專利名稱：煤層氣凈化精制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種燃料氣凈化領(lǐng)域，具體的說是一種煤層氣凈化精制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤層氣，俗稱煤礦瓦斯，即天然氣。它是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷，甲烷含量一般為15% 70%。每噸褐煤能生成38 50立方米煤層氣，無煙煤可生成346 422立方米煤層氣。按熱值計算，甲烷的熱值為33. 5 33. 7kJ/Nm3(8000 9000kcal/Nm3)，比I公斤標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量還要高。煤層氣的典型組成如表I所示。 表I煤層氣的典型組成
組成CH4 I N2 I O2 I CO2 H2O H2S |碳氫化合物|粉塵單位% % % % % ppm % g/Nm3 體積分?jǐn)?shù)(濕) 20.04 44.087^39 5^5820.38200 Z53 1.52煤層氣不但可以用于發(fā)電燃料、工業(yè)燃料和居民生活燃料，還可以液化后用作汽車燃料；也可以廣泛用于生產(chǎn)合成氨、甲醛、甲醇等化工產(chǎn)品的原料，作為一種熱值高的潔凈能源和重要化工原料，前景十分廣闊。原始采得的煤層氣不能直接應(yīng)用，需對其中含有的粉塵、水份、二氧化碳、硫化氫和碳氫化合物等雜質(zhì)進行充分脫除，然后再經(jīng)深冷分離得到純凈的甲烷產(chǎn)品。目前煤層氣凈化精制工藝有多種，如專利CN101922849A公開了一種煤層氣液化精餾方法，其液化分離工序中的制冷工藝采用兩級膨脹機膨脹降溫預(yù)冷，再由精餾塔塔底的再沸器提供冷量進行二次冷卻，具有分離純度較高、裝置結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。該工藝方法存在以下缺點I)采用兩級壓縮+再沸器制冷，其制冷效果較差，必須進行二次冷卻，而二次冷卻受外界提供冷量的限制，要想獲得高的分離純度，外界需對再沸器提供足夠的冷量，從而增加了運行成本，不利于節(jié)能降耗；2)精餾塔排出的雜質(zhì)氣體冷量回收后仍被排出系統(tǒng)，處理這些尾氣不僅需要昂貴的凈化設(shè)備，還不利于環(huán)境保護。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種工藝簡單、制冷效果好、節(jié)能降耗、投資運行成本低的煤層氣凈化精制系統(tǒng)本實用新型涉及的工藝為包括下述步驟一、凈化步驟將煤層氣先進行除塵洗滌使煤層氣的含塵量彡20mg/Nm3，然后增壓后送入吸附系統(tǒng)進行吸附，以清除煤層氣中的雜質(zhì)；二、加壓制冷步驟將經(jīng)凈化步驟后的煤層氣進一步增壓后送入高壓換熱器換熱冷卻至至_135°C至_155°C ;三、深冷分離步驟將換熱后的煤層氣送入分離器，分離出的液相及氣相經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進入深冷精餾塔精餾，精餾后得到由深冷精餾塔頂部排出污氮氣、側(cè)線排出的側(cè)線氣相、底部排出液化天燃氣。所述步驟一中，先將煤層氣送入過濾氣除去粒徑為5 200μπι的大顆?；覊m，然后再進入洗滌塔進除去煤層氣中細小顆?；覊m，經(jīng)洗滌后，煤層氣含塵量< 20mg/Nm3。所述步驟二中，與所述煤層氣在高壓換熱器內(nèi)進行換熱的介質(zhì)包括來自深冷精餾塔的污氮氣、側(cè)線氣相以及制冷工質(zhì)。所述步驟二中，所述深冷精餾塔頂部排出污氮氣經(jīng)高壓換熱器換熱后送入吸附系統(tǒng)作為吸附系統(tǒng)再生用氮。所述步驟二中，來自所述深冷精餾塔的側(cè)線氣相經(jīng)高壓換熱器復(fù)熱后與制冷工質(zhì)混合形成混合氣送入增壓透平膨脹機的增壓端增壓后送入高壓換熱器與煤層氣換熱，然后送回增壓透平膨脹機的的膨脹端等熵膨脹，并對增壓透平膨脹機的增壓端做功?！0019]所述步驟二中，所述經(jīng)等熵膨脹后混合氣再經(jīng)高壓換熱器復(fù)熱，并與來自深冷精餾塔的側(cè)線氣相混合循環(huán)送入增壓透平膨脹機的增壓端。所述步驟三中，所述分離器分離出的液相經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進入深冷精餾塔精餾；氣相在過冷器內(nèi)與來自深冷精餾塔頂部排出的污氮氣換熱后再經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后進入深冷精餾塔精餾。本實用新型煤層氣凈化精制系統(tǒng)，包括凈化系統(tǒng)、加壓制冷系統(tǒng)以及深冷精餾系統(tǒng)，所述凈化系統(tǒng)包括依次連接的過濾器、壓縮機、洗滌塔以及吸附系統(tǒng)；所述加壓制冷系統(tǒng)包括增壓機及高壓換熱器；所述深冷精餾系統(tǒng)包括分離器、過冷器、節(jié)流閥以及深冷精餾塔；所述吸附系統(tǒng)依次連接增壓機、高壓換熱器、分離器及節(jié)流閥以及深冷精餾塔。所述深冷精餾系統(tǒng)還包括有過冷器，所述節(jié)流閥包括第一節(jié)流閥和第二節(jié)流閥，所述分離器的頂部氣相出口經(jīng)過冷器、第一節(jié)流閥與深冷精餾塔連接，底部液相出口經(jīng)第二節(jié)流閥與深冷精餾塔連接。所述深冷精餾塔的頂部出口經(jīng)過冷器、高壓換熱器與再生吸附系統(tǒng)連接。所述加壓制冷系統(tǒng)還包括增壓透平膨脹機，所述深冷精餾塔的側(cè)線出口經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的增壓端入口連接，所述增壓透平膨脹機的增壓端出口再經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的膨脹端入口連接，所述增壓透平膨脹機的膨脹端出口經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的增壓端入口連接。發(fā)明人對煤層氣進行了深入研究，作出了如下創(chuàng)新凈化步驟中，煤層氣中含水量低，可直接進行干法除灰，先利用過濾器除去大顆?；覊m，再通過洗滌塔除去粗煤層氣中的細小灰塵，除塵效果好、效率高，提高了煤層氣的品質(zhì)，干法除灰不僅減少水資源的浪費，得到的大顆粒干煤灰還具有較好的經(jīng)濟價值；采用吸附系統(tǒng)能有效清除煤層氣中的水分、二氧化碳、硫化氫和碳氫化合物等雜質(zhì)，保證煤層氣的凈化效果，并且，吸附系統(tǒng)中的再生用氮還可使用后續(xù)步驟中的深冷精餾塔頂部排出的復(fù)熱后污氮氣，進一步節(jié)省了投資，減少了尾氣的排放。所述吸附劑可以使用分子篩或硅膠等可再生循環(huán)利用的吸附劑。加壓制冷步驟中，放棄了制冷效果較差的傳統(tǒng)的等焓節(jié)流膨脹，采用等熵膨脹-壓縮循環(huán)作功原理，使用增壓透平膨脹機，利用循環(huán)而來的混合氣(包括制冷工質(zhì)及側(cè)線氣相)在增壓透平膨脹機的膨脹端中等熵膨脹，并對增壓透平膨脹機增壓端做功，然后經(jīng)過高壓換熱器復(fù)熱，再與深冷精餾塔12側(cè)線出來的氣相混合循環(huán)至增壓透平膨脹機增壓端，深冷精餾塔出來的頂部污氮氣及側(cè)線氣相均在高壓換熱器中回收冷量，同時經(jīng)增壓透平膨脹機加壓制冷后的混合氣也在循環(huán)過程中多次在高壓換熱器中回收冷量，使得煤層氣在高壓換熱器中迅速冷卻，達到制冷的最大效率及冷量的最少損失的目的。所述制冷工質(zhì)僅在開工時加入即可，待正常運行后，深冷精餾塔側(cè)線排出的側(cè)線氣相復(fù)熱后也混入到制冷工質(zhì)中共同循環(huán)，以補充循環(huán)過程中存在的不可避免的循環(huán)量損失，保證增壓透平膨脹機壓縮制冷效率，使冷量最大限度的提供給煤層氣，使煤氣層在出高壓換熱器后就能達到-135°C至_155°C，接近甲烷的露點溫度，從而實現(xiàn)在分離器中的初步氣相及液相分離。進一步的，優(yōu)選煤層氣增壓至I. 5MPag 3. 5MPag后再送入高壓換熱器，壓力下能使甲烷的露點溫度升高，更易使冷卻降溫后的煤層氣在后續(xù)步驟三中發(fā)生氣液分離。進一步的，深冷分離步驟中，分離的氣相及液相在進入深冷精餾塔之前利用節(jié)流閥二級節(jié)流膨脹制冷，進一步給提供冷量，保證獲得液化天燃氣的高回收率和高純凈度。并且，氣相還經(jīng)過冷器與深冷精餾塔頂部排出的污氮氣換熱，達到充分回收冷量的目的。
·[0029]本實用新型中，污氮氣是指含氮量超過體積百分?jǐn)?shù)75%的氣體；所述深冷精餾塔頂部污氮氣及側(cè)線的側(cè)線氣相兩股物料的分離方法，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，工藝上可以通過從深冷精餾塔內(nèi)不同層數(shù)或高度的塔板抽氣而實現(xiàn)。本實用新型工藝中綜合考慮了能量回收及利用的最大化，工藝上采用“一級等熵膨脹制冷配合節(jié)流膨脹制冷”的原理，制冷效率高且完全實現(xiàn)自循環(huán)，無需補充新的冷量及制冷工質(zhì)，是真正意義上的節(jié)能降耗，并且充分利用排出的尾氣，使之合理回用到系統(tǒng)中，從而達到整個工藝尾氣近零排放，對環(huán)境友好的目的。本實用新型簡化了生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)制控更為簡便、設(shè)備投資和運行成本低、生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)的成品天然氣產(chǎn)品回收率及純凈度高，適用于不同甲烷含量的煤層氣，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。以某項目為例，10萬NmVd的煤層氣處理量，甲烷含量約43. 81Vol%，采用本實用新型系統(tǒng)較現(xiàn)有技術(shù)相比，設(shè)備投資可降低400萬元，運行成本可下降約160萬元/年(主要為節(jié)能降耗帶來的成本下降)，每年可產(chǎn)O. 891萬噸的優(yōu)質(zhì)天然氣產(chǎn)品(CH4 > 95vol% )。

圖I為本實用新型工藝工藝流程塱系統(tǒng)示意圖。其中1-過濾器、2-壓縮機、3-洗滌塔、4-吸附系統(tǒng)、5-增壓機、6_增壓透平膨脹機、6. I-增壓透平膨脹機增壓端、6. 2-增壓透平膨脹機膨脹端、7-高壓換熱器，8-分離器、9-過冷器、10、11-節(jié)流閥、12-深冷精餾塔、13-天然氣貯罐。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型系統(tǒng)作進一步解釋說明包括凈化系統(tǒng)、加壓制冷系統(tǒng)以及深冷精餾系統(tǒng)，所述凈化系統(tǒng)包括過濾器I、壓縮機2、洗滌塔3以及吸附系統(tǒng)4 ;所述加壓制冷系統(tǒng)包括增壓機5、高壓換熱器7以及增壓透平膨脹機6 ;所述深冷精餾系統(tǒng)包括分離器8、過冷器9、第一節(jié)流閥10、第二節(jié)流閥11以及深冷精餾塔12。具體連接關(guān)系為由過濾器I依次連接壓縮機2、洗滌塔3、吸附系統(tǒng)4、增加機5、高壓換熱器7以及分離器8，所述分離器8的頂部出口經(jīng)過冷器9、第一節(jié)流閥10進入深冷精餾塔12的上段進料口 ；所述分離器8的底部出口經(jīng)第二節(jié)流閥11進入深冷精餾塔12的上段進料口 ；所述精餾塔12的底部出口連接天然氣貯罐13，頂部出口經(jīng)過冷器9、高壓換熱器7與再生吸附系統(tǒng)4連接，以將排出的污氮氣回收冷量后作為吸附系統(tǒng)4再生用氮。所述深冷精餾塔12側(cè)線出口經(jīng)高壓換熱器7與增壓透平膨脹機增壓端6. I的入口連接，增壓透平膨脹機增壓端6. I的出口經(jīng)高壓換熱器7與增壓透平膨脹機膨脹端6. 2入口連接，增壓透平膨脹機膨脹端6. 2出口經(jīng)高壓換熱器7與增壓透平膨脹機增壓端6. I的入口連接。工藝方法為實施例I :煤層氣(煤層氣組成見表I)經(jīng)煤層氣過濾器I濾去5 200 μ m的大顆粒灰塵，經(jīng)煤層氣壓縮機2加壓至O. 5MPag 3. OMPag后進入洗滌塔3，煤層氣在洗滌塔3中與循環(huán)洗滌水逆流接觸除去細塵，經(jīng)洗滌后，煤層氣含塵量< 20mg/Nm3，然后進入吸附系統(tǒng)4，吸附清除煤層氣中的水分、二氧化碳、硫化氫和碳氫化合物等雜質(zhì)，吸附系統(tǒng)中的再生用氮使用由深冷精餾塔12循環(huán)而來的污氮氣；所述吸附劑使用可以使用分子篩或硅膠等可再生循·環(huán)利用的吸附劑。已凈化的煤層氣導(dǎo)入煤層氣增壓機5增壓至I. 5MPag 3. 5MPag，然后進入高壓換熱器7，在高壓換熱器7中同時與循環(huán)的制冷工質(zhì)、返流污氮氣和側(cè)線氣相出料換熱，冷卻至-135°C至_155°C后進入分離器8。冷卻后的煤層氣在分離器8中氣液分離，液相經(jīng)第二節(jié)流閥11節(jié)流(壓力降至O. 05MPag O. 5MPag)去深冷精餾塔12的上段進料口，氣相先經(jīng)過過冷器9回收污氮氣的部分冷量(換熱)，再經(jīng)第一節(jié)流閥10節(jié)流(壓力降至O. 05MPag
O.5MPag)進入深冷精餾塔12上段進料口，煤層氣經(jīng)分離后的氣相及液相在深冷精餾塔12中精餾后，獲得液化天然氣、污氮氣和側(cè)線氣相。深冷精餾塔12底部出來的液化天然氣去液化天然氣貯罐13。深冷精餾塔12頂部出來的污氮氣(本實施例中污氮氣由第一塊塔板中抽出，主要成份體積百分?jǐn)?shù)為N2占85.8%mol，02占8. 4% mol，CH4占5. 8% mol)，經(jīng)過過冷器9與進深冷精餾塔12的氣相換熱回收部分冷量后，再去高壓換熱器7復(fù)熱(與煤層氣換熱)后回送吸附系統(tǒng)4，用作吸附系統(tǒng)4再生用氮。深冷精餾塔12側(cè)線出來的側(cè)線氣相(本實施例中側(cè)線氣相由第十塊塔板中抽出，主要成份體積百分?jǐn)?shù)為N2占39. 2% mol, O2占45% mol, CH4占I 5. 8% mol)經(jīng)高壓換熱器7復(fù)熱(與煤層氣換熱)后，與制冷工質(zhì)氣體混合。本實用新型中的制冷循環(huán)過程為開工時，制冷工質(zhì)經(jīng)過增壓透平膨脹機增壓端6. I的壓縮，進入高壓換熱器7與煤層氣進行換熱，冷卻后去增壓透平膨脹機膨脹端6. 2，制冷工質(zhì)在增壓透平膨脹機膨脹端6. 2中等熵膨脹，并對增壓透平膨脹機增壓端6. I做功，然后經(jīng)過高壓換熱器7繼續(xù)與煤層氣換熱，并與深冷精餾塔12側(cè)線出來的同樣在高壓換熱器7內(nèi)與煤氣層換熱的側(cè)線氣相混合形成混合氣，混合氣再循環(huán)至增壓透平膨脹機增壓端6. I壓縮后回送高壓換熱器7。該循環(huán)過程持續(xù)進行，提供足夠的冷量使經(jīng)過高壓換熱器7的煤層氣被冷卻至_135°C至_155°C。本工藝中，制冷工質(zhì)只需開工時一次性導(dǎo)入循環(huán)量即可，運行時的損失量可由側(cè)線氣相補充，所述制冷工質(zhì)可以采用氮氣或混合制冷劑如氮氣+甲烷、氮氣+乙烷、氮氣+丙烷等現(xiàn)有常用的制冷工質(zhì)，這里并不特別限定。最終得到液化天然氣產(chǎn)品的回收率為93. 2%，純凈度為95. 7% mol。[0043]實施例2煤層氣組成如表2所示。表2煤層氣組成
權(quán)利要求1.一種煤層氣凈化精制系統(tǒng)，其特征在于，包括凈化系統(tǒng)、加壓制冷系統(tǒng)以及深冷精餾系統(tǒng)，所述凈化系統(tǒng)包括依次連接的過濾器、壓縮機、洗滌塔以及吸附系統(tǒng)；所述加壓制冷系統(tǒng)包括增壓機及高壓換熱器；所述深冷精餾系統(tǒng)包括分離器、過冷器、節(jié)流閥以及深冷精餾塔；所述吸附系統(tǒng)依次連接增壓機、高壓換熱器、分離器及節(jié)流閥以及深冷精餾塔。
2.如權(quán)利要求I所述的煤層氣凈化精制系統(tǒng)，其特征在于，所述深冷精餾系統(tǒng)還包括有過冷器，所述節(jié)流閥包括第一節(jié)流閥和第二節(jié)流閥，所述分離器的頂部氣相出口經(jīng)過冷器、第一節(jié)流閥與深冷精餾塔連接，底部液相出口經(jīng)第二節(jié)流閥與深冷精餾塔連接。
3.如權(quán)利要求2所述的煤層氣凈化精制系統(tǒng)，其特征在于，所述深冷精餾塔的頂部出口經(jīng)過冷器、高壓換熱器與再生吸附系統(tǒng)連接。
4.如權(quán)利要求I一 3任一項所述的煤層氣凈化精制系統(tǒng)，其特征在于，所述加壓制冷系統(tǒng)還包括增壓透平膨脹機，所述深冷精餾塔的側(cè)線出口經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的增壓端入口連接，所述增壓透平膨脹機的增壓端出口再經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的膨脹端入口連接，所述增壓透平膨脹機的膨脹端出口經(jīng)高壓換熱器與增壓透平膨脹機的增壓端入口連接。
專利摘要本實用新型涉及一種煤層氣凈化精制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有煤層氣凈化系統(tǒng)成本高、能耗高、不利于環(huán)境保護的問題。技術(shù)方案包括凈化系統(tǒng)、加壓制冷系統(tǒng)以及深冷精餾系統(tǒng)，所述凈化系統(tǒng)包括依次連接的過濾器、壓縮機、洗滌塔以及吸附系統(tǒng)；所述加壓制冷系統(tǒng)包括增壓機及高壓換熱器；所述深冷精餾系統(tǒng)包括分離器、過冷器、節(jié)流閥以及深冷精餾塔；所述吸附系統(tǒng)包括依次連接增壓機、高壓換熱器、分離器及節(jié)流閥以及深冷精餾塔。本實用新型簡化了生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)制控更為簡便、設(shè)備投資和運行成本低、生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)的成品天然氣產(chǎn)品回收率及純凈度高，適用于不同甲烷含量的煤層氣，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
文檔編號C10L3/10GK202671511SQ20122017640
公開日2013年1月16日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者張宗飛, 徐建民, 唐鳳金, 馮天照 申請人:中國五環(huán)工程有限公司