CN106823443A - 天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及分离方法 - Google Patents

天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及方法；天然气中二氧化碳雪化分离器，包括罐体，所述罐体的底部设有混合气体进气口和混合气体出气口，罐体的下部设有融化塔板将罐体分离成两部分，罐体在融化塔板的上部壁上设有混合气体进气管和CO2流出口，混合气体进气管在罐体内部的出气口与喷嘴相对设置，喷嘴与进气管连接，所述罐体的顶部设有剩余气体出口。不依靠化学药剂，根据CO2的凝华特性，在设备中启用凝华装置，使得CO2能够与天然气实现一步分离，缩短含CO2天然气处理流程，降低能耗。

Description

天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及分离方法
技术领域
本发明涉及天然气中二氧化碳的分离技术，尤其涉及一种天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及分离方法。
背景技术
在当今化石能源日益枯竭，生态环境每况愈下的情况下，人们生产生活中对能源的需求却急速增长，供需矛盾愈发突出。对于油气开采，用注入CO2的方法可以提高油气采收率。目前，CO2驱开采方式已在胜利油田、吉林油田、中原油田等有了进一步的应用，获得了很好的提高采收率效果。
但开采出来的天然气含有较多的CO2及其他杂质，并不能直接使用，传统常用的处理工艺即脱水和脱酸工艺流程长，设备众多，能耗高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种天然气中二氧化碳雪化分离器、分离系统及分离方法，不依靠化学药剂，根据CO2的凝华特性，在设备中启用凝华装置，使得CO2能够与天然气实现一步分离，缩短含CO2天然气处理流程，降低能耗。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
天然气中二氧化碳雪化分离器，包括罐体，所述罐体的底部设有混合气体进气口和混合气体出气口，罐体的下部设有融化塔板将罐体分离成两部分，罐体在融化塔板的上部壁上设有混合气体进气管和CO2流出口，混合气体进气管在罐体内部的出气口与喷嘴相对设置，喷嘴与进气管连接，所述罐体的顶部设有剩余气体出口。
所述罐体的顶部和底部均为半球形。
所述混合气体进气管在罐体内的出气口朝上设置，与朝下设置的喷嘴相对设置。
所述混合气体进气管在罐体内的出气口上设有泡罩，保证固态的CO2不会落到出气口内。
采用所述天然气中二氧化碳雪化分离器的分离系统，包括CO2气瓶和甲烷气瓶，所述CO2气瓶和甲烷气瓶通过管道连接到气体混合罐，所述气体混合罐的出口通过管道连接到所述混合气体进气口，所述混合气体出气口通过管道连接到换热器，所述换热器与液氮瓶连接，所述换热器通过管道连接到所述混合气体进气管；
所述CO2流出口通过管道连接CO2存储罐；所述剩余气体出口通过管道连接到气体冷却器，所述气体冷却器的出口连接闪蒸罐后通过管道连接到与所述喷嘴连接的所述进气管。
CO2气瓶和甲烷气瓶在与所述气体混合罐连接的管道上都设有减压阀、闸阀及流量计；所述换热器与所述混合气体进气管连接的管道上设有温度表、压力表。
所述剩余气体出口与所述气体冷却器连接的管道上还设有背压阀。
所述换热器还与恒温水浴系统连接。
采用所述的分离系统的分离方法，包括，
打开甲烷气瓶，关闭CO2气瓶，待甲烷充满整个装置，此时喷嘴喷出低温液态甲烷雾滴；
打开CO2气瓶，调节CO2与甲烷的混合浓度得到混合气体，混合气体从所述混合气体进气口进入罐体融化塔板的下部，从混合气体出气口流出到换热器；
经过换热器的冷却后的混合气体再次由混合气体进气管进入到罐体中，此时与相对设置的喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴逆向接触，低温液态甲烷雾滴一方面与混合气体进行热交换达到CO2气体的凝华温度，另一方面也为CO2凝华提供凝结核，形成的固态CO2以雪花形式降落到所述融化塔板上，由混合气体进气口进入的混合气体在未冷凝之前其温度远高于固态CO2的熔化温度，所以融化塔板上的固态CO2融化为液态，当液位达到设定高度时由所述CO2流出口流出，存储在CO2存储罐中；
净化后的甲烷气体则从罐体顶部的剩余气体出口流出，经冷凝器进一步冷凝后，变为液态甲烷进入闪蒸罐中；
一部分液态甲烷经加压后重新由喷嘴进入罐体中进行循环进一步提高纯度；另一部分则以气态产品的形式排出。
混合气体的压力控制在1MPa，温度在-80℃至-45℃范围内；喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴的温度为-130℃至-120℃之间。
本发明的有益效果：
本发明是针对开采出来的天然气进行CO2与甲烷的一步分离，实现天然气净化和CO2的回收利用。通过此发明既可以实现对CO2的回收以循环利用，使其不被大量排入空气中加剧“温室效应”，又可实现天然气的净化处理，大大缩短含CO2天然气的净化处理流程，降低能耗。
不依靠化学药剂，根据CO2的凝华特性，在设备中启用凝华装置，使得CO2能够与天然气实现一步分离，缩短含CO2天然气处理流程，降低能耗。
一体化装置保证回收后的CO2的纯度和主要产品天然气的净化效果，即CO2含量低于3％，达到国家商品天然气二类气质要求。
运用变温技术保证CO2不堵塞设备内构件及管道，保证设备的安全可靠运行。
附图说明
图1为天然气中二氧化碳雪化分离器的结构示意图；
图2为分离系统结构示意图。
其中，1.减压阀，2.闸阀，3.流量计，4.气体混合罐，5.二氧化碳雪化分离器，6.恒温水浴系统，7.换热器，8.温度表，9.压力表，10.CO2存储罐，11.第一流量计，12.法兰，13.闪蒸罐，14.气体冷却器，15.背压阀；
5.1混合气体进气口，5.2混合气体出气口，5.3混合气体进气管，5.4泡罩，5.5喷嘴，5.6CO2流出口，5.7剩余气体出口，5.8融化塔板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1-2所示，天然气中二氧化碳雪化分离器5，包括罐体，所述罐体的底部设有混合气体进气口5.1和混合气体出气口5.2，罐体的下部设有融化塔板5.8将罐体分离成两部分，罐体在融化塔板5.8的上部壁上设有混合气体进气管5.3和CO2流出口5.6，混合气体进气管5.3在罐体内部的出气口与喷嘴5.5相对设置，喷嘴5.5与进气管连接，所述罐体的顶部设有剩余气体出口5.7。
所述罐体的顶部和底部均为半球形。
所述混合气体进气管5.3在罐体内的出气口朝上设置，与朝下设置的喷嘴5.5相对设置。
所述混合气体进气管5.3在罐体内的出气口上设有泡罩5.4。
如图2所示，采用所述天然气中二氧化碳雪化分离器的分离系统，该系统可以用于实验室进行模拟天然气中CO2的雪化分离，或者进行分离器的优化设计，包括CO2气瓶和甲烷气瓶，所述CO2气瓶和甲烷气瓶通过管道连接到气体混合罐4，所述气体混合罐4的出口通过管道连接到所述混合气体进气口5.1，所述混合气体出气口5.2通过管道连接到换热器7，所述换热器7与液氮瓶连接，所述换热器7通过管道连接到所述混合气体进气管5.3；
所述CO2流出口5.6通过管道连接CO2存储罐10，官道上设有第一流量计11；所述剩余气体出口5.7通过管道连接到气体冷却器14，所述气体冷却器14的出口连接闪蒸罐13后通过管道连接到与所述喷嘴5.5连接的所述进气管，进气管与罐体通过法兰12连接。
CO2气瓶和甲烷气瓶在与所述气体混合罐4连接的管道上都设有减压阀1、闸阀2及流量计3；所述换热器7与所述混合气体进气管5.3连接的管道上设有温度表8、压力表9。
所述剩余气体出口与所述气体冷却器14连接的管道上还设有背压阀15。
所述换热器7还与恒温水浴系统6连接。
采用所述的分离系统的分离方法，包括，
实验室中，压力控制在1MPa左右，混合气简化为CO2-CH4的二元体系且用气瓶供气。通过调节CO2气瓶与CH4气瓶的流量而得到不同CO2摩尔含量的混合气，依据混合气中CO2含量的不同，通过外部冷凝器使混合气温度降到至-80℃-45℃范围内后直接通入雪化分离器中。
打开甲烷气瓶，关闭CO2气瓶，待甲烷充满整个装置，此时喷嘴喷出低温(-125℃)液态甲烷雾滴；
打开CO2气瓶，调节CO2与甲烷的混合浓度得到混合气体，混合气体从所述混合气体进气口进入罐体融化塔板的下部，从混合气体出气口流出到换热器；
经过换热器的冷却后的混合气体再次由混合气体进气管进入到罐体中，此时与相对设置的喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴逆向接触，低温液态甲烷雾滴一方面与混合气体进行热交换达到CO2气体的凝华温度，另一方面也为CO2凝华提供凝结核，形成的固态CO2以雪花形式降落到所述融化塔板上，由混合气体进气口进入的混合气体在未冷凝之前其温度远高于固态CO2的熔化温度，所以融化塔板上的固态CO2融化为液态，当液位达到设定高度时由所述CO2流出口流出，存储在CO2存储罐中；
净化后的甲烷气体则从罐体顶部的剩余气体出口流出，经冷凝器进一步冷凝后，变为液态甲烷进入闪蒸罐中；
一部分液态甲烷经加压后重新由喷嘴进入罐体中进行循环进一步提高纯度；另一部分则以气态产品的形式排出。
混合气体的压力控制在1MPa，温度在-80℃至-45℃范围内；喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴的温度为-130℃至-120℃之间。
本装置与现阶段投产使用的CO2醇胺吸收塔进行能耗对比，经过能耗换算后，醇胺吸收塔每处理10000m3天然气消耗约9800MJ能量，而本装置每处理10000m3天然气只需消耗约7700MJ能量，同比能耗降低20％左右。并且相比醇胺吸收法在处理高含CO2天然气需要耗费大量的化学药剂、能耗增加、处理效果降低等缺点，本装置具有不消耗化学药剂，在处理高含CO2天然气时能耗变化不大等优点，除能够做到绿色环保无污染外还填补了我国处理高含CO2天然气没有低能耗工艺的空白。
对于一个采用此装置的年处理量为200万立方的天然气净化厂，参照GasProcessorsSuppliers Association与当前普通天然气净化厂相比，在投资建设上，主要分离设备是雪化分离器，与醇胺法工艺流程相比，大大缩短了天然气的处理流程，减少了设备投资费用和设备占地面积，投资费用可以降低60％；在运营成本上，粗略估计每年可节约能量420000MJ，减少化学药剂消耗，运营成本可以降低20％；在利润上，参照天然气利用手册[12]，每年可回收12万吨纯净的CO2，按每吨400元价格计算，相比其他处理方式每年可额外增收4000万元。
目前中国每年碳排放量约为100亿吨，其中石油、天然气开发过程中的碳排放可占据5％左右，如果该装置得到广泛应用，每年可以回收上亿吨CO2并可将其用于化工产业、食品产业及CO2-EOR提高油田采收率，出了实现对CO2的补集、利用和回收，减轻“温室效应”外，还可以产生巨大的经济效益。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.天然气中二氧化碳雪化分离器，其特征是，包括罐体，所述罐体的底部设有混合气体进气口和混合气体出气口，罐体的下部设有融化塔板将罐体分离成两部分，罐体在融化塔板的上部壁上设有混合气体进气管和CO2流出口，混合气体进气管在罐体内部的出气口与喷嘴相对设置，喷嘴与进气管连接，所述罐体的顶部设有剩余气体出口。
2.如权利要求1所述的天然气中二氧化碳雪化分离器，其特征是，所述罐体的顶部和底部均为半球形。
3.如权利要求1所述的天然气中二氧化碳雪化分离器，其特征是，所述混合气体进气管在罐体内的出气口朝上设置，与朝下设置的喷嘴相对设置。
4.如权利要求3所述的天然气中二氧化碳雪化分离器，其特征是，所述混合气体进气管在罐体内的出气口上设有泡罩。
5.采用权利要求1-4任意一项所述天然气中二氧化碳雪化分离器的分离系统，其特征是，包括CO2气瓶和甲烷气瓶，所述CO2气瓶和甲烷气瓶通过管道连接到气体混合罐，所述气体混合罐的出口通过管道连接到所述混合气体进气口，所述混合气体出气口通过管道连接到换热器，所述换热器与液氮瓶连接，所述换热器通过管道连接到所述混合气体进气管；
所述CO2流出口通过管道连接CO2存储罐；所述剩余气体出口通过管道连接到气体冷却器，所述气体冷却器的出口连接闪蒸罐后通过管道连接到与所述喷嘴连接的所述进气管。
6.如权利要求5所述的分离系统，其特征是，CO2气瓶和甲烷气瓶在与所述气体混合罐连接的管道上都设有减压阀、闸阀及流量计；所述换热器与所述混合气体进气管连接的管道上设有温度表、压力表。
7.如权利要求5所述的分离系统，其特征是，所述剩余气体出口与所述气体冷却器连接的管道上还设有背压阀。
8.如权利要求5所述的分离系统，其特征是，所述换热器还与恒温水浴系统连接。
9.采用权利要求5所述的分离系统的分离方法，其特征是，包括，
打开甲烷气瓶，关闭CO2气瓶，待甲烷充满整个装置，此时喷嘴喷出低温液态甲烷雾滴；
打开CO2气瓶，调节CO2与甲烷的混合浓度得到混合气体，混合气体从所述混合气体进气口进入罐体融化塔板的下部，从混合气体出气口流出到换热器；
经过换热器的冷却后的混合气体再次由混合气体进气管进入到罐体中，此时与相对设置的喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴逆向接触，低温液态甲烷雾滴一方面与混合气体进行热交换达到CO2气体的凝华温度，另一方面也为CO2凝华提供凝结核，形成的固态CO2以雪花形式降落到所述融化塔板上，由混合气体进气口进入的混合气体在未冷凝之前其温度远高于固态CO2的熔化温度，所以融化塔板上的固态CO2融化为液态，当液位达到设定高度时由所述CO2流出口流出，存储在CO2存储罐中；
净化后的甲烷气体则从罐体顶部的剩余气体出口流出，经冷凝器进一步冷凝后，变为液态甲烷进入闪蒸罐中；
一部分液态甲烷经加压后重新由喷嘴进入罐体中进行循环进一步提高纯度；另一部分则以气态产品的形式排出。
10.如权利要求9所述的分离方法，其特征是，混合气体的压力控制在1MPa，温度在-80℃至-45℃范围内；喷嘴喷出的低温液态甲烷雾滴的温度为-130℃至-120℃之间。
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