專利名稱：一種煤層氣液化分離的設(shè)備及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于混合氣體的液化分離領(lǐng)域，具體涉及一種煤層氣尤其是低CH4氣含量煤層氣的液化分離設(shè)備及工藝。
背景技術(shù)：
煤層氣俗稱“瓦斯”，與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2-5倍，其主要成分為甲烷。煤層氣有兩種抽采方式一種是地面抽采，其甲烷純度高(98%左右)，利用價(jià)值較高，可直接加壓進(jìn)行管網(wǎng)輸運(yùn)，也可直接進(jìn)行液化儲(chǔ)運(yùn)。但更為廣泛的是在已經(jīng)進(jìn)行煤炭開(kāi)采生產(chǎn)的礦井下抽采。這種方式抽采出來(lái)的煤層氣甲烷含量較低，通常在30%-70%之間。我國(guó)煤礦開(kāi)采一直以煤炭開(kāi)采為主要目的，煤層氣(瓦斯氣)的抽放處理僅是出于煤礦安全生產(chǎn)的要求而進(jìn)行的。從礦井煤層氣中分離提純甲烷對(duì)于擴(kuò)展和提高煤層氣的有效利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值具有重要意義。而我國(guó)煤層氣具有數(shù)量巨大、產(chǎn)地分散、單井規(guī)模小、井下抽采氣濃度低并含氧等特點(diǎn)，一般除就近使用外，還沒(méi)有其他有效的利用途徑，放空浪費(fèi)情況非常嚴(yán)重。如果把煤層氣中的甲烷和空氣分離出來(lái)并將提純后的甲烷液化灌裝，這就極大的方便了運(yùn)輸和利用。目前可應(yīng)用于從煤層氣中分離提純甲烷的方法一般有低溫液化分離、變壓吸附及膜分離等工藝方案，每種方案均具有自己的特色和應(yīng)用范圍。然而對(duì)于變壓吸附及膜分離等工藝，在分離工藝流程中均需要對(duì)原料氣進(jìn)行加壓，這顯然擴(kuò)大了煤層氣的爆炸濃度范圍，因此在分離處理礦井煤層氣這種含氧可燃混合物時(shí)，安全問(wèn)題是所有分離技術(shù)必須考慮的。根據(jù)燃燒理論，甲烷等可燃?xì)怏w在空氣內(nèi)燃爆，存在一個(gè)最小的燃爆氧濃度，其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)稱為燃爆臨界點(diǎn)，與可燃?xì)怏w的爆炸上、下限濃度點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)三角形，通常稱為 Coward爆炸三角形，當(dāng)混合物濃度范圍處于此爆炸三角形內(nèi)，系統(tǒng)極易可能發(fā)生爆炸。如圖1所示，其中區(qū)域I為爆炸三角區(qū)；區(qū)域II為欠氧區(qū)，即增加氧氣(空氣)可爆炸；區(qū)域III為欠甲烷區(qū)，即增加甲烷可爆炸；區(qū)域IV為安全區(qū)，不爆炸。在常溫常壓下， 甲烷與空氣混合爆炸的濃度范圍為5% -15%。這個(gè)范圍會(huì)隨壓力和溫度的變化而改變，溫度升高和壓力升高均會(huì)使爆炸濃度范圍擴(kuò)大。從礦井煤層氣(空氣和甲烷的混合物)中分離提純甲烷，無(wú)論起始混合物中甲烷濃度有多高，隨著甲烷的分離減少，在系統(tǒng)內(nèi)均會(huì)穿過(guò)爆炸濃度范圍，這對(duì)任何分離提純系統(tǒng)均是非常危險(xiǎn)的。因此，在對(duì)煤層氣進(jìn)行處理的過(guò)程中，必須要時(shí)刻考慮到可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，控制甲烷和空氣的含量，以達(dá)到開(kāi)采過(guò)程的絕對(duì)安全。中國(guó)專利CN100404988C公開(kāi)了一種含空氣煤層氣液化分離工藝及設(shè)備，該專利所述的工藝首先將經(jīng)過(guò)初步處理的煤層氣冷卻并通入分餾塔中部，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，將塔內(nèi)的氣體餾分、液體餾分進(jìn)行充分的質(zhì)、熱交換，在分餾塔頂部得到高純度的氮?dú)?，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。該工藝中整個(gè)液化和分離步驟都在低溫條件下進(jìn)行，分離純度高、安全性能好，在分離的同時(shí)即可制取液化天然氣，不僅避免了排放造成的大氣污染，而且有效的利用了含空氣的煤層氣資源。然而，該專利所述的液化工藝也存在一定的缺陷在對(duì)含空氣煤層氣冷凝液化的過(guò)程中，直接將溫度降至甲烷的液化溫度-168°C，此時(shí)甲烷液化、但其他氣體例如&和N2仍未氣態(tài)，雖然可以將甲烷分離出，但由于空氣中含有部分CO2，而在-168°C下CO2已經(jīng)液化甚至直接冷凝為固態(tài)干冰，很容易堵塞分餾塔影響分餾效果，顯然該方案并未考慮到這一潛在因素存在的不良影響，易導(dǎo)致甲烷和氧氣的分離不完全，仍然存在安全問(wèn)題。另一方面， 該方案首先將煤層氣整體降溫，使得部分氣體液化后再通入分餾塔，再利用蒸發(fā)以及冷凝進(jìn)行質(zhì)熱交換達(dá)到分離的目的，此方案能耗較高，顯然存在資源浪費(fèi)的問(wèn)題。中國(guó)專利CN101270952A公開(kāi)了一種空氣回?zé)崾降牡V井瓦斯氣的分離液化方法及設(shè)備，該專利首先將礦井瓦斯原料氣壓縮凈化，出去原料氣中的雜質(zhì)，得到壓縮凈化的礦井瓦斯氣；再將礦井瓦斯氣通入換熱器，使其溫度冷卻至-82. 5°C以下；將冷卻后的礦井瓦斯氣通入一個(gè)分餾塔的中部，在分餾塔頂部得到高純度的低溫氣體，在分餾塔的底部得到高純度的液態(tài)天然氣；將從分餾塔頂部分理出的低溫空氣引入換熱器作為制冷氣回收冷量。 該專利所述的方案采用空氣回?zé)岬姆椒?，降低了能耗減少了成本。但該專利所述的方案中，將煤層氣原料氣首先降溫至-82. 5°C以下的目的主要是通過(guò)分梯度降溫的方式并輔以冷空氣回流來(lái)降低所需的冷量能耗，而依然沒(méi)有考慮在降溫過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的CO2液化甚至變?yōu)楣虘B(tài)干冰堵塞設(shè)備的問(wèn)題，而且此時(shí)的降溫過(guò)程由于是在換熱器中進(jìn)行，即便是考慮到可能出現(xiàn)的CO2液化問(wèn)題，也依然無(wú)法得到解決。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中煤層氣液化分離過(guò)程中(X)2堵塞設(shè)備而導(dǎo)致氣體分離不徹底的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種分離效果較好、節(jié)約能源的液化分離設(shè)備。進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了一種用于所述液化分離工藝的工藝。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，包括順次連接的壓縮凈化設(shè)備用于將所述煤層氣原料氣進(jìn)行預(yù)處理；多個(gè)串聯(lián)的冷分器其中初級(jí)冷分器對(duì)進(jìn)入的煤層氣原料氣降溫，使得其中沸點(diǎn)最低氣體液化并收集，其他未液化的氣體進(jìn)入后一級(jí)冷分器，繼續(xù)將剩余混合氣體中沸點(diǎn)最低的氣體液化并收集；后一級(jí)所述冷分器控制的溫度低于上一級(jí)所述冷分器控制的溫度；后一級(jí)所述冷分器中的液化產(chǎn)品輸入至前面任意一級(jí)的所述冷分器中作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器未液化的氣體重新通入上一級(jí)所述冷分器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器通過(guò)輔助制冷設(shè)備控制溫度。各級(jí)所述冷分器之前還分別串聯(lián)有與之適配的換熱器；所述煤層氣在進(jìn)入各級(jí)所述冷分器之前先進(jìn)入所述換熱器進(jìn)行預(yù)制冷降溫；各級(jí)所述冷分器內(nèi)收集的液體重新輸入與之適配的所述換熱器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量。所述冷分器內(nèi)設(shè)有冷介質(zhì)通道冷介質(zhì)流體輸入所述冷介質(zhì)通道，用于提供所述煤層氣降溫液化時(shí)所需的冷量；熱交換裝置所述熱交換裝置包括一熱交換室，所述熱交換室的下部連接有煤層氣輸入管道和液化產(chǎn)品排出管道，其上部連接有螺旋狀排氣管道，所述熱交換裝置中的所述煤層氣的流向同所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的冷介質(zhì)流體的流向相反。所述煤層氣輸入所述熱交換裝置內(nèi)同所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的冷介質(zhì)流體進(jìn)行質(zhì)熱交換，使所述煤層氣冷卻降溫，經(jīng)熱交換后，實(shí)現(xiàn)所述煤層氣中沸點(diǎn)最低的氣體的液化，實(shí)現(xiàn)與其他氣體組分的分離；所述煤層氣中的被液化的液體經(jīng)液化產(chǎn)品排出管道排出，其他未被液化的氣體經(jīng)所述排氣管道排出。所述熱交換室內(nèi)還設(shè)有塔板6，所述塔板6設(shè)置于所述熱交換室的上部，所述塔板 6上設(shè)有穿流孔，所述煤層氣與液化后的液體在所述塔板6處進(jìn)行氣液熱交換。所述熱交換室內(nèi)還包括設(shè)置于所述塔板6下方的引流板和集液器，被液化的液體經(jīng)弓I流板進(jìn)入所述集流器內(nèi)，所述液化產(chǎn)品排出管道同所述集流器的底端連接。所述液體收集裝置還包括用于控制所述集液器液面高度的液面?zhèn)鞲衅?，并通過(guò)控制設(shè)置于所述液化產(chǎn)品排出管道上的閥門(mén)調(diào)節(jié)排液量。各級(jí)所述冷分器還設(shè)有輔助制冷系統(tǒng)，用于補(bǔ)償所述煤層氣液化時(shí)所需要的冷量。所述輔助制冷系統(tǒng)為氣體膨脹制冷系統(tǒng)或混合制冷劑制冷系統(tǒng)。所述冷分器的外部由聚氨酯保溫層包覆。所述冷分器包括順次連接的能使(X)2液化的(X)2冷分器和能使CH4液化的CH4冷分器，所述換熱器包括分別與所述(X)2冷分器和CH4冷分器適配的一級(jí)換熱器和二級(jí)換熱器； 所述一級(jí)換熱器的氣體通道分別與所述凈化壓縮設(shè)備的輸出管道及所述(X)2冷分器的煤層氣輸入管道連通，所述(X)2冷分器的冷介質(zhì)通道與所述一級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道和輔助制冷系統(tǒng)相連通，所述二級(jí)換熱器的氣體通道分別與所述(X)2冷分器的排氣管道和所述CH4冷分器的煤層氣輸入管道連通，所述二級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道分別與所述CH4冷分器的排氣管道和所述CO2冷分器的冷介質(zhì)通道連通，所述CH4冷分器的冷介質(zhì)通道與輔助制冷系統(tǒng)連通。所述(X)2冷分器的集液器和所述CH4冷分器的集液器分別通過(guò)液化產(chǎn)品排出管道同所述一級(jí)換熱器和所述二級(jí)換熱器的所述冷介質(zhì)通道連通。所述ω2冷分器的控制溫度為-85 -80°c ；所述CH4冷分器的控制溫度為-170 -160°C。本發(fā)明還公開(kāi)了一種煤層氣液化分離的工藝，包括下述步驟(1)原料氣的預(yù)處理將煤層氣原料氣凈化并低壓壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)；(2) CO2的液化分離預(yù)處理后的煤層氣經(jīng)一級(jí)換熱器預(yù)冷卻，并通入(X)2冷分器底部的煤層氣輸入管道，繼續(xù)冷卻降溫至-85 -80°C，使得所述煤層氣達(dá)到(X)2的液化溫度， 使其中的(X)2液化，同時(shí)收集液化后的(X)2液體，其他未液化的煤層氣組分經(jīng)所述(X)2冷分器頂部的排氣管道繼續(xù)通入下一級(jí)別的所述冷分器內(nèi)；(3)CH4的液化分離將分離出CO2的煤層氣通入所述二級(jí)換熱器預(yù)冷卻，并通入所述CH4冷分器底部的煤層氣輸入管道，所述輔助制冷系統(tǒng)繼續(xù)強(qiáng)制冷卻降溫至-170 -160°C，使得所述煤層氣達(dá)到CH4的液化溫度，使其中的CH4液化，同時(shí)收集液化后的CH4 ；其他未液化的煤層氣組分經(jīng)所述CH4冷分器頂部的排氣管道排出；(4)O2, N2的處理所述煤層氣中未液化的02、N2通入所述二級(jí)換熱器作為冷介質(zhì)流體交換冷量或排空。所述步驟O)中，收集到的(X)2引入一級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道進(jìn)行冷量交換。所述步驟(3)中，收集到的014引入所述一級(jí)換熱器進(jìn)行熱交換，作為其他設(shè)備動(dòng)力能源。所述步驟中，未液化的02、隊(duì)依次作為冷介質(zhì)流體依次通入所述二級(jí)換熱器、 所述(X)2冷分器以及所述一級(jí)換熱器交換冷量。所述一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器、CO2冷分器和CH4冷分器的冷卻降溫通過(guò)制冷系統(tǒng)控制。本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)，1、本發(fā)明所述的冷分器同時(shí)設(shè)有熱介質(zhì)通道和冷介質(zhì)通道，且所述熱介質(zhì)通道和冷介質(zhì)通道呈螺旋狀盤(pán)旋排列，使得含冷量氣體可以通過(guò)冷介質(zhì)通道直接與煤層氣進(jìn)行熱交換，在冷分器中即可實(shí)現(xiàn)降溫，而無(wú)需特意添加冷凝器提供外接冷量，此結(jié)構(gòu)可大大減小對(duì)外界冷量的依賴，減少能耗；2、所述液體收集裝置中設(shè)置頁(yè)面?zhèn)鞲衅?，?dāng)液體達(dá)到一定高度后閥門(mén)打開(kāi)將所收集到的液體排出，同時(shí)保留一定量的液體，用于保證對(duì)為液化產(chǎn)品體的密封；3、所述液化分離設(shè)備可以根據(jù)不同成分的煤層氣選擇多個(gè)冷分器組合，只需控制不同冷分器的冷卻溫度即可分理處各個(gè)組分的物質(zhì)；4、本發(fā)明所述的液化分離工藝通過(guò)分步控制冷卻的溫度，先后獨(dú)立的將CO2 和CH4液化分離，避免了再CH4液化過(guò)程中，(X)2先行液化甚至凝華進(jìn)而堵塞設(shè)備的問(wèn)題；5、 將分離收集的液態(tài)(X)2和CH4重新引入換熱器的冷介質(zhì)通道中，可以節(jié)約能量；6、未被液化的02、隊(duì)可以重復(fù)引入換熱器的冷介質(zhì)通道作為熱交換介質(zhì)，節(jié)約能量。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中圖1為爆炸三角形理論示意圖；圖2為本發(fā)明所述的煤層氣液化分離工藝設(shè)備示意圖。圖中附圖標(biāo)記表示為1-壓縮凈化設(shè)備，2-—級(jí)換熱器，3_0)2冷分器，4-二級(jí)換熱器，5-CH4冷分器，6-塔板，7-液面?zhèn)鞲衅鳎?-輔助制冷系統(tǒng)，9-深冷膨脹系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式如圖2所示，本發(fā)明所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，包括順次連接的壓縮凈化設(shè)備1 包括除塵設(shè)備、除硫設(shè)備和除水設(shè)備，用于將所述煤層氣原料氣進(jìn)行預(yù)處理。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有O2、隊(duì)、CH4和CO2 等氣體。多個(gè)串聯(lián)的冷分器所述冷分器根據(jù)煤層氣中各組分氣體的性質(zhì)調(diào)控其自身控制溫度，使得煤層氣中的各組分氣體在各級(jí)所述冷分器內(nèi)冷卻降溫并得到液化。初級(jí)冷分器
7對(duì)進(jìn)入的煤層氣原料氣降溫，使得其中沸點(diǎn)最低氣體液化并收集，其他未液化的氣體進(jìn)入后一級(jí)冷分器，繼續(xù)將剩余混合氣體中沸點(diǎn)最低的氣體液化并收集；后一級(jí)所述冷分器控制的溫度低于上一級(jí)所述冷分器控制的溫度；后一級(jí)所述冷分器中的液化產(chǎn)品輸入至前面任意一級(jí)的所述冷分器中作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器未液化的氣體重新通入上一級(jí)所述冷分器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器通過(guò)輔助制冷設(shè)備控制溫度。分別與各級(jí)所述冷分器適配的多級(jí)換熱器所述換熱器與所述冷分器相串聯(lián)，所述煤層氣在進(jìn)入各級(jí)所述冷分器之前先進(jìn)入與之適配的所述換熱器進(jìn)行預(yù)制冷降溫。同時(shí)各級(jí)所述冷分器內(nèi)收集的液體重新輸入與之適配的所述換熱器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量。所述壓縮凈化設(shè)備與一級(jí)換熱器的原料氣熱介質(zhì)通道相連接，煤層氣原料氣經(jīng)所述壓縮凈化設(shè)備凈化后進(jìn)入所述換熱器，經(jīng)降溫后進(jìn)入所述冷分器的熱交換裝置內(nèi)進(jìn)行煤層氣的液化分離，所述后一級(jí)冷分器內(nèi)的冷介質(zhì)流體的溫度低于前一級(jí)冷分器內(nèi)冷介質(zhì)流體的溫度，且各級(jí)冷分器內(nèi)的冷介質(zhì)流體促使煤層氣中的一種氣體發(fā)生液化。所述冷分器垂直設(shè)置，與之適配的所述換熱器的所述熱介質(zhì)通道被引入所述冷分器的底部的氣體輸入管道。所述冷分器包括冷介質(zhì)通道冷介質(zhì)流體輸入所述冷介質(zhì)通道，用于提供煤層氣降溫液化時(shí)所需的冷量；熱交換裝置煤層氣輸入所述熱交換裝置內(nèi)同所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的冷介質(zhì)流體進(jìn)行熱交換，使煤層氣冷卻降溫，經(jīng)熱交換后，實(shí)現(xiàn)煤層氣中的一種氣體的液化，實(shí)現(xiàn)與其他氣體組分的分離；所述熱交換裝置內(nèi)包括一個(gè)熱交換室，所述熱交換室的下部連接有煤層氣輸入管道和液化產(chǎn)品排出管道，其上部連接有螺旋狀排氣管道，經(jīng)熱交換后，煤層氣中的被液化的液體經(jīng)液化產(chǎn)品排出管道排出，其中未被液化的氣體經(jīng)所述排氣管道排出；所述冷介質(zhì)通道呈螺旋結(jié)構(gòu)，盤(pán)旋于所述換熱裝置外部，并與所述螺旋狀排氣管道相盤(pán)旋，所述熱交換裝置的煤層氣的流向同所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的冷介質(zhì)流體的流向相反，使得含冷量氣體與煤層氣有充分的接觸空間進(jìn)行充分的熱交換；所述熱交換室內(nèi)還設(shè)有置于所述熱交換室上部的塔板6以及設(shè)置于所述塔板6下方的引流板和集液器，所述塔板6上設(shè)有穿流孔，所述煤層氣與液化后的液體在所述塔板6 處進(jìn)行氣液質(zhì)熱交換，被液化的氣體經(jīng)引流板進(jìn)入所述集流器內(nèi)，所述液化產(chǎn)品排出管道同所述集流器的底端連接，所述液體收集裝置還包括用于控制所述集液器液面高度的液面?zhèn)鞲衅?，并通過(guò)控制設(shè)置于所述液化產(chǎn)品排出管道上的閥門(mén)調(diào)節(jié)排液量。輔助制冷系統(tǒng)當(dāng)所述含冷量氣體提供的冷量無(wú)法滿足所述冷分器的控溫要求時(shí)，所述輔助制冷系統(tǒng)用于補(bǔ)償提供所述冷分器所需的冷量；所述輔助制冷系統(tǒng)為氣體膨脹制冷系統(tǒng)或混合制冷劑制冷系統(tǒng)。使用時(shí)所述冷分器需要垂直設(shè)置，所述煤層氣從所述冷分器的底部進(jìn)入所述冷分器液化，此時(shí)液化后的液體在自身重力作用下向下流動(dòng)，向上流動(dòng)的氣體可以充分接觸進(jìn)行質(zhì)熱交換。
所述冷分器的外部由多層聚氨酯保溫層包覆，確保整個(gè)冷分器的保溫密封性。所述冷分器包括順次連接的能使(X)2液化的(X)2冷分器3和能使CH4液化的CH4冷分器5，所述換熱器包括分別與所述(X)2冷分器3和CH4冷分器5適配的一級(jí)換熱器2和二級(jí)換熱器4 ；所述一級(jí)換熱器2的氣體通道分別與所述凈化壓縮設(shè)備1的輸出管道及所述 CO2冷分器3的煤層氣輸入管道連通，所述(X)2冷分器3的冷介質(zhì)通道與所述一級(jí)換熱器2的冷介質(zhì)通道和輔助制冷系統(tǒng)8相連通，所述二級(jí)換熱器4的氣體通道分別與所述(X)2冷分器 3的排氣管道和所述CH4冷分器5的煤層氣輸入管道連通，所述二級(jí)換熱器4的冷介質(zhì)通道分別與所述CH4冷分器5的排氣管道和所述(X)2冷分器3的冷介質(zhì)通道連通，所述CH4冷分器5的冷介質(zhì)通道與深冷膨脹系統(tǒng)9連通。所述(X)2冷分器3的控制溫度為-85 -80°C ； 所述CH4冷分器5的控制溫度為-170 -160°C。所述(X)2冷分器3的集液器和所述CH4冷分器5的集液器分別通過(guò)液化產(chǎn)品排出管道同所述一級(jí)換熱器和所述二級(jí)換熱器的所述冷介質(zhì)通道連通。所述CO2冷分器3還設(shè)有輔助制冷系統(tǒng)8，當(dāng)N2和仏提供給CO2冷分器3的能量不能滿足ω2液化溫度的要求時(shí)，CO2冷分器的輔助制冷系統(tǒng)8啟動(dòng)，含冷量工質(zhì)通入所述 CO2冷分器3的冷介質(zhì)通道，來(lái)滿足冷分器所需的溫度要求。CH4冷分器5內(nèi)的溫度必須達(dá)到CH4液化的溫度，溫度主要由工質(zhì)膨脹氣化吸收冷分器中的熱能，使冷分器內(nèi)溫度下降，達(dá)到CH4的液化溫度。深冷膨脹系統(tǒng)9的膨脹管環(huán)繞在冷凝管的外面，含冷量工質(zhì)通入所述冷介質(zhì)通道提供所述CH4冷分器5降溫所需的冷量， 在整個(gè)系統(tǒng)外面外部均用多層聚氨酯保溫層包覆。所述(X)2冷分器3和所述CH4冷分器5內(nèi)均含有液體收集裝置7，所述液體收集裝置包括用于導(dǎo)流的引流板和集液器，所述集液器與儲(chǔ)氣罐相連接收集液體，或者與所述換熱器的所述冷介質(zhì)通道相連接，作為冷介質(zhì)提供冷分器所需的冷量。所述液體收集裝置還包括控制所述集液器液面高度的液面?zhèn)鞲衅鳎⑼ㄟ^(guò)控制閥門(mén)調(diào)節(jié)排液量。當(dāng)液體達(dá)到一定高度后閥門(mén)打開(kāi)將收集到的液體排出，同時(shí)留有一定量的液體，用于保證對(duì)未液化產(chǎn)品體的密封。所述一級(jí)換熱器2、二級(jí)換熱器4、0)2冷分器3和CH4冷分器5的冷卻由制冷系統(tǒng)控制。本發(fā)明所述的煤層氣液化分離工藝，包括下述步驟(1)原料氣的預(yù)處理將煤層氣原料氣經(jīng)過(guò)羅茨泵低壓加壓進(jìn)入高效除塵、除水、 除硫設(shè)備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。(2) CO2的液化分離將含有剩余氣體02、隊(duì)、014、0)2等氣體的煤層氣進(jìn)入一級(jí)換熱器進(jìn)行降溫預(yù)冷處理，該步驟中溫度應(yīng)控制在能夠使(X)2液化的溫度。將預(yù)冷后的氣體從底部通入垂直設(shè)置的(X)2冷分器的氣體輸入管道內(nèi)，CO2冷分器內(nèi)的控制溫度為-85 -80°c， 由于所述冷介質(zhì)通道呈螺旋狀盤(pán)旋于所述換熱室外部并與所述排氣管道相盤(pán)旋，因此所述冷介質(zhì)流體所含的冷量可以使所述煤層氣降溫至-85 _80°C，使用輔助制冷系統(tǒng)一方面檢測(cè)所述CO2冷分器內(nèi)的溫度，另一方面當(dāng)所述冷介質(zhì)流體的冷量無(wú)法使所述煤層氣的溫度將至核定溫度時(shí)，啟動(dòng)所述輔助制冷系統(tǒng)，含冷量工質(zhì)通入所述冷介質(zhì)通道內(nèi)提供冷量，對(duì)所述ω2冷分器強(qiáng)制降溫。由于冷卻降溫是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，混合氣上升過(guò)程中經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的螺旋狀排氣管道時(shí)，在CO2冷凝溫度下，(X)2氣體在冷分器的排氣管道內(nèi)開(kāi)始液化，并在螺旋管內(nèi)壁凝結(jié)結(jié)露。在上升氣流擾動(dòng)和冷凝液重力雙重作用下，CO2液滴沿螺旋管壁下滑，最后落入螺旋管下的集液器內(nèi)。由于設(shè)有足夠長(zhǎng)度的排氣管道，能夠使得煤層氣中含有的CO2全部液化收集。集液器處設(shè)有液面?zhèn)鞲衅?，?dāng)液體達(dá)到一定高度后閥門(mén)打開(kāi)將收集到的CO2液體排出，同時(shí)留有一定量的液體，用于保證對(duì)未液化產(chǎn)品體的密封。CO2排出口可以連接至儲(chǔ)氣罐收集起來(lái)也可以直接連接到一級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道中上對(duì)進(jìn)入的煤層氣原料氣進(jìn)行一級(jí)降溫處理而(X)2自身轉(zhuǎn)化為氣體。此時(shí)煤層氣混合氣體中僅含有隊(duì)、O2和 CH4。所述(X)2冷分器的的所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的所述冷介質(zhì)流體主要是CH4冷分器排出的N2 和O2。C3) CH4的液化分離將含有隊(duì)、02、014等氣體的煤層氣通入二級(jí)換熱器的熱介質(zhì)通道進(jìn)行二級(jí)降溫預(yù)冷處理處理，該部分溫度應(yīng)控制在甲烷能夠進(jìn)行液化的溫度。然后將預(yù)冷后的煤層氣從底部通入垂直設(shè)置的CH4冷分器的煤層氣輸入管道內(nèi)，CH4冷分器內(nèi)的控制溫度為-170 -160°C，由于所述CH4冷分器為最末級(jí)冷分器，并沒(méi)有溫度更低的冷量氣體對(duì)其進(jìn)行冷交換降溫，因此所述CH4冷分器采用深冷膨脹輔助系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制降溫。含冷量工質(zhì)通入所述CH4冷分器的冷介質(zhì)內(nèi)對(duì)其內(nèi)的煤層氣進(jìn)行強(qiáng)制降溫至核定溫度。由于所述冷介質(zhì)通道呈螺旋狀盤(pán)旋于所述換熱室外部并與所述排氣管道相盤(pán)旋，同時(shí)也因?yàn)槔鋮s是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，混合氣上升經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的螺旋管，在CH4冷凝溫度下，將會(huì)在螺旋管內(nèi)壁結(jié)露。 在上升氣流擾動(dòng)和冷凝液重力雙重作用下，CH4液滴沿螺旋管壁流下，最后落入螺旋管下的集液器內(nèi)。集液器處裝有液面?zhèn)鞲衅骺梢钥刂崎y門(mén)的開(kāi)啟，來(lái)控制CH4的流出量，目的是留有一定量的CH4液體以實(shí)現(xiàn)對(duì)未被液化的氣體的密封。在CH4出口可以直接連接到儲(chǔ)氣罐， 灌裝成為液化天然氣，也可以連接到一級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道處為進(jìn)入的煤層氣原料氣降溫，同時(shí)CH4液體經(jīng)過(guò)熱交換復(fù)熱為氣體，在氣體出口處直接連接儲(chǔ)氣罐收集或做為其他設(shè)備動(dòng)力能源。CH4冷分器內(nèi)的溫度必須達(dá)到CH4液化的溫度，溫度主要由工質(zhì)膨脹氣化吸收冷分器中的熱能，使冷分器內(nèi)溫度下降，達(dá)到CH4的液化溫度。深冷膨脹系統(tǒng)的膨脹管環(huán)繞在冷凝管的外面，在整個(gè)系統(tǒng)外面外部均用聚氨酯保溫層包覆。(4) O2^N2的處理剩余的O2和隊(duì)可以直接連接到一級(jí)換熱器和二級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道內(nèi)用作熱交換之用，也可以引入CO2冷分器的冷介質(zhì)通道內(nèi)為CO2的液化提供能量。 CO2冷分器的溫度主要是依賴CH4冷分器出來(lái)的N2和A的溫度滿足CO2的液化要求，當(dāng)N2 和A提供給(X)2冷分器的能量不能滿足(X)2液化溫度的要求時(shí)，(X)2冷分器的輔助制冷系統(tǒng)將啟動(dòng)來(lái)滿足冷分器所需的溫度要求。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)。最后用作交換冷量之用的N2、O2和(X)2經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱器的出口排放或是收集至儲(chǔ)氣罐。本發(fā)明所述的煤層氣液化分離的設(shè)備和工藝，還可以根據(jù)所需分離的煤層氣的成分及含量不同，設(shè)置不同級(jí)數(shù)的冷分器和換熱器，將煤層氣中的不同組分依次液化分離并收集。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或
10變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于，包括順次連接的 壓縮凈化設(shè)備(1)用于將所述煤層氣原料氣進(jìn)行預(yù)處理；多個(gè)串聯(lián)的冷分器其中初級(jí)冷分器對(duì)進(jìn)入的煤層氣原料氣降溫，使得其中沸點(diǎn)最低氣體液化并收集，其他未液化的氣體進(jìn)入后一級(jí)冷分器，繼續(xù)將剩余混合氣體中沸點(diǎn)最低的氣體液化并收集；后一級(jí)所述冷分器控制的溫度低于上一級(jí)所述冷分器控制的溫度；后一級(jí)所述冷分器中的液化產(chǎn)品輸入至前面任意一級(jí)的所述冷分器中作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器未液化的氣體重新通入上一級(jí)所述冷分器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量；最后一級(jí)所述冷分器通過(guò)輔助制冷設(shè)備控制溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于 各級(jí)所述冷分器之前還分別串聯(lián)有與之適配的換熱器；所述煤層氣在進(jìn)入各級(jí)所述冷分器之前先進(jìn)入所述換熱器進(jìn)行預(yù)制冷降溫； 各級(jí)所述冷分器內(nèi)收集的液體輸入與之適配的所述換熱器內(nèi)作為冷介質(zhì)流體交換冷量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于，所述冷分器內(nèi)設(shè)有冷介質(zhì)通道冷介質(zhì)流體輸入所述冷介質(zhì)通道，用于提供所述煤層氣降溫液化時(shí)所需的冷量；熱交換裝置所述熱交換裝置包括一熱交換室，所述熱交換室的下部連接有煤層氣輸入管道和液化產(chǎn)品排出管道，其上部連接有螺旋狀排氣管道，所述熱交換裝置中的所述煤層氣的流向同所述冷介質(zhì)通道內(nèi)的冷介質(zhì)流體的流向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于所述熱交換室內(nèi)還設(shè)有塔板(6)，所述塔板(6)設(shè)置于所述熱交換室的上部，所述塔板 (6)上設(shè)有穿流孔，所述煤層氣與液化后的液體在所述塔板(6)處進(jìn)行氣液熱交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于所述熱交換室內(nèi)還包括設(shè)置于所述塔板(6)下方的引流板和集液器，被液化的液體經(jīng)弓I流板進(jìn)入所述集流器內(nèi)，所述液化產(chǎn)品排出管道同所述集流器的底端連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于所述液體收集裝置還包括用于控制所述集液器液面高度的液面?zhèn)鞲衅鳎⑼ㄟ^(guò)控制設(shè)置于所述液化產(chǎn)品排出管道上的閥門(mén)調(diào)節(jié)排液量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于各級(jí)所述冷分器還設(shè)有輔助制冷系統(tǒng)，用于補(bǔ)償所述煤層氣液化時(shí)所需要的冷量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于 所述輔助制冷系統(tǒng)為氣體膨脹制冷系統(tǒng)或混合制冷劑制冷系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于 所述冷分器的外部由聚氨酯保溫層包覆。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9任一所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于所述冷分器包括順次連接的能使(X)2液化的(X)2冷分器( 和能使CH4液化的CH4冷分器(5)，所述換熱器包括分別與所述CO2冷分器和CH4冷分器適配的一級(jí)換熱器( 和二級(jí)換熱器(4)；所述一級(jí)換熱器O)的氣體通道分別與所述凈化壓縮設(shè)備(1)的輸出管道及所述CO2冷分器C3)的煤層氣輸入管道連通，所述CO2冷分器C3)的冷介質(zhì)通道與所述一級(jí)換熱器O)的冷介質(zhì)通道以及輔助制冷系統(tǒng)相連通，所述二級(jí)換熱器的氣體通道分別與所述CO2冷分器(3)的排氣管道和所述CH4冷分器( 的煤層氣輸入管道連通，所述二級(jí)換熱器⑷的冷介質(zhì)通道分別與所述CH4冷分器(5)的排氣管道和所述CO2冷分器(3)的冷介質(zhì)通道連通，所述CH4冷分器(5)的冷介質(zhì)通道與輔助制冷系統(tǒng)連通。所述CO2冷分器(3)的集液器和所述CH4冷分器(5)的集液器分別通過(guò)液化產(chǎn)品排出管道同所述一級(jí)換熱器( 和所述二級(jí)換熱器(4)的所述冷介質(zhì)通道連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的煤層氣液化分離的設(shè)備，其特征在于所述CO2冷分器(3)的控制溫度為-85 -80°C ；所述CH4冷分器(5)的控制溫度為-170 -160°C。
12.一種煤層氣液化分離的工藝，其特征在于，包括下述步驟(1)原料氣的預(yù)處理將煤層氣原料氣凈化并低壓壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、 灰塵和含硫物質(zhì)；(2)CO2的液化分離預(yù)處理后的煤層氣經(jīng)一級(jí)換熱器預(yù)冷卻，并通入CO2冷分器底部的煤層氣輸入管道，繼續(xù)冷卻降溫至-85 -80°C，使得所述煤層氣達(dá)到(X)2的液化溫度，使其中的(X)2液化，同時(shí)收集液化后的CO2液體，其他未液化的煤層氣組分經(jīng)所述(X)2冷分器頂部的排氣管道繼續(xù)通入下一級(jí)別的所述冷分器內(nèi)；(3)CH4的液化分離將分離出(X)2的煤層氣通入所述二級(jí)換熱器預(yù)冷卻，并通入所述CH4冷分器底部的煤層氣輸入管道，所述輔助制冷系統(tǒng)繼續(xù)強(qiáng)制冷卻降溫至-170 -160°C，使得所述煤層氣達(dá)到CH4的液化溫度，使其中的CH4液化，同時(shí)收集液化后的CH4 ；其他未液化的煤層氣組分經(jīng)所述CH4冷分器頂部的排氣管道排出；(4)O2,N2的處理所述煤層氣中未液化的02、N2通入所述二級(jí)換熱器作為冷介質(zhì)流體交換冷量或排空。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的煤層氣液化分離的工藝，其特征在于所述步驟O)中，收集到的CO2引入一級(jí)換熱器的冷介質(zhì)通道進(jìn)行冷量交換。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的煤層氣液化分離的工藝，其特征在于所述步驟(3)中，收集到的CH4引入所述一級(jí)換熱器進(jìn)行熱交換，作為其他設(shè)備動(dòng)力能源。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的煤層氣液化分離的工藝，其特征在于所述步驟(4)中，未液化的02、隊(duì)依次作為冷介質(zhì)流體依次通入所述二級(jí)換熱器、所述 CO2冷分器以及所述一級(jí)換熱器交換冷量。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15任一項(xiàng)所述的煤層氣液化分離的工藝，其特征在于所述一級(jí)換熱器、二級(jí)換熱器、(X)2冷分器和CH4冷分器的冷卻降溫通過(guò)制冷系統(tǒng)控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于混合氣體的液化分離領(lǐng)域，具體涉及一種煤層氣尤其是低CH4氣含量煤層氣液化分離的設(shè)備及工藝。本發(fā)明所述的液化分離工藝通過(guò)分步控制冷卻的溫度，先后獨(dú)立的將CO2和CH4液化分離，避免了在CH4液化過(guò)程中，CO2先行液化甚至凝華進(jìn)而堵塞設(shè)備的問(wèn)題。不僅解決了煤層氣開(kāi)采過(guò)程中的安全隱患，同時(shí)收集得到純凈的CH4，可以供其他工業(yè)應(yīng)用。
文檔編號(hào)F25J5/00GK102226627SQ20111013693
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者丁琦洋, 魏厚瑗 申請(qǐng)人:北京惟泰安全設(shè)備有限公司