CN103157342A

CN103157342A - 带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化方法及装置

Info

Publication number: CN103157342A
Application number: CN2012104470384A
Authority: CN
Inventors: 孙兆虎; 吴剑峰; 程逵炜
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-06-19

Abstract

一种带强制换热的天然气/煤层气吸附净化方法及装置，其包括吸附塔及导热介质循环系统；吸附塔系统有并联切换使用的二个吸附塔；其顶端均分两路分别连接含杂工艺气体入口及再生气体出口；其底端均分两路分别连接净化后工艺气体出口和通过二吸附塔中一个后连接再生气体入口；导热介质循环系统包括并联的导热介质加热器和导热介质冷却器，导热介质泵和二个导热介质换热管；导热介质加热器和冷却器出口管路合并后连接介质泵入口；泵的出口分两路分别与二个导热介质换热管入口相连；导热介质加热器入口和冷却器入口管路合并后分成两路分别与二个导热介质换热管出口相连，以构成导热介质循环回路；可减少再生气耗量，缩短吸附周期，降低吸附塔高度。

Description

带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化方法及装置

技术领域

本发明涉及用于天然气/煤层气吸附净化方法及装置，主要涉及一种应用于天然气/煤层气液化前深度净化处理的带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化方法及装置。

背景技术

煤层气单井产量低、压力低、地理位置偏远，几乎远离管输系统，需要进行多井群的集汇与增压，建设周期长，初期投资也相当大。另外，我国还存在大量的分散的、小股量天然气,包括气田分散单井气、低产气井气、油田伴生气以及海上采油平台产出的无法利用的小股量天然气。在这些气源井口处安装撬装可移动式液化装置，将煤层气或零散天然气液化后便可实现远距离运输。可移动撬装式液化装置将是未来我国开发利用偏散气源的重要途径。

天然气/煤层气在液化前须经过脱酸、脱水处理。在净化天然气领域广泛应用的主要有分子筛吸附法、醇胺法、改良热钾法、砜胺法等。目前大型煤层气液化工厂中一般采用醇胺法脱酸+分子筛深度脱水的方式，而醇胺法中就涉及到吸收塔和再生塔等塔器，吸收塔和再生塔都比较高，一般都要超过15米，有的甚至达到30米，这种高度的塔器很不利于净化装置的车载运输。

分子筛变温变压吸附是以吸附剂表面对气体分子的吸附为基础，利用吸附剂对不同气体组分有选择性吸附的特点，在过程的较低温度、较高压力下吸附混合气中的某些组分，在过程的较高温度、较低压力下解吸这些被吸附的组分，以进行下一次吸附步骤，采用多个吸附塔轮流操作。近些年，分子筛吸附酸性气体取得了较大进步，新型高效的产品不断发现并应用。使分子筛吸附技术可满足车载可移动式天然气/煤层气净化装置。

在原料气中CO₂含量小于0.5%时，传统的采用净化气加热再生的方式可以满足结构紧凑及耗气量小的要求，实现撬装车载运输。但如果CO₂含量大于1%，在吸附周期不变的条件下，则需要分子筛吸附剂装填量大大增加，致使吸附塔的高度超过4米，不能满足撬装车载的要求。如缩小吸附周期，则可减少吸附剂的装填量和吸附塔高度，但采用净化气作为再生气时耗气量将大大增加，甚至当吸附周期缩小到一定时间内时，采用净化气作为再生气时在吸附周期内无法完成再生或冷吹。

如何既使吸附塔高度符合车载可移动要求，又尽量减少再生气的耗气量损失，是可移动撬装式天然气/煤层气净化装置的需要解决的关键问题。

吸附剂的再生过程需要加热解吸，解吸完成后还要进行吸附剂的冷却，冷却至常温才算完成吸附剂的再生，才可以循环使用。再生气一般可使用净化气，或使用外部气源，但无论如何再生气必须是洁净、干燥的气体，能将分子筛中的水和酸性气体吹除掉，而且不会给分子筛带来其它杂质。

目前，常规的天然气液化脱碳脱水装置的结构示意图（2塔流程）如图1所示。其中包括第一吸附塔1、第二吸附塔2、加热器3、程控阀（4-11）及调节阀（12-13），其工艺过程为：工艺气体经过程控阀4、第一吸附塔1和程控阀10，被净化后流出。从净化后的工艺气体中引出部分气体作为再生气使用。通过调节阀13调节再生气流量，再生气经过加热器3被加热，然后通过程控阀9流入第二吸附塔2对其中的吸附剂进行再生，然后通过程控阀7防空或用于别的用途。第二吸附塔2加热完毕后，关闭加热器3，再生气对第二吸附塔2进行冷吹，吹冷完成后再生过程结束，第一吸附塔1和第二吸附塔2可以进行切换。调节阀12用于调节两个吸附塔之间的压力平衡。

现有技术中虽然能完成吸附剂的再生，但使用净化气作为再生气时，主要靠气体将吸附剂和塔体加热至解析温度，而气体由于本身比热较小，与液体导热介质相比，在相同的传热温差下需要的气体量较大，因此再生耗气量也比较大。且在一定的管径条件下，将吸附剂加热至所需温度需要的时间会比较长，这也使得吸附装置切换周期不能无限制的缩小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种紧凑的可车载移动的带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化方法及装置，通过外加导热介质循环使吸附塔快速解吸和冷却，既缩短了分子筛再生时间，又降低了再生气耗量。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化方法，它包括：吸附剂加热解吸过程步骤及吸附剂冷却步骤；

1）所述吸附剂加热解吸步骤中，即利用来自外部循环的高温导热介质加热吸附剂，使其升温解吸；所述高温导热介质的温度为200℃～300℃；

2）所述吸附剂冷却步骤中，吸附剂解吸完成后开始吸附剂冷却过程，即利用来自外部循环的低温导热介质冷却吸附剂，使其温度下降至10℃～50℃，以满足再次进行吸附使用的要求，所述低温导热介质的温度为0℃～40℃。

本发明提供的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化方法还包括：在吸附剂加热解吸步骤中的反向流经吸附剂的净化气，以带走解吸出的杂质。

本发明提供的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其包括：吸附塔系统及导热介质循环系统；

所述吸附塔系统包括：

并联且切换使用的第一吸附塔与第二吸附塔；所述第一吸附塔与第二吸附塔顶端连接管道均分为两路，该两路分别连接含杂工艺气体入口及再生气体出口；所述第一吸附塔与第二吸附塔底端连接管道同样均分为两路，该两路分别连接净化后工艺气体出口和通过第一吸附塔或第二吸附塔之后连接再生气体入口；

所述导热介质循环系统包括：

导热介质加热器、导热介质冷却器、导热介质泵、第一导热介质换热管和第二导热介质换热管；所述导热介质加热器和导热介质冷却器并联连接；

所述导热介质加热器和导热介质冷却器出口管路合并后连接导热介质泵入口；所述导热介质泵出口分为两路，该两路分别与第一导热介质换热管入口和第二导热介质换热管入口相连；所述导热介质加热器入口和导热介质冷却器入口管路合并后分成两路，该两路分别与第一导热介质换热管出口与第二导热介质换热管出口相连，以构成导热介质循环回路；其特征在于，所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管分别装于第一吸附塔系统和第二吸附塔中，并分别与第一吸附塔系统和第二吸附塔中的吸附剂紧密充分接触；

所述吸附剂为硅胶、三氧化二铝、分子筛吸附剂或它们中两种或三种的组合；

所述工艺气体为富含甲烷的天然气、煤层气或页岩气；

所述再生气体为从净化处理后的工艺气中引出，用于使吸附塔再生的气体。

本发明的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，还包括：分别安装于所述第一导热介质换热管进/出口管路上、所述第二导热介质换热管进/出口管路上、所述导热介质加热器进/出口管路上、所述导热介质冷却器进/出口管路上、所述吸附塔系统中的工艺气体进/出口管路上和再生气体进/出口管路上的的程控阀；和

安装于所述第一吸附塔底端和第二吸附塔底端之间连接管路上的第一调节阀；及安装于所述再生气体进口与工艺气体出口之间连接管路上的第二调节阀。

所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管为螺旋型管换热器或蛇形管型换热器，所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管内导热介质在换热管内流动，以对换热管外的吸附剂进行加热或冷却。

所述的导热介质加热器为电加热器、燃料燃烧加热器或热流体加热器。

所述的导热介质冷却器为风冷冷却器、水冷冷却器或制冷机。

本发明的优点在于：通过外加介质流过间壁式换热器对吸附剂的快速升温和快速冷却，以达到吸附剂快速的解吸和冷却，这样可大幅减少再生气耗量，并缩短吸附周期，降低吸附塔高度，满足车载可移动的要求。

附图说明

图1是常规的天然气/煤层气吸附净化装置的结构示意图；

图2是本发明的带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化装置的结构示意图，也是本发明方法的工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合图2，对本发明的技术特征和优点作更详细的说明。

如图2所示，本发明的带强制换热结构的天然气/煤层气吸附净化装置，其包括吸附塔系统和导热介质循环系统；

所述吸附塔系统包括：

并联且切换使用的第一吸附塔101与第二吸附塔102；所述第一吸附塔101与第二吸附塔102的顶端连接管道均分为两路，该两路分别连接含杂工艺气体入口及再生气体出口；所述第一吸附塔101与第二吸附塔102底端连接管道同样均分为两路，该两路分别连接净化后工艺气体出口和通过第一吸附塔101或第二吸附塔102之后连接再生气体入口；

所述导热介质循环系统包括：

并联的导热介质加热器203、导热介质冷却器204和导热介质泵205；

所述导热介质加热器203和导热介质冷却器204出口管路合并后连接导热介质泵205入口；所述导热介质泵205出口分为两路，该两路分别与第一导热介质换热管201入口和第二导热介质换热管202入口相连；

所述导热介质加热器203入口和导热介质冷却器204入口管路合并后分成两路，该两路分别与第一导热介质换热管201出口与第二导热介质换热管202出口相连，以构成吸附净化回路；所述第一导热介质换热管201和第二导热介质换热管202分别装于第一吸附塔系统101和第二吸附塔102中。

其工艺流程分为吸附过程和再生过程，再生过程又分为加热解吸过程和冷却过程；由于吸附塔净化系统是两吸附塔切换流程，所以吸附过程和再生过程分别在两吸附塔内进行，一塔吸附完毕后，另一塔也已再生完毕，切换使用。下面仅以第一吸附塔101进行吸附，第二吸附塔102进行再生做详细说明：

所述吸附过程：含杂质的工艺气体由程控阀103控制进入第一吸附塔101和程控阀110，被净化后流出。

所述加热解吸过程：导热介质经导热介质泵205、程控阀212、第二导热介质换热管202、程控阀206、程控阀208、导热介质加热器203、程控阀209形成循环，对第二吸附塔102进行加热，将吸附剂加热至温度200℃～300℃之间（根据不同流程需要及吸附剂性质，再生温度会有不同）。导热介质被加热的温度也不超过300℃。同时，吸附塔系统中再生净化气依次经过调节阀112、程控阀108、第二吸附塔102、程控阀106，最终向外界排出。由于此时再生净化气不是常规流程中对吸附剂加热的介质，所以再生气流量可以保持微小流量，只起到保持第二吸附塔102压力稳定，并将吸附剂中解吸杂质吹扫携带出吸附塔外的功能。

所述冷却过程：当第二吸附塔102中吸附剂解吸完毕后，导热介质经导热介质泵205、程控阀212、导热介质第二换热器202、程控阀206、程控阀210、导热介质冷却器204、程控阀211形成冷却循环，对第二吸附塔102进行冷却，将吸附剂冷却至0℃～30℃（根据不同流程需要及吸附剂性质，温度不同）。同时，吸附塔系统再生净化气经调节阀112、程控阀108、第二吸附塔102、程控阀106向外界排出。由于此时再生净化气不是常规流程中对吸附剂冷吹的介质，所以再生气流量可以保持微小甚至零流量，只保持第二吸附塔102内压力保持稳定即可。

实施例1

本实施例结构示意图如图2

本实施例的净化系统是两塔切换流程，吸附过程和再生过程分别在两塔内进行，一塔吸附完毕后，另一塔也已再生完毕，切换使用。第一吸附塔101进行吸附，第二吸附塔102进行再生时，流程具体步骤如下：

吸附过程：含杂质的工艺气体，各组分含量为：CO₂0.7%，H₂S 0.2%，H₂O 0.2%，CH₄95.0%，0.5%N₂，乙烷及以上烃类3.4%，依次经过程控阀103、第一吸附塔101和程控阀110，被净化后流出。吸附塔内填充的吸附剂为13X型分子筛，净化后工艺气体各组分含量为：CO₂50ppm，H₂S 3ppm，H₂O 0.1ppm，CH₄96.05%，N₂0.51%，乙烷及以上烃类3.44%。加热解吸过程：导热介质选用矿物型导热油，经导热介质泵205、程控阀212、第二导热介质换热管202、程控阀206、程控阀208、导热介质加热器203、程控阀209形成循环。导热介质加热器203采用电加热，将导热油加热至280℃，通过在第二吸附塔102中螺旋形布置的第二导热介质换热管202对塔内吸附剂进行加热，将吸附剂加热至280℃。同时，吸附塔系统中再生净化气经调节阀112、程控阀108、第二吸附塔102、程控阀106向外界排出。再生气保持微小流量，保持第二吸附塔102压力稳定，并将吸附剂中解吸杂质吹扫携带出吸附塔外。冷却过程：当第二吸附塔102中吸附剂解吸完毕后，导热油经导热介质泵205、程控阀212、导热介质第二换热器202、程控阀206、程控阀210、导热介质冷却器204、程控阀211形成冷却循环。导热介质冷却器204采用水冷方式，将导热油冷却至25℃，通过第二导热介质换热管202对第二吸附塔102进行冷却，将吸附剂冷却至30℃。冷却过程通过调节阀112调节再生净化气流量，保持第二吸附塔102塔内压力稳定，抵消塔内冷却降温带来的压力下降。

本实施例系统再生气耗气量小，同时由于增加强制换热管，可大大缩短加热解吸及冷却时间，显著减小吸附切换周期，进而降低吸附塔高度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化方法，其包括吸附剂加热解吸步骤及吸附剂冷却步骤；

1）所述吸附剂加热解吸步骤中，利用来自外部循环的高温导热介质加热吸附剂，使其升温解吸；所述高温导热介质温度为200℃～300℃；

2）所述吸附剂冷却步骤中，吸附剂解吸完成后开始吸附剂冷却：利用来自外部循环的低温导热介质冷却吸附剂，使其温度下降至10℃～50℃，以满足再次进行吸附的要求，所述低温导热介质温度为0℃～40℃。

2.如权利要求1所述的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化方法，其特征在于：还包括：再生气在吸附剂加热解吸步骤中反向流经吸附剂，以带走解吸出的杂质。

3.一种带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其包括：吸附塔系统及导热介质循环系统；

所述吸附塔系统包括：

所述导热介质循环系统包括：

所述导热介质加热器和导热介质冷却器出口管路合并后连接导热介质泵入口；所述导热介质泵出口分为两路，该两路分别与第一导热介质换热管入口和第二导热介质换热管入口相连；所述导热介质加热器入口和导热介质冷却器入口管路合并后分成两路，该两路分别与第一导热介质换热管出口与第二导热介质换热管出口相连，以构成导热介质循环回路；

其特征在于，所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管分别装于第一吸附塔系统和第二吸附塔中，并分别与第一吸附塔系统和第二吸附塔中的吸附剂紧密充分接触；

所述工艺气体为富含甲烷的天然气、煤层气或页岩气；

4.如权利要求书3所述的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其特征在于，还包括：分别安装于所述第一导热介质换热管进/出口管路上、所述第二导热介质换热管进/出口管路上、所述导热介质加热器进/出口管路上、所述导热介质冷却器进/出口管路上、所述吸附塔系统中的工艺气体进/出口管路上和再生气体进/出口管路上的的程控阀；和

5.如权利要求书4所述的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其特征在于：所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管为螺旋型管换热器或蛇形管型换热器，所述第一导热介质换热管和第二导热介质换热管内导热介质在换热管内流动，以对换热管外的吸附剂进行加热或冷却。

6.如权利要求书5所述的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其特征在于：所述的导热介质加热器为电加热器、燃料燃烧加热器或热流体加热器。

7.如权利要求书5所述的带有强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置，其特征在于：所述的导热介质冷却器为风冷冷却器、水冷冷却器或制冷机。