含甲烷的空氣全產(chǎn)品化分離系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及空分系統(tǒng)，具體為一種含甲烷的空氣全產(chǎn)品化分離系統(tǒng)，用于將煤層氣分離為單質(zhì)產(chǎn)品，實現(xiàn)全產(chǎn)品化。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣分離技術(shù)是冶金、煤化工、石油化工等產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。高純度與大規(guī)模的空氣分離技術(shù)，普遍采用深冷液化精餾分離技術(shù)。變壓吸附與膜分離技術(shù)，因其分離產(chǎn)品的純度低、規(guī)模小，不適用于高純度與大規(guī)模的空氣分離(純度大于99%以上，規(guī)模大于3600Nm3/小時)。單質(zhì)空氣產(chǎn)品(氧氣、氮氣、氬氣)具有廣闊的市場需求(例如冶金、煤化工、石油化工、機(jī)械制造、鋼結(jié)構(gòu)工程、船舶工業(yè)、醫(yī)療、電子工業(yè)、食品加工與儲存、消防滅火、儀器儀表隔爆等等)。
[0003]煤礦在采煤過程中，由于生產(chǎn)礦井的煤層有裂隙，因此從煤層中抽采的煤層氣混入了部分空氣。這部分空氣的存在，一是降低了煤層氣的能源品質(zhì)(熱值下降);二是按濃度折算的抽采效率下降致使成本增大。而其中的甲烷既威脅著采煤安全(在空氣中的爆炸濃度為5~15%)，其溫室效應(yīng)是二氧化碳(CO2)的至少21倍，對大氣臭氧層的破壞力是二氧化碳的7倍。煤層氣混入的部分空氣，是影響煤層氣高效開發(fā)與利用的瓶頸。因此如何將低濃度煤層氣全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品(甲烷+空氣產(chǎn)品)，既能恢復(fù)煤層氣能源的品質(zhì)，同時還能解決抽采作業(yè)時人力、財力、動力耗費，是煤層氣開發(fā)利用領(lǐng)域的一項核心支撐技術(shù)。
[0004]我國煤系地層儲存著與陸地天然氣幾乎等量的36萬億方煤層氣能源，位居世界第三位。截止2013年底，美國從煤系地層開采了 500億方煤層氣，中國同期則為30億方。2013年中國天然氣的表觀消費量約為1690億方，其中進(jìn)口超過了 500億方，而煤層氣僅占其中的1.8%。從數(shù)據(jù)中不難看出，中國完全具有不進(jìn)口天然氣的儲量潛力。
[0005]由于我國執(zhí)行采煤采氣一體化政策，所以這種清潔能源的地位，是從屬于采煤安全，也就是用煤礦安全基金的投入抽采出來的。這種抽采方式不僅導(dǎo)致采煤成本增大，而且作為低品質(zhì)能源被濫用，導(dǎo)致耗費大量的財政補(bǔ)貼資金。因此，以增加采煤成本為代價的抽采模式，是遏制煤層氣開發(fā)的瓶頸因素，所以迫切需要解決方法。
[0006]現(xiàn)在對于煤層氣的利用狀況如下:
[0007]1、對低濃度煤層氣的傳統(tǒng)利用技術(shù)是發(fā)電(濃度低于1%的采用氧化余熱發(fā)電；濃度大于30%的采用內(nèi)燃機(jī)+余熱二級發(fā)電)，也就是僅將含甲烷的空氣中的甲烷得到了利用，而且利用的附加值極低。對于在抽采過程中附帶的空氣作為廢物釋放了，浪費了開采時的能源投入，不考慮開采成本。
[0008]2、催化脫氧深冷液化精餾提純煤層氣(甲烷)技術(shù)的缺點是，為技術(shù)安全考慮，需要將含甲烷的空氣中的氧氣脫除(甲烷在空氣中爆炸濃度為5-15%)。而催化脫氧過程，是甲烷與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，因此催化脫氧浪費了部分甲烷與氧氣資源。
[0009]3、同步深冷液化精餾提純煤層氣(甲烷)技術(shù)的缺點是，甲烷幾乎得到了全部回收，但已經(jīng)同步分離出的空氣產(chǎn)品(氧氣、氮氣)又被作為廢棄物排放掉。深冷液化精餾分離的工藝能耗在液化過程，精餾分離僅是一個傳質(zhì)與傳熱過程，因此精餾過程幾乎沒有能耗。所以，該技術(shù)的能耗因氧氣、氮氣的排放而增大(液化甲烷的成本增大)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實用新型的目的在于提供一種含甲烷的空氣全產(chǎn)品化分離系統(tǒng)，用于將煤層中抽采的含煤層氣的空氣組份，采用深冷液化精餾分離技術(shù)全部轉(zhuǎn)化為單質(zhì)產(chǎn)品，進(jìn)一步提高煤層氣的經(jīng)濟(jì)附加值。
[0011]本實用新型是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0012]一種含甲烷的空氣全產(chǎn)品化分離系統(tǒng)，包括初級換熱器，所述初級換熱器的物料進(jìn)口與前處理系統(tǒng)的出口連接，所述初級換熱器的物料出口與膨脹機(jī)的進(jìn)口連接，所述膨脹機(jī)的出口與烴分離裝置的中部進(jìn)口連接，所述烴分離裝置的頂部出口與主換熱器的第一物料進(jìn)口連接，所述烴分離裝置的底部出口連接LNG儲罐；所述主換熱器的第一物料出口與雙級分離塔的下塔底部進(jìn)口連接，所述雙級分離塔的下塔底部出口連接液氧儲罐；所述雙級分離塔的下塔上部出口通過污氮節(jié)流閥與氬分離裝置的中部進(jìn)口連接，所述氬分離裝置的頂部出口通過氮氣節(jié)流閥與雙級分離塔的上塔中部進(jìn)口連接，所述氬分離裝置的底部出口連接液氬儲罐；所述雙級分離塔的上塔底部第一出口與主換熱器的第二物料進(jìn)口連接，所述主換熱器的第二物料出口與雙級分離塔的上塔頂部進(jìn)口連接，所述雙級分離塔的上塔底部安裝有冷凝蒸發(fā)器；所述雙級分離塔的上塔底部第二出口連接液氮儲罐。
[0013]工作時，含甲烷的空氣(煤層氣)經(jīng)常規(guī)的前處理系統(tǒng)處理掉雜質(zhì)后進(jìn)入初級換熱器冷卻至-120~-150°C，進(jìn)入膨脹機(jī)做功膨脹后，進(jìn)一步冷卻至_162°C，進(jìn)入烴分離裝置，直接得出LNG ;去除烴后的低溫氣體經(jīng)主換熱器，進(jìn)一步冷卻，進(jìn)入雙級分離塔的下塔底部，經(jīng)由冷凝蒸發(fā)器的冷凝，冷卻至_184°C，在雙級分離塔的下塔底部獲得液氧，進(jìn)入液氧儲罐；去除氧的氣體由雙級分離塔的下塔頂部出口流出，經(jīng)污氮節(jié)流閥進(jìn)入氬分離裝置進(jìn)行液氬分離，獲得液氬，進(jìn)入液氬儲罐；氮氣經(jīng)氮氣節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入雙級分離塔的上塔中部，雙級分離塔內(nèi)設(shè)有冷凝蒸發(fā)器，冷凝蒸發(fā)器浸泡在雙級分離塔的上塔底部的液氮中，在_196°C條件下，雙級分離塔的上塔底部獲得液氮。雙級分離塔的上塔底部設(shè)有兩個液氮出口，一部分液氮從第一出口流出，經(jīng)主換熱器進(jìn)一步冷卻后返回雙級分離塔的上塔的頂部，用來冷凝從氬分離裝置出來的氮氣，獲得液氮后，另一部分液氮由雙級分離塔的上塔底部的第二出口流出，進(jìn)入液氮儲罐。
[0014]含甲烷的空氣全產(chǎn)品化的技術(shù)方法，在于運用空分手段將含甲烷的空氣中的甲烷與空氣進(jìn)行單質(zhì)分離，同步分離為甲烷、氧氣、氮氣、氬氣等單質(zhì)產(chǎn)品。使液化功耗分?jǐn)傆诙鄠€單質(zhì)產(chǎn)品中，降低每個品種的分離成本。
[0015]本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0016]1、傳統(tǒng)空分系統(tǒng)是將隨處可得的空氣通過空分工藝將其液化分離或氣化分離。在煤礦開采中，降低巷道內(nèi)的瓦斯氣體，主要抽取甲烷氣體，但是在實際過程中，抽出的煤層氣中大量含有空氣，而空氣則屬于被動抽出，本分離系統(tǒng)的氣源則正是煤礦通過做功獲得的“空氣”，對這部分空氣進(jìn)行全產(chǎn)品化，具有額外性。
[0017]2、傳統(tǒng)空分是將空氣先深冷為液空，然后精餾為單質(zhì)產(chǎn)品，本分離系統(tǒng)是將含甲烷的空氣通過逐級降溫方式，獲得單質(zhì)產(chǎn)品。比傳統(tǒng)空分可降低能耗。
[0018]3、煤礦企業(yè)在采煤過程中投入的資金、人力，能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品變現(xiàn)，可將煤礦的被動抽采變?yōu)橹鲃映椴桑瑴p少煤礦安全隱患。
[0019]應(yīng)用于本分離系統(tǒng)的方法就是將煤層中抽采的含煤層氣的空氣組份，采用深冷液化精餾分離技術(shù)全部轉(zhuǎn)化為單質(zhì)產(chǎn)品，通過提高煤層氣的經(jīng)濟(jì)附加值，一是可以解決煤層氣的開發(fā)瓶頸，降低采煤成本，促進(jìn)采煤安全(以用促抽)，大幅削減溫室氣體排放量，減少我國天然氣的進(jìn)口量。二是可以在回收煤層氣溫室效應(yīng)的同時，將大量伴生空氣回收利用，減少現(xiàn)有的中、小空分生產(chǎn)裝置。既促進(jìn)對煤層氣溫室效應(yīng)的高效回收，還能替代傳統(tǒng)空分
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[0020]本分離系統(tǒng)設(shè)計合理，將含甲烷的空氣(煤層氣)，經(jīng)過現(xiàn)有的前處理系統(tǒng)去除懸浮物、水、二氧化碳、乙炔等雜質(zhì)后，采用深冷工藝將其在臨界溫度與壓力下通過膨脹壓縮、冷凝蒸發(fā)等手段，依據(jù)甲烷(-162?)、氧氣(_184°C)、氮氣(_196°C)等的沸點差異，得到分離，獲得單質(zhì)產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0021]圖1表不本實用新型的連接不意圖。
[0022]圖中，101-前處理系統(tǒng)，102-初級換熱器，103-膨脹機(jī)，104-烴分離裝置，105-主換熱器，106-雙級分離塔，107-氬分離裝置，108-污氮節(jié)流閥，109-氮氣節(jié)流閥，110-冷凝蒸發(fā)器，201-第一增壓透平膨脹機(jī)，202-第一冷卻器，203-第一壓縮機(jī)，204-第一汽水分離器，205-第二增壓透平膨脹機(jī)，206-第二冷卻