CN103148678B - 低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取lng装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，包括压缩净化系统、液化分离系统和煤层气富集系统；煤层气富集系统包括鼓风机、冷却装置和变压吸附装置，变压吸附装置包括并列设置的至少四个吸附塔、用于向吸附塔进气的进气管、用于对吸附塔抽取真空的真空管、用于吸附塔降压的放空管和用于吸附塔升压的升压管，所述真空管上设有用于抽真空的真空泵，所述升压管的排气口上设有密闭阀门，任意所述吸附塔的底部接口与所述进气管和真空管之间分别通过阀门相连，任意所述吸附塔的顶部接口与所述放空管和升压管之间分别通过阀门相连，所述吸附塔内设有用于吸附煤层气中的甲烷组分的吸附剂。能够适用于甲烷含量低于30%的煤层气。
Description
技术领域
本发明属于通过加压和冷却处理使气体或气体混合物进行液化、固化或分离的技术领域，具体的为一种低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置。
背景技术
含氧煤层气是煤矿在开采过程中为防止瓦斯爆炸和突出，保证煤矿安全生产而抽排出的初级副产品，其主要成分为甲烷，从其成分含量上可以看出，煤层气是较为重要的能源和化工原料。但是由于其成分较为复杂，特别是在煤层气中含有氧，是非常危险的助燃助爆剂，制约了含氧煤层气的综合利用，实践中，为了节约成本，煤层气普遍在采煤过程中排入大气，造成资源的极度浪费和对环境造成污染。
随着技术的发展，目前在低浓度煤层气提纯制取天然气的领域中，出现了多种含氧煤层气的液化技术。公开号为CN101922850A和CN101929788A的中国专利分别公开了一种利用含氧煤层气制取液化天然气的方法和利用含氧煤层气制取液化天然气的装置，该方法和装置采用混合冷剂自复叠制冷循环，将净化后的原料气液化并分离，得到LNG产品。另外，公开号为CN1952569的中国专利申请公开了一种含空气煤层气的液化工艺，其冷量由气体膨胀产生。
在现有的采用煤层气制取天然气的工艺方法中，原料气在处理过程中需要经历压缩、净化（脱酸、脱水）、液化和分离等工序，才能提纯出甲烷，制成天然气产品，现有的工艺方法虽然在一定程度上能够满足利用煤层气提纯制取天然气的要求，但是还存在如下问题：
现有的采用煤层气提纯制取天然气工艺均需对原料气（低浓度含氧煤层气）进行压缩，否则，如果原料气压力过低，会影响净化效果，并使得低温段需要更低的温度，能耗增加；压缩后的原料气压力一般约0.5MPa，因此仅能处理甲烷含量30%以上的含氧煤层气，而国内煤矿普遍存在煤层透气性差的问题，导致在煤层气的抽采时渗入大量空气，大大降低原料气甲烷的含量。据统计，国内（尤其在南方）矿井甲烷含量30%以下的煤层气的抽采量远大于甲烷含量30%以上的抽采量。如果煤层气甲烷含量低于25%，在压缩至0.5MPa的过程中，爆炸风险大大增加，因此目前的低浓度煤层气深冷液化浓缩具有一定的局限性。
有鉴于此，本发明旨在探索一种低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，该低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置能够适用于甲烷含量低于30%的煤层气。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，该低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置能够适用于甲烷含量低于30%的煤层气。
要实现上述技术目的，本发明的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，包括压缩净化系统和液化分离系统，还包括沿煤层气流向设置在所述压缩净化系统前的煤层气富集系统；
所述煤层气富集系统沿煤层气流向依次包括鼓风机、冷却装置和变压吸附装置，所述变压吸附装置包括并列设置的至少四个吸附塔、用于向吸附塔进气的进气管、用于对吸附塔抽取真空的真空管、用于吸附塔降压的放空管和用于吸附塔升压的升压管，所述真空管上设有用于抽真空的真空泵，所述升压管的排气口上设有密闭阀门，任意所述吸附塔的底部接口与所述进气管和真空管之间分别通过阀门相连，任意所述吸附塔的顶部接口与所述放空管和升压管之间分别通过阀门相连，所述吸附塔内设有用于吸附煤层气中的甲烷组分的吸附剂；所述真空管的另一端与所述压缩净化系统相连。
进一步，所述进气管上设有缓冲罐I，所述真空管上设有位于真空泵后的缓冲罐II，所述缓冲罐II的底部设有排污口，顶部设有与所述压缩净化系统相连的煤层气出气口。
进一步，还包括沿煤层气流向设置在所述煤层气富集系统前的主动抑爆装置，所述主动抑爆装置沿煤层气流向依次包括自动阻爆阀门、自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置。
进一步，还包括抑爆控制装置，所述抑爆控制装置包括控制器，以及分别设置在煤层气富集系统、压缩净化系统、液化分离系统内的火焰监测器和压力传感器，所述控制器与所述自动阻爆阀门、自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置相连。
进一步，所述压缩净化系统沿煤层气流向依次包括用于对煤层气加压的压缩机、用于脱除煤层气中的酸性气体的脱碳系统和用于脱除煤层气中的水及残余酸性气体的吸附净化系统，所述压缩机的煤层气入口与所述真空管相连，所述吸附净化系统的煤层气出口与所述液化分离系统相连。
进一步，所述液化分离系统包括液化分离装置和用于向液化分离装置提供冷量的制冷循环装置，所述液化分离装置的煤层气入口和煤层气出口分别与所述吸附净化系统的煤层气出口和天然气存储罐相连。
进一步，所述冷却装置为水冷器。
本发明的有益效果在于：
本发明的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，通过设置煤层气富集系统，并在吸附塔内设置吸附剂，能够吸附煤层气中的甲烷组分和部分空气，待吸附塔吸附饱和后进行切换再生，再生时由真空泵进行抽真空，使被吸附的甲烷气体脱附，能够将甲烷含量不足30%的煤层气中的甲烷含量浓缩至30%以上，再利用压缩净化系统和液化分离系统对煤层气进行压缩、净化和液化分离，能够最终制取得到天然气产品，扩宽了煤层气利用范围，且通过将变压吸附装置设置为至少四个吸附塔，通过各个吸附塔的协同工作，能够保证煤层气的供应和处理均能够处于连续状态，能够提高处理能力。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置实施例的结构示意图；
图2为变压吸附系统和主动抑爆装置的结构示意图；
图3为变压吸附装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所示，为本发明低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置实施例的结构示意图。本实施例的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，包括压缩净化系统、液化分离系统和沿煤层气流向设置在压缩净化系统前的煤层气富集系统21。
如图2所示，煤层气富集系统21沿煤层气流向依次包括鼓风机1、冷却装置2和变压吸附装置3，如图3所示，变压吸附装置3包括并列设置的至少四个吸附塔4、用于向吸附塔4进气的进气管5、用于对吸附塔4抽取真空的真空管6、用于吸附塔4降压的放空管7和用于吸附塔4升压的升压管8，真空管6上设有用于抽真空的真空泵9，升压管8的排气口上设有密闭阀门V17，任意吸附塔4的底部接口与进气管5和真空管6之间分别通过阀门相连，任意吸附塔4的顶部接口与放空管7和升压管8之间分别通过阀门相连，吸附塔4内设有用于吸附煤层气中的甲烷组分的吸附剂。真空管6的另一端与压缩净化系统相连，本实施例的冷却装置2为水冷器，能够满足煤层气的冷却要求。
本实施例的变压吸附装置3包括并列设置的四个吸附塔4，四个吸附塔4分别为A塔、B塔、C塔和D塔，四个吸附塔4的底部接口与进气管5之间分别通过阀门V1、阀门V2、阀门V3和阀门V4相连；四个吸附塔4的底部接口与真空管6之间分别通过阀门V5、阀门V6、阀门V7和阀门V8相连；四个吸附塔4的顶部接口与升压管8之间分别通过阀门V9、阀门V10、阀门V11和阀门V12相连；四个吸附塔4的顶部接口与放空管7之间分别通过阀门V13、阀门V14、阀门V15和阀门V16相连。采用该结构的变压吸附装置3，通过4个吸附塔4的协同工作，能够保证煤层气的供应和处理均能够处于连续状态，且在煤层气的供应和处理过程中，每一个吸附塔4分别经历吸附、均降压、真空解析、等待和均升压四个工况，如表1所示，为变压吸附装置3中各个阀门的工作状态时序表：
表1变压吸附装置中各个阀门的工作状态时序表
表中，“1”表示阀门开启，空白表示阀门关闭
煤层气由进气管5从塔底接口进入吸附塔4，其中的甲烷和一部分空气被吸附剂吸附，未被吸附的废空气从塔顶排空，待吸附塔4吸附饱和后进行切换再生，再生时由塔底真空泵进行抽真空，使被吸附的富甲烷气体脱附后，作为甲烷富集装置的产品进入缓冲罐II11。通过表1可知，始终有一个吸附塔4处于吸附状态；始终有一个吸附塔4处于真空解吸状态，这就保证了煤层气的供应和处理分别处于连续状态。
本实施例的进气管5上设有缓冲罐I10，真空管6上设有位于真空泵9后的缓冲罐II11，缓冲罐II11的底部设有排污口，顶部设有与压缩净化系统相连的煤层气出气口，通过设置缓冲罐I10和缓冲罐II11，能够使煤层气富集系统的煤层气供应和输出均匀。
本实施例低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置还包括沿煤层气流向设置在煤层气富集系统前的主动抑爆装置23，主动抑爆装置23沿煤层气流向依次包括自动阻爆阀门12、自动喷粉抑爆装置13和水封阻火泄爆装置14，气柜22的煤层气出口与自动阻爆阀门12相连。虽然本实施例低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置适用的煤层气中甲烷含量可低于其爆炸极限，但是为了安全起见，设置主动抑爆装置，能够防止爆炸。优选的，本实施例低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置还包括抑爆控制装置，抑爆控制装置包括控制器，以及分别设置在煤层气富集系统、压缩净化系统、液化分离系统内的火焰监测器和压力传感器，控制器与自动阻爆阀门12、自动喷粉抑爆装置13和水封阻火泄爆装置14相连，当在煤层气富集系统、压缩净化系统、液化分离系统中监测到火焰或超压现象发生时，火焰监测器或压力传感器向控制器发送监测信号，控制器控制自动阻爆阀门12立即切断电源、自动喷粉抑爆装置13立即喷粉阻止火焰扩散、水封阻火泄爆装置14的爆破片立即泄爆，从而全面保证厂区设备和操作人员的安全。
本实施例的压缩净化系统沿煤层气流向依次包括用于对煤层气加压的压缩机15、用于脱除煤层气中的酸性气体的脱碳系统16和用于脱除煤层气中的水及残余酸性气体的吸附净化系统17，压缩机15的煤层气入口与真空管6相连，吸附净化系统17的煤层气出口与液化分离系统相连，甲烷富集后的煤层气通过压缩净化系统处理后得到净化煤层气。本实施例的液化分离系统包括液化分离装置18和用于向液化分离装置提供冷量的制冷循环装置19，液化分离装置18的煤层气入口和煤层气出口分别与吸附净化系统17的煤层气出口和天然气存储罐20相连，净化煤层气通过液化分离系统后得到甲烷含量大于99%的天然气产品。
本实施例的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，通过设置煤层气富集系统，并在吸附塔4内设置吸附剂，能够吸附煤层气中的甲烷组分和部分空气，待吸附塔吸附饱和后进行切换再生，再生时由真空泵进行抽真空，使被吸附的甲烷气体脱附，能够将甲烷含量不足30%的煤层气中的甲烷含量浓缩至30%以上，再利用压缩净化系统和液化分离系统对煤层气进行压缩、净化和液化分离，能够最终制取得到天然气产品，本实施例的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置能够适用于甲烷含量为10%-28%的煤层气。通过将变压吸附装置设置为四个吸附塔4，通过各个吸附塔4的协同工作，能够保证煤层气的供应和处理均能够处于连续状态，能够提高处理能力。
采用本实施例低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置制取天然气的方法如下：
1）富集工序：将煤层气通过煤层气富集系统21进行甲烷富集处理，煤层气中甲烷的摩尔比含量由10-28%上升至35-45%。
具体的，本实施例的富集工序中，在进行甲烷富集处理前的煤层气的压强为105~120KPa，温度为常温；在甲烷富集处理中，先利用鼓风机1将煤层气提压至150KPa，经冷却装置2冷却至常温，并脱除煤层气中的游离态水，然后进入变压吸附装置3进行甲烷富集。
如上所述，变压吸附装置3包括至少4个相互配合的吸附塔4，吸附塔4内设置用于吸附煤层气中的甲烷组分和部分空气的吸附剂，且吸附塔4均按照吸附、均压降、真空解吸和均压升的工况进行循环工作；任意时刻，均至少有一个吸附塔处于吸附工况，至少有一个吸附塔处理真空解析工况，能够保证煤层气的供应和处理分别处于连续状态。
在吸附工况下，将吸附塔4的塔底接口和塔顶接口分别连通进气管5和放空管7，煤层气在吸附塔4内流通，吸附剂吸附煤层气中的甲烷组分和部分空气，直至吸附剂吸附饱和；
在均压降工况下，将吸附塔4的塔顶接口与升压管5连通；
在真空解析工况下，将吸附塔4的塔底接口与真空管6连通，利用真空泵9抽真空至设定真空度，使被吸附的甲烷组分脱离吸附剂；
在均压升工况下，将吸附塔4的塔顶接口与升压管8连通；
且当其中一个吸附塔4处于均压降工况时，必有另一个吸附塔4处于均压升工况与该处于均压降工况的吸附塔4配合，即处于均压降工况的吸附塔4的煤层气通过升压管进入处于均压升工况的吸附塔4内，一方面可使吸附饱和的吸附塔进行均降压降低压强，便于抽真空，另一方面使吸附饱和的吸附塔4内的煤层气进入真空解析后的吸附塔4内进行再次吸附，防止甲烷组分被放空或被抽至压缩净化工序中，能够有效提高富集后的煤层气中的甲烷组分含量。
2）压缩净化工序：将经富集工序得到的煤层气经压缩净化后得到净化煤层气。本实施例的压缩净化工序中，首先利用压缩机15将步骤1）得到的煤层气压缩至0.5MPa，然后利用脱碳系统16脱除煤层气中的酸性气体，最后利用吸附净化系统17脱除煤层气中的水及残余酸性气体，得到净化煤层气。
3）液化分离工序：将煤层气中的甲烷组分进行液化分离，并得到液化天然气产品。液化分离工序中，将步骤2）得到的净化煤层气通入液化分离装置18中将甲烷组分进行液化分离，并利用制冷循环装置19提供所需的冷量，在液化分离装置18的精馏塔中，得到甲烷含量摩尔比大于99%的液化天然气产品。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，包括压缩净化系统和液化分离系统，其特征在于：还包括沿煤层气流向设置在所述压缩净化系统前的煤层气富集系统；
所述煤层气富集系统沿煤层气流向依次包括鼓风机、冷却装置和变压吸附装置，所述变压吸附装置包括并列设置的至少四个吸附塔、用于向吸附塔进气的进气管、用于对吸附塔抽取真空的真空管、用于吸附塔降压的放空管和用于吸附塔升压的升压管，所述真空管上设有用于抽真空的真空泵，所述升压管的排气口上设有密闭阀门，任意所述吸附塔的底部接口与所述进气管和真空管之间分别通过阀门相连，任意所述吸附塔的顶部接口与所述放空管和升压管之间分别通过阀门相连，所述吸附塔内设有用于吸附煤层气中的甲烷组分的吸附剂；所述真空管的另一端与所述压缩净化系统相连；
还包括沿煤层气流向设置在所述煤层气富集系统前的主动抑爆装置，所述主动抑爆装置沿煤层气流向依次包括自动阻爆阀门、自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置。
2.根据权利要求1所述的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，其特征在于：所述进气管上设有缓冲罐I，所述真空管上设有位于真空泵后的缓冲罐II，所述缓冲罐II的底部设有排污口，顶部设有与所述压缩净化系统相连的煤层气出气口。
3.根据权利要求1所述的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，其特征在于：还包括抑爆控制装置，所述抑爆控制装置包括控制器，以及分别设置在煤层气富集系统、压缩净化系统、液化分离系统内的火焰监测器和压力传感器，所述控制器与所述自动阻爆阀门、自动喷粉抑爆装置和水封阻火泄爆装置相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，其特征在于：所述压缩净化系统沿煤层气流向依次包括用于对煤层气加压的压缩机、用于脱除煤层气中的酸性气体的脱碳系统和用于脱除煤层气中的水及残余酸性气体的吸附净化系统，所述压缩机的煤层气入口与所述真空管相连，所述吸附净化系统的煤层气出口与所述液化分离系统相连。
5.根据权利要求4所述的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，其特征在于：所述液化分离系统包括液化分离装置和用于向液化分离装置提供冷量的制冷循环装置，所述液化分离装置的煤层气入口和煤层气出口分别与所述吸附净化系统的煤层气出口和天然气存储罐相连。
6.根据权利要求1所述的低浓度煤层气变压吸附加深冷液化提纯制取LNG装置，其特征在于：所述冷却装置为水冷器。
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| CN202237711U (zh) * | 2011-10-11 | 2012-05-30 | 北京科技大学 | 一种带吸附塔排气端抽排步骤的煤矿乏风瓦斯富集装置 |
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