CN105349195A - 一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺。包括含氧煤层气的液化及脱氧、脱氮步骤和氮气冷剂循环步骤：含氧煤层气的液化及脱氧、脱氮步骤：将含氧煤层气输入至冷箱中经冷却降温后进入精馏塔中脱除氧气和氮气；然后进入冷箱的深冷段继续进行降温，最后经节流后进入LNG储罐储存；氮气冷剂循环步骤如下：经氮气膨胀压缩机压缩冷却后的氮气进入冷箱，其中，一部分氮气经冷却后经膨胀节流为冷箱的深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机二级入口；另一部分氮气经液化后进行节流为与再冷凝器和冷箱的过冷段、深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机一级入口。本发明工艺充分考虑国产设备的适用性，提高流程控制的自动化，减少开车时间。

Description

一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺
技术领域
本发明涉及一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺，属于天然气液化技术领域。
背景技术
在煤矿开采过程中抽采的煤层气，甲烷含量比较低，通常为30％～70％(体积分数)，其他成分主要包括二氧化碳和空气。2013年我国井下抽采煤层气126亿方，利用量约43亿方，利用量不足35％。我国煤层气资源丰富，但开发的比较少，几乎没有工业应用。由于煤层气涌入煤矿巷道或爆炸会引起灾难，因此，煤炭工业界一直将煤层气视为灾害气体。目前这种混有空气的含氧煤层气的抽放处理仅仅是基于煤矿的安全生产要求而进行的，绝大部分排放到大气中，但是由于数量巨大，不仅浪费资源，而且还会引起温室效应。除就近使用外，通过管道外输十分不经济，如果将含氧煤层气中的煤层气与空气(主要为氧气、氮气)分离液化，就能将含氧煤层气利用起来，可以极为方便的运输和利用。
目前已有几种关于含氧煤层气的分离工艺及设备的发明专利，例如中国专利申请200610080889.4，该专利申请公开的技术方案采用低温双级精馏实现甲烷与空气的分离，但是采用双级精馏工艺流程复杂，设备较多，精馏塔压力损失较大，由于系统采用低压流程，所以工艺能耗较高。中国专利200610103425.0采用低温精馏法应用于含氧煤层气的分离和液化，但是该工艺采用混合制冷或者膨胀制冷等常规的制冷方式，单一的混合冷剂制冷或透平膨胀所能达到的制冷温度不能满足高精度脱除煤层气中氮气、氧气的要求，使得排放其中甲烷含量较高，存在一定的安全问题，也降低了分离和液化的处理能力。而中国专利20101028282232.2采用混合冷剂结合节流制冷工艺，能一定程度上提高这冷效率，但是由于精馏塔顶再冷凝器所需温度极低，采用混合冷剂流程难以保证甲烷的回收率，从而造成甲烷的浪费，且工艺能耗较高。
中国专利200910012669.1采用催化脱氧，先让含氧煤层气中的甲烷与氧气反应，除去氧气。此工艺流程较为复杂，且需消耗大量的甲烷与氧气反应，而含有的N2还需要进一步处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺，本发明液化工艺采用冷剂氮气膨胀与节流制冷结合的方式，充分利用工艺流程中的冷量回收，同时保证高甲烷回收率，具备换热效率高，能耗低，煤层气脱氧、氮精度高，甲烷回收率高，安全性高等特点。
本发明所提供的含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺，包括含氧煤层气液化及脱氧、脱氮步骤和氮气冷剂循环步骤；
所述含氧煤层气液化及脱氧、脱氮步骤如下：
将含氧煤层气输入至冷箱中经冷却降温后进入精馏塔中脱除氧气和氮气；然后进入所述冷箱的深冷段继续进行降温，最后经节流后进入LNG储罐储存；
所述氮气冷剂循环步骤如下：
经氮气膨胀压缩机压缩冷却后的氮气进入冷箱，其中，一部分氮气经冷却后经膨胀节流为所述冷箱的深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机二级入口；另一部分氮气经液化后进行节流为与所述精馏塔相连接的再冷凝器和所述冷箱的过冷段、深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机一级入口。
上述含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺中，所述含氧煤层气中甲烷的体积含量为30％～90％；
所述含氧煤层气输入至所述冷箱之前，需要经过脱硫、脱碳、脱汞和脱水处理。
上述含氧煤层气脱氧和氮的液化工艺中，所述含氧煤层气在所述冷箱中冷却至-40℃～-60℃后进入与所述精馏塔相连接的再沸器中；经在所述再沸器中换热后冷却至-125℃～-140℃，继续引入所述冷箱中冷却至-150℃～-160℃，然后进入所述精馏塔进行脱除氧气和氮气，最后进入所述冷箱冷却至-155℃～-160℃后经节流进入LNG储罐储存。
上述含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺中，经所述精馏塔脱除后的氧气和氮气引入至所述冷箱为所述冷箱回收冷量并复热。
上述含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺中，所述氮气冷剂压缩机包括三级压缩，其末级出口氮气的压力为4～6MPa，氮气冷却后进入氮气膨胀压缩机压缩端增压，出口压力为5～7MPa，并进一步冷却到10℃～40℃。
上述含氧煤层气脱氧和脱氮的液化工艺中，经末级冷却器冷却后的氮气进入所述冷箱冷却至-80～110℃后，一部分氮气进入氮气膨胀压缩机膨胀端，膨胀节流至0.3～0.6MPa后返回所述冷箱，为所述冷箱的深冷段、液化段和预冷段提供冷量；复热后的的氮气返回所述氮气冷剂压缩机二级入口；另外一部分氮气继续经过所述冷箱的液化段和过冷段冷却至-172～-176℃节流，节流后的氮气进入所述精馏塔顶部连接的冷凝器提供冷量，再返回所述冷箱为过冷段、深冷段、液化段和预冷段提供冷量，复热后的氮气返回所述氮气冷剂压缩机一级入口。
本发明液化工艺中，经冷却后的冷剂氮气一部分经过膨胀后返回冷箱，复热后返回冷剂氮气压缩机二级入口；另外一部分冷剂氮气经过冷节流后进入精馏塔顶部的再冷凝器，为再冷凝器提供冷量后返回冷箱，为冷箱过冷段、深冷段、液化段、预冷段提供冷量，复热后返回冷剂氮气压缩机一级入口，完成一个冷剂氮气循环。
本发明液化工艺中，液相氮气冷剂节流阀采用温度和流量的串级控制，排放气中甲烷含量小于1％，实现了甲烷的高回收率；精馏塔的再沸器采用温度控制，保证含氧煤层气中氮气、氧气脱除的高精度，LNG产品中氧气含量小于0.1％，氮气含量小于0.001％；脱除后的氮气和氧气返回冷箱回收冷量，冷剂氮气通过膨胀机驱动膨胀压缩机压缩端，回收部分能量，实现系统能量的充分利用；LNG产品节流阀采用温度和流量的串级控制，实现了目标装置冷热负荷匹配，装置平稳运行。冷剂压缩采用变频电机驱动，装置运行范围广。氮气循环具有快速启停，操作方便的优点。
附图说明
图1为本发明含氧煤层气的脱氧、脱氮的液化工艺的流程示意图，其中CB-1为冷箱，C1-1、C1-2、C1-3为1～3级冷剂氮气压缩机，TE-1为氮气膨胀压缩机，V-1～V-4为冷剂氮气缓冲罐，V2为精馏塔塔顶气液分离器，E-1～E-4为冷剂氮气冷却器，E-5为精馏塔塔顶冷凝器，E-6为精馏塔塔底再沸器，T-1为精馏塔。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
将煤矿抽采的煤层气进行液化，原料气组成(体积)为：甲烷40％，氮气47.4％，氧气12.6％。按照图1所示的流程对上述原料气进行脱除氧气和氮气，并进行液化处理，采用的冷剂为氮气。
原料气采用低压，经预处理合格的原料气(经过脱硫、脱碳、脱汞和脱水处理，二氧化碳含量小于50ppmV，水含量小于1ppmV，H2S小于4ppmV)压力约0.4MPaA，经过预冷至0℃，预冷冷量由一套冷水机组提供，然后进入冷箱CB-1预冷至-51℃后，进入精馏塔塔底再沸器E-6，出精馏塔塔底再沸器E-6被冷却至-135℃后进入冷箱CB-1液化段被冷却到-160℃后，进入精馏塔T-1精馏，从精馏塔塔底再沸器E-6出来的LNG温度约为-146℃，进入冷箱CB-1进一步过冷至-158℃节流后进入储罐储存。
经节流后的氮气经过精馏塔塔顶冷凝器E-5、冷箱CB-1换热后进入氮气压缩机经第一级压缩至0.475MPag后，进入冷却器E-1冷却至38℃后，与膨胀后经冷箱CB-1复温返回的另一部分氮气冷剂混合进入氮气压缩机二级缓冲罐V-1，然后进入氮气压缩机第二级压缩至2.1MPag，然后经过冷却器E-2冷却至38℃后进入缓冲罐V-2，然后进入氮气压缩机第三级压缩至5.9MPag，然后经过冷却器E-3冷却至38℃后进入缓冲罐V-3，在经过氮气膨胀压缩机TE-1压缩端压缩机后，经冷却器E-4冷却至38℃，进入冷箱CB-1。
冷剂氮气进入冷箱CB-1经冷箱预冷、液化段冷却至-90℃，一部分冷剂氮气进入TE-1氮气膨胀压缩机机膨胀端，膨胀节流到0.53MPag，返回冷箱CB-1为深冷、液化、预冷段提供冷量，复热至-6℃返回氮气压缩机二级入口冷剂氮气缓冲罐V-2；另外一部分冷剂氮气经冷箱深冷段、过冷段冷却至-174℃节流，节流至0.233MPag后进入精馏塔塔顶冷却E-5，为塔顶冷却器提供冷量，然后返回冷箱CB-1，为冷箱过冷段、深冷段、液化段、预冷段提供冷量，复热至-6℃返回氮气压缩机一级入口缓冲罐，经压缩机一级压缩后，与膨胀后氮气混合进入压缩机二级，完成冷剂氮气循环。
从精馏塔顶部分离出来的氮气、氧气排放气返回冷箱CB-1回收冷量后排放，排放气中甲烷体积含量小于1％。
LNG产品中甲烷体积含量为大于99.9％，氧气含量小于0.1％，氮气含量小于0.01％。

Claims (6)

1.一种含氧煤层气脱氧、脱氮的液化工艺，包括含氧煤层气的液化及脱氧、脱氮步骤和氮气冷剂循环步骤：
所述含氧煤层气的液化及脱氧、脱氮步骤如下：
将含氧煤层气输入至冷箱中经冷却降温后进入精馏塔中脱除氧气和氮气；然后进入所述冷箱的深冷段继续进行降温，最后经节流后进入LNG储罐储存；
所述氮气冷剂循环步骤如下：
经氮气膨胀压缩机压缩冷却后的氮气进入冷箱，其中，一部分氮气经冷却后经膨胀节流为所述冷箱的深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机二级入口；另一部分氮气经液化后进行节流为与所述精馏塔相连接的再冷凝器和所述冷箱的过冷段、深冷段、液化段和预冷段提供冷量后，返回氮气压缩机一级入口。
2.根据权利要求1所述的液化方法，其特征在于：所述含氧煤层气中甲烷的体积含量为30％～90％；
所述含氧煤层气输入至所述冷箱之前，需要经过脱硫、脱碳、脱汞和脱水处理。
3.根据权利要求1或2所述的液化方法，其特征在于：所述含氧煤层气在所述冷箱中冷却至-40℃～-60℃后进入与所述精馏塔相连接的再沸器中；经在所述再沸器中换热后冷却至-125℃～-140℃，继续引入所述冷箱中冷却至-150℃～-160℃，然后进入所述精馏塔进行脱除氧气和氮气，最后进入所述冷箱冷却至-155℃～-160℃后经节流进入LNG储罐储存。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的液化方法，其特征在于：经所述精馏塔脱除后的氧气和氮气引入至所述冷箱为所述冷箱回收冷量并复热。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的液化方法，其特征在于：所述氮气冷剂压缩机包括三级压缩，其末级出口压力为4～6MPa，温度为10℃～40℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的液化方法，其特征在于：经氮气冷剂压缩机末级冷却后的氮气进入所述冷箱冷却至-80～-110℃后，一部分氮气进入氮气膨胀压缩机膨胀端，膨胀节流至0.3～0.6MPa后返回所述冷箱，为所述冷箱的预冷端、液化段、深冷段提供冷量，复热后的氮气返回所述氮气冷剂压缩机中的氮气压缩机二级入口；另外一部分氮气继续经过所述冷箱的液化段和过冷段冷却至-172～-176℃节流，节流后的氮气进入所述精馏塔顶部连接的冷凝器提供冷量，然后返回所述冷箱为所述冷箱的过冷段、深冷段、液化段和预冷段提供冷量，复热后的氮气返回所述氮气压缩机一级入口。
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