專利名稱：低濃度煤層氣含氧深冷液化制取lng裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通過加壓和冷卻處理使氣體或氣體混合物進(jìn)行液化、固化或分離的技術(shù)領(lǐng)域，具體的為一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置。
背景技術(shù)：
含氧煤層氣是煤礦在開采過程中為防止瓦斯爆炸和突出，保證煤礦安全生產(chǎn)而抽排出的初級副產(chǎn)品，其主要成分為甲烷，從其成分含量上可以看出，煤層氣是較為重要的能源和化工原料。但是由于其成分較為復(fù)雜，特別是在煤層氣中含有氧，是非常危險的助燃助爆劑，制約了含氧煤層氣的綜合利用，實(shí)踐中，為了節(jié)約成本，煤層氣普遍在采煤過程中排入大氣，造成資源的極度浪費(fèi)和對環(huán)境造成污染。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前在低濃度煤層氣提純制取天然氣的領(lǐng)域中，出現(xiàn)了多種含氧煤層氣的液化技術(shù)。公開號為CN101922850A和CN101929788A分別公開了一種利用含氧煤層氣制取液化天然氣的方法和利用含氧煤層氣制取液化天然氣的裝置，該方法和裝置采用混合冷劑自復(fù)疊制冷循環(huán)，將凈化后的原料氣液化并分離，得到LNG產(chǎn)品，該方法和裝置雖然能夠利用含氧煤層氣制取天然氣，但是還存在以下問題:
(1)原料氣(即低濃度煤層氣)來自于煤礦井下抽采，甲烷含量波動較大，難免會影響液化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對裝置進(jìn)行調(diào)整；而該方法和裝置中天然氣產(chǎn)品的純度和收率分別由塔底蒸發(fā)量和塔頂冷凝量控制，但為塔底加熱和為塔頂冷卻的制冷劑流體為同一股，因此在調(diào)整產(chǎn)品純度時會影響塔頂冷凝量(收率)，同樣，調(diào)整產(chǎn)品收率時又會影響到塔底蒸發(fā)量(純度)；
(2)如果冷劑壓縮機(jī)工況不穩(wěn)定，會導(dǎo)致大量混合冷劑中的重組分(如異丁烷、異戊烷)進(jìn)入液化裝置的低溫區(qū)(溫度低于一 165°C )，造成該段冷劑溫度低于其下轉(zhuǎn)化溫度，使節(jié)流后溫度升高(即不制冷)，嚴(yán)重時亦會導(dǎo)致凝固，使冷劑通道堵塞；
(3)煤層氣中甲烷被提出后，氮氧尾氣在精餾塔的操作壓力(0.3MPa)下直接復(fù)熱排空，未充分回收其能量(壓力能)，浪費(fèi)能源。有鑒于此，本發(fā)明旨在探索一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，該低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置不僅能夠獨(dú)立調(diào)整天然氣產(chǎn)品的純度和收率，而且能夠防止冷劑通道堵塞，并提高提高能源利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，該低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置不僅能夠獨(dú)立調(diào)整天然氣產(chǎn)品的純度和收率，而且能夠防止冷劑通道堵塞。為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，包括主流程系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)；
所述主流程系統(tǒng)沿凈化后的煤層氣流動方向依次包括一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器、過冷器和精餾塔，所述精餾塔塔頂設(shè)置塔頂冷凝器，精餾塔塔內(nèi)設(shè)置位于塔底的再沸器，所述精餾塔塔頂設(shè)置的氮氧氣出口與所述塔頂冷凝器的氮氧氣出口相連，且所述精餾塔的塔底設(shè)置冷凝液出口；
所述制冷系統(tǒng)包括混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)；
所述混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)沿混合冷劑流動方向依次包括混合冷劑壓縮機(jī)、混合冷劑冷卻器和重?zé)N分離器；所述重?zé)N分離器的氣相混合冷劑出口依次通過一級換熱器和二級換熱器連通于所述再沸器的氣相混合冷劑入口，所述再沸器的氣相混合冷劑出口依次通過三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氣相混合冷劑回流并連通于所述混合冷劑壓縮機(jī)的混合冷劑入口 ；所述重?zé)N分離器的液相混合冷劑出口通過一級換熱器后與回流的氣相混合冷劑匯合；
所述混合冷劑為氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷的混合物?br> 所述氮循環(huán)系統(tǒng)沿氮冷卻劑的流動方向依次包括氮壓縮機(jī)和氮冷卻器，所述氮冷卻器的氮出口依次通過所述一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器和過冷器連通于所述塔頂冷凝器的氮入口，所述塔頂冷凝器的氮出口依次通過過冷器、三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氮冷卻劑回流并連通于所述氮壓縮機(jī)的氮入口。進(jìn)一步，所述主流程系統(tǒng)還包括膨脹機(jī)，所述精餾塔的氮氧氣出口通過所述過冷器連通于所述膨脹機(jī)的氮氧氣入口，所述膨脹機(jī)的氮氧氣出口依次通過過冷器、三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氮氧氣復(fù)熱后進(jìn)入凈化工序。進(jìn)一步，所述精餾塔的冷凝液出口通過所述三級換熱器連通于天然氣儲罐。進(jìn)一步，所述混合冷劑冷卻器和氮冷卻器均為水冷卻器。進(jìn)一步，所述混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)還包括節(jié)流閥V1，所述重?zé)N分離器的液相混合冷劑出口依次通過一級換熱器和節(jié)流閥V1與回流的氣相混合冷劑匯合。進(jìn)一步，所述再沸器的氣相混合冷劑出口與所述三級換熱器之間設(shè)有節(jié)流閥v2。進(jìn)一步，所述過冷器與塔頂冷凝器的氮入口之間設(shè)有節(jié)流閥V3。進(jìn)一步，所述過冷器的煤層氣出口與精餾塔的煤層氣入口之間設(shè)有節(jié)流閥Vf。本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，通過將制冷系統(tǒng)設(shè)置為混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)，通過混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)控制精餾塔的塔底蒸發(fā)量和通過氮循環(huán)系統(tǒng)控制精餾塔的塔頂冷凝量，能夠獨(dú)立調(diào)整天然氣產(chǎn)品的純度和收率，而且低溫區(qū)的冷劑僅有氮組分，不存在異丁烷、異戊烷等重組分，從而解決節(jié)流不制冷，或冷劑通道堵塞問題。通過膨脹機(jī)，使其在常溫常壓下排空，從而充分回收返流的氮氧氣的能量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
圖1為本發(fā)明低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，為本發(fā)明低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，包括主流程系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。主流程系統(tǒng)沿凈化后的煤層氣流動方向依次包括一級換熱器1、二級換熱器2、三級換熱器3、過冷器4和精餾塔5，精餾塔5塔頂設(shè)置塔頂冷凝器6，精餾塔5塔內(nèi)設(shè)置位于塔底的再沸器7，精餾塔5塔頂設(shè)置的氮氧氣出口與塔頂冷凝器6的氮氧氣出口相連，且精餾塔5的塔底設(shè)置冷凝液出口，用于液態(tài)天然氣流出。本實(shí)施例的過冷器4的煤層氣出口與精餾塔5的煤層氣入口之間設(shè)有節(jié)流閥Vf，能夠?qū)γ簩託膺M(jìn)行節(jié)流降溫。制冷系統(tǒng)包括混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)?；旌侠鋭┭h(huán)系統(tǒng)沿混合冷劑流動方向依次包括混合冷劑壓縮機(jī)8、混合冷劑冷卻器9和重?zé)N分離器10。重?zé)N分離器10的氣相混合冷劑出口依次通過一級換熱器I和二級換熱器2連通于再沸器7的氣相混合冷劑入口，再沸器7的氣相混合冷劑出口依次通過三級換熱器3、二級換熱器2和一級換熱器I使氣相混合冷劑回流并連通于混合冷劑壓縮機(jī)8的混合冷劑入口，重?zé)N分離器10的液相混合冷劑出口通過一級換熱器I后與回流的氣相混合冷劑匯合，液相混合冷劑與氣相混合冷劑匯合后經(jīng)一級換熱器I 一起回流進(jìn)入混合冷劑壓縮機(jī)8，使混合冷劑能夠循環(huán)利用。本實(shí)施例的混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)還包括節(jié)流閥V1，重?zé)N分離器10的液相混合冷劑出口依次通過一級換熱器I和節(jié)流閥V1與回流的氣相混合冷劑匯合，通過設(shè)置節(jié)流閥V1,能夠?qū)σ合嗷旌侠鋭┻M(jìn)行節(jié)流減壓。本實(shí)施例的再沸器7的氣相混合冷劑出口與三級換熱器3之間設(shè)有節(jié)流閥V2,能夠?qū)庀嗷旌侠鋭┻M(jìn)行節(jié)流降溫。本實(shí)施例的混合冷劑為氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷的混合物，能夠滿足在液化天然氣制取的各個環(huán)節(jié)中的溫度控制要求，混合冷劑中各個組分的配比根據(jù)實(shí)際制冷量的需求進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)然，混合冷劑還可采用現(xiàn)有的其他組分的混合冷劑，不再累述。氮循環(huán)系統(tǒng)沿氮冷卻劑的流動方向依次包括氮壓縮機(jī)11和氮冷卻器12，氮冷卻器12的氮出口依次通過一級換熱器1、二級換熱器2、三級換熱器3和過冷器4連通于塔頂冷凝器6的氮入口，塔頂冷凝器6的氮出口依次通過過冷器4、三級換熱器3、二級換熱器2和一級換熱器I使氮冷卻劑回流并連通于氮壓縮機(jī)11的氮入口，使氮能夠循環(huán)利用，并對塔頂冷凝器6提供冷量。本實(shí)施例的過冷器4與塔頂冷凝器6的氮入口之間設(shè)有節(jié)流閥V3,能夠?qū)Φ鋮s劑進(jìn)行降溫。本實(shí)施例的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，通過將制冷系統(tǒng)設(shè)置為混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)，通過混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)控制精餾塔5的塔底蒸發(fā)量和通過氮循環(huán)系統(tǒng)控制精餾塔5的塔頂冷凝量，能夠獨(dú)立調(diào)整天然氣產(chǎn)品的純度和收率，而且低溫區(qū)的冷劑僅有氮組分，不存在異丁烷、異戊烷等重組分，從而解決節(jié)流不制冷，或冷劑通道堵塞問題。進(jìn)一步，主流程系統(tǒng)還包括膨脹機(jī)13，精餾塔5的氮氧氣出口通過過冷器4連通于膨脹機(jī)13的氮氧氣入口，膨脹機(jī)13的氮氧氣出口依次通過過冷器4、三級換熱器3、二級換熱器2和一級換熱器I使氮氧氣復(fù)熱后進(jìn)入凈化工序。通過設(shè)置膨脹機(jī)13，使其在常溫常壓下排空，從而充分回收返流的氮氧氣的能量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。進(jìn)一步，本實(shí)施例的精餾塔5的冷凝液出口通過三級換熱器3連通于天然氣儲罐，使天然氣產(chǎn)品達(dá)到過冷狀態(tài)，便于儲存。
進(jìn)一步，本實(shí)施例的混合冷劑冷卻器9和氮冷卻器12均為水冷卻器，能夠滿足混合冷劑和氮冷卻劑的冷卻需求，并將其冷卻至設(shè)定溫度。采用本實(shí)施例低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置生產(chǎn)天然氣的工藝方法如下:
I)壓縮凈化工序:將低濃度含氧煤層原料氣經(jīng)壓縮凈化后得到凈化含氧煤層氣，本實(shí)施例經(jīng)壓縮凈化工序得到的凈化含氧煤層氣的溫度為40°C、絕對壓強(qiáng)為0.42MPa。2)液化分離 工序:包括主流程工藝和制冷工藝。a.主流程工藝:
B1.將凈化含氧煤層氣依次通過一級換熱器1、二級換熱器2、三級換熱器3和過冷器4換熱制冷，并經(jīng)過節(jié)流閥Vf節(jié)流后形成冷凝液和氣體的混合物；
a2.凈化含氧煤層氣從精餾塔5的中部進(jìn)入精餾塔5，冷凝液向下流向塔底，并向上揮發(fā)攜帶的少量氮氧尾氣，通過再沸器7加熱后從冷凝液出口流出，且在冷凝液出口得到溫度為-143.5°C、絕對壓力為0.32、.36MPa、甲烷濃度大于等于99%的液化天然氣，該液化天然氣通過三級換熱器3換熱并達(dá)到溫度為-155 160°C，壓力為0.243MPa的過冷狀態(tài)后帶壓存儲，得到成品天然氣；
a3.精餾塔5的塔頂?shù)玫降跷矚饨?jīng)塔頂冷凝器6析出攜帶的少量甲烷組分后，再經(jīng)過冷器4復(fù)熱后進(jìn)入膨脹機(jī)13膨脹，膨脹至0.15^0.1SMPa后的氮氧尾氣依次通過過冷器4、三級換熱器3、二級換熱器2和一級換熱器I復(fù)熱至常溫后作為壓縮凈化工序的再生氣。b.制冷工藝:包括混合冷劑工藝和氮冷劑工藝。Iv混合冷劑工藝:混合冷劑的初始壓強(qiáng)為0.26MPa，經(jīng)混合冷劑壓縮機(jī)8壓縮至
3.2-3.8Mpa，冷卻后進(jìn)入重?zé)N分離器10分離為氣液兩相；其中氣相混合冷劑依次通過一級換熱器I和二級換熱器2降溫至_120°C后，進(jìn)入位于精餾塔5塔底的再沸器7加熱塔底液化天然氣，自身被冷卻至_148°C，節(jié)流后將溫度為_160°C的氣相混合冷劑依次通過三級換熱器3、二級換熱器2和一級換熱器I輸出冷量并循環(huán)回流至混合冷劑壓縮機(jī)8循環(huán)利用；液相混合冷劑通過一級換熱器I冷卻至_50°C，并節(jié)流后與回流的氣相混合冷劑匯合經(jīng)一級換熱器I 一起回流至混合冷劑壓縮機(jī)8循環(huán)利用，能夠滿足液化天然氣的制取要求，并控制精餾塔5的塔底蒸發(fā)量。b2.氮冷劑工藝:氮冷劑的初始壓強(qiáng)為0.35MPa，經(jīng)氮壓縮機(jī)11壓縮至
3.2^3.5MPa，冷卻后依次通過一級換熱器1、二級換熱器2、三級換熱器3和過冷器4冷卻至_172°C，經(jīng)節(jié)流后氮冷劑的溫度為_182°C、絕對壓強(qiáng)為0.4MPa，進(jìn)入塔頂冷凝器6輸出冷量，然后將氣態(tài)的氮冷劑依次通過過冷器4、三級換熱器3、二級換熱器2、一級換熱器I逐級升溫至常溫后回流至氮壓縮機(jī)11循環(huán)利用，能夠滿足液化天然氣的制取要求，并控制精餾塔5的塔頂冷凝量。最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:包括主流程系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)； 所述主流程系統(tǒng)沿凈化后的煤層氣流動方向依次包括一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器、過冷器和精餾塔，所述精餾塔塔頂設(shè)置塔頂冷凝器，精餾塔塔內(nèi)設(shè)置位于塔底的再沸器，所述精餾塔塔頂設(shè)置的氮氧氣出口與所述塔頂冷凝器的氮氧氣出口相連，且所述精餾塔的塔底設(shè)置冷凝液出口 ； 所述制冷系統(tǒng)包括混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)； 所述混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)沿混合冷劑流動方向依次包括混合冷劑壓縮機(jī)、混合冷劑冷卻器和重?zé)N分離器；所述重?zé)N分離器的氣相混合冷劑出口依次通過一級換熱器和二級換熱器連通于所述再沸器的氣相混合冷劑入口，所述再沸器的氣相混合冷劑出口依次通過三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氣相混合冷劑回流并連通于所述混合冷劑壓縮機(jī)的混合冷劑入口 ；所述重?zé)N分離器的液相混合冷劑出口通過一級換熱器后與回流的氣相混合冷劑匯合； 所述混合冷劑為氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷的混合物? 所述氮循環(huán)系統(tǒng)沿氮冷卻劑的流動方向依次包括氮壓縮機(jī)和氮冷卻器，所述氮冷卻器的氮出口依次通過所述一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器和過冷器連通于所述塔頂冷凝器的氮入口，所述塔頂冷凝器的氮出口依次通過過冷器、三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氮冷卻劑回流并連通于所述氮壓縮機(jī)的氮入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述主流程系統(tǒng)還包括膨脹機(jī)，所述精餾塔的氮氧氣出口通過所述過冷器連通于所述膨脹機(jī)的氮氧氣入口，所述膨脹機(jī)的氮氧氣出口依次通過過冷器、三級換熱器、二級換熱器和一級換熱器使氮氧氣復(fù)熱后進(jìn)入凈化工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述精餾塔的冷凝液出口通過所述三級換熱器連通于天然氣儲罐。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述混合冷劑冷卻器和氮冷卻器均為水冷卻器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)還包括節(jié)流閥V1，所述重?zé)N分離器的液相混合冷劑出口依次通過一級換熱器和節(jié)流閥V1與回流的氣相混合冷劑匯合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述再沸器的氣相混合冷劑出口與所述三級換熱器之間設(shè)有節(jié)流閥V2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述過冷器與塔頂冷凝器的氮入口之間設(shè)有節(jié)流閥V3。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，其特征在于:所述過冷器的煤層氣出口與精餾塔的煤層氣入口之間設(shè)有節(jié)流閥Vf。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低濃度煤層氣含氧深冷液化制取LNG裝置，包括主流程系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)；主流程系統(tǒng)包括一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器、過冷器和精餾塔，精餾塔塔內(nèi)設(shè)置塔頂冷凝器和再沸器，精餾塔塔頂設(shè)置的氮氧氣出口與塔頂冷凝器相連，精餾塔的塔底設(shè)置冷凝液出口；制冷系統(tǒng)包括混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)和氮循環(huán)系統(tǒng)；混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)包括混合冷劑壓縮機(jī)、混合冷劑冷卻器和重?zé)N分離器；重?zé)N分離器的氣相混合冷劑通過一級換熱器和二級換熱器連通于再沸器后再回流；重?zé)N分離器的液相混合冷劑氣相混合冷劑匯合后回流；氮循環(huán)系統(tǒng)包括氮壓縮機(jī)和氮冷卻器，氮冷卻器依次通過一級換熱器、二級換熱器、三級換熱器和過冷器連通于塔頂冷凝器后回流。
文檔編號F25J3/02GK103175380SQ20131011741
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者胡千庭, 張武, 姚成林, 任小坤, 肖露, 史紅兵 申請人:中煤科工集團(tuán)重慶研究院, 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所