專利名稱：含空氣煤層氣液化分離工藝及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣體液化分離設備及工藝，特別涉及含空氣煤層氣的液化分離設備及工藝。
背景技術：
煤層氣也稱非常規(guī)天然氣或礦井瓦斯，其主要成分是甲烷。它不僅是一種寶貴的清潔能源，也是重要的化工原料。我國的煤層氣資源極為豐富，但開發(fā)的比較少，幾乎沒有工業(yè)上的應用。據(jù)了解，我國每年排入大氣的煤層氣占全世界采煤排放的煤層氣總量的三分之一，這不但造成了嚴重的大氣污染，也是很大的資源浪費。
煤層氣的特點是單井產(chǎn)量不很高，除就近使用外，鋪設管道外輸常常不合算。尤其是采煤過程中抽放的煤層氣，因為壓力低，甲烷含量低，而且其中混有空氣，空氣中的氧氣是危險的助燃劑，這就給煤層氣的加工和運輸帶來了困難，放空浪費的就更嚴重，這個問題一直沒有得到很好的解決。如果把含空氣煤層氣中的煤層氣(主要是甲烷)和空氣分離出來并將提純后的煤層氣液化，這就極大地方便了運輸和利用。
液化天然氣技術從上世紀六十年代就開始商業(yè)化，至今已有三、四十年的歷史。我國液化天然氣產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展階段，國內(nèi)對各種液化天然氣的循環(huán)已基本掌握。但不論是國外或者國內(nèi)，液化天然氣技術都是針對純度較高、不含空氣的天然氣。對含空氣的煤層氣的分離和液化，還沒有引起人們的重視，含空氣煤層氣放空排放的現(xiàn)象仍然十分嚴重。
常規(guī)的分離方法有吸收法、吸附法、薄膜滲透法和低溫精餾法等。前面幾種方法，分離的純度很難達到要求，有的回收率低，有的還需要加熱，含空氣煤層氣在高溫下易爆炸，存在安全隱患，因此沒有得到應用。在本申請人2006年5月19日提出名稱為“含空氣煤層氣液化工藝及設備”的專利申請中，提出把低溫精餾法應用在含空氣煤層氣的分離和液化上，描述了一種雙級精餾的工藝，但該工藝方法所需設備較多，工藝較為繁雜，投入成本較高，不利于在小規(guī)模的煤礦推廣應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，采用低溫單級精餾方法，工藝更為簡單，本發(fā)明還提供了這種含空氣煤層氣的液化分離設備。
為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，包括如下工藝步驟將含空氣煤層氣原料氣壓縮凈化，去除原料氣中雜質(zhì)；將壓縮凈化的含空氣煤層氣通入換熱器進行熱交換，將溫度冷卻至-140℃～-190℃，大部分含空氣煤層氣冷卻為液體；將冷卻后的含空氣煤層氣通入一分餾塔的中部，經(jīng)分餾塔底部的蒸發(fā)器的蒸發(fā)和頂部冷凝器的冷凝、塔內(nèi)的氣體餾分、液體餾分進行充分的質(zhì)、熱交換，在分餾塔頂部得到高純度的氮氣，分餾塔底部得到高純度的液態(tài)天然氣；其中，在分餾塔頂部與含空氣煤層氣入口之間引出一部分潔凈空氣通入換熱器中。
其中，所述換熱器的冷量和冷凝器的冷量由一個制冷系統(tǒng)提供，所述制冷系統(tǒng)為氣體膨脹制冷系統(tǒng)或混合制冷劑制冷系統(tǒng)；所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中，從分餾塔頂部分離出的氮氣被引入制冷系統(tǒng)中補充制冷氣的泄漏損失；所述制冷系統(tǒng)中的制冷氣先經(jīng)過分餾塔底部的蒸發(fā)器回收冷量；所述引出的潔凈空氣從換熱器復熱后，通入凈化設備作為加熱和吹除氣體；所述含空氣煤層氣進入分餾塔之前先經(jīng)過蒸發(fā)器預冷。
本發(fā)明還提供了一種上述含空氣煤層氣的液化分離工藝的設備，包括壓縮凈化設備、制冷設備和液化分離設備，所述液化分離設備具有換熱器，壓縮凈化設備與液化分離設備中的換熱器的原料氣熱介質(zhì)通道連接，制冷設備與液化分離設備的換熱器制冷介質(zhì)通道連接，所述液化分離設備包括一分餾塔與換熱器相連，分餾塔頂部具有冷凝器，分餾塔底部具有蒸發(fā)器，換熱器的原料氣熱介質(zhì)通道被引入分餾塔中部，所述分餾塔的上部有一條氣體管路被引入換熱器中。
其中，所述制冷設備為氣體膨脹制冷設備或混合制冷劑制冷設備；所述分餾塔頂部有氣體管路將氣體引入到氣體膨脹制冷設備中；所述分餾塔的冷凝器的制冷介質(zhì)管路與制冷設備的制冷氣管路連通；所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與制冷氣管路或含空氣煤層氣管路相連通。
本發(fā)明所能達到的有益效果是本發(fā)明含空氣煤層氣液化分離設備及工藝是專為含空氣煤層氣設計的分離液化過程，采用單級精餾設備，較雙級精餾的工藝更簡單，操作更方便，其投入成本較低，利于大規(guī)模推廣。


圖1為本發(fā)明實施例1和實施例2壓縮凈化設備示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1制冷設備和液化分離設備示意圖；圖3為本發(fā)明實施例2制冷設備和液化分離設備示意圖。
具體實施例方式
實施例1參閱圖1、圖2，為本發(fā)明實施例1含空氣煤層氣液化分離設備示意圖，包括兩大部分，首先含空氣煤層氣原料氣先經(jīng)壓縮凈化，再經(jīng)過液化分離即可得到液態(tài)天然氣，其中液化分離過程所需的冷量由制冷系統(tǒng)提供，具體的設備及工藝描述如下參閱圖1，為本發(fā)明壓縮凈化設備示意圖。包括過濾器1、氣液分離器2、壓縮機3、冷卻器4、分子篩設備組，所述分子篩干燥設備組包括三臺分子篩干燥機5、6、7，當?shù)谝慌_分子篩干燥機5工作時，第二臺分子篩干燥機6加熱再生、第三臺分子篩干燥機7冷卻備用，每8小時切換一次。該分子篩干燥設備主要用來脫除水、二氧化碳。分子篩設備組后有過濾器8，還有加熱器22。
壓縮凈化的工藝流程如下1、自排放管道來的含空氣煤層氣原料氣首先經(jīng)過濾器1除去灰塵；2、除塵后的含空氣煤層氣進入氣液分離器2氣液分離后，氣體進入壓縮機3壓縮；3、壓縮后經(jīng)冷卻器4冷卻；4、含空氣煤層氣進入分子篩干燥機5，脫出水和二氧化碳，流程中產(chǎn)生的潔凈空氣的一部分經(jīng)加熱器9加熱至240-250℃，用于分子篩干燥機6的再生，另一部分直接進入已再生好的干燥機7，冷卻分子篩，降低分子篩干燥機7的溫度，然后用氮氣置換分子篩干燥機7中的空氣，備用；6、經(jīng)分子篩干燥設備脫除水、二氧化碳和氧氣的含空氣煤層氣原料氣再經(jīng)過濾器8即可進入制冷、液化分離設備。
參閱圖2，為本發(fā)明實施例1含空氣煤層氣制冷、液化分離設備示意圖，包括制冷設備和液化分離設備，制冷設備得到的冷量通過換熱器16、10、冷凝器12與其內(nèi)含空氣煤層氣熱交換。所述液化分離設備包括依次連接的換熱器16、10和底部有蒸發(fā)器11、頂部有冷凝器12的分餾塔13。冷凝器12的制冷管道與制冷系統(tǒng)的管道相連，蒸發(fā)器11的加熱管道在換熱器16、10之間與原料氣的管道相連，換熱器10冷端的原料氣管道與分餾塔中部相連，分餾塔13頂部有氣體管道依次與換熱器10、16相連，分餾塔上部也有管路依次與換熱器10、16相連，分餾塔底部還有液體管路將液體天然氣連接到輸出閥門。
液化分離工藝步驟如下1、經(jīng)壓縮凈化的含空氣煤層氣(甲烷50％，空氣50％)進入換熱器16中與其中制冷介質(zhì)交換熱量，溫度下降后再進入蒸發(fā)器11的加熱管道，造成蒸發(fā)器內(nèi)的液體蒸發(fā)，氣體本身溫度進一步下降，再進入換熱器10，使溫度下降到-168℃，壓力為0.6Mpa；2、溫度下降后的含空氣煤層氣經(jīng)閥門減壓到0.45MPa進入分餾塔13的中部，其液體自上而下流過塔板，在分餾塔13底部的蒸發(fā)器11內(nèi)含空氣煤層氣液體的一部分被蒸發(fā)為氣體，加熱溫度約為-140℃，被蒸發(fā)的氣體向上流動與向下流動的液體進行熱、質(zhì)交換；3、在分餾塔的上部(原料氣入口以上)，向上流動的氣體到達分餾塔頂部，又被分餾塔頂部的冷凝器冷凝，其中一部分冷凝為液體，向下回流，同樣作為液體餾分與氣體再進行熱、質(zhì)交換。冷凝器12的冷凝溫度約為-180℃，壓力約為0.44Mpa；4、在分餾塔的上部，在塔頂部與原料氣入口之間溫度為-180℃的一塊塔板處又向外放出一部分氣體，流量約為原料氣的43％，這部分氣體是潔凈空氣，其含氧量略高于空氣，為24％，含甲烷量極少(為0.07％)，溫度約為-176℃，壓力約為0.44MPa，這部分氣體依次進入換熱器10、22，回收冷量；5、從分餾塔的頂部放出一部分氣體，流量約為原料氣的7％，這部分氣體是很純的氮氣，純度為99.95％，溫度約為-180℃，壓力約為0.44MPa，也依次進入換熱器10、16，回收冷量。
6、從分餾塔13底部放出的就是純度很高的液化煤層氣。流量為原料氣的50％，純度達到99.9％以上，溫度約為-140℃，壓力約為0.44MPa。
上述液化分離過程中換熱器16、10和冷凝器12所需要的冷量是由制冷設備提供的，制冷設備為混合制冷劑制冷設備，包括制冷機14和壓縮機15。
實施例2實施例2壓縮凈化工藝與設備與實施例1相同。
參閱圖3，為本發(fā)明實施例2含空氣煤層氣制冷設備和液化分離設備示意圖。液化分離設備包括三級換熱器23、24、25，分餾塔26，分餾塔頂部有冷凝器27，分餾塔底部有蒸發(fā)器28，分餾塔的結構與實施例1相同。制冷設備為氣體壓縮膨脹制冷系統(tǒng)，采用了一臺壓縮機22、冷卻器29和兩臺透平膨脹機17、18。分餾塔冷凝器27有氣體管路將氣體引入到制冷設備的管道中。冷凝器27的制冷管道與制冷設備的管道相連，蒸發(fā)器28的加熱管道在換熱器23、24之間與制冷氣的管道相連，換熱器25冷端的含空氣煤層氣原料氣管道與分餾塔中部相連。
液化分離工藝步驟如下1、經(jīng)壓縮凈化的含空氣煤層氣原料氣(甲烷50％，空氣50％)進入換熱器23、24、25中交換熱量，降低溫度達到-168℃、壓力為0.63MPa；2、溫度下降后的含空氣煤層氣經(jīng)閥門減壓到0.45MPa進入分餾塔26的中部，其液體自上而下流過塔板，在分餾塔26底部的蒸發(fā)器28內(nèi)含空氣煤層氣液體的一部分被蒸發(fā)為氣體，加熱溫度約為-140℃，被蒸發(fā)的氣體向上流動與向下流動的液體進行熱、質(zhì)交換；3、在分餾塔的上部(原料氣入口以上)，向上流動的氣體到達分餾塔頂部，又被分餾塔頂部的冷凝器27冷凝，其中一部分冷凝為液體，向下回流，同樣作為液體餾分與氣體再進行熱、質(zhì)交換。冷凝器27的冷凝溫度約為-180℃，壓力約為0.44MPa；4、在分餾塔的上部，在塔頂部與原料氣入口之間溫度為-180℃的一塊塔板處又向外放出一部分氣體，流量約為原料氣的43％，這部分氣體是潔凈空氣，其含氧量略高于空氣，為24％，含甲烷量極少(為0.07％)，溫度約為-176℃，壓力約為0.44MPa，這部分氣體依次進入換熱器25、24、23，回收冷量，復熱以后，這部分氣體可用做凈化器的加熱再生和冷卻氣體。
5、從分餾塔的頂部放出一部分氣體，流量約為原料氣的7％，這部分氣體是很純的氮氣，純度為99.95％，溫度約為-180℃，壓力約為0.44MPa，減壓到0.3MPa后與制冷氣匯合，依次進入換熱器25、24、23，回收冷量。
6、從分餾塔26底部放出的就是純度很高的液化煤層氣。流量為原料氣的50％，純度達到99.9％以上，溫度約為-140℃，壓力約為0.44MPa。
上述液化分離過程中換熱器23、24、25和冷凝器27所需要的冷量是由制冷系統(tǒng)提供的，所述制冷設備包括壓縮機22，冷卻器29，兩臺透平的增壓機17、18、透平增壓機后連接冷卻器19，然后連接第一換熱器23，第一換熱器23進一步連接蒸發(fā)器28的管道，然后制冷管道分為兩路，一路連接透平膨脹機20的進氣口，一路連接第二換熱器24，第二換熱器24的制冷管道再和透平膨脹機21的進氣口連接，透平膨脹機21的排氣口再和冷凝器27的制冷管道連接，然后與分餾塔的頂部的氣體管道匯合，再連接第三換熱器25的冷介質(zhì)通道。透平膨脹機20的排氣口與換熱器24、25之間的冷介質(zhì)通道相連接。透平增壓機17、18分別由透平膨脹機20、21的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動。制冷系統(tǒng)工藝步驟如下1、制冷系統(tǒng)啟動之前，系統(tǒng)內(nèi)充滿氮氣作為制冷氣。
2、啟動制冷系統(tǒng)，制冷氣先經(jīng)壓縮機22壓縮，在冷卻器29中冷卻，再經(jīng)過透平增壓機17、18增壓，再經(jīng)冷卻器19冷卻，進入第一換熱器23預冷，溫度降低到-124℃。
3、制冷氣再經(jīng)蒸發(fā)器28的管道(溫度為-140℃)被進一步冷卻到-137℃，然后制冷氣分為兩路，一路氣量為30％進入透平膨脹機20，膨脹后溫度為-169℃，另一路氣量為70％進入第二換熱器24，從換熱器24出來溫度為-158℃，再進入透平膨脹機21膨脹制冷。
4、從透平膨脹機21膨脹后的制冷氣溫度為-185℃，它先進入冷凝器13的制冷管道，為冷凝器27提供冷源，隨后，制冷氣溫度升高為-181.4℃，再與分餾塔頂部出來的氮氣匯合，返流進入第三換熱器25用來冷卻原料氣。
5、從換熱器11的熱端出來的制冷氣溫度升高為-169℃，它與透平膨脹機20膨脹后的氣體(溫度也是-169℃)匯合，再依次進入換熱器24、23，作為換熱器的冷源。這部分氣體復熱后，多余的氮氣可以做凈化器的冷吹置換氣，而大部分氮氣則再壓縮、增壓、冷卻、膨脹制冷，如此循環(huán)。
由于流程中本身能夠產(chǎn)生氮氣，足夠用來補充制冷系統(tǒng)的泄漏，因此啟動以后，不需要再購買氮氣。
權利要求
1.一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，包括如下工藝步驟將含空氣煤層氣原料氣壓縮凈化，去除原料氣中雜質(zhì)；將壓縮凈化的含空氣煤層氣通入換熱器進行熱交換，將溫度冷卻至-140℃～-190℃，大部分含空氣煤層氣冷卻為液體；將冷卻后的含空氣煤層氣通入一分餾塔的中部，經(jīng)分餾塔底部的蒸發(fā)器的蒸發(fā)和頂部冷凝器的冷凝、塔內(nèi)的氣體餾分、液體餾分進行充分的質(zhì)、熱交換，在分餾塔頂部得到高純度的氮氣，分餾塔底部得到高純度的液態(tài)天然氣；其中，在分餾塔頂部與含空氣煤層氣入口之間引出一部分潔凈空氣通入換熱器中。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，其特征在于所述換熱器的冷量和冷凝器的冷量由一個制冷系統(tǒng)提供，所述制冷系統(tǒng)為氣體膨脹制冷系統(tǒng)或混合制冷劑制冷系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，其特征在于所述氣體膨脹制冷系統(tǒng)中，從分餾塔頂部分離出的氮氣被引入制冷系統(tǒng)中補充制冷氣的泄漏損失。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，其特征在于所述制冷系統(tǒng)中的制冷氣先經(jīng)過分餾塔底部的蒸發(fā)器回收冷量。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，其特征在于所述引出的潔凈空氣從換熱器復熱后，通入凈化設備作為加熱和吹除氣體。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，其特征在于所述含空氣煤層氣進入分餾塔之前先經(jīng)過蒸發(fā)器預冷。
7.一種上述含空氣煤層氣的液化分離工藝的設備，包括壓縮凈化設備、制冷設備和液化分離設備，所述液化分離設備具有換熱器，壓縮凈化設備與液化分離設備中的換熱器的原料氣熱介質(zhì)通道連接，制冷設備與液化分離設備的換熱器制冷介質(zhì)通道連接，所述液化分離設備包括一分餾塔與換熱器相連，分餾塔頂部具有冷凝器，分餾塔底部具有蒸發(fā)器，其特征在于換熱器的原料氣熱介質(zhì)通道被引入分餾塔中部，所述分餾塔的上部有一條氣體管路被引入換熱器中。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種含空氣煤層氣液化分離設備，其特征在于所述制冷設備為氣體膨脹制冷設備或混合制冷劑制冷設備。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種含空氣煤層氣液化分離設備，其特征在于所述分餾塔頂部有氣體管路將氣體引入到氣體膨脹制冷設備中。
10.根據(jù)權利要求7所述的一種含空氣煤層氣液化分離設備，其特征在于所述分餾塔的冷凝器的制冷介質(zhì)管路與制冷設備的制冷氣管路連通。
11.根據(jù)權利要求7所述的一種含空氣煤層氣液化分離設備，其特征在于所述分餾塔的蒸發(fā)器加熱管路與制冷氣管路或含空氣煤層氣管路相連通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含空氣煤層氣的液化分離工藝，主要是將冷卻后的含空氣煤層氣通入一分餾塔的中部，經(jīng)分餾塔底部的蒸發(fā)器的蒸發(fā)和頂部冷凝器的冷凝、塔內(nèi)的氣體餾分、液體餾分進行充分的質(zhì)、熱交換，在分餾塔頂部得到高純度的氮氣，分餾塔底部得到高純度的液態(tài)天然氣，其中，在分餾塔頂部與含空氣煤層氣入口之間引出一部分潔凈空氣通入換熱器中。本發(fā)明還提供了上述液化分離工藝設備。本發(fā)明含空氣煤層氣液化分離設備及工藝是專為含空氣煤層氣設計的分離液化過程，采用單級精餾設備，較雙級精餾的工藝更簡單，操作更方便，其投入成本較低，利于大規(guī)模推廣。
文檔編號F25J3/00GK1908559SQ20061010342
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權日2006年7月3日
發(fā)明者楊克劍 申請人:北京科瑞賽斯氣體液化技術有限公司