CN201359420Y

CN201359420Y - 矿井瓦斯气的低温分离设备

Info

Publication number: CN201359420Y
Application number: CNU2009203010175U
Authority: CN
Inventors: 杨克剑
Original assignee: BEIJING GUONENG SHIDAI ENERGY TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: BEIJING GUONENG SHIDAI ENERGY TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2019-03-03

Abstract

本实用新型涉及一种矿井瓦斯气低温分离设备，包括压缩净化设备、制冷设备、分离设备和辅助设备；所述分离设备包括有依次相连的换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与分离设备的换热器的制冷通道连接，所述分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液体管路将液态天然气依次引回到换热器中。本实用新型的设备仅需要一个分馏塔，而不需要建昂贵的液化天然气储槽，结构简单，能耗较少，成本较低，有利于推广。

Description

矿井瓦斯气的低温分离设备

技术领域

本实用新型涉及一种气体分离设备，特别涉及一种矿井瓦斯气的低温分离设备。

背景技术

采煤过程中抽放的煤层气即矿井瓦斯气，因为压力低，甲烷含量低，其中混有空气，给这种气体的加工和运输带来了困难，通常都是把它排放到大气中。这不但造成了严重的大气污染，也造成很大的资源浪费。如果把这种瓦斯气中的煤层气(主要是甲烷)和空气分离出来，这就会使运输和利用都变得很方便。

常规的分离方法有吸收法、吸附法、薄膜渗透法和低温精馏法等。前面几种方法，分离的纯度很难达到要求，有的回收率低，有的还需要加热，混有空气的瓦斯气在高温下易爆炸，存在安全隐患，因此没有能够得到应用。美国BCCK工程公司实用新型了一种工艺，是先将混有空气的矿井瓦斯气压缩，然后用接触氧化法把其中的氧气脱除，然后脱除硫化氢和二氧化碳，再脱除水分，最后再用节流制冷分离的方法把氮气脱除。这种工艺设备比较复杂。于2007年10月提出的内容为“空气回热式矿井瓦斯气分离液化方法及设备”中国专利申请中，描述了一种低温分离液化工艺(申请号为：200720178398.3)，这种工艺及设备比美国BCCK的工艺要简单，而且能直接生产出液体的甲烷。但是，由于其工艺生产的是液体天然气产品，因此适合于远距离输送，而对于近距离、只需要气态天然气产品的场合，就不适用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种矿井瓦斯气的低温分离设备，通过采用分离出的液体甲烷并使其返回到热交换器回收冷量，从而能够显著地降低能耗，并生产出便于使用的气体天然气产品。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：包括压缩净化设备、制冷设备、分离设备和辅助设备；所述分离设备包括有依次相连的换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与分离设备的换热器的制冷通道连接，所述分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液体管路将液态天然气依次引回到换热器中，再连接到气态天然气输出管道。

所述辅助设备可以是制氮设备。制氮设备可以为变压吸附制氮机或空气分离制氮机，制氮机的氮气输出管线与净化设备的再生管路、还有氮气制冷系统的氮气管路相连接。辅助设备还可以有天然气压缩机，天然气压缩机的进气管道与液化分离设备中换热器的天然气出气管相连接。

本实用新型的有益效果是：仅需要一个分馏塔，而不需要建昂贵的液化天然气储槽，就可以生产出气体天然气产品，气体产品使用方便，具有单位能耗低、成本低的优点，尤其适合近距离利用煤矿瓦斯气的场合。

进一步，所述分馏塔顶部的气体管路将低温空气引回到换热器后，再连接到膨胀机，然后再连接到换热器。

进一步，输入到分馏塔中部的原料气输入口的原料气的温度在摄氏负82.5度以下。

进一步，换热器的原料气输出管路先连接一个减压阀，然后再连接到分馏塔中部的输入口。

进一步，分馏塔底部的液体输出管路先连接一个减压阀，然后再连接到换热器。

进一步，所述分馏塔的蒸发器加热管路与换热器的制冷介质管路相连通。

进一步，所述分馏塔的冷凝器制冷管路与换热器的制冷介质管路相连通。

进一步，所述分馏塔的蒸发器加热管路与原料气管路相连通。

进一步，所述制冷设备为气体膨胀制冷设备或混合制冷剂制冷设备。

进一步，所述压缩净化设备中的净化设备是分子筛吸附净化器，或者是由胺吸收塔与再生塔组成的净化系统。

进一步，所述辅助设备是制氮设备。

进一步，所述辅助设备是天然气压缩机，其天然气的入口管道与换热器的天然气出口管道相连接。

本实用新型的矿井瓦斯气的低温分离设备，利用了我国丰富的煤矿瓦斯气资源，将甲烷含量低的瓦斯气提纯为纯天然气，并且采用回收利用液体冷量的方法，降低了能耗，减少了成本，生产出的气体天然气更有利于近距离运输和使用。

附图说明

图1为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备的结构示意图；

图2为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中压缩净化设备的结构示意图；

图3为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中制冷设备和分离设备第一实施例的结构示意图；

图4为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中制冷设备和分离设备第二实施例的结构示意图；

图5为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中分馏塔的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

图1为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备的结构示意图。如图1所示，包括压缩净化设备、制冷设备、分离设备和辅助设备；所述分离设备包括有依次相连的换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与分离设备的换热器的制冷通道连接，所述分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液体管路将液态天然气依次引回到换热器中，再连接到气态天然气输出管道。

在本实用新型中将矿井瓦斯原料气压缩净化，除去原料气中的杂质，得到压缩净化的矿井瓦斯气；将压缩净化后的矿井瓦斯气通入换热器，使其温度冷却到摄氏负82.5度以下；将冷却后的矿井瓦斯气通入一个分馏塔的中部，经分馏塔底部的蒸发器的蒸发和顶部冷凝器的冷凝、塔内的气体与液体进行充分的质、热交换，在分馏塔顶部得到高纯度的低温空气，分馏塔底部得到高纯度的液态天然气；将从分馏塔底部分离出的液态天然气引入换热器中作为制冷气回收冷量，即得到气态天然气，同时，将从分馏塔顶部分离出的低温空气也引入换热器中回收冷量。

图2为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备压缩净化设备的结构示意图。如图2所示，该压缩净化设备包括过滤器1、气液分离器2、压缩机3、冷却器4、气液分离器5、分子筛净化设备组。所述分子筛净化设备组包括第一台分子筛干燥机6和第二台分子筛干燥机7，当第一台分子筛干燥机6工作时，第二台分子筛干燥机7加热再生、冷却备用，每12小时切换一次。该分子筛干燥机主要用来脱除水和二氧化碳。所述分子筛净化设备组还连接有过滤器8和加热器9。另外，还有一台变压吸附制氮机10提供氮气，用于置换压缩净化设备中的气体。这种分子筛净化设备是常规技术，这里不再详细说明。

在本实用新型中自排放管道来的矿井瓦斯气原料气首先经过滤器1除去灰尘；除尘后的矿井瓦斯气进入气液分离器2气液分离后，气体进入压缩机3压缩；压缩后经冷却器4冷却，然后经气液分离器5去除游离水；矿井瓦斯气先进入第一台分子筛干燥机6，脱出水和二氧化碳，变压吸附制氮机10提供的氮气后，再进入第二台分子筛干燥机7，置换其中的瓦斯气，然后用流程中产生的洁净空气经加热器9加热至240℃-250℃，用于第二台分子筛干燥机7的再生；加热再生完成后，将洁净空气不经过加热，直接输入第二台分子筛干燥机7，冷却分子筛，降低第二台分子筛干燥机7的温度，然后再用氮气置换第二台分子筛干燥机7中的空气，备用；经分子筛干燥机脱除水和二氧化碳的原料气再经过滤器8即可进入制冷设备和分离设备。

图3为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中制冷设备和分离设备第一实施例的结构示意图。如图3所示，在本实施例中，所述分离设备包括四级换热器即第一换热器11、第二换热器17、第三换热器12、第四换热器13和分馏塔15。所述分馏塔顶部有冷凝器16，分馏塔底部有蒸发器14，冷凝器16的制冷管道与制冷气的管道相连，蒸发器14的加热管道在第一换热器11和第三换热器12之间与制冷气的管道相连。原料气管道依次与第一换热器11、第二换热器17、第三换热器12和第四换热器13相连，第四换热器13的原料气出口管道与分馏塔15的中部相连。所述分馏塔15顶部有气体管道依次与第四换热器13、第三换热器12和第二换热器17，膨胀机18，第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11相连。所述分馏塔15底部还有液体管路将液体天然气通过阀门依次连接到第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11，然后连接到辅助设备即天然气压缩机(天然气压缩机未在图中表示)。

所述制冷设备为压缩膨胀制冷系统，采用了一台压缩机19、冷却器20、22、带透平增压机21的透平膨胀机23。制冷气管道在第一换热器11和第三换热器12之间与蒸发器14的加热管道相连，膨胀机23的排气管路与冷凝器16的制冷管道相连，然后依次与第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11相连。

所述制冷设备可以是氮气膨胀制冷设备或者氮、甲烷膨胀制冷设备，包括有压缩机、膨胀机等，也可以用混合制冷剂制冷设备，包括有混合制冷压缩机、冷却器、气液分离器等

在本实用新型中经压缩净化的矿井瓦斯原料气(甲烷45％，空气55％)进入第一换热器11、第二换热器17、第三换热器12和第四换热器13中被制冷气体冷却，降低温度达到约-175℃；温度下降后的原料气进入分馏塔15的中部，其液体自上而下流过塔板，在分馏塔15底部的蒸发器14内原料气液体的一部分被蒸发为气体，加热温度约为-140℃，被蒸发的气体向上流动与向下流动的液体进行热、质交换；向上流动的气体到达分馏塔顶部，又被分馏塔顶部的冷凝器16冷凝，其中一部分冷凝为液体，向下回流，同样又与气体再进行热、质交换。冷凝器16的冷凝温度约为-180℃；从分馏塔的顶部放出的气体是洁净的空气，流量为原料气的55％，这部分气体含甲烷量小于0.1％，温度约为-178℃，先经过第四换热器13、第三换热器12和第二换热器17回收一部分冷量，然后，再经过膨胀机18膨胀，再依次进入第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11回热，进一步回收冷量；从分馏塔12底部出来的就是纯度很高的液化天然气。流量为原料气的45％，纯度达到99.9％以上，温度约为-143℃。这部分液体天然气经阀门减压后，依次进入第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11气化、回热，回收冷量，从第一换热器11出来的气体天然气可送往天然气压缩机，生产压缩天然气。

上述液化分离过程中第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17、第一换热器11和冷凝器16所需要的冷量都是由制冷系统提供的，所述制冷设备包括依次连接的压缩机19，冷却器20，透平增压机21和冷却器22，然后连接第一换热器11，从第一换热器11出来再进一步连接蒸发器14的管道，然后制冷管道连接第三换热器12，第三换热器12的制冷管道再和透平膨胀机23的进气口连接，透平膨胀机23的排气口再和冷凝器16的制冷管道连接，再依次连接第四换热器13、第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11的冷介质通道，最后，连接到压缩机19的入口。透平增压机21由透平膨胀机23的转轴驱动。

在本实用新型的制冷系统启动之前，系统内充满氮气作为制冷气；启动制冷系统，制冷气先经压缩机19压缩，在冷却器20中冷却，再经过透平增压机21增压，再经冷却器22冷却，进入第一换热器11预冷，温度降低到-128℃；制冷气再经蒸发器14的管道(温度为-143℃)被进一步冷却到-142℃，然后制冷气进入第三换热器12，被进一步冷却到-150℃，再进入透平膨胀机23膨胀制冷；从透平膨胀机23膨胀后的制冷气温度为-182℃，它先进入冷凝器16的制冷管道，为冷凝器16提供冷源，随后，制冷气温度升高，再返流进入第四换热器13用来冷却原料气；从第四换热器13的热端出来的制冷气再依次进入第三换热器12、第二换热器17和第一换热器11，作为换热器的冷源，制冷气体复热后，再回到压缩机19入口，重新压缩、增压、冷却、膨胀制冷，如此循环。

图4为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中制冷设备和分离设备第二实施例的结构示意图。如图4所示，在本实施例中，所述分离设备的换热器、分馏塔与第一实施例基本相同，在此不再重复说明。不同之处在于，先使原料气通过第一换热器24冷却到0℃至-50℃，然后经过分馏塔28底部的蒸发器27为蒸发器提供热量，同时原料气本身得到预冷。因此，在设备上，分馏塔28的蒸发器27的加热管路与原料气管路相连通，然后原料气再经过第三换热器25和第四换热器26冷却至-150℃～-180℃，使大部分矿井瓦斯气冷却为液体，再进入分馏塔28的中部。另外一点不同之处是，制冷系统采用了混合制冷剂制冷的方法，混合制冷剂系统由混合制冷剂压缩机系统32、35，后冷却器33、36，气液分离器34、37和几个节流阀门组成，这是成熟的现有技术，在这里不需要叙述。只是在设备上，分馏塔的冷凝器29的制冷介质管路是与混合制冷剂制冷设备的制冷管路连通，不同于第一实施例中与氮气制冷的膨胀机制冷气管路相连通。

图5为本实用新型矿井瓦斯气低温分离设备中分馏塔的结构示意图。如图5所示，同时参见图3，所述分馏塔15的顶部设有冷凝器16，分馏塔15的底部设有蒸发器14。第二实施例中的分馏塔28与第一实施例中的分馏塔15的结构相同。

本实用新型中的矿井瓦斯气低温分离设备与申请号为200720178398.3的专利申请相比，本实用新型不需要建昂贵的液化天然气储槽，生产的气体产品便于近距离使用，单位能耗也低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种矿井瓦斯气低温分离设备，包括压缩净化设备、制冷设备、分离设备和辅助设备；

所述分离设备包括有依次相连的换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与分离设备的换热器的制冷通道连接，所述分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；

分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液体管路将液态天然气依次引回到换热器中，再连接到气态天然气输出管道。

2.根据权利要求1所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述分馏塔顶部的气体管路将低温空气引回到换热器后，再连接到膨胀机，然后再连接到换热器。

3.根据权利要求1所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：输入到分馏塔中部的原料气输入口的原料气的温度在摄氏负82.5度以下。

4.根据权利要求1所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：换热器的原料气输出管路先连接一个减压阀，然后再连接到分馏塔中部的输入口。

5.根据权利要求1所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：分馏塔底部的液体输出管路先连接一个减压阀，然后再连接到换热器。

6.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述分馏塔的蒸发器加热管路与换热器的制冷介质管路相连通。

7.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述分馏塔的冷凝器制冷管路与换热器的制冷介质管路相连通。

8.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述分馏塔的蒸发器加热管路与原料气管路相连通。

9.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述制冷设备为气体膨胀制冷设备或混合制冷剂制冷设备。

10.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述压缩净化设备中的净化设备是分子筛吸附净化器，或者是由胺吸收塔与再生塔组成的净化系统。

11.根据权利要求1-5任一所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述辅助设备是制氮设备。

12.根据权利要求11所述的矿井瓦斯气低温分离设备，其特征在于：所述辅助设备是天然气压缩机，其天然气的入口管道与换热器的天然气出口管道相连接。