CN105296038A - 含氧煤层气低温浓缩方法及其装置 - Google Patents

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陈金华
朱菁
蔡安宁
姚成林
刘利亚
肖正
文娟
张斌
张�浩
甘海龙
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Abstract

本发明公开了含氧煤层气低温浓缩方法及其装置，包括以下步骤：将含氧煤层气进行增压并净化；再将净化后的含氧煤层气进行冷却；然后将冷却后的含氧煤层气进行气液分离；接着将分离得到的气体与液体分别进行节流获得液相节流和气相节流；再将获得的液相节流和气相节流通过热交换冷却后续通入的净化后含氧煤层气；最后液相节流经热交换即获得浓缩含氧煤层气；本发明的方法主要冷量由含氧煤层自身节流降温提供不需要或仅需要少量外部制冷系统提供的冷量，能耗低，是一种简单易行低能耗的含氧煤层气处理方法；本发明还公开了低温浓缩含氧煤层气的装置，设备数量少，适应性强。

Description

含氧煤层气低温浓缩方法及其装置
技术领域
本发明属于浓缩方法和装置，具体涉及含氧煤层气低温浓缩方法，特别是含氧煤层气尤其针对甲烷体积分数30％以上的含氧煤气的低温浓缩方法，还涉及低温浓缩使用的装置。
背景技术
含氧煤层气属于煤矿生产中的伴生气，也称为煤矿瓦斯，其甲烷体积分数在30％～80％之间。这类煤层气中含空气，甲烷含量越低，空气含量越高，对煤层气进行输送和利用危险性越大。
国家规定甲烷体积分数30％以上的煤层气应加以利用，对含氧煤层气进行提浓有利于更好的对其进行利用，同时还可以降低输送能耗，提高输送和利用的安全性。目前常规的含氧煤层气提浓方法有吸附法和膜分离法(公开号为1799679)，以及深冷精馏法(公开号为101928617A)。吸附法和膜分离法要求含氧煤层气具有一定的压力才能达到提浓效果，或者需要对装置抽真空以使有足够的压力差能满足提浓要求，但抽真空就会使处理能耗增加。冷精馏法也要求含氧煤层气具有一定的压力，同时该工艺方法处理能耗高，工艺流程复杂，设备数量多。
对于含氧煤层气利用而言，安全和经济性是关键问题，最好在低压下对其进行处理，并且处理能耗越低越好。含氧煤层气压力越高就越危险，这是限制吸附法、膜分离法应用的一个关键问题；而能耗高，工艺流程复杂则是限制深冷精馏法应用的主要原因。
针对目前含氧煤层气提浓技术现状，急需提出一种含氧煤层气低温浓缩方法，并且该方法全流程处于低压状态，能耗低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供含氧煤层气低温浓缩方法，该方法可在低压条件下实现对含氧煤层气的浓缩，处理能耗低，工艺流程简单；本发明的目的之二在于提供低温浓缩的含氧煤层气的装置，设备数量少，适应性强。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将含氧煤层气进行增压并净化；
(2)将步骤(1)净化后的含氧煤层气进行冷却；
(3)将步骤(2)冷却后的含氧煤层气进行气液分离；
(4)将步骤(3)分离得到的气体与液体分别进行节流获得液相节流和气相节流；
(5)将步骤(4)获得的液相节流和气相节流通过热交换冷却后续通入的净化后含氧煤层气；
(6)液相节流经热交换即获得浓缩含氧煤层气。
优选的，所述步骤(1)为将甲烷体积分数大于30％的氧煤层气增压到0.18～0.22MPa，然后将含氧煤层气净化至含氧煤层气中硫化氢含量小于5ppm、二氧化碳含小于100ppm，水含量小于0.1ppm。
更优选的，所述步骤(2)为将步骤(1)净化后的含氧煤层气冷却至温度为-160℃～-178℃。
更优选的，所述步骤(3)中气液分离后气相中甲烷体积分数小于5％或者大于15％。
优选的，所述步骤(4)中节流后气相节流压力低于50kPa，液相节流的温度不低于-181℃。
优选的，所述步骤(6)中还包括气相节流经热交换获得放空气体。
本发明步骤(2)或(5)中，若含氧煤层气气液分离后的气相节流与液相节流后所得冷量不足维持整个系统运行时，通过外部制冷系统补充冷量，外部制冷系统可选择常用的制冷系统，如氮膨胀制冷系统，混合冷剂制冷系统，液氮气化系统等。
2、含氧煤层气低温浓缩方法使用的装置，包括压缩器，净化器，换热器，气液分离器，浓缩含氧煤层气储存器和放空气体储存器，所述压缩器与净化器连接，所述净化器与换热器连接，所述换热器与气液分离器连接，所述气液分离器通过气相节流阀和液相节流阀分别连接换热器后再分别与浓缩含氧煤层气储存器和放空气体储存器连接。
优选的，还包括外部制冷系统，所述外部制冷系统与所述换热器连接。
本发明的有益效果在于：含氧煤层气低温浓缩方法，该方法全流程处于低压状态，最高压力不超过0.22MPaG；并且该方法主要冷量由含氧煤层自身节流降温提供，不需要或仅需要少量外部制冷系统提供的冷量，能耗低，低于0.07KWh/Nm3，是一种简单易行低能耗的含氧煤层气处理方法；本发明还公开了低温浓缩含氧煤层气的装置，设备数量少，适应性强，是一种安全经济的含氧煤层气提浓方法。
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：
图1为本发明中一种含氧煤层气低温浓缩方法。
图2为本发明实施例1使用的设备示意图。
图3为本发明实施例2使用的设备示意图。
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。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
本实施例以甲烷含量为35％，氮气含量为50％，氧气含量约为15％的含氧煤层气(还含有微量硫化氢、二氧化碳和水)，然后按照图1所示的步骤和图2所述的设备进行低温浓缩，具体步骤如下：
将含氧煤层气在压缩器5中40℃下增压到0.2MPa，然后将含氧煤层气在净化器6中净化至硫化氢含量小于5ppm、二氧化碳含小于100ppm，水含量小于0.1ppm；再将净化后的煤气通入换热器1冷却至温度为-169℃，然后将冷却后的含氧煤层气通入气液分离器2进行气液分离；分离得到的液体通过液体节流阀3获得液相节流，获得的液相节流压力为0.02MPa，温度为-177.4℃；分离得到的气体通过气体节流阀4获得气相节流，获得的液相节流的压力为0.02MPa，温度为-172.3℃；然后气相节流和液相节流分别通入换热器1用于冷却净化后的含氧煤层气，气相节流在换热器1经热交换后为通入放空气体储存器8获得放空气体，其放空气体的温度为35℃，甲烷体积分数为15.16％；液相节流在换热器1经热交换后通入浓缩含氧煤层气储存器7得浓缩含氧煤层气，浓缩含氧煤层气的温度为35℃，甲烷体积分数为73.48％。
本实施例中氮气膨胀制冷系统9为换热器1补充冷量，低温氮气从氮气膨胀制冷系统流出后进入1换热器，氮气流出1换热器时温度为36.85℃。
该实施方案中，含氧煤层气的总体甲烷回收率为71.42％，处理能耗为0.0617kwh/Nm3，该能耗包括含氧煤层气压缩能耗和氮气膨胀制冷系统的能耗。
实施例2
本实施以甲烷含量为60％，氮气含量为31.667％，氧气含量约为8.333％的含氧煤层气(还含有微量硫化氢、二氧化碳和水)，然后按照图1所示的步骤和图3所述的设备进行低温浓缩，具体步骤如下：
将含氧煤层气在压缩器5中40℃下增压到0.2MPa，然后将含氧煤层气在净化器6净化至硫化氢含量小于5ppm、二氧化碳含小于100ppm，水含量小于0.1ppm；再将净化后的煤气通入换热器1冷却至温度为-169.5℃，然后将冷却后的含氧煤层气通入气液分离器2进行气液分离；分离得到的液体通过液体节流阀3获得液相节流，获得的液相节流压力为0.02MPa，温度为-177.8℃；分离得到的气体通过气体节流阀4获得气相节流，获得的气相节流的压力为0.02MPa，温度为-172.8℃；然后气相节流和液相节流分别通入换热器1用于冷却净化后的含氧煤层气，气相节流在换热器1经热交换后通入放空气体储存器8获得放空气体，其放空气体的温度为37℃，甲烷体积分数为15.2％；液相节流在换热器1经热交换后为通入浓缩含氧煤层气储存器7得浓缩含氧煤层气，温度为37℃，甲烷体积分数为77.24％。
该实施方案中，含氧煤层气的总体甲烷回收率为92.95％，处理能耗为0.048kwh/Nm3，该能耗包括含氧煤层气压缩能耗。
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 (10)

1.含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将含氧煤层气进行增压并净化；
(2)将步骤(1)净化后的含氧煤层气进行冷却；
(3)将步骤(2)冷却后的含氧煤层气进行气液分离；
(4)将步骤(3)分离得到的气体与液体分别进行节流获得液相节流和气相节流；
(5)将步骤(4)获得的液相节流和气相节流通过热交换冷却后续通入的净化后含氧煤层气；
(6)液相节流经热交换即获得浓缩含氧煤层气。
2.根据权利要求1所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述步骤(1)为将甲烷体积分数大于30％的含氧煤层气增压到0.18～0.22MPa，然后将含氧煤层气净化至含氧煤层气中硫化氢含量小于5ppm、二氧化碳含小于100ppm，水含量小于0.1ppm。
3.根据权利要求1所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述步骤(2)为将步骤(1)净化后的含氧煤层气冷却至温度为-160℃～-178℃。
4.根据权利要求1所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述步骤(3)中气液分离后气相中甲烷体积分数小于5％或者大于15％。
5.根据权利要求1所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述步骤(4)中节流后气相节流压力低于50kPa，液相节流的温度不低于-181℃。
6.根据权利要求1所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述步骤(6)中还包括气相节流经热交换获得放空气体。
7.根据权利要求1～6任一项所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：步骤(2)或(5)中，冷却净化后含氧煤层气不足冷量通过外部制冷系统补充。
8.根据权利要求7所述所述含氧煤层气低温浓缩方法，其特征在于：所述外部制冷系统为氮膨胀制冷系统，混合冷剂制冷系统或液氮气化系统。
9.权利要求1～8任一项所述含氧煤层气低温浓缩方法使用的装置，其特征在于：包括压缩器，净化器，换热器，气液分离器，浓缩含氧煤层气储存器和放空气体储存器，所述压缩器与净化器连接，所述净化器与换热器连接，所述换热器与气液分离器连接，所述气液分离器通过气相节流阀和液相节流阀分别连接换热器后再分别与浓缩含氧煤层气储存器和放空气体储存器连接。
10.根据权利要求9所述含氧煤层气低温浓缩方法使用的装置，其特征在于：还包括外部制冷系统，所述外部制冷系统与所述换热器连接。
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