CN103277978B - 提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，包括换热系统、精馏分离系统、混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统。通过设置混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统，一方面，精馏分离系统的冷凝温度低于-180℃，而混合冷剂循环系统无法提供符合要求的冷量；另一方面，若采用氮冷剂循环系统对换热系统提供冷量，则会导致能耗高、制冷效率低的缺陷；另外，混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统相互独立，互不干扰，能够实现冷量的合理分配，换热效率更高，并实现甲烷纯度和收率的调整，使整个装置能获得很高的换热效率的同时，也对提取甲烷过程中的工况变化有很好的适应性和操作性，并且还能够防止混合冷剂堵塞管路。

Description

提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置
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，具体涉及一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置。
背景技术
煤层气属于煤矿生产中的伴生气。在煤矿开采前，需要事先在地面抽采煤层气；在煤矿开采的同时，需要在矿道内抽采煤层气。地面抽采的煤层气，其甲烷含量高，含氧量小，安全性好，可以直接加压运输或用于其他用途。但更多的是为了煤矿开采的安全、在已经进行煤炭开采生产的矿道内抽采的煤层气。矿道内抽采得到的煤层气甲烷含量低，通常在30%～70%之间，这类煤层气中含空气，特别是对甲烷含量小于50%的煤层气，空气含量较高，处理起来有危险性，所以长期以来的做法是将这种低浓度含氧煤层气燃烧或直接排放，造成能源浪费与污染。
从低浓度含氧煤层气中回收甲烷对扩展和提高煤层气的使用价值和煤矿生产的经济性具有重要意义。目前所公开的用于低浓度含氧煤层气提取甲烷的装置有：公开号为CN101928617的中国专利公开的一种含氧煤层气液化分离装置；公开号为CN101929788的中国专利公开的一种含氧煤层气制取液化天然气的装置；公开号为CN100404988的中国专利公开的一种含空气煤层气的液化分离工艺及设备等装置。
虽然这些装置在一定程度上均能够满足在低浓度含氧煤层气中提取甲烷的要求，但是，这些装置都存在以下问题：
（1）原料气（即低浓度煤层气）来自于煤矿井下抽采，甲烷含量波动较大，难免会影响液化工艺的稳定运行，需要对装置进行调整；而现有的装置中，提取的甲烷的纯度和收率分别由塔底蒸发量和塔顶冷凝量控制，但为塔底加热和为塔顶冷却的制冷剂流体为同一股，因此在调整产品纯度时会影响塔顶冷凝量（收率），同样，调整产品收率时又会影响到塔底蒸发量（纯度）；
（2）如果冷剂压缩机工况不稳定，会导致大量混合冷剂中的重组分（如异丁烷、异戊烷）进入液化装置的低温区（温度低于－165℃），造成该段冷剂温度低于其下转化温度，使节流后温度升高（即不制冷），严重时亦会导致凝固，使冷剂通道堵塞；
（3）煤层气中甲烷被提出后，氮氧尾气在精馏塔的操作压力（0.3MPa）下直接复热排空，未充分回收其能量（压力能），浪费能源。
（4）现有的装置均采用单一的制冷系统来获得冷量，并且没有充分利用分离了甲烷后的氮氧气的压力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，该装置具有很高的换热效率，对提取甲烷过程中的工况变化有很好的适应性和操作性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，包括换热系统、精馏分离系统、混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统；
所述换热系统包括沿煤层气流向依次设置的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器；
所述精馏分离系统包括精馏塔、设置在精馏塔塔底的蒸发器以及均设置在精馏塔塔顶的冷凝器和分离器，所述冷凝器的气液出口与所述分离器的气液入口相连，所述分离器的液相出口与所述精馏塔相连，所述精馏塔的煤层气入口与所述四级换热器的煤层气出口相连；
所述混合冷剂循环系统包括沿混合冷剂流动方向依次设置的混合冷剂压缩机、混合冷剂冷却器和混合冷剂分离罐，所述混合冷剂分离罐的气相混合冷剂出口经所述一级换热器、二级换热器后与所述蒸发器的混合冷剂入口相连，所述蒸发器的混合冷剂出口经所述三级换热器后、再依次经所述三级换热器、二级换热器和一级换热器与所述混合冷剂压缩机相连；所述混合冷剂分离罐的液相混合冷剂出口经所述一级换热器后与回流的气相混合冷剂管路汇合；所述气相混合冷剂经所述三级换热器后再次进入三级换热器的管路上设有混合冷剂低温节流阀，所述液相混合冷剂经所述一级换热器后的管路上设有混合冷剂高温节流阀；
所述混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷的混合物；
所述氮冷剂循环系统包括沿氮冷剂流向依次设置的氮冷剂压缩机和氮冷剂冷却器，所述氮冷剂冷却器的氮冷剂出口依次经所述一级换热器、二级换热器后，与所述蒸发器的氮冷剂入口相连，所述蒸发器的氮冷剂出口依次经所述三级换热器、四级换热器后与所述冷凝器相连，所述冷凝器的氮冷剂出口依次经所述四级换热器、三级换热器、二级换热器和一级换热器后与所述氮冷剂压缩机相连；所述四级换热器和冷凝器的氮冷剂入口之间设有氮冷剂节流阀。
进一步，还包括氮氧气膨胀排气系统，所述氮氧气膨胀排气系统包括氮氧气膨胀机，所述分离器的气相出口经所述四级换热器后被分为两条排气通道，其中一条排气通道依次经所述三级换热器、二级换热器和一级换热器后将氮氧气排出，另一条排气通道经所述膨胀机后、依次经所述四级换热器、三级换热器、二级换热器和一级换热器将氮氧气排出。
进一步，还包括液体甲烷冷却管路，所述液体甲烷冷却管路连通所述精馏塔的液体甲烷出口与所述三级换热器。
进一步，所述氮冷剂压缩机和混合冷剂压缩机的前方或后方均设有缓冲罐。
进一步，所述精馏塔内设有抑燃抑爆装置，所述抑燃抑爆装置包括铺设在所述精馏塔内部填料内的钢丝网。
进一步，所述钢丝网的网孔大小为80～200目，铺设密度为每隔300mm铺设1-5层。
进一步，所述混合冷剂中各个组分的比例为：23.5%的氮气；38.8%的甲烷；11%的乙烯；14.2%的丙烷；12.5%的异戊烷。
本发明的有益效果在于：
本发明提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，通过设置混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统，一方面，出于安全方面的考虑，提取低浓度含氧煤层气中的甲烷需要在较低的压力下进行，特别是甲烷含量小于35%的煤层气，操作压力不超过0.4MPaG，所以精馏分离系统的冷凝温度低于-180℃，而混合冷剂循环系统无法提供符合要求的冷量，因此采用氮冷剂循环系统对冷凝器提供冷量；另一方面，若采用氮冷剂循环系统对换热系统提供冷量，则会导致能耗高、制冷效率低的缺陷，因而采用混合冷剂循环系统对换热系统提供冷量使煤层气冷却；另外，混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统相互独立，互不干扰，能够实现冷量的合理分配，换热效率更高，并实现甲烷纯度和收率的调整，使整个装置能获得很高的换热效率的同时，也对提取甲烷过程中的工况变化有很好的适应性和操作性，并且还能够防止混合冷剂堵塞管路。
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为本发明提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置实施例的结构示意图。
附图标记说明：
1-氮冷剂压缩机；2-氮冷剂冷却器；3-一级换热器；4-二级换热器；5-三级换热器；6-四级换热器；7-氮氧气膨胀机；8-氮冷剂节流阀；9-冷凝器；10-分离器；11-精馏塔；12-蒸发器；13-混合冷剂低温节流阀；14-混合冷剂高温节流阀；15-混合冷剂分离罐；16-混合冷剂冷却器；17-混合冷剂压缩机。
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，为本发明提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置实施例的结构示意图。本实施例的一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，包括换热系统、精馏分离系统、混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统。
换热系统包括沿煤层气流向依次设置的一级换热器3、二级换热器4、三级换热器5和四级换热器6。
精馏分离系统包括精馏塔11、设置在精馏塔11塔底的蒸发器12以及均设置在精馏塔11塔顶的冷凝器9和分离器10，冷凝器9的气液出口与分离器10的气液入口相连，分离器10的液相出口与精馏塔11相连，精馏塔11的煤层气入口与四级换热器6的煤层气出口相连。
混合冷剂循环系统包括沿混合冷剂流动方向依次设置的混合冷剂压缩机17、混合冷剂冷却器16和混合冷剂分离罐15，混合冷剂分离罐15的气相混合冷剂出口经一级换热器3、二级换热器4后与蒸发器12的混合冷剂入口相连，蒸发器12的混合冷剂出口经三级换热器5后、再依次经三级换热器5、二级换热器4和一级换热器3与混合冷剂压缩机17相连；混合冷剂分离罐15的液相混合冷剂出口经一级换热器3后与回流的气相混合冷剂管路汇合一起回流至混合冷剂压缩机17。气相混合冷剂经三级换热器5后再次进入三级换热器5的管路上设有混合冷剂低温节流阀13，液相混合冷剂经一级换热器3后的管路上设有混合冷剂高温节流阀14。混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷的混合物，本实施例的混合冷剂中各个组分的比例为：23.5%的氮气；38.8%的甲烷；11%的乙烯；14.2%的丙烷；12.5%的异戊烷，能够满足要求。
氮冷剂循环系统包括沿氮冷剂流向依次设置的氮冷剂压缩机1和氮冷剂冷却器2，氮冷剂冷却器2的氮冷剂出口依次经一级换热器3、二级换热器4后，与蒸发器12的氮冷剂入口相连，蒸发器12的氮冷剂出口依次经三级换热器5、四级换热器6后与冷凝器9相连，冷凝器9的氮冷剂出口依次经四级换热器6、三级换热器5、二级换热器4和一级换热器3后与氮冷剂压缩机1相连；四级换热器6和冷凝器9的氮冷剂入口之间设有氮冷剂节流阀8。
本实施例提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，通过设置混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统，一方面，出于安全方面的考虑，提取低浓度含氧煤层气中的甲烷需要在较低的压力下进行，特别是甲烷含量小于35%的煤层气，操作压力不超过0.4MPaG，所以精馏分离系统的冷凝温度低于-180℃，而混合冷剂循环系统无法提供符合要求的冷量，因此采用氮冷剂循环系统对冷凝器提供冷量；另一方面，若采用氮冷剂循环系统对换热系统提供冷量，则会导致能耗高、制冷效率低的缺陷，因而采用混合冷剂循环系统对换热系统提供冷量使煤层气冷却；另外，混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统相互独立，互不干扰，能够实现冷量的合理分配，换热效率更高，并实现甲烷纯度和收率的调整，使整个装置能获得很高的换热效率的同时，也对提取甲烷过程中的工况变化有很好的适应性和操作性，并且还能够防止混合冷剂堵塞管路。
进一步，本实施例提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置还包括氮氧气膨胀排气系统，氮氧气膨胀排气系统包括氮氧气膨胀机7，分离器10的气相出口经四级换热器6后被分为两条排气通道，其中一条排气通道依次经三级换热器5、二级换热器4和一级换热器3后将氮氧气排出，另一条排气通道经膨胀机7后、依次经四级换热器6、三级换热器5、二级换热器4和一级换热器3将氮氧气排出。氮氧气膨胀排气系统利用氮氧气膨胀制冷，进一步回收了部分氮氧气的低温冷量，节约了氮冷剂循环系统的能耗。
进一步，本实施例提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置还包括液体甲烷冷却管路，液体甲烷冷却管路连通精馏塔11的液体甲烷出口与三级换热器5，液体甲烷经过三级换热器5的冷却过后再被存储起来。
进一步，精馏塔11内设有抑燃抑爆装置，抑燃抑爆装置包括铺设在精馏塔11内部填料内的钢丝网。且钢丝网的网孔大小为80～200目，铺设密度为每隔300mm铺设1-5层。
另外，氮冷剂压缩机1和混合冷剂压缩机17的前方或后方还可设置缓冲罐，用于平衡管路内的压力，不再累述。
下面，以甲烷含量35%，氮气含量52.5%，氧气含量11.5%的低浓度含氧煤层气为例，对利用本发明提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置来提取甲烷的具体实施方式进行说明。
如图1所示，温度为40℃、压力为0.4MPaG的低浓度含氧煤层气依次进入一级换热器3、二级换热器4、三级换热器5和四级换热器6中被冷却到-150℃～-160℃，然后从中部进入精馏塔11。
精馏塔11内有分离煤层气中甲烷的填料，液体甲烷在11精馏塔底部聚集，含少量甲烷的氮氧气从精馏塔11顶部流出。精馏塔11底聚集的液体甲烷被蒸发器12传递的热量加热，其中的氮气和氧气蒸发出来，形成甲烷含量大于99%的液体从精馏塔11底流出进入三级换热器5内，被冷却到-155℃作为液体甲烷产品输出。含少量甲烷的氮氧气流从精馏塔11顶部流出后进入冷凝器9并被氮冷剂循环系统冷却至-175℃，变为气液混合物，其中的甲烷变为液体。冷凝器9流出的气液混合物进入分离器10，分离出的液体甲烷回流到精馏塔11内，剩余的氮氧气中甲烷含量小于0.5%，流出分离器后10进入四级换热器6被加热到-152℃，然后分出10%的氮氧气进入氮氧气膨胀机7，剩余的90%氮氧气依次进入三级换热器5、二级换热器4、一级换热器3回收冷量，氮氧气被加热为常温排出。进入氮氧气膨胀机7的氮氧气从0.35MPaG膨胀为常压，温度降到-180℃，然后依次进入四级换热器6、三级换热器5、二级换热器4、一级换热器3回收冷量，氮氧气被加热为常温排出。
冷凝器9的冷量由氮冷剂循环系统提供。温度为40℃、压力为0.15MPaG的氮气进入氮冷剂压缩机1被增压到3.5MPaG，进入氮冷剂冷却器2被冷却到40℃，并依次经过一级换热器3、二级换热器4被冷却到-120℃，然后进入蒸发器12用于加热精馏塔底11的液体甲烷。氮冷剂从蒸发器12流出后，高压氮气温度变为-126℃，然后依次进入三级换热器5、四级换热器6被冷却到-178℃后进入氮冷剂节流阀8节流降压。从氮冷剂节流阀8流出的温度为-187℃、压力为0.16MPaG的氮冷剂进入冷凝器9提供冷凝冷量，氮冷剂被加热气化为氮气，氮气从冷凝器9流出后依次进入四级换热器6、三级换热器5、二级换热器4、一级换热器3，将冷量交换给其余物流，氮冷剂被加热为40℃后进入氮冷剂压缩机1循环利用。
混合冷剂组份为23.5%的氮气、38.8%的甲烷、11%的乙烯、14.2%的丙烷，12.5%的异戊烷。温度为40℃、压力为0.16MPaG的混合冷剂进入混合冷剂压缩机17被增压到3.5MPaG，然后进入混合冷剂冷却器16被冷却至40℃形成气液混合物。从混合冷剂冷却器16流出的气液混合物进入混合冷剂分离罐15，液相混合冷剂从混合冷剂分离罐15底部流出，进入一级换热器3被冷却到-50℃，而后进入混合冷剂高温节流阀14节流降压，节流后的混合冷剂温度为-55℃、压力为0.17MPaG。
从混合冷剂分离罐15顶部流出的气相混合冷剂依次进入一级换热器3、二级换热器4被冷却到-120℃，然后进入蒸发器12用于加热精馏塔11底的液体。从蒸发器12流出后，高压气相混合冷剂的温度为-125℃，进入三级换热器5中被冷却到-148℃，然后进入混合冷剂低温节流阀13节流降压。节流后的混合冷剂的温度为-168℃、压力为0.17MPaG，并依次进入三级换热器5、二级换热器4被加热到-57.8℃，与混合冷剂高温节流阀14流出的混合冷剂汇合在一起进入一级换热器3将冷量交换给其余物流。混合冷剂被加热为常温进入混合冷剂压缩机17循环利用。
最终，通过本装置将低浓度含氧煤层气分为三个部分，即甲烷含量大于99%的液体甲烷，通过两个排气通道分别排出的甲烷含量小于0.5%的氮氧气。
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)

1.一种提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：包括换热系统、精馏分离系统、混合冷剂循环系统和氮冷剂循环系统；
所述换热系统包括沿煤层气流向依次设置的一级换热器、二级换热器、三级换热器和四级换热器；
所述精馏分离系统包括精馏塔、设置在精馏塔塔底的蒸发器以及均设置在精馏塔塔顶的冷凝器和分离器，所述冷凝器的气液出口与所述分离器的气液入口相连，所述分离器的液相出口与所述精馏塔相连，所述精馏塔的煤层气入口与所述四级换热器的煤层气出口相连；
所述混合冷剂循环系统包括沿混合冷剂流动方向依次设置的混合冷剂压缩机、混合冷剂冷却器和混合冷剂分离罐，所述混合冷剂分离罐的气相混合冷剂出口经所述一级换热器、二级换热器后与所述蒸发器的混合冷剂入口相连，所述蒸发器的混合冷剂出口经所述三级换热器后、再依次经所述三级换热器、二级换热器和一级换热器与所述混合冷剂压缩机相连；所述混合冷剂分离罐的液相混合冷剂出口经所述一级换热器后与回流的气相混合冷剂管路汇合；所述气相混合冷剂经所述三级换热器后再次进入三级换热器的管路上设有混合冷剂低温节流阀，所述液相混合冷剂经所述一级换热器后的管路上设有混合冷剂高温节流阀；
所述混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷的混合物；
所述氮冷剂循环系统包括沿氮冷剂流向依次设置的氮冷剂压缩机和氮冷剂冷却器，所述氮冷剂冷却器的氮冷剂出口依次经所述一级换热器、二级换热器后，与所述蒸发器的氮冷剂入口相连，所述蒸发器的氮冷剂出口依次经所述三级换热器、四级换热器后与所述冷凝器相连，所述冷凝器的氮冷剂出口依次经所述四级换热器、三级换热器、二级换热器和一级换热器后与所述氮冷剂压缩机相连；所述四级换热器和冷凝器的氮冷剂入口之间设有氮冷剂节流阀。
所述混合冷剂中各个组分的比例为：23.5％的氮气；38.8％的甲烷；11％的乙烯；14.2％的丙烷；12.5％的异戊烷。
2.根据权利要求1所述提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：还包括氮氧气膨胀排气系统，所述氮氧气膨胀排气系统包括氮氧气膨胀机，所述分离器的气相出口经所述四级换热器后被分为两条排气通道，其中一条排气通道依次经所述三级换热器、二级换热器和一级换热器后将氮氧气排出，另一条排气通道经所述膨胀机后、依次经所述四级换热器、三级换热器、二级换热器和一级换热器将氮氧气排出。
3.根据权利要求1所述提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：还包括液体甲烷冷却管路，所述液体甲烷冷却管路连通所述精馏塔的液体甲烷出口与所述三级换热器。
4.根据权利要求1所述提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：所述氮冷剂压缩机和混合冷剂压缩机的前方或后方均设有缓冲罐。
5.根据权利要求1-4任一项所述提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：所述精馏塔内设有抑燃抑爆装置，所述抑燃抑爆装置包括铺设在所述精馏塔内部填料内的钢丝网。
6.根据权利要求5所述提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置，其特征在于：所述钢丝网的网孔大小为80～200目，铺设密度为每隔300mm铺设1-5层。
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