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CN1952569A - 含空气煤层气液化工艺及设备 - Google Patents

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CN1952569A
CN1952569A CNA2006100808894A CN200610080889A CN1952569A CN 1952569 A CN1952569 A CN 1952569A CN A2006100808894 A CNA2006100808894 A CN A2006100808894A CN 200610080889 A CN200610080889 A CN 200610080889A CN 1952569 A CN1952569 A CN 1952569A
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air
gas
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liquefaction
equipment
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杨克剑
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Original Assignee
BEIJING KERUI SAISI GAS LIQUEFACTION TECHNOLOGY Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种含空气煤层气的液化工艺，包括压缩净化工艺、制冷工艺和液化分离工艺，该液化分离工艺中采用低温双级精馏方法，其液化和分离都在低温下进行，分离纯度高，安全性能好，其液化天然气的产品纯度可以达到99％以上，排放到空气中甲烷含量仅为1％左右，有效回收了资源；本发明还提供了这种含空气煤层气的液化设备。

Description

含空气煤层气液化工艺及设备
技术领域
本发明涉及一种气体液化分离设备及工艺，特别涉及含空气煤层气的液化工艺及设备。
背景技术
煤层气也称非常规天然气或矿井瓦斯，其主要成分是甲烷。它不仅是一种宝贵的清洁能源，也是重要的化工原料。我国的煤层气资源极为丰富，但开发的比较少，几乎没有工业上的应用。据了解，我国每年排入大气的煤层气占全世界采煤排放的煤层气总量的三分之一，这不但造成了严重的大气污染，也是很大的资源浪费。
煤层气的特点是单井产量不很高，除就近使用外，铺设管道外输常常不合算。尤其是采煤过程中抽放的煤层气，因为压力低，甲烷含量低，而且其中混有空气，空气中的氧气是危险的助燃剂，这就给煤层气的加工和运输带来了困难，放空浪费的就更严重，这个问题一直没有得到很好的解决。如果把含空气煤层气中的煤层气(主要是甲烷)和空气分离出来，然后将提纯后的煤层气液化，这就极大地方便了运输和利用。
液化天然气技术从上世纪六十年代就开始商业化，至今已有三、四十年的历史。我国液化天然气产业正处于发展阶段，国内对各种液化天然气的循环已基本掌握。但不论是国外或者国内，液化天然气技术都是针对纯度较高、不含空气的天然气。对含空气煤层气的分离和液化，还没有引起人们的重视，含空气煤层气放空排放的现象仍然十分严重。常规的分离方法有吸收法、吸附法、薄膜渗透法和低温精馏法等。前面几种方法，分离的纯度很难达到要求，有的还需要加热，含空气煤层气在高温下易爆炸，存在安全隐患，因此没有得到应用。把低温精馏法应用在含空气煤层气的分离和液化上，现在则也还没有人提出、更没有具体的工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含空气煤层气的液化工艺，采用低温双级精馏方法，其液化天然气的产品纯度可以达到99％以上，排放到空气中甲烷含量仅为1％左右，有效回收了资源；本发明还提供了这种含空气煤层气的液化设备。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种含空气煤层气的液化工艺，包括如下工艺步骤：
首先将含空气煤层气原料气压缩净化，去除原料气中杂质；
然后将压缩净化的含空气煤层气通入换热器进行热交换，将温度冷却至-130℃～-165℃；
经过制冷的含空气煤层气进入第一分馏塔，被分馏塔顶部的冷凝器冷凝为液体，被冷凝的液体一部分进入第二分馏塔顶部进一步精馏，另一部分回流；
第一分馏塔底部引出的富含甲烷的液体再进入第二分馏塔底部的蒸发器被蒸发为气体，作为第二分馏塔的气体馏分；
第二分馏塔底部的气体馏分与顶部的液体馏分接触进一步精馏，即在第二分馏塔底部得到高纯度的液化煤层气，第二分馏塔顶部得到含极少甲烷的洁净空气；
所述换热器的冷量由一制冷系统提供，所述制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。
其中，所述气体膨胀制冷系统中，第一分馏塔顶部引出的气体被引入制冷系统中补充制冷气的泄漏损失；
所述压缩净化工艺步骤中，也可以预先降低煤层气中的氧含量，将氧含量降低至2％以下；
所述第一分馏塔中部还引出一部分气体，经第二分馏塔顶部的换热器冷却后，进入第二分馏塔中部参加精馏；
所述第二分馏塔顶部得到的洁净空气作为冷量进入换热器；
所述第一分馏塔冷凝器的冷量由制冷系统提供；
空气煤层气进入第一分馏塔之前，先经第二分馏塔的蒸发器预冷；
气体膨胀制冷系统中，制冷气先作为第一分馏塔冷凝器的冷量换热后，再进入换热器的冷端。
本发明还提供了上述含空气煤层气的液化工艺的设备，包括压缩净化设备、制冷设备和液化分离设备，液化分离设备具有换热器，所述压缩净化设备与液化分离设备中的换热器的热介质通道连接，制冷设备与液化分离设备的制冷介质通道连接，所述液化分离设备包括依次连接的换热器和两级分馏塔，第一分馏塔具有冷凝器，第二分馏塔具有蒸发器，其特征在于，第一分馏塔顶部、底部与第二馏塔顶部、底部通过管路相连，第一分馏塔冷凝器还具有气体管路将气体引入到制冷设备中。
其中，所述第一分馏塔的中部与第二分馏塔的中部通过管路连通；
一条气体管路将第二分馏塔顶部与换热器连接；
所述第一分馏塔的冷凝器的制冷介质管路与制冷设备的制冷气管路连通；
所述第二分馏塔的蒸发器加热管路与进入第一分馏塔之前的原料气管路相连通。
本发明所能达到的有益效果是：本发明含空气煤层气液化设备及工艺专为含空气煤层气设计的分离液化过程，其液化和分离都在低温下进行，分离纯度高，安全性能好，在分离的同时就可制取液化天然气。整套设备安装连接方便。它不仅有效地利用了含空气的煤层气资源，而且避免了排放造成的大气污染。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2压缩净化设备示意图；
图2为本发明实施例1制冷设备和液化分离设备示意图；
图3为本发明实施例2制冷设备和液化分离设备示意图。
具体实施方式
实施例1
参阅图1、图2，为本发明实施例1含空气煤层气的液化设备示意图，包括两大部分，首先含空气煤层气原料气先经压缩净化，再经过液化分离即可得到液态天然气，其中液化分离过程所需的冷量由制冷系统提供，具体的设备及工艺描述如下：
参阅图1，为本发明压缩净化设备示意图。包括过滤器1、气液分离器2、一级压缩机3、冷却器5、二级压缩机4、冷却器6、分子筛设备组，所述分子筛干燥设备组包括三台分子筛干燥机7、8、9。第一台分子筛干燥机7、第二台分子筛干燥机8交替工作再生、另一台分子筛干燥机9冷却备用，每8小时切换一次。该分子筛干燥设备主要用来脱除水、二氧化碳，并可以去除一定量的氧气。
压缩净化的工艺流程如下：
1、自排放管道来的含空气煤层气原料气首先经过滤器1除去灰尘；
2、除尘后的含空气煤层气进入气液分离器2气液分离后，气体进入压缩机3一级压缩；
3、压缩后经冷却器5冷却；
4、再进入二级压缩机4和冷却器6压缩冷却；
5、含空气煤层气进入分子筛干燥设备7，脱出水和二氧化碳，再生气和冷吹气其中一部分经加热器11加热至240-250℃，用于分子筛干燥器8的再生，另一部分直接进入已再生好的干燥器9，冷却分子筛，降低分子筛干燥机9的温度备用；
6、经分子筛干燥设备脱除水、二氧化碳和氧气(氧气含量下降到1.5％)的含空气煤层气原料气再经过滤器10即可进入制冷、液化分离系统。
参阅图2，为本发明实施例2含空气煤层气制冷、液化分离设备示意图，包括制冷设备和液化分离设备，制冷设备得到的冷量通过换热器15与其内的含空气煤层气热交换。所述液化分离设备包括依次连接的换热器15和两级分馏塔16、17，第一分馏塔16具有冷凝器19，第二分馏塔具有蒸发器18，第一分馏塔顶部、底部与第二馏塔顶部、底部通过管路相连，第一分馏塔冷凝器还具有气体管路将气体引入到制冷设备中。
液化分离工艺步骤如下：
1、经压缩净化的含空气煤层气进入换热器15中与其中冷介质交换热量，温度达到-155℃、压力为0.6MPa。
2、含空气煤层气进入第一分馏塔16的底部，并自下而上经过每一块塔板，在第一分馏塔16顶部的冷凝器19内含空气煤层气被大部分冷凝为液体，温度大约为-174℃，压力为0.6MPa，少量含甲烷的未冷凝的的气体(少于1％)被管路20引入制冷系统中。
3、冷凝器19中被冷凝的液体一部分通过减压阀24(经过减压阀后，液体温度为-190℃，压力为0.15MPa)进入第二分馏塔17的顶部进一步分馏，另一部分液体作为冷量流回第一分馏塔16，自上而下流过塔板，与向上走的原料气进行热交换；这样越向上，气体中的甲烷含量越少，越向下，液体中的甲烷含量越多。
4、从第一分馏塔16底部引出的是富含甲烷(甲烷含量约78％)的液体，通过一减压阀22(经过减压阀后，液体温度为-170℃，压力为0.15MPa)再进入第二分馏塔17的底部的蒸发器18，被加热蒸发，成为第二分馏塔17的气体馏分进入第二分馏塔进一步精馏；第二分馏塔的精馏过程与第一分馏塔相同，液体自上向下，气体子下向上，不同的是，第二分馏塔底部是富含甲烷的液体在蒸发。
5、经过第二分馏塔17精馏后，从第二精馏塔的顶部放出的是含甲烷极少的洁净空气，进入换热器15，回收冷量。
6、从第二分馏塔17底部放出的就是纯度很高的液化煤层气。
上述液化分离过程中换热器15所需要的冷量是由制冷系统提供的，制冷系统包括制冷机12和压缩机13。
在制冷系统回路中，气体的流量大约是液化路含空气煤层气流量的2.5-5倍。
实施例2
实施例2压缩净化工艺与设备与实施例1相同。
参阅图3，为本发明实施例2含空气煤层气制冷设备和液化分离设备示意图。液化分离设备包括两级换热器35、36、第一分馏塔37、38，第一分馏塔37具有冷凝器34，第二分馏塔38具有蒸发器39，第一分馏塔顶部、中部、底部与第二馏塔顶部、中部、底部通过管路相连，第一分馏塔冷凝器还具有气体管路将气体引入到制冷设备中。
液化分离工艺步骤如下：
1、经压缩净化的含空气煤层气原料气进入换热器35、36中交换热量，进入第二分馏塔38的蒸发器39进一步降低温度达到-160℃、压力为0.6MPa。
2、含空气煤层气自蒸发器39出来后，进入第一分馏塔37的底部，并自下而上经过每一块塔板，在第一分馏塔37顶部的冷凝器34(冷凝器34的冷量由制冷系统提供)内原料气被大部分冷凝为液体，温度大约为-174℃，压力为0.6MPa，少量含甲烷的未冷凝的的气体(少于1％)被引入制冷系统中。
3、冷凝器34中被冷凝的液体一部分通过减压阀43(经过减压阀后，液体温度为-190℃，压力为0.15MPa)进入第二分馏塔38的顶部进一步分馏，另一部分液体作为冷量流回第一分馏塔37，自上而下流过塔板，与向上走的原料气进行热交换；这样越向上，气体中的甲烷含量越少，越向下，液体中的甲烷含量越多。
4、从第一分馏塔37底部引出的是富含甲烷(甲烷含量约78％)的液体，通过一减压阀45(经过减压阀后，液体温度为-170℃，压力为0.15MPa)再进入第二分馏塔38的底部的蒸发器39，被加热蒸发，成为第二分馏塔38的气体馏分进入第二分馏塔进一步精馏；第二分馏塔的精馏过程与第一分馏塔相同，液体自上向下，气体子下向上，不同的是，第二分馏塔底部是富含甲烷的液体在蒸发。
5、经过第二分馏塔38精馏后，从第二精馏塔的顶部放出的是含甲烷极少的洁净空气，再经过一换热器40冷却从第一分馏塔中部引出的气体(该部分气体是为提高精馏效果引出，经换热器40和减压阀23被冷却至-170℃，压力为0.15MPa，)气体出换热器后温度为-93℃，压力为0.15MPa，进入换热器35，回收冷量。
6、从第二分馏塔17底部放出的就是纯度很高的液化煤层气。
上述液化分离过程中换热器35、36和冷凝器34所需要的冷量是由制冷系统提供的，所述制冷设备包括依次连接的两级压缩机27、28每级压缩机后设有冷却器44、45，两级透平增压机29、30、透平增压机后连接冷却器33，并连接第一换热器35，第一换热器35进一步连接两级透平膨胀机32、31，透平膨胀机先进入冷凝器34再进一步与与第二换热器的冷介质通道连通。
1、制冷系统启动之前，系统内充满氮气作为制冷气，温度为30℃，压力为0.15Mpa；
2、启动制冷系统，制冷气先经压缩机27、28压缩冷却，再经过透平增压机29、30增压冷却，进入第一换热器35预冷；
3、制冷气再经透平膨胀机32、31膨胀制冷，先进入冷凝器34，温度下降到-166℃，即进入换热器36的冷端；
3、液化分离工艺步骤2中引出的气体被引入膨胀机后的制冷管路中，以补充泄漏的制冷气；
4、制冷气进入换热器气体复热后，再压缩、增压、制冷、膨胀制冷，如此循环。
在制冷系统回路中，气体的流量大约是液化管路中含空气煤层气流量的2.5-5倍。

Claims (12)

1、一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，包括如下工艺步骤：
首先将含空气煤层气原料气压缩净化，去除原料气中杂质；
然后将压缩净化的含空气煤层气通入换热器进行热交换，将温度冷却至-130℃～-165℃；
经过制冷的含空气煤层气进入第一分馏塔，被分馏塔顶部的冷凝器冷凝为液体，被冷凝的液体一部分进入第二分馏塔顶部进一步精馏，另一部分回流；
第一分馏塔底部引出的富含甲烷的液体再进入第二分馏塔底部的蒸发器被蒸发为气体，作为第二分馏塔的气体馏分；
第二分馏塔底部的气体馏分与顶部的液体馏分接触进一步精馏，即在第二分馏塔底部得到高纯度的液化煤层气，第二分馏塔顶部得到含极少甲烷的洁净空气；
所述换热器的冷量由一制冷系统提供，所述制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。
2、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，所述气体膨胀制冷系统中，第一分馏塔顶部引出的气体被引入制冷系统中补充制冷气的泄漏损失。
3、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，所述压缩净化工艺步骤中，还包括去除含空气煤层气中的氧气，是含空气煤层气中的氧含量降低至2％以下。
4、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，所述第一分馏塔中部还引出一部分气体，经第二分馏塔顶部的换热器冷却后，进入第二分馏塔中部参加精馏。
5、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，所述第二分馏塔顶部得到的洁净空气作为冷量进入换热器。
6、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，所述第一分馏塔冷凝器的冷量由制冷系统提供。
7、根据权利要求1所述的一种含空气煤层气的液化工艺，其特征在于，含空气煤层气进入第一分馏塔之前，先经第二分馏塔的蒸发器预冷。
8、一种含空气煤层气的液化设备，包括压缩净化设备、制冷设备和液化分离设备，液化分离设备具有换热器，所述压缩净化设备与液化分离设备中的换热器的热介质通道连接，制冷设备与液化分离设备的制冷介质通道连接，所述液化分离设备包括依次连接的换热器和两级分馏塔，第一分馏塔具有冷凝器，第二分馏塔具有蒸发器，其特征在于，第一分馏塔顶部、底部与第二馏塔顶部、底部通过管路相连，第一分馏塔冷凝器还具有气体管路将气体引入到制冷设备中。
9、根据权利要求8所述的一种含空气煤层气的液化设备，其特征在于，所述第一分馏塔的中部与第二分馏塔的中部通过管路连通。
10、根据权利要求8所述的一种含空气煤层气的液化设备，其特征在于，一条气体管路将第二分馏塔顶部与换热器连接。
11、根据权利要求8所述的一种含空气煤层气的液化设备，其特征在于，所述第一分馏塔的冷凝器的制冷介质管路与制冷设备的制冷气管路连通。
12、根据权利要求8所述的一种含空气煤层气的液化设备，其特征在于，所述第二分馏塔的蒸发器的加热管路与进入第一分馏塔之前的原料气管路相连通。
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