CN108626969A - 采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明采用液氮作为整体项目的冷源，采用低温冷冻法通过切换换热器清除原料气的水分，二氧化碳，硫化氢等杂质，冷却原料气体到液化温度，液化瓦斯气或煤层气的甲烷和高碳分子来生产液化天然气。在每个井口直接安装一套此设备，不用铺设管道。即可连续生产液化天然气。采用本技术，2千克的液氮可生产1千克的液化天然气，按液氮价格1元/千克，液化天然气价格在3。5元/千克，每生产1千克液化天然气，毛利润在1。5元，工艺流程简单，动设备少，阀门少，投资省，运行成本低，操作温度在零度以下，安全性高，彻底避免了瓦斯气爆炸的可能性，可靠性高，在同样规模的瓦斯气或煤层气回收，投资可减低50%，人工可减少50%，总成本可降低30%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程和装置。
背景技术
据统计我国残煤赋存煤层气资源总量在1132.7-2187.2亿立方米之间，根据国家的规划生产进一步向大基地、大集团集中。到2015年底全国关闭2000处以上小煤矿，逐步淘汰9万吨/年及以下煤矿，加快关闭9万吨/年及以下煤与瓦斯突出等灾害严重的煤矿，坚决关闭发生较大及以上责任事故的9万吨/年及以下的煤矿。但是在这些关闭的报废煤矿中，富集着大量具有开发利用价值的瓦斯气体。目前的瓦斯气体有效利用量低于10%，除了少部分用于燃烧发电，大部分直接放空，直接排放的煤矿瓦斯不仅严重污染当地大气，还造成巨大的能源浪费。
目前瓦斯气体的利用是采用的变压吸附净化和常规压缩机，膨胀机制冷生产冷量来产生液化天然气流程，动设备多，能耗大，设备复杂，投资大，故只有大规模的回收。然而煤层中瓦斯气由每个煤矿坑道产生，每口井的瓦斯量流量小间隔远，需要巨大的管道投资；大部分瓦斯气中氧气含量高，有大量的切换阀门和动设备，存在非常高的安全隐患；在连续生产时故障率高，维修费用大等问题；以上导致瓦斯气和煤层气回收都是严重亏损。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种动设备少，能经济可靠回收小流量不用铺设管道，避免瓦斯爆炸的安全性高的回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程和装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将矿井瓦斯原料气体预处理收集后，通过第一气体通道输送至净化冷箱中，回流气体通过第二气体通道进入净化冷箱；
S2：原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却，原料气体中的杂质冻结在切换换热器的第一气体通道，原料气体被净化；
S3：当切换换热器内的压差超过设定压差值△P时，切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换，净化后的原料气体通过第二气体通道输送到液化冷箱，回流气体通过第一气体通道进入净化冷箱，随着回流气体的升温加热，冻结的杂质蒸发到回流气体中，回流气体复热到常温从切换换热器中排出；
S4：净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却，然后输送至冷凝器，复热后的回流气体从主换热器中排出；
S5：冷凝器通过液氮喷射将净化后的原料气体中的甲烷和高碳分子冷凝成液化天然气并且聚集在冷凝器底部，液氮蒸发成氮气与净化后的原料气体中的氮气、氧气混合形成回流气体从冷凝器中排出；
S6：聚集在冷凝器底部的液化天然气流入液化天然气产品储槽中。
进一步的，所述的净化液化流程，还包括S7：上述净化液化流程中的排出的回流气体最后均进入脱硫装置去除硫和硫化氢后排向大气。
进一步的，所述的S3中切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换循环进行。
进一步的，所述的S1中预处理是将原料气体送入常压缓冲罐内，在经过洛茨鼓风机加压至100KPa。
进一步的，所述的S2中原料气体在切换换热器内通过回流气冷却到-80℃。
进一步的，所述的切换换热器内进入的回流气体的初始温度为T1,-60≤T1≤-85℃。
进一步的，所述的主换热器内进入的回流气体的初始温度为T2，-160℃≤T2≤-175℃。
进一步的，所述的S5中液氮喷射采用管道喷淋的方式与原料气体接触。
进一步的，所述的冷凝器的温度控制在-170℃至-175℃之间。
进一步的，所述的S2中原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却到-80℃。
进一步的，所述的S4中净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却到-150℃。
采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，包括常压缓冲罐、洛茨鼓风机、净化冷箱、液化冷箱、脱硫装置和液化天然气产品储槽，所述的净化冷箱包括切换换热器和容纳切换换热器的保温腔，所述的液化冷箱包括冷凝器、主换热器和容纳冷凝器和主换热器的保温腔。
进一步的，所述的切换换热器包括第一气体通道、第二气体通道和切换系统，所述的切换系统包括切换管路和多个开关切换管路的阀，所述的切换管路与第一气体通道、第二气体通道连通，阀控制第一气体通道与第二气体通道的切换。
进一步的，所述的液化冷箱内冷凝器在主换热器的上方，所述的主换热器设有清洁气体通道和回流气体通道，所述的冷凝器的底部设有液化天然气排气管，顶部设有进气口，侧面设有出气口，所述的出气口与清洁气体通道连通，所述的进气口与回流气体通道连通，所述的冷凝器内插入一液氮喷射管，所述的喷射管上设有多个用于喷射液氮的喷射口。
采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，包括一箱体，所述的箱体内设有脱硫装置、切换换热器、主换热器、冷凝器、液氮储槽和液化天然气储槽，所述的切换换热器在主换热器的上方，所述的冷凝器在液化天然气储槽的上方，脱硫装置和液氮储槽设在箱体内的两侧。
进一步的，所述的切换换热器和主换热器均包括三个气体通道，分别为清洁气体通道、不凝性气体通道和回流气体通道。
进一步的，所述的脱硫装置包括一塔体、带有连接法兰和止逆阀的进气管道、小型鼓风机和风道止逆阀，所述的塔体装有活性炭。
本发明采用液氮作为整体项目的冷源，采用低温冷冻法通过切换换热器清除原料气的水分，二氧化碳，硫化氢等杂质，冷却原料气体到液化温度，液化瓦斯气或煤层气的甲烷和高碳分子来生产液化天然气。在每个井口直接安装一套此设备，不用铺设管道。即可连续生产液化天然气。采用本发明的技术，2千克的液氮可生产1千克的液化天然气，按液氮价格1元/千克，液化天然气价格在3。5元/千克，每生产1千克液化天然气，毛利润在1。5元，工艺流程简单，动设备少，阀门少，投资省，运行成本低，操作温度在零度以下，安全性高，彻底避免了瓦斯气爆炸的可能性，可靠性高，在同样规模的瓦斯气或煤层气回收，投资可减低50%，人工可减少50%，总成本可降低30%以上。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一结构示意图；
图2是图1实施例中液化冷箱结构示意图；
图3是本发明实施例二结构示意图；
图4是本发明中液化装置和净化装置结构示意图；
图5是本发明中脱硫装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，包括以下步骤：
包括以下步骤：
S1：将矿井瓦斯原料气体预处理收集后，通过第一气体通道输送至净化冷箱中，回流气体通过第二气体通道进入净化冷箱；
S2：原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却，原料气体中的杂质冻结在切换换热器的第一气体通道，原料气体被净化；
S3：当切换换热器内的压差超过设定压差值△P时，切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换，净化后的原料气体通过第二气体通道输送到液化冷箱，回流气体通过第一气体通道进入净化冷箱，随着回流气体的升温加热，冻结的杂质蒸发到回流气体中，回流气体复热到常温从切换换热器中排出；
S4：净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却，然后输送至冷凝器，复热后的回流气体从主换热器中排出；
S5：冷凝器通过液氮喷射将净化后的原料气体中的甲烷和高碳分子冷凝成液化天然气并且聚集在冷凝器底部，液氮蒸发成氮气与净化后的原料气体中的氮气、氧气混合形成回流气体从冷凝器中排出；
S6：聚集在冷凝器底部的液化天然气流入液化天然气产品储槽中。
上述流程中，所述的净化液化流程，还包括S7：上述净化液化流程中的排出的回流气体最后均进入脱硫装置去除硫和硫化氢后排向大气。
上述流程中，所述的S3中切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换循环进行。
上述流程中，所述的S1中预处理是将原料气体送入常压缓冲罐内，在经过洛茨鼓风机加压至100KPa。
上述流程中，所述的S2中原料气体在切换换热器内通过回流气冷却到-80℃。
上述流程中，所述的切换换热器内进入的回流气体的初始温度为T1,-60≤T1≤-85℃。
上述流程中，所述的主换热器内进入的回流气体的初始温度为T2，-160℃≤T2≤-175℃。
上述流程中，所述的S5中液氮喷射采用管道喷淋的方式与原料气体接触。
上述流程中，所述的冷凝器的温度控制在-170℃至-175℃之间。
上述流程中，所述的S2中原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却到-80℃。
上述流程中，所述的S4中净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却到-150℃。
中小型矿坑的瓦斯气流量从200-3000m3/小时，出来时压力只有1KPa，湿度50%，其中含有氮气58-34%，氧气5-16%，甲烷25-40%。由于氧气含量高，回收时如何保证避免爆炸的要去很高，是目前处理时的大难点。
根据图1、图2所示的实施例一，属于中小型瓦斯气回收的装置，净化液化装置，包括常压缓冲罐、洛茨鼓风机、净化冷箱、液化冷箱、脱硫装置和液化天然气产品储槽，所述的净化冷箱包括切换换热器和容纳切换换热器的保温腔，所述的液化冷箱包括冷凝器、主换热器和容纳冷凝器和主换热器的保温腔。所述的切换换热器包括第一气体通道、第二气体通道和切换系统，所述的切换系统包括切换管路和多个开关切换管路的阀，所述的切换管路与第一气体通道、第二气体通道连通，阀控制第一气体通道与第二气体通道的切换。所述的液化冷箱内冷凝器在主换热器的上方，所述的主换热器设有清洁气体通道和回流气体通道，所述的冷凝器的底部设有液化天然气排气管，顶部设有进气口，侧面设有出气口，所述的出气口与清洁气体通道连通，所述的进气口与回流气体通道连通，所述的冷凝器内插入一液氮喷射管，所述的喷射管上设有多个用于喷射液氮的喷射口。
瓦斯原料气体进入常压缓冲罐中，原料气体经过洛茨鼓风机升压到100KPa左右，直接进入净化冷箱。净化冷箱采用珠光沙或多层泡沫形成的保温腔，里面有切换换热器，切换换热器有8个切换阀门，2个原料气进气蝶阀Y1、Y2，2个原料气排气阀门Y3、Y4，Y3/Y4可以是蝶阀，也可以采用止逆阀。2个切换回流气进气管H1、H2，可以是蝶阀或采用止逆阀，2个切换回流气排气管H3、H4，采用蝶阀。切换回流气控制阀门H5用来调节操作压力。
开始时Y1和Y3打开,Y2和Y4关闭,原料气体通过第一气体通道进入切换换热器;H1和H3打开,H2和H4关闭,回流气体通过第二气体通道进入切换换热器；原料气体在切换换热器中被回流气体(温度-85℃)逐步冷却到-80℃，气体中的二氧化碳、水分，硫化氢等杂质全部冻结在第一气体通道的内壁上，原料气成为净化气体。切换换热器的第一通道被冻结杂质堵塞，压差△P逐渐增大，当△P达到10KPa时，关闭H1、H3,打开Y2、Y4原料气进到第二气体通道并且冷却冻结杂质,然后关闭Y1、Y3,打开H2、H4切换回流气体从含有杂质的第一气体通道经过，回流气体的各杂质组分含量为零，第一气体通道通道中的杂质随着气体的加温蒸发到切换回流气体中，切换回流气体被复热到常温往外排出放空。当第二通道饱和后，第一通道和第二通道之间按此进行切换操作，不断循环，连续生产。
然后净化气体(温度-80℃，压力80KPa)再进入液化冷箱，液化冷箱包括有主换热器和冷凝器，主换热在下部，冷凝器在上部，采用珠光沙或多层泡沫保温的保温腔包裹。净化气体在主换热器中被主回流气体(温度-175℃，压力60KPa)冷却到-150℃，压力降到70KPa，主回流气体被加热到-85℃。冷凝器采用液氮喷射法，净化气体从清洁气体通道进入，内部有上下规整填料，在中间有液氮喷射管，喷射管上布满喷射口，液氮从喷射口喷射出来，淋在填料上直接与净化气体接触，原料中的甲烷和高碳分子等组分冷凝成液化天然气(LNG)流到冷凝器底部聚集，液氮蒸发成氮气，与原料气体中的氮气和氧气混合成回流气体，从顶部的回流气体通道流出。冷凝器的温度操作在-170℃到-175℃之间，压力操作在50-70KPA，避免氧气组分被液化。冷凝器底部液化天然气(LNG)从液化天然气排气管中流入LNG产品储槽。
图3至图4所示是实施例二，适用于可移动式小型煤层气，煤层气的瓦斯气流量50-150nm3/h，压力大于50KPA。煤层气的平均成分为：甲烷93%、二氧化碳3%、水气3%、氮气,1%,硫化氢,1%。该净化液化装置，包括一箱体，所述的箱体内设有脱硫装置、切换换热器、主换热器、冷凝器、液氮储槽和液化天然气储槽，所述的切换换热器在主换热器的上方，所述的冷凝器在液化天然气储槽的上方，脱硫装置和液氮储槽设在箱体内的两侧。所述的切换换热器和主换热器均包括三个气体通道，分别为清洁气体通道、不凝性气体通道和回流气体通道。
该设备可连续生产液化天然气.箱体有2个支撑,重约1500公斤,在一个矿井没有煤层气时,可用拖车移动到新的矿井.液化天然气产品半挂车在装满后可用拖车拉到客户进行销售,在矿井现场连接上新空半挂车,生产可连续进行。
原料气体直接进入切换换热器中被切换回流气体(温度-85℃)逐步冷却到-80℃,原料气体中的二氧化碳,水分,硫化氢等杂质全部冻结在换热器壁上,原料气成为净化气体。切换换热器的进气气体通道被冻结杂质堵塞,压差逐渐增大,当压差达到10KPA时,切换阀门动作,原料气进到排气气体通道并且冷却冻结杂质,切换回流气从含有杂质的通道经过,切换回流气的各杂质组分含量为零,排气气体通道中的杂质，即二氧化碳,水分,硫化氢等随着气体的加温蒸发到切换回流气中,切换回流气被复热到常温往外进入脱硫装置进行处理。净化气体(温度-80℃,压力50KPA)在主换热器中被主回流气体(温度-175℃,压力60KPA)和不凝性气体冷却到-150℃,压力降到40KPA,主回流气体和不凝性气体被加热到-85℃。然后净化气体再进入冷凝器中，净化气体从冷凝器的下部进入，上升时被冷凝器的液氮冷却,气体中的甲烷和高碳分子等组分冷凝成液化天然气(LNG)储存在液化天然气储液槽,气体中的氧气和氮气等不凝性气体从容器顶部流出。在冷凝器中液氮蒸发成氮气回流气流出。冷凝器的温度操作在-170到-175度之间,通过液氮输入阀控制冷凝器温度,避免氧气组分被液化。
液化天然气储液器可储存12小时至1天的液体产品,当液位满时,冷凝器停止工作,其他气体阀门关闭,空气气化器的排气阀打开,液体通过进液管进到空气气化器气化升压,当升到1BAR时,排气阀关闭,气体在气化器积聚阻止液体进入气化器。液化天然气产品输出阀门打开,液化天然气输出到液化天然气储槽,到液化天然气储液器液位空时液化天然气产品输出阀关上,输出管的残留液体逐步气化,在管道弯管上部聚集阻止液体进入.装置重新工作,回收液化天然气。通常装置每天输出产品液体1-3次,减少蒸发损失。
如图5所示，脱硫装置采用干式活性炭脱硫,脱硫化氢活性炭是一种高比表面积的微孔活性炭，具有发达的孔隙结构，无浸渍意味着在对H2S的催化、氧化过程中,活性炭的所有孔径和表面积可供储存大量的硫元素。脱硫装置有脱硫塔,带有连接法兰和止逆阀的进气管道,小型鼓风机,和风道止逆阀。所有这些设备固定在一个底座上,底座长1.2米,宽0.8米。回流气从脱硫塔底部进入,在同一边有鼓风机输入空气,空气与回流气充分混合,气体中含有2-3%的氧气,充分提高活性炭吸附小幅,气体上升经过活性炭吸附后含硫量达到国家标准,从塔顶侧面放空。脱硫塔直径0.8米,高度2.5米,装有连续吸附7天左右的活性炭,当活性炭饱和时,将底座拆下,脱硫装置整体送到再生中心进行再生,下次使用,止逆阀的作用是防止含硫气体倒流出来。在现场装置,则快速装好一个已再生好的脱硫装置,生产继续进行。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将矿井瓦斯原料气体预处理收集后，通过第一气体通道输送至净化冷箱中，回流气体通过第二气体通道进入净化冷箱；
S2：原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却，原料气体中的杂质冻结在切换换热器的第一气体通道，原料气体被净化；
S3：当切换换热器内的压差超过设定压差值△P时，切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换，净化后的原料气体通过第二气体通道输送到液化冷箱，回流气体通过第一气体通道进入净化冷箱，随着回流气体的升温加热，冻结的杂质蒸发到回流气体中，回流气体复热到常温从切换换热器中排出；
S4：净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却，然后输送至冷凝器，复热后的回流气体从主换热器中排出；
S5：冷凝器通过液氮喷射将净化后的原料气体中的甲烷和高碳分子冷凝成液化天然气并且聚集在冷凝器底部，液氮蒸发成氮气与净化后的原料气体中的氮气、氧气混合形成回流气体从冷凝器中排出；
S6：聚集在冷凝器底部的液化天然气流入液化天然气产品储槽中。
2.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的净化液化流程，还包括S7：上述净化液化流程中的排出的回流气体最后均进入脱硫装置去除硫和硫化氢后排向大气。
3.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S3中切换换热器内的第一气体通道和第二气体通道互换循环进行。
4.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S1中预处理是将原料气体送入常压缓冲罐内，在经过洛茨鼓风机加压至100KPa。
5.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S2中原料气体在切换换热器内通过回流气冷却到-80℃。
6.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的切换换热器内进入的回流气体的初始温度为T1,-60≤T1≤-85℃。
7.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的主换热器内进入的回流气体的初始温度为T2，-160℃≤T2≤-175℃。
8.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S5中液氮喷射采用管道喷淋的方式与原料气体接触。
9.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的冷凝器的温度控制在-170℃至-175℃之间。
10.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S2中原料气体在净化冷箱的切换换热器中被回流气体冷却到-80℃。
11.根据权利要求1所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化流程，其特征在于，所述的S4中净化后的原料气体在液化冷箱的主换热器内被回流气体冷却到-150℃。
12.采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，包括常压缓冲罐、洛茨鼓风机、净化冷箱、液化冷箱、脱硫装置和液化天然气产品储槽，所述的净化冷箱包括切换换热器和容纳切换换热器的保温腔，所述的液化冷箱包括冷凝器、主换热器和容纳冷凝器和主换热器的保温腔。
13.根据权利要求12所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，所述的切换换热器包括第一气体通道、第二气体通道和切换系统，所述的切换系统包括切换管路和多个开关切换管路的阀，所述的切换管路与第一气体通道、第二气体通道连通，阀控制第一气体通道与第二气体通道的切换。
14.根据权利要求12所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，所述的液化冷箱内冷凝器在主换热器的上方，所述的主换热器设有清洁气体通道和回流气体通道，所述的冷凝器的底部设有液化天然气排气管，顶部设有进气口，侧面设有出气口，所述的出气口与清洁气体通道连通，所述的进气口与回流气体通道连通，所述的冷凝器内插入一液氮喷射管，所述的喷射管上设有多个用于喷射液氮的喷射口。
15.采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，包括一箱体，所述的箱体内设有脱硫装置、切换换热器、主换热器、冷凝器、液氮储槽和液化天然气储槽，所述的切换换热器在主换热器的上方，所述的冷凝器在液化天然气储槽的上方，脱硫装置和液氮储槽设在箱体内的两侧。
16.根据权利要求15所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，所述的切换换热器和主换热器均包括三个气体通道，分别为清洁气体通道、不凝性气体通道和回流气体通道。
17.根据权利要求12或15所述的采用液氮高效回收瓦斯气和煤层气的净化液化装置，其特征在于，所述的脱硫装置包括一塔体、带有连接法兰和止逆阀的进气管道、小型鼓风机和风道止逆阀，所述的塔体装有活性炭。
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