CN108131895A - 一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产lng或cng装置及工艺 - Google Patents

一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产lng或cng装置及工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置及工艺，所述的工艺和装置由煤矿瓦斯增压系统、加压瓦斯净化系统、低温分离系统、制冷系统以及控制阀门、管道和仪表组成。它将增压和净化后的瓦斯通过低温分离系统，最安全地提取部分甲烷生产液化天然气（LNG）或压缩天然气（CNG），馏出气即低浓度瓦斯用于发电或用于燃气发动机来驱动压缩机，本发明使含有空气的煤矿瓦斯得到安全使用，减少煤矿瓦斯事故与环境污染，并取得最大化的经济效益。

Description

一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置及 工艺
技术领域
本发明涉及化工和低温技术领域，尤其涉及一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产 LNG或CNG装置及工艺。
背景技术
煤矿瓦斯(Coal Mine Methane)是指在煤矿开采过程中为防止瓦斯爆炸和突出、保证煤矿安全生产而通过井下煤层气抽采系统和地面输送系统，开采出的甲烷浓度为30mol％～80mol％之间的煤层气，属于非常规天然气。煤矿瓦斯是甲烷与空气的混合物，其中的氧是助燃剂，因而煤矿瓦斯存在燃烧爆炸危险。
煤矿瓦斯既是非常规天然气，又是温室气体。由于我国煤矿大部分分布在边远地区，远离天然气消费市场。目前，为使瓦斯能够得到利用，普遍采用瓦斯发电，少部分在采煤过程中排入大气，造成资源浪费和污染环境。
已有技术中，专利申请号CN200610103425.0、名称“含空气煤层气液化分离工艺及设备”的专利，专利申请号CN201010282232.2、名称“利用含氧煤层气制取液化天然气的方法”的专利，专利申请号CN201010282234.1、名称“含氧煤层气制取液化天然气的装置”的专利，专利申请号CN201410434311.9、名称“一种甲烷含量15-40％的含氧煤层气提纯制备LNG的装置及工艺”的专利，均采用分子筛脱水和二氧化碳、浸硫或浸碘活性炭脱汞，然后在低温下分离而提取瓦斯中几乎全部的甲烷，来生产LNG，脱水脱二氧化碳、脱汞属于分别设置系统，预处理系统设备多、不利于操作和维护。专利申请号CN201210028524.2、名称“一种含氮氧煤矿瓦斯提纯分离液化工艺及提纯分离液化系统”的专利，采用催化脱氧系统而损失甲烷并产生二氧化碳、设置独立的溶液吸收系统脱除催化脱氧过程中产生的二氧化碳、设置独立的脱水系统、设置独立的脱汞系统、设置双塔分离系统、设置两个制冷系统，使得设备多、投资大、系统复杂、不利于操作和维护。专利申请号CN201510603093.1、名称“利用含空气瓦斯制取LNG的方法以及系统”的专利，专利申请号CN201310117436.4、名称“低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺”的专利，专利申请号CN201310228217.3、名称“提取低浓度含氧煤层气中甲烷的方法”的专利，专利申请号CN201310228309.1、名称“抑燃抑爆型低浓度煤层气深冷液化装置”的专利，专利申请号CN201310229018.4、名称“提取低浓度含氧煤层气中甲烷的装置”的专利，专利申请号CN201310400700.5、名称“含氧煤层气的脱氧、脱氮系统”的专利，专利申请号CN201510603093.1、名称“利用含空气瓦斯制取LNG的方法以及系统”的专利，专利申请号CN201610180507.9、名称“含氧煤层气液化分离系统与工艺”的专利，均设置两个制冷系统，使得设备多、投资大、系统复杂、不利于操作和维护。专利申请号CN201610288308.X、名称“一种含氧煤层气分离甲烷的装置”的专利，采用一个制冷系统，但只生产气态甲烷。且上述所有专利中，低温分离系统中的甲烷提取率都在98％以上，使得分馏塔内的有些塔板上的气相、液相处于爆炸范围内，存在重大安全隐患。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或 CNG装置及工艺。
具体的，一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，包括煤矿瓦斯增压系统、加压瓦斯净化系统、低温分离系统、制冷系统；
所述的煤矿瓦斯增压系统包括一级压缩机、二级压缩机、级间冷却器、级间分离器、末级冷却器、末级分离器、增压系统进气管和增压系统出气管，增压系统进气管的出口与一级压缩机的进口连通，一级压缩机的出口通过第一增压管和级间冷却器的进口连通，级间冷却器的出口通过第二增压管和级间分离器的进口连通，级间分离器的出口通过第三增压管与二级压缩机的进口连通，二级压缩机的出口通过第四增压管和末级冷却器的进口连通，末级冷却器的出口通过第五增压管与末级分离器的进口连通，所述末级分离器的出口与增压系统出气管的进口连通，且末级分离器的出口通过第六增压管与一级压缩机的进口连通，且第六增压管上设有第一控制阀；
所述的加压瓦斯净化系统包括第一吸附塔、第二吸附塔、第三吸附塔、再生气加热炉、经济器A、再生气冷却器、净化系统出气管，所述的第一吸附塔、第二吸附塔、第三吸附塔设有第一进出口和第二进出口，还包括第一集合管、第二集合管、第三集合管、第四集合管、第五集合管和第六集合管，第一集合管、第二集合管、第三集合管、第四集合管、第五集合管和第六集合管均设有第三进出口、第四进出口、第五进出口和第六进出口，增压系统出气管的出口经入口阀与第一集合管、第二集合管和第三集合管的第三进出口连通，第一集合管、第二集合管和第三集合管的第四进出口分别与第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的第一进出口连通，第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的第二进出口分别与第四集合管、第五集合管和第六集合管的第三进出口连通，第四集合管、第五集合管和第六集合管的第四进出口分别与净化系统出气管的进口连通，所述第一集合管、第二集合管和第三集合管的第五进出口通过第一净化管与经济器A的第一进口连通，经济器A的第一出口通过第二净化管和再生气加热炉的进口连通，再生气加热炉的出口通过第三净化管与第四集合管、第五集合管和第六集合管的第五进出口连通，所述第一集合管、第二集合管和第三集合管的第六进出口通过第四净化管与经济器A的第二进口连通，且第四净化管上设有第二控制阀，经济器A 的第二出口通过第五净化管与再生气冷却器的进口连通，通过第六净化管连通第四净化管和第五净化管，第六净化管与第四净化管的连接点位于第二控制阀远离经济器A的一侧，且第六净化管上设有第三控制阀；
所述的低温分离系统包括液化换热器、过冷器、分馏塔、再沸器，所述的液化换热器内设置有通道A、通道B、通道C、通道D、通道E、通道F、通道G和通道N，所述的过冷器内设置有通道H、通道J、通道K、通道L和通道M，分馏塔的底部设置有再沸器，所述净化系统出气管的出口与通道A的进口连通，通道A的出口通过第一分离管与通道H的进口连通，通道A开有设有第一分支管，该第一分支管与再沸器热源进口连通，用于给再沸器提供热量，且第一分支管上设置有第一温度控制阀，再沸器热源出口通过第二分离管连接在第一分离管上，所述分馏塔设置有顶部出口、上部进口和底部出口，通道H的出口通过第三分离管与分馏塔的上部入口连通，第三分离管上设有第四控制阀，分馏塔的顶部出口通过第四分离管与通道B的冷端进口连通，第四分离管上设置有塔压控制阀，分馏塔的底部出口通过第五分离管与通道 J的进口连通，通道J的出口通过第六分离管与LNG贮槽连接，第六分离管上设有液位控制阀；所述第五分离管开有第二分支管，第二分支管与通道N相连，该第二分支管上设置有液压控制阀；所述通道B的出口通过再生气管与第四集合管、第五集合管和第六集合管的第六进出口连通，所述再生气管上设置有流量控制阀和冷吹气阀，再生气管上连接有低浓度瓦斯管，所述再生气冷却器出口通过第七净化管连接在该低浓度瓦斯管上；浓度瓦斯管通过第八净化管与再生气加热炉连接；
所述的制冷系统包括制冷剂增压系统、液化换热器、过冷器和低温冷剂分离器，制冷剂增压系统通过液相冷剂管与通道E的进口连通，通道E的出口通过第一制冷管连接在通道C 上，第一制冷管上设置有第五控制阀，冷剂增压系统通过气相冷剂进管与通道D的进口连通，通道D的出口通过第二制冷管与低温冷剂分离器连接，低温冷剂分离器设有液相出口和气相出口，低温冷剂分离器的气相出口通过第三制冷管与通道G的进口连通，通道G的出口与通道L的进口连通，通道L的进口通过第四制冷管与通道K的进口连通，第四制冷管上设置有第六控制阀，通道K的进口通过第五制冷管与通道C的进口连通，通道C的出口通过气相冷剂出管与制冷剂增压系统连接，低温冷剂分离器的液相出口通过第六制冷管与通道F的进口连通，通道F的出口通过第七制冷管连接在第五制冷管上，且第七制冷管上设有第七控制阀。
所述分馏塔的底部出口通过第七分离管与冷凝器的冷源入口连通，第七分离管上设置有第二温度控制阀，冷凝器的冷源出口通过第八分离管与通道M的进口连通，通道M的出口通过第九分离管连接在第六分离管上。
所述的通道L的出口通过第八制冷管与冷凝器的冷源进口连通。
所述的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔均采用吸附剂为活性氧化铝、活性炭、 4A、13X、III型分子筛、脱汞分子筛中的至少两种。
所述的一级压缩机和二级压缩机的驱动机是电机、蒸汽轮机、燃气发动机中的任意一种，当采用燃气发动机时，低浓度瓦斯管通过第七增压管与燃气发动机连接，用于为燃气发动机提供燃料，燃气发动机上设置有烟气集气管，经济器A的第一出口通过第二净化管和经济器B的第一进口连通，经济器B的第一出口通过第三净化管与第四集合管、第五集合管和第六集合管的第五进出口连通，所述烟气集气管与经济器B的第二进口连通。
所述的液化换热器、过冷器采用板翅式换热器或绕管式换热器，再沸器采用板翅式换热器或绕管式换热器，冷凝器采用板翅式换热器或绕管式换热器，分馏塔采用规整填料塔、散装填料塔或板式塔中的任意一种。
所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当进入本发明装置的煤矿瓦斯压力低于0.4MPa时，需设置煤矿瓦斯增压系统，使煤矿瓦斯增压到0.40～1.0MPa之间，加压瓦斯经增压系统出气管进入加压瓦斯净化系统；
S2、进入加压瓦斯净化系统的加压瓦斯通入第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔中的其中一个，来脱除加压瓦斯中的二氧化碳、水、硫化物、汞、重烃和芳烃等不利于低温操作和腐蚀设备的有害杂质，净化瓦斯经净化系统出气管进入低温分离系统；
S3、净化瓦斯进入到低温分离系统中的液化换热器通道A中冷却到一定温度后中部抽出一股瓦斯经第一温度控制阀后进入再沸器中作为热源，之后出再沸器去与液化换热器通道A 中剩余的且继续冷却后的瓦斯汇合，进入过冷器的通道H中继续液化，之后出过冷器并经第四控制阀降压，作为分馏塔的进料，经过精馏后，塔底得到液体甲烷(液化天然气或 LNG)，并进入过冷器的通道J中过冷，再经分馏塔的液位控制阀降压后，液体甲烷(液化天然气或LNG)出低温分离系统，进入LNG储运系统；如果需要生产CNG，则从再沸器底部出来的液体甲烷(LNG)沿第五分离管、液位控制阀进入液化换热器的通道N中自下而上汽化，再增压成CNG；
S4、从低温分离系统出来的并经过加压瓦斯净化系统的低浓度瓦斯用于瓦斯发电厂，瓦斯发电后的烟气进行余热回收后排入大气；
还包括用于对所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺提供不同温度等级冷量的制冷工艺，所述低温分离系统出来的气相混合冷剂进入冷剂压缩机中增压，分离出气相冷剂和液相冷剂；液相冷剂进入低温分离系统中的液化换热器的通道 E中冷却到一定温度(-40～-70℃)后抽出，由第七控制阀节流降压并返回到液化换热器的通道C中；气相冷剂进入低温分离系统中的液化换热器的通道D中冷却到一定温度(-40～- 70℃)后抽出，进入低温冷剂分离器中进行气液分离，分离出的低温液体返回液化换热器的通道F中过冷到一定温度(-100～-130℃)后抽出，由第七控制阀节流降压并返回到液化换热器的通道C中；低温冷剂分离器分离出的低温气体返回液化换热器的通道G中冷却、冷凝，并在过冷器的通道L中过冷到一定温度(-150～-165℃)后抽出，由第六控制阀节流降压并返回到过冷器的通道K中复热，出过冷器后进入液化换热器的通道C中，在液化换热器的通道 C的底部和中部与上述两股降压后的液体汇合，一起为液化换热器提供冷量，之后返回制冷剂增压系统，组成闭式混合冷剂制冷循环。
所述的分馏塔塔底的液体甲烷既过冷后可以作为液化天然气(LNG)产品，也可以在液化换热器的通道N中蒸发并复热至常温后再增压作为压缩天然气(CNG)产品，还可以同时生产液化天然气(LNG)产品和压缩天然气(CNG)产品。
所述的制冷工艺采用混合冷剂制冷工艺，混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷和异戊烷中的至少四种进行混合而成。
本发明的有益效果在于：采用低温分离技术从煤矿瓦斯中提纯甲烷来制取液化天然气 (LNG)或压缩天然气(CNG)，可以有效克服长输管线耗资大、覆盖地区有限，且不具有贮存和调峰的缺点；为煤矿瓦斯的综合利用提供了新途径，对于改善能源结构、保障煤矿安全生产、减少大气污染，具有重要的社会和经济效益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例一的煤矿瓦斯增压系统结构示示意图；
图3是本发明实施例一的加压瓦斯净化系统结构示意图；
图4是本发明实施例一的低温分离系统结构示意图；
图5是本发明实施例二的低温分离系统结构示意图；
图6是本发明实施例三的低温分离系统结构示意图；
图7是本发明实施例四的加压瓦斯净化系统结构示意图；
图8是甲烷与空气混合物的爆炸上限和爆炸下限随温度压力的变化规律曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一：如图1所示，一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，包括煤矿瓦斯增压系统100、加压瓦斯净化系统200、低温分离系统300、制冷系统；
本实施例中，如图2所示，所述的煤矿瓦斯增压系统100包括一级压缩机101、二级压缩机107、级间冷却器103、级间分离器105、末级冷却器109、末级分离器111、增压系统进气管1和增压系统出气管2，增压系统进气管1的出口与一级压缩机101的进口连通，一级压缩机 101的出口通过第一增压管102和级间冷却器103的进口连通，级间冷却器103的出口通过第二增压管104和级间分离器105的进口连通，级间分离器105的出口通过第三增压管106与二级压缩机107的进口连通，二级压缩机107的出口通过第四增压管108和末级冷却器109的进口连通，末级冷却器109的出口通过第五增压管110与末级分离器111的进口连通，所述末级分离器111的出口与增压系统出气管2的进口连通，且末级分离器111的出口通过第六增压管与一级压缩机101的进口连通，且第六增压管上设有第一控制阀112；
本实施例中，如图3所示，所述的加压瓦斯净化系统200包括第一吸附塔202A、第二吸附塔202B、第三吸附塔202C、再生气加热炉216、经济器A214、再生气冷却器220、净化系统出气管3，所述的第一吸附塔202A、第二吸附塔202B、第三吸附塔202C设有第一进出口和第二进出口，还包括第一集合管201A、第二集合管201B、第三集合管201C、第四集合管203A、第五集合管203B和第六集合管203C，第一集合管201A、第二集合管201B、第三集合管201C、第四集合管203A、第五集合管203B和第六集合管203C均设有第三进出口、第四进出口、第五进出口和第六进出口，增压系统出气管2的出口经入口阀与第一集合管201A、第二集合管201B和第三集合管201C的第三进出口连通，第一集合管201A、第二集合管201B和第三集合管201C 的第四进出口分别与第一吸附塔202A、第二吸附塔202B和第三吸附塔202C的第一进出口连通，第一吸附塔202A、第二吸附塔202B和第三吸附塔202C的第二进出口分别与第四集合管 203A、第五集合管203B和第六集合管203C的第三进出口连通，第四集合管203A、第五集合管 203B和第六集合管203C的第四进出口分别与净化系统出气管3的进口连通，所述第一集合管201A、第二集合管201B和第三集合管201C的第五进出口通过第一净化管213与经济器A214的第一进口连通，经济器A214的第一出口通过第二净化管215和再生气加热炉216的进口连通，再生气加热炉216的出口通过第三净化管217与第四集合管203A、第五集合管203B和第六集合管203C的第五进出口连通，所述第一集合管201A、第二集合管201B和第三集合管201C的第六进出口通过第四净化管218与经济器A214的第二进口连通，且第四净化管218上设有第二控制阀，经济器A214的第二出口通过第五净化管219与再生气冷却器220的进口连通，通过第六净化管连通第四净化管218和第五净化管219，第六净化管与第四净化管218的连接点位于第二控制阀远离经济器A214的一侧，且第六净化管上设有第三控制阀；
本实施例中，如图4所示，所述的低温分离系统300包括液化换热器301、过冷器302、分馏塔303、再沸器304，所述的液化换热器301内设置有通道A、通道B、通道C、通道D、通道 E、通道F、通道G和通道N，所述的过冷器302内设置有通道H、通道J、通道K、通道L和通道M，分馏塔303的底部设置有再沸器304，所述净化系统出气管3的出口与通道A的进口连通，通道A的出口通过第一分离管315与通道H的进口连通，通道A开有设有第一分支管311，该第一分支管311与再沸器304热源进口连通，用于给再沸器304提供热量，且第一分支管311上设置有第一温度控制阀312，再沸器304热源出口通过第二分离管314连接在第一分离管315上，所述分馏塔303设置有顶部出口、上部进口和底部出口，通道H的出口通过第三分离管316与分馏塔303的上部入口连通，第三分离管316上设有第四控制阀317，分馏塔303的顶部出口通过第四分离管319与通道B的冷端进口连通，第四分离管319上设置有塔压控制阀，分馏塔303 的底部出口通过第五分离管322与通道J的进口连通，通道J的出口通过第六分离管325与LNG 贮槽连接，第六分离管325上设有液位控制阀；所述第五分离管322开有第二分支管，第二分支管与通道N相连，该第二分支管上设置有液压控制阀；所述通道B的出口通过再生气管15与第四集合管203A、第五集合管203B和第六集合管203C的第六进出口连通，所述再生气管15上设置有流量控制阀和冷吹气阀，再生气管15上连接有低浓度瓦斯管16，所述再生气冷却器 220出口通过第七净化管221连接在该低浓度瓦斯管16上；浓度瓦斯管16通过第八净化管222 与再生气加热炉216连接；
本实施例中，如图4所示，所述的制冷系统包括制冷剂增压系统400、液化换热器301、过冷器302和低温冷剂分离器306，制冷剂增压系统400通过液相冷剂管331与通道E的进口连通，通道E的出口通过第一制冷管332连接在通道C上，第一制冷管332上设置有第五控制阀 333，冷剂增压系统通过气相冷剂进管341与通道D的进口连通，通道D的出口通过第二制冷管 342与低温冷剂分离器306连接，低温冷剂分离器306设有液相出口和气相出口，低温冷剂分离器306的气相出口通过第三制冷管351与通道G的进口连通，通道G的出口与通道L的进口连通，通道L的进口通过第四制冷管353与通道K的进口连通，第四制冷管353上设置有第六控制阀354，通道K的进口通过第五制冷管356与通道C的进口连通，通道C的出口通过气相冷剂出管357与制冷剂增压系统400连接，低温冷剂分离器306的液相出口通过第六制冷管343与通道 F的进口连通，通道F的出口通过第七制冷管344连接在第五制冷管356上，且第七制冷管344 上设有第七控制阀345。
本实施例中，所述的第一吸附塔202A、第二吸附塔202B和第三吸附塔202C均采用吸附剂为活性氧化铝、活性炭、4A、13X、III型分子筛、脱汞分子筛中的至少两种。所述的一级压缩机101和二级压缩机10、可以是螺杆机、离心机、往复机中的任意一种，当采用螺杆机时优先采用喷水螺杆压缩机。冷剂压缩机也可以是螺杆机、离心机、往复机中的任意一种，当采用螺杆机时优先采用喷油螺杆压缩机并设置诸如过滤器、活性炭吸附器等除油设备。压缩机的驱动机可以是电机、蒸汽轮机、燃气发动机中的任意一种。液化换热器301、过冷器302 采用板翅式换热器或绕管式换热器，无论采用那种换热器，换热器均为多通道的。再沸器 304采用板翅式换热器或绕管式换热器，冷凝器305采用板翅式换热器或绕管式换热器。分馏塔303采用规整填料塔、散装填料塔或板式塔中的任意一种。
本实施例中，所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当进入本发明装置的煤矿瓦斯压力低于0.4MPa时，需设置煤矿瓦斯增压系统100，使煤矿瓦斯增压到0.40～1.0MPa之间，原料煤矿瓦斯从增压系统进气管1进入煤矿瓦斯增压系统100，在一级压缩机101中增压，从第一增压管102流出并进入级间冷却器103中被冷却到-38℃，由第二增压管104流进级间分离器105分离出冷凝液后，从第三增压管106进入瓦斯增压系统100的二级压缩机107中增压，从第四增压管108流出并进入末级冷却器109 中被冷却到～38℃，由第五增压管110流进末级分离器111分离出冷凝液后，加压瓦斯在 0.9MPa压力下从增压系统出气管2去瓦斯净化系统200；级间分离器105和末级分离器111 分离的冷凝液经控制阀121、122进入污水处理系统中；
作为本发明的具体实施方式的例题，进、出煤矿瓦斯增压系统100的煤矿瓦斯的参数见表1。
表1进、出煤矿瓦斯增压系统100的煤矿瓦斯的参数
S2、进入加压瓦斯净化系统200的加压瓦斯通入第一吸附塔202A，来脱除加压瓦斯中的二氧化碳、水、硫化物、汞、重烃和芳烃等不利于低温操作和腐蚀设备的有害杂质，净化瓦斯经净化系统出气管3进入低温分离系统300；再生气从再生气管15进入加压瓦斯净化系统 200，通过再生气流量控制阀、冷吹气阀、集合管203B进入第二吸附塔202B来冷却吸附剂和容器后，从第二集合管201B、冷吹气阀出来，并沿第一净化管213进入经济器A214，接着第二净化管215进入再生气加热炉216将再生气加热到250～290℃，然后第三净化管217、再生气阀、第六集合管203C进入第三吸附塔202C来加热吸附剂达到解吸先前吸附在吸附剂中的二氧化碳、水、硫化物、汞、重烃和芳烃等杂质；最终出第三吸附塔202C的再生气温度为 210～220℃，然后由第六集合管203C、再生气阀进入第四净化管218，再生气在加热吸附剂和容器过程的中后期，出吸附器的再生气温度较高，最高时将达到220℃，第四净化管218中气体温度较低即低于第一净化管213中气体的温度时直接去再生气冷却器220，第四净化管218中气体温度较高即高于第一净化管213中气体的时进入经济器A214与第一净化管213中气体进行热交换回收第四净化管218中气体的热量以降低能耗；出再生气冷却器220的再生气沿第七净化管221与从低温分离系统复热出来的剩余低浓度瓦斯汇合在一起，沿浓度瓦斯管16出装置，在一定的吸附周期内三个吸附塔切换操作。
作为本发明的具体实施方式的例题，进、出加压瓦斯净化系统200的煤矿瓦斯的参数见表2。
表2进、出加压瓦斯净化系统200的煤矿瓦斯的参数
S3、净化瓦斯由净化系统出气管3进入到低温分离系统300中的液化换热器301的通道A，冷却到-85～-95℃后中部抽出一股瓦斯从第一分支管311经第一温度控制阀312后进入再沸器 304中作为热源而被冷却到-108～-118℃，之后沿第二分离管314出再沸器304去与液化换热器301的通道A中的继续冷却后的瓦斯汇合，汇合后从第一分离管315进入过冷器302的通道H 中继续冷凝-145～-150℃，之后从第三分离管316经第四控制阀317降压到0.6MPa进入分馏塔 303顶部，经过精馏后塔顶馏出气(即低浓度瓦斯)的甲烷含量在22～30mol％之间，远离甲烷与空气混合物的爆炸上限，使精馏过程安全运行；塔顶馏出气沿第四分离管319经塔压控制阀降到0.26MPa进入液化换热器301的通道B的冷端，自下而上复热并沿再生气管15出低温分离系统300；从再沸器304底部出来的液体甲烷(LNG)沿第五分离管322进入过冷器302的通道J中过冷到-160℃，沿第六分离管325和液位控制阀降压后，出低温分离系统300进入LNG储运系统。如果需要生产CNG，则从再沸器304底部出来的液体甲烷(LNG)沿第五分离管322、液位控制阀进入液化换热器301的通道N中自下而上汽化，再增压成CNG。如果同时生产LNG和 CNG，则从再沸器304底部出来的液体甲烷(LNG)沿五分离管322后分成两股，一股进入过冷器302的通道J中过冷，经第六分离管325和液位控制阀降压，进入LNG储运系统；另一股经液位控制阀进入液化换热器301的通道N中自下而上汽化，再增压成CNG。
作为本发明的具体实施方式的例题，进、出低温分离系统300的煤矿瓦斯的参数见表3。
表3进、出低温分离系统300的煤矿瓦斯的参数
S4、从低温分离系统300出来的并经过加压瓦斯净化系统200的低浓度瓦斯用于瓦斯发电厂500，瓦斯发电后的烟气进行余热回收600后排入大气；
还包括用于对所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺提供不同温度等级冷量的制冷工艺，所述低温分离系统300出来的气相混合冷剂进入冷剂压缩机中增压，分离出气相冷剂和液相冷剂；液相冷剂进入低温分离系统300中的液化换热器301的通道E中冷却到一定温度-40～-70℃后抽出，由第七控制阀345节流降压并返回到液化换热器301的通道C中；气相冷剂进入低温分离系统300中的液化换热器301的通道D中冷却到一定温度-40～-70℃后抽出，进入低温冷剂分离器306中进行气液分离，分离出的低温液体返回液化换热器301的通道F中过冷到一定温度-100～-130℃后抽出，由第七控制阀345节流降压并返回到液化换热器301的通道C中；低温冷剂分离器306分离出的低温气体返回液化换热器301的通道G中冷却、冷凝，并在过冷器302的通道L中过冷到一定温度-150～-165℃后抽出，由第六控制阀354节流降压并返回到过冷器302的通道K中复热，出过冷器302后进入液化换热器301的通道C中，在液化换热器301的通道C的底部和中部与上述两股降压后的液体汇合，一起为液化换热器301提供冷量，之后返回制冷剂增压系统400，组成闭式混合冷剂制冷循环。
本实施例中，述的制冷工艺采用混合冷剂制冷工艺，混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷和异戊烷中的至少四种进行混合而成。分馏塔303的塔压在0.3～1.0MPa之间，根据原料瓦斯的甲烷含量和分馏塔303的塔压不同，分馏塔303塔顶馏出气(即低浓度瓦斯)的甲烷含量在22～30mol％之间，远离甲烷与空气混合物的爆炸上限，使精馏过程安全运行。
实施例二，如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于：所述分馏塔303的顶部设置有冷凝器305，所述分馏塔303的底部出口通过第七分离管361与冷凝器305的冷源入口连通，第七分离管361上设置有第二温度控制阀362，冷凝器305的冷源出口通过第八分离管364与通道 M的进口连通，通道M的出口通过第九分离管364连接在第六分离管325上。当分馏塔303的操作压力为0.6～1.0MPa，通过分馏塔底的液态甲烷为冷凝器305提供冷源。
实施例三，如图6所示，本实施例与实施例二的区别在于：所述的通道L的出口通过第八制冷管353与冷凝器305的冷源进口连通，当分馏塔的操作压力为0.3～0.6MPa，通过过冷器 302的通道L中部分过冷的制冷剂为冷凝器305提供冷源。
实施例四，如图1、7所示，本实施例与实施例一的区别在于：当所述的一级压缩机101 和二级压缩机107的驱动机采用燃气发动机时，经济器B211替换再生气加热炉216，低浓度瓦斯管16通过第七增压管142与燃气发动机连接，用于为燃气发动机提供燃料，燃气发动机上设置有烟气集气管143，经济器A214的第一出口通过第二净化管215和经济器B211的第一进口连通，经济器B211的第一出口通过第三净化管217与第四集合管203A、第五集合管203B和第六集合管203C的第五进出口连通，所述烟气集气管143与经济器B211的第二进口连通。
本发明中的加压瓦斯净化系统200也采用两个吸附塔时，一个吸附塔处于吸附状态、另一个吸附塔处于再生状态(加热和冷却吸附剂)，在一定的吸附周期内切换操作。进入本装置的原料气不仅仅局限于煤矿瓦斯，原料气可以是任何含有空气或氧气的富含甲烷的各种烃类气体。
作为本发明最主要的安全性能说明如下：
根据《安全与环境学报》第14卷第4期(2014年8月)的论文“温度压力耦合对甲烷爆炸极限影响的试验研究”，文章中的图2和图3(如图8所示)分别表示了甲烷与空气混合物的爆炸上限和爆炸下限随温度压力的变化规律。
瓦斯增压系统100中，根据总压比的情况采用一级或多级增压，控制每级增压后的最高温度不超过110℃，在本发明的最高压力0.9MPa时，甲烷爆炸上限在23.5％mol以下，在采用喷水螺杆压缩机时其温度会更低，甲烷爆炸上限也比23.5％mol更低。作为本发明的工艺和装置，其原料煤矿瓦斯中甲烷含量在35～80％mol之间，可以看出瓦斯增压系统100中是非常安全的。
加压瓦斯净化系统200中，吸附过程是在低于50℃进行的，最高压力0.9MPa时，甲烷爆炸上限在22％mol以下，可以看出加压瓦斯净化系统200的吸附过程是非常安全的。再生过程中，再生气的最高温度为290℃，但其压力仅为0.2MPa，甲烷爆炸上限也在20％mol以下，而再生气中甲烷浓度为22～30％mol，其再生过程也是非常安全的。
低温分离系统300中，部分液化的净化瓦斯同样在第一块塔板上进入分馏塔303，分馏塔 303的操作压力同样是0.6MPa，通过精馏计算，部分提取甲烷的分馏塔303各塔板上的气相组成见表4、部分提取甲烷的分馏塔303各塔板上的液相组成见表5。
表4部分提取甲烷的分馏塔303各塔板上的气相组成(mol％)
塔板编号 氧 氮 氩 二氧化碳 甲烷
1 14.5312 54.8742 0.6461 0.0001 29.9484
2 23.3347 29.6550 0.8069 0.0001 46.2033
3 27.2887 12.3120 0.7439 0.0002 59.6552
4 26.4169 4.4093 0.5748 0.0002 68.5989
5 23.1423 1.4677 0.4055 0.0003 74.9842
6 19.0303 0.4687 0.2707 0.0003 80.2210
7 14.8423 0.1454 0.1728 0.0003 84.8392
8 10.9628 0.0440 0.1054 0.0004 88.8875
9 7.5855 0.0129 0.0608 0.0004 92.3404
10 4.7815 0.0036 0.0322 0.0004 95.1822
再沸器 2.5391 0.0009 0.0144 0.0007 97.4449
表5部分提取甲烷的分馏塔303各塔板上的液相组成(mol％)
从表4、5中可以看出，部分提取甲烷的分馏塔303各塔板上的气相、液相组成均在爆炸范围之外，装置运行时有安全保障。

Claims (9)

1.一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，包括煤矿瓦斯增压系统（100）、加压瓦斯净化系统（200）、低温分离系统（300）、制冷系统；
所述的煤矿瓦斯增压系统（100）包括一级压缩机（101）、二级压缩机（107）、级间冷却器（103）、级间分离器（105）、末级冷却器（109）、末级分离器（111）、增压系统进气管（1）和增压系统出气管（2），增压系统进气管（1）的出口与一级压缩机（101）的进口连通，一级压缩机（101）的出口通过第一增压管（102）和级间冷却器（103）的进口连通，级间冷却器（103）的出口通过第二增压管（104）和级间分离器（105）的进口连通，级间分离器（105）的出口通过第三增压管（106）与二级压缩机（107）的进口连通，二级压缩机（107）的出口通过第四增压管（108）和末级冷却器（109）的进口连通，末级冷却器（109）的出口通过第五增压管（110）与末级分离器（111）的进口连通，所述末级分离器（111）的出口与增压系统出气管（2）的进口连通，且末级分离器（111）的出口通过第六增压管与一级压缩机（101）的进口连通，且第六增压管上设有第一控制阀（112）；
所述的加压瓦斯净化系统（200）包括第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）、第三吸附塔（202C）、再生气加热炉（216）、经济器A（214）、再生气冷却器（220）、净化系统出气管（3），所述的第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）、第三吸附塔（202C）设有第一进出口和第二进出口，还包括第一集合管（201A）、第二集合管（201B）、第三集合管（201C）、第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C），第一集合管（201A）、第二集合管（201B）、第三集合管（201C）、第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）均设有第三进出口、第四进出口、第五进出口和第六进出口，增压系统出气管（2）的出口经入口阀与第一集合管（201A）、第二集合管（201B）和第三集合管（201C）的第三进出口连通，第一集合管（201A）、第二集合管（201B）和第三集合管（201C）的第四进出口分别与第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）和第三吸附塔（202C）的第一进出口连通，第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）和第三吸附塔（202C）的第二进出口分别与第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）的第三进出口连通，第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）的第四进出口分别与净化系统出气管（3）的进口连通，所述第一集合管（201A）、第二集合管（201B）和第三集合管（201C）的第五进出口通过第一净化管（213）与经济器A（214）的第一进口连通，经济器A（214）的第一出口通过第二净化管（215）和再生气加热炉（216）的进口连通，再生气加热炉（216）的出口通过第三净化管（217）与第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）的第五进出口连通，所述第一集合管（201A）、第二集合管（201B）和第三集合管（201C）的第六进出口通过第四净化管（218）与经济器A（214）的第二进口连通，且第四净化管（218）上设有第二控制阀，经济器A（214）的第二出口通过第五净化管（219）与再生气冷却器（220）的进口连通，通过第六净化管连通第四净化管（218）和第五净化管（219），第六净化管与第四净化管（218）的连接点位于第二控制阀远离经济器A（214）的一侧，且第六净化管上设有第三控制阀；
所述的低温分离系统（300）包括液化换热器（301）、过冷器（302）、分馏塔（303）、再沸器（304），所述的液化换热器（301）内设置有通道A、通道B、通道C、通道D、通道E、通道F、通道G和通道N，所述的过冷器（302）内设置有通道H、通道J、通道K、通道L和通道M，分馏塔（303）的底部设置有再沸器（304），所述净化系统出气管（3）的出口与通道A的进口连通，通道A的出口通过第一分离管（315）与通道H的进口连通，通道A开有设有第一分支管（311），该第一分支管（311）与再沸器（304）热源进口连通，用于给再沸器（304）提供热量，且第一分支管（311）上设置有第一温度控制阀（312），再沸器（304）热源出口通过第二分离管（314）连接在第一分离管（315）上，所述分馏塔（303）设置有顶部出口、上部进口和底部出口，通道H的出口通过第三分离管（316）与分馏塔（303）的上部入口连通，第三分离管（316）上设有第四控制阀（317），分馏塔（303）的顶部出口通过第四分离管（319）与通道B的冷端进口连通，第四分离管（319）上设置有塔压控制阀，分馏塔（303）的底部出口通过第五分离管（322）与通道J的进口连通，通道J的出口通过第六分离管（325）与LNG贮槽连接，第六分离管（325）上设有液位控制阀；所述第五分离管（322）开有第二分支管，第二分支管与通道N相连，该第二分支管上设置有液压控制阀；所述通道B的出口通过再生气管（15）与第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）的第六进出口连通，所述再生气管（15）上设置有流量控制阀和冷吹气阀，再生气管（15）上连接有低浓度瓦斯管（16），所述再生气冷却器（220）出口通过第七净化管（221）连接在该低浓度瓦斯管（16）上；低浓度瓦斯管（16）通过第八净化管（222）与再生气加热炉（216）连接；
所述的制冷系统包括制冷剂增压系统（400）、液化换热器（301）、过冷器（302）和低温冷剂分离器（306），制冷剂增压系统（400）通过液相冷剂管（331）与通道E的进口连通，通道E的出口通过第一制冷管（332）连接在通道C上，第一制冷管（332）上设置有第五控制阀（333），冷剂增压系统通过气相冷剂进管（341）与通道D的进口连通，通道D的出口通过第二制冷管（342）与低温冷剂分离器（306）连接，低温冷剂分离器（306）设有液相出口和气相出口，低温冷剂分离器（306）的气相出口通过第三制冷管（351）与通道G的进口连通，通道G的出口与通道L的进口连通，通道L的进口通过第四制冷管（353）与通道K的进口连通，第四制冷管（353）上设置有第六控制阀（354），通道K的进口通过第五制冷管（356）与通道C的进口连通，通道C的出口通过气相冷剂出管（357）与制冷剂增压系统（400）连接，低温冷剂分离器（306）的液相出口通过第六制冷管（343）与通道F的进口连通，通道F的出口通过第七制冷管（344）连接在第五制冷管（356）上，且第七制冷管（344）上设有第七控制阀（345）。
2.根据权利要求1所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，所述分馏塔（303）的顶部设置有冷凝器（305），所述分馏塔（303）的底部出口通过第七分离管（361）与冷凝器（305）的冷源入口连通，第七分离管（361）上设置有第二温度控制阀（362），冷凝器（305）的冷源出口通过第八分离管（364）与通道M的进口连通，通道M的出口通过第九分离管（364）连接在第六分离管（325）上。
3.根据权利要求1所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，所述的通道L的出口通过第八制冷管（353）与冷凝器（305）的冷源进口连通。
4.根据权利要求1所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，所述的第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）和第三吸附塔（202C）均采用吸附剂为活性氧化铝、活性炭、4A、 13X、III型分子筛、脱汞分子筛中的至少两种。
5.根据权利要求1所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，所述的一级压缩机（101）和二级压缩机（107）的驱动机是电机、蒸汽轮机、燃气发动机中的任意一种，当采用燃气发动机时，低浓度瓦斯管（16）通过第七增压管（142）与燃气发动机连接，用于为燃气发动机提供燃料，燃气发动机上设置有烟气集气管（143），经济器A（214）的第一出口通过第二净化管（215）和经济器B（211）的第一进口连通，经济器B（211）的第一出口通过第三净化管（217）与第四集合管（203A）、第五集合管（203B）和第六集合管（203C）的第五进出口连通，所述烟气集气管（143）与经济器B（211）的第二进口连通。
6.根据权利要求1所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置，其特征在于，所述的液化换热器（301）、过冷器（302）采用板翅式换热器或绕管式换热器，再沸器（304）采用板翅式换热器或绕管式换热器，冷凝器（305）采用板翅式换热器或绕管式换热器，分馏塔（303）采用规整填料塔、散装填料塔或板式塔中的任意一种。
7.根据权利要求1~6所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当进入本发明装置的煤矿瓦斯压力低于0.4MPa时，需设置煤矿瓦斯增压系统（100），使煤矿瓦斯增压到0.40~1.0MPa之间，加压瓦斯经增压系统出气管（2）进入加压瓦斯净化系统（200）；
S2、进入加压瓦斯净化系统（200）的加压瓦斯通入第一吸附塔（202A）、第二吸附塔（202B）和第三吸附塔（202C）中的其中一个，来脱除加压瓦斯中的二氧化碳、水、硫化物、汞、重烃和芳烃等不利于低温操作和腐蚀设备的有害杂质，净化瓦斯经净化系统出气管（3）进入低温分离系统（300）；
S3、净化瓦斯进入到低温分离系统（300）中的液化换热器（301）通道A中冷却到一定温度后中部抽出一股瓦斯经第一温度控制阀（312）后进入再沸器（304）中作为热源，之后出再沸器（304）去与液化换热器（301）通道A中剩余的且继续冷却后的瓦斯汇合，进入过冷器（302）的通道H中继续液化，之后出过冷器（302）并经第四控制阀（317）降压，作为分馏塔（303）的进料，经过精馏后，塔底得到液体甲烷（液化天然气或LNG），并进入过冷器（302）的通道J中过冷，再经分馏塔（303）的液位控制阀降压后，液体甲烷（液化天然气或LNG）出低温分离系统（300），进入LNG储运系统；如果需要生产CNG，则从再沸器（304）底部出来的液体甲烷（LNG）沿第五分离管（322）、液位控制阀进入液化换热器301的通道N中自下而上汽化，再增压成CNG；
S4、从低温分离系统（300）出来的并经过加压瓦斯净化系统（200）的低浓度瓦斯用于瓦斯发电厂（500），瓦斯发电后的烟气进行余热回收（600）后排入大气；
还包括用于对所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺提供不同温度等级冷量的制冷工艺，所述低温分离系统（300）出来的气相混合冷剂进入冷剂压缩机中增压，分离出气相冷剂和液相冷剂；液相冷剂进入低温分离系统（300）中的液化换热器（301）的通道E中冷却到一定温度（-40 ~ -70℃）后抽出，由第七控制阀（345）节流降压并返回到液化换热器（301）的通道C中；气相冷剂进入低温分离系统（300）中的液化换热器（301）的通道D中冷却到一定温度（-40 ~ -70℃）后抽出，进入低温冷剂分离器（306）中进行气液分离，分离出的低温液体返回液化换热器（301）的通道F中过冷到一定温度（-100 ~ -130℃）后抽出，由第七控制阀（345）节流降压并返回到液化换热器（301）的通道C中；低温冷剂分离器（306）分离出的低温气体返回液化换热器（301）的通道G中冷却、冷凝，并在过冷器（302）的通道L中过冷到一定温度（-150 ~ -165℃）后抽出，由第六控制阀（354）节流降压并返回到过冷器（302）的通道K中复热，出过冷器（302）后进入液化换热器（301）的通道C中，在液化换热器（301）的通道C的底部和中部与上述两股降压后的液体汇合，一起为液化换热器（301）提供冷量，之后返回制冷剂增压系统（400），组成闭式混合冷剂制冷循环。
8.根据权利要求7所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺，其特征在于，所述的分馏塔（303）塔底的液体甲烷既过冷后可以作为液化天然气（LNG）产品，也可以在液化换热器（301）的通道N中蒸发并复热至常温后再增压作为压缩天然气（CNG）产品，还可以同时生产液化天然气（LNG）产品和压缩天然气（CNG）产品。
9.根据权利要求7所述的一种安全的从煤矿瓦斯中提取部分甲烷生产LNG或CNG装置的生产工艺，其特征在于，所述的制冷工艺采用混合冷剂制冷工艺，混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷和异戊烷中的至少四种进行混合而成。
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