用燃燒法，使煤 層氣中的甲烷與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，將煤層氣中的氧氣濃度降低到0.2%以下，這 種方法可以有效脫除濃度在-15%的含氧煤層氣中的氧氣，但是燃燒產(chǎn)生的二氧化碳 雜質(zhì)氣體也需要脫除，這就增加了設(shè)備投資和能耗。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利CN200952872Y中采用分餾塔在低溫條件下脫除煤層 氣中的氧氣，但是該專利沒(méi)有考慮分離過(guò)程中的爆炸極限問(wèn)題，操作過(guò)程的安全性沒(méi)有保 證。中國(guó)專利CN101531559A采用低溫精餾方法脫除煤層氣中的氧氣，并且通過(guò)對(duì)原料氣進(jìn) 行預(yù)粗脫氧的方式保證操作安全性，中國(guó)專利CN101531560A也采用低溫精餾方法脫除煤 層氣中的氧氣，通過(guò)控制精餾過(guò)程中最易發(fā)生爆炸位置的溫度來(lái)保證操作安全性，但是對(duì) 于較低濃度的煤層氣，這兩種專利的甲烷回收率都很低，導(dǎo)致能源利用率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種含氧煤層氣的液化精餾方法，利 用含氧煤層氣液化后再通過(guò)精餾塔分離掉其中的雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕?，從而在塔底得到高純?的液態(tài)產(chǎn)品。應(yīng)用爆炸極限理論分析工藝流程的操作安全性并確定流程中最易發(fā)生爆炸的 操作過(guò)程，并采取有效措施，既保證最易發(fā)生爆炸操作過(guò)程的操作安全性，從而使整個(gè)工藝 流程操作安全可靠，又能保證較高的甲烷回收率，從而提高能源利用率。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、將凈化后的含氧煤層氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮，并經(jīng)過(guò)水冷卻器冷卻為高壓常溫煤層氣；將高壓常溫煤層氣經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱器進(jìn)行預(yù)冷，然后在第二冷卻器中由精餾 塔塔底的再沸器提供冷量進(jìn)行二次冷卻，并輸出至二級(jí)換熱器中進(jìn)行冷卻液化，得到液化 煤層氣；第二步、液化煤層氣經(jīng)降壓后輸出至精餾塔中將雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕鈴乃斶^(guò)濾出， 并在精餾塔的塔底得到液化天然氣，從精餾塔塔頂過(guò)濾出的雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕夥祷囟?jí)換熱 器進(jìn)行冷量回收，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入一級(jí)換熱器繼續(xù)提供冷量，并最終在一 級(jí)換熱器的出口處溫度升高至常溫并排出；所述的二級(jí)換熱器中冷卻液化，煤層氣的冷量由氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)提供在氮?dú)?膨脹制冷循環(huán)中，單一氣態(tài)制冷劑氮?dú)馐紫冉?jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮至高壓，并用水冷卻器冷 卻至常溫，然后進(jìn)入一級(jí)換熱器進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷后的氮?dú)饨?jīng)過(guò)一級(jí)膨脹機(jī)膨脹降溫降壓，而 后再進(jìn)入二級(jí)換熱器進(jìn)一步冷卻，從二級(jí)換熱器出來(lái)的氮?dú)庠俳?jīng)過(guò)二級(jí)膨脹機(jī)膨脹降溫降 壓，得到的低溫低壓的氮?dú)馐紫冉o精餾塔塔頂冷凝器提供冷量，而后分別返回一級(jí)換熱器 和二級(jí)換熱器為含氧煤層氣和氮?dú)馓峁├淞?。所述的一?jí)膨脹機(jī)和二級(jí)膨脹機(jī)的膨脹功經(jīng)回收后驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。第三步、利用爆炸極限理論對(duì)整個(gè)流程的操作安全性進(jìn)行分析，找出流程中最易 發(fā)生爆炸的操作過(guò)程，通過(guò)初步脫除煤層氣中的氧氣和調(diào)節(jié)塔底采出量并設(shè)置塔板數(shù)為 22，回流比為1. 4，調(diào)節(jié)精餾塔塔底采出量0. 425kmol/h-0. 7882kmol/h，使最易發(fā)生爆炸位 置處甲烷濃度高出氣體爆炸上限約5%，同時(shí)保證甲烷回收率在90%以上，從而實(shí)現(xiàn)液化 精餾。本發(fā)明的有益效果在于通過(guò)油氣行業(yè)廣泛采用的流程處理軟件HYSYS模擬計(jì)算 并結(jié)合爆炸極限理論分析結(jié)果，證實(shí)本發(fā)明能有效脫除煤層氣的氮?dú)夂脱鯕猓@得高純度 的液態(tài)產(chǎn)品，而且采取措施后操作過(guò)程安全可靠，甲烷回收率高，工藝流程功耗也比較低。 對(duì)原料氣進(jìn)行初步脫氧不同于常規(guī)的深度脫氧方法，較大幅度地降低了操作成本，而且對(duì) 精餾塔塔底采出量的調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單易行。例如對(duì)于甲烷含量?jī)H為42%的低濃度煤層氣，僅 需把氣體中的氧氣初步脫除至2%，再把塔底采出量控制在0. 425kmol/h時(shí)，整個(gè)流程操作 安全可靠，而且甲烷回收率可高達(dá)90%以上。


圖1為液化及精餾工藝流程圖。圖2為精餾塔T-100分離工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，以下實(shí)施例涉及的裝置結(jié)構(gòu)包括第一至第四壓縮機(jī)K-100、K-10U K-102 和 K-103、第一至第五冷卻器 E-100、E-10U E-102、E-103 和 E-104、一級(jí)換熱器 LNG-100、二級(jí)換熱器LNG-101、第一和第二膨脹機(jī)K-104和K-105、第一和第二節(jié)流閥 VLV-100 和 VLV-101、冷卻器 H-101、精餾塔 T-100、管線 1-23。
如圖2所示，所述的精餾塔T-100包括塔體、塔頂冷凝器C和塔底再沸器B。實(shí)施例1針對(duì)甲烷、氮?dú)夂脱鯕饨M分分別為68. 89%,24. 57%和6. 54%的含氧煤層氣，其 液化及精餾工藝流程包括以下步驟步驟1、煤層氣首先經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)K-100和K-101壓縮至1. 8MPa，然后進(jìn)入換熱器 LNG-100預(yù)冷到_90°C，預(yù)冷后的煤層氣在冷卻器E-102中冷卻，而后進(jìn)入換熱器LNG-101 中進(jìn)一步冷卻液化，液化后的煤層氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥VLV-100降壓至0. 2MPa后進(jìn)入精餾塔 T-100，從精餾塔頂部分離出壓力為0. 19MPa的雜質(zhì)氣體，底部得到0. 195MPa的液態(tài)產(chǎn)品 LNG0為降低整個(gè)液化及精餾工藝流程的能耗，從塔頂流出的低溫雜質(zhì)氣體首先返回二級(jí)換 熱器進(jìn)行冷量回收，在二級(jí)換熱器出來(lái)的雜質(zhì)氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥VLV-101壓力降為0. IlMPa, 從節(jié)流閥出來(lái)的氣體進(jìn)入一級(jí)換熱器繼續(xù)為煤層氣和氮?dú)馓峁├淞浚s質(zhì)氣體在一級(jí)換熱 器出口處溫度升至30°C，然后排出系統(tǒng)。步驟2、換熱器LNG-100和LNG-101的冷量主要由氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)提供。在氮?dú)?膨脹制冷循環(huán)過(guò)程中，制冷劑氮?dú)馐紫冉?jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)K-102和K-103壓縮至3MPa，再經(jīng) 水冷卻器E-103和E-104冷卻至常溫，然后進(jìn)入一級(jí)換熱器LNG-100中預(yù)冷至_90°C，預(yù)冷 后的氮?dú)鈮毫?jīng)過(guò)一級(jí)膨脹機(jī)K-104膨脹至1. 5MPa,而后進(jìn)入二級(jí)換熱器LNG-101中被冷 卻，從二級(jí)換熱器出來(lái)的氮?dú)饨?jīng)過(guò)二級(jí)膨脹機(jī)K-105，壓力降至0. 2MPa。低溫低壓的氮?dú)馐?先給精餾塔塔頂冷凝器提供冷量，而后進(jìn)入一級(jí)和二級(jí)換熱器冷卻煤層氣和氮?dú)猓獨(dú)鉁?度在一級(jí)換熱器出口處達(dá)到30°C，而后進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)壓縮制冷，為含氧煤層氣提供冷量。 為節(jié)約能耗，兩級(jí)膨脹機(jī)的膨脹功都被回收用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。步驟3、將煤層氣中的氧氣初步脫除至2%，然后再重復(fù)步驟1和2，根據(jù)爆炸極限 理論和HYSYS模擬結(jié)果，氣體在精餾塔中間位置進(jìn)料，在塔板數(shù)為22，回流比為1. 4，精餾塔 塔底采出量控制在0. 695kmol/h的條件下，整個(gè)液化及精餾工藝流程操作安全可靠，甲烷 回收率高達(dá)96. 21%，產(chǎn)品純度為100%。實(shí)施例2針對(duì)含甲烷含量為42%，空氣含量為58%的低濃度含氧煤層氣。步驟1、煤層氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)K-100和K-101壓縮至1. IMPa，然后進(jìn)入換熱器 LNG-100預(yù)冷到-90°C，預(yù)冷后的煤層氣在冷卻器E-102中冷卻，而后進(jìn)入二級(jí)換熱器 LNG-101中進(jìn)一步冷卻液化，液化后的煤層氣經(jīng)過(guò)節(jié)流閥VLV-100降壓至0. 2MPa后進(jìn)入 精餾塔，從精餾塔頂部分離出壓力為0. 19MPa的雜質(zhì)氣體，底部得到0. 195MPa的液態(tài)產(chǎn) 品LNG。為降低整個(gè)液化及精餾工藝流程的能耗，從塔頂流出的低溫雜質(zhì)氣體首先返回二 級(jí)換熱器進(jìn)行冷量回收，在二級(jí)換熱器中出來(lái)的雜質(zhì)氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥VLV-101壓力降為 0. llMPa，從節(jié)流閥出來(lái)的氣體進(jìn)入一級(jí)換熱器繼續(xù)為煤層氣和氮?dú)馓峁├淞浚s質(zhì)氣體在 一級(jí)換熱器出口處溫度升至30°C，然后排出系統(tǒng)。步驟2同實(shí)施例1中的步驟2步驟3、將原料氣中氧氣脫除至2%，再重復(fù)步驟1和2，爆炸極限理論分析結(jié)果和 HYSYS模擬結(jié)果證實(shí)，氣體在精餾塔中間位置進(jìn)料，在塔板數(shù)為22，回流比為1. 4，精餾塔塔 底采出量控制在0. 425kmol/h的條件下，整個(gè)液化及精餾流程操作安全可靠，甲烷回收率 高達(dá)90. 7%，產(chǎn)品純度為100%。
實(shí)施例3針對(duì)含甲烷、氮?dú)夂脱鯕夥謩e為80. 7%U6. 77%和2. 53%的低濃度含氧煤層氣。
步驟1和2同實(shí)施例1中的步驟1和2 步驟3、爆炸極限理論分析結(jié)果和HYSYS模擬結(jié)果證實(shí)，不需要對(duì)原料氣進(jìn)行初步 脫氧，只需將精餾塔塔底產(chǎn)品采出量控制在0. 7882kmol/h就可以保證整個(gè)液化及精餾工 藝流程的操作安全性，同時(shí)甲烷回收率高達(dá)97. 66%，產(chǎn)品純度高達(dá)99. 99%。
權(quán)利要求
一種含氧煤層氣的液化精餾方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、將凈化后的含氧煤層氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮，并經(jīng)過(guò)水冷卻器冷卻為高壓常溫煤層氣；將高壓常溫煤層氣經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱器進(jìn)行預(yù)冷，然后在第二冷卻器中由精餾塔塔底的再沸器提供冷量進(jìn)行二次冷卻，并輸出至二級(jí)換熱器中進(jìn)行冷卻液化，得到液化煤層氣；第二步、液化煤層氣經(jīng)降壓后輸出至精餾塔中將雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕鈴乃斶^(guò)濾出，并在精餾塔的塔底得到液化天然氣，從精餾塔塔頂過(guò)濾出的雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕夥祷囟?jí)換熱器進(jìn)行冷量回收，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓后進(jìn)入一級(jí)換熱器繼續(xù)提供冷量，并最終在一級(jí)換熱器的出口處溫度升高至常溫并排出；第三步、利用爆炸極限理論對(duì)整個(gè)流程的操作安全性進(jìn)行分析，找出流程中最易發(fā)生爆炸的操作過(guò)程，通過(guò)初步脫除煤層氣中的氧氣和調(diào)節(jié)塔底采出量并設(shè)置塔板數(shù)為22，回流比為1.4，調(diào)節(jié)精餾塔塔底采出量0.425kmol/h 0.7882kmol/h，使最易發(fā)生爆炸位置處甲烷濃度高出氣體爆炸上限約5％，同時(shí)保證甲烷回收率在90％以上，從而實(shí)現(xiàn)液化精餾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含氧煤層氣的液化精餾方法，其特征是，所述的二級(jí)換熱器 中冷卻液化，煤層氣的冷量由氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)提供在氮?dú)馀蛎浿评溲h(huán)中，氮?dú)馐紫冉?jīng) 過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)壓縮至高壓，并用水冷卻器冷卻至常溫，然后進(jìn)入一級(jí)換熱器進(jìn)行預(yù)冷，預(yù)冷 后的氮?dú)饨?jīng)過(guò)一級(jí)膨脹機(jī)膨脹降溫降壓，而后再進(jìn)入二級(jí)換熱器進(jìn)一步冷卻，從二級(jí)換熱 器出來(lái)的氮?dú)庠俳?jīng)過(guò)二級(jí)膨脹機(jī)膨脹降溫降壓，得到的低溫低壓的氮?dú)馐紫冉o精餾塔塔頂 冷凝器提供冷量，而后分別返回一級(jí)換熱器和二級(jí)換熱器為含氧煤層氣和氮?dú)馓峁├淞俊?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含氧煤層氣的液化精餾方法，其特征是，所述的一級(jí)膨脹機(jī) 和二級(jí)膨脹機(jī)的膨脹功經(jīng)回收后驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。
全文摘要
一種燃?xì)馓峒兗夹g(shù)領(lǐng)域的含氧煤層氣的液化精餾方法，利用含氧煤層氣液化后再通過(guò)精餾塔分離掉其中的雜質(zhì)氮?dú)夂脱鯕?，從而在塔底得到高純度的液態(tài)產(chǎn)品。應(yīng)用爆炸極限理論分析工藝流程的操作安全性并確定流程中最易發(fā)生爆炸的操作過(guò)程，并采取有效措施，既保證最易發(fā)生爆炸操作過(guò)程的操作安全性，從而使整個(gè)工藝流程操作安全可靠，又能保證較高的甲烷回收率，從而提高能源利用率。
文檔編號(hào)F25J3/02GK101922849SQ20101027450
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者巨永林, 李秋英 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)