CN202671511U - 煤层气净化精制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种煤层气净化精制系统，解决了现有煤层气净化系统成本高、能耗高、不利于环境保护的问题。技术方案包括净化系统、加压制冷系统以及深冷精馏系统，所述净化系统包括依次连接的过滤器、压缩机、洗涤塔以及吸附系统；所述加压制冷系统包括增压机及高压换热器；所述深冷精馏系统包括分离器、过冷器、节流阀以及深冷精馏塔；所述吸附系统包括依次连接增压机、高压换热器、分离器及节流阀以及深冷精馏塔。本实用新型简化了生产工艺、系统制控更为简便、设备投资和运行成本低、生产周期短，生产的成品天然气产品回收率及纯净度高，适用于不同甲烷含量的煤层气，具有广阔的市场应用前景。

Description

煤层气净化精制系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃料气净化领域，具体的说是一种煤层气净化精制系统。

背景技术

煤层气，俗称煤矿瓦斯，即天然气。它是与煤伴生、共生的气体资源，其主要成分为甲烷，甲烷含量一般为15％～70％。每吨褐煤能生成38～50立方米煤层气，无烟煤可生成346～422立方米煤层气。按热值计算，甲烷的热值为33.5～33.7kJ/Nm³(8000～9000kcal/Nm³)，比1公斤标准煤的发热量还要高。

煤层气的典型组成如表1所示。

表1煤层气的典型组成

煤层气不但可以用于发电燃料、工业燃料和居民生活燃料，还可以液化后用作汽车燃料；也可以广泛用于生产合成氨、甲醛、甲醇等化工产品的原料，作为一种热值高的洁净能源和重要化工原料，前景十分广阔。

原始采得的煤层气不能直接应用，需对其中含有的粉尘、水份、二氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等杂质进行充分脱除，然后再经深冷分离得到纯净的甲烷产品。

目前煤层气净化精制工艺有多种，如专利CN101922849A公开了一种煤层气液化精馏方法，其液化分离工序中的制冷工艺采用两级膨胀机膨胀降温预冷，再由精馏塔塔底的再沸器提供冷量进行二次冷却，具有分离纯度较高、装置结构简单的优点。该工艺方法存在以下缺点：

1)采用两级压缩+再沸器制冷，其制冷效果较差，必须进行二次冷却，而二次冷却受外界提供冷量的限制，要想获得高的分离纯度，外界需对再沸器提供足够的冷量，从而增加了运行成本，不利于节能降耗；

2)精馏塔排出的杂质气体冷量回收后仍被排出系统，处理这些尾气不仅需要昂贵的净化设备，还不利于环境保护。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、制冷效果好、节能降耗、投资运行成本低的煤层气净化精制系统

本实用新型涉及的工艺为包括下述步骤：

一、净化步骤：将煤层气先进行除尘洗涤使煤层气的含尘量≤20mg/Nm³，然后增压后送入吸附系统进行吸附，以清除煤层气中的杂质；

二、加压制冷步骤：将经净化步骤后的煤层气进一步增压后送入高压换热器换热冷却至至-135℃至-155℃；三、深冷分离步骤：将换热后的煤层气送入分离器，分离出的液相及气相经节流阀节流后进入深冷精馏塔精馏，精馏后得到由深冷精馏塔顶部排出污氮气、侧线排出的侧线气相、底部排出液化天燃气。

所述步骤一中，先将煤层气送入过滤气除去粒径为5～200μm的大颗粒灰尘，然后再进入洗涤塔进除去煤层气中细小颗粒灰尘，经洗涤后，煤层气含尘量≤20mg/Nm³。

所述步骤二中，与所述煤层气在高压换热器内进行换热的介质包括来自深冷精馏塔的污氮气、侧线气相以及制冷工质。

所述步骤二中，所述深冷精馏塔顶部排出污氮气经高压换热器换热后送入吸附系统作为吸附系统再生用氮。

所述步骤二中，来自所述深冷精馏塔的侧线气相经高压换热器复热后与制冷工质混合形成混合气送入增压透平膨胀机的增压端增压后送入高压换热器与煤层气换热，然后送回增压透平膨胀机的的膨胀端等熵膨胀，并对增压透平膨胀机的增压端做功。

所述步骤二中，所述经等熵膨胀后混合气再经高压换热器复热，并与来自深冷精馏塔的侧线气相混合循环送入增压透平膨胀机的增压端。

所述步骤三中，所述分离器分离出的液相经节流阀节流后进入深冷精馏塔精馏；气相在过冷器内与来自深冷精馏塔顶部排出的污氮气换热后再经节流阀节流后进入深冷精馏塔精馏。

本实用新型煤层气净化精制系统，包括净化系统、加压制冷系统以及深冷精馏系统，所述净化系统包括依次连接的过滤器、压缩机、洗涤塔以及吸附系统；所述加压制冷系统包括增压机及高压换热器；所述深冷精馏系统包括分离器、过冷器、节流阀以及深冷精馏塔；所述吸附系统依次连接增压机、高压换热器、分离器及节流阀以及深冷精馏塔。

所述深冷精馏系统还包括有过冷器，所述节流阀包括第一节流阀和第二节流阀，所述分离器的顶部气相出口经过冷器、第一节流阀与深冷精馏塔连接，底部液相出口经第二节流阀与深冷精馏塔连接。

所述深冷精馏塔的顶部出口经过冷器、高压换热器与再生吸附系统连接。

所述加压制冷系统还包括增压透平膨胀机，所述深冷精馏塔的侧线出口经高压换热器与增压透平膨胀机的增压端入口连接，所述增压透平膨胀机的增压端出口再经高压换热器与增压透平膨胀机的膨胀端入口连接，所述增压透平膨胀机的膨胀端出口经高压换热器与增压透平膨胀机的增压端入口连接。

发明人对煤层气进行了深入研究，作出了如下创新：

净化步骤中，煤层气中含水量低，可直接进行干法除灰，先利用过滤器除去大颗粒灰尘，再通过洗涤塔除去粗煤层气中的细小灰尘，除尘效果好、效率高，提高了煤层气的品质，干法除灰不仅减少水资源的浪费，得到的大颗粒干煤灰还具有较好的经济价值；采用吸附系统能有效清除煤层气中的水分、二氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等杂质，保证煤层气的净化效果，并且，吸附系统中的再生用氮还可使用后续步骤中的深冷精馏塔顶部排出的复热后污氮气，进一步节省了投资，减少了尾气的排放。所述吸附剂可以使用分子筛或硅胶等可再生循环利用的吸附剂。

加压制冷步骤中，放弃了制冷效果较差的传统的等焓节流膨胀，采用等熵膨胀-压缩循环作功原理，使用增压透平膨胀机，利用循环而来的混合气(包括制冷工质及侧线气相)在增压透平膨胀机的膨胀端中等熵膨胀，并对增压透平膨胀机增压端做功，然后经过高压换热器复热，再与深冷精馏塔12侧线出来的气相混合循环至增压透平膨胀机增压端，深冷精馏塔出来的顶部污氮气及侧线气相均在高压换热器中回收冷量，同时经增压透平膨胀机加压制冷后的混合气也在循环过程中多次在高压换热器中回收冷量，使得煤层气在高压换热器中迅速冷却，达到制冷的最大效率及冷量的最少损失的目的。所述制冷工质仅在开工时加入即可，待正常运行后，深冷精馏塔侧线排出的侧线气相复热后也混入到制冷工质中共同循环，以补充循环过程中存在的不可避免的循环量损失，保证增压透平膨胀机压缩制冷效率，使冷量最大限度的提供给煤层气，使煤气层在出高压换热器后就能达到-135℃至-155℃，接近甲烷的露点温度，从而实现在分离器中的初步气相及液相分离。进一步的，优选煤层气增压至1.5MPag～3.5MPag后再送入高压换热器，压力下能使甲烷的露点温度升高，更易使冷却降温后的煤层气在后续步骤三中发生气液分离。

进一步的，深冷分离步骤中，分离的气相及液相在进入深冷精馏塔之前利用节流阀二级节流膨胀制冷，进一步给提供冷量，保证获得液化天燃气的高回收率和高纯净度。并且，气相还经过冷器与深冷精馏塔顶部排出的污氮气换热，达到充分回收冷量的目的。

本实用新型中，污氮气是指含氮量超过体积百分数75％的气体；所述深冷精馏塔顶部污氮气及侧线的侧线气相两股物料的分离方法，对本领域技术人员来说，工艺上可以通过从深冷精馏塔内不同层数或高度的塔板抽气而实现。

本实用新型工艺中综合考虑了能量回收及利用的最大化，工艺上采用“一级等熵膨胀制冷配合节流膨胀制冷”的原理，制冷效率高且完全实现自循环，无需补充新的冷量及制冷工质，是真正意义上的节能降耗，并且充分利用排出的尾气，使之合理回用到系统中，从而达到整个工艺尾气近零排放，对环境友好的目的。本实用新型简化了生产工艺、系统制控更为简便、设备投资和运行成本低、生产周期短，生产的成品天然气产品回收率及纯净度高，适用于不同甲烷含量的煤层气，具有广阔的市场应用前景。以某项目为例，10万Nm³/d的煤层气处理量，甲烷含量约43.81vol％，采用本实用新型系统较现有技术相比，设备投资可降低400万元，运行成本可下降约160万元/年(主要为节能降耗带来的成本下降)，每年可产0.891万吨的优质天然气产品(CH₄＞95vol％)。

附图说明

图1为本实用新型工艺工艺流程塈系统示意图。

其中：1-过滤器、2-压缩机、3-洗涤塔、4-吸附系统、5-增压机、6-增压透平膨胀机、6.1-增压透平膨胀机增压端、6.2-增压透平膨胀机膨胀端、7-高压换热器，8-分离器、9-过冷器、10、11-节流阀、12-深冷精馏塔、13-天然气贮罐。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型系统作进一步解释说明：包括净化系统、加压制冷系统以及深冷精馏系统，所述净化系统包括过滤器1、压缩机2、洗涤塔3以及吸附系统4；所述加压制冷系统包括增压机5、高压换热器7以及增压透平膨胀机6；所述深冷精馏系统包括分离器8、过冷器9、第一节流阀10、第二节流阀11以及深冷精馏塔12。具体连接关系为：由过滤器1依次连接压缩机2、洗涤塔3、吸附系统4、增加机5、高压换热器7以及分离器8，所述分离器8的顶部出口经过冷器9、第一节流阀10进入深冷精馏塔12的上段进料口；所述分离器8的底部出口经第二节流阀11进入深冷精馏塔12的上段进料口；所述精馏塔12的底部出口连接天然气贮罐13，顶部出口经过冷器9、高压换热器7与再生吸附系统4连接，以将排出的污氮气回收冷量后作为吸附系统4再生用氮。所述深冷精馏塔12侧线出口经高压换热器7与增压透平膨胀机增压端6.1的入口连接，增压透平膨胀机增压端6.1的出口经高压换热器7与增压透平膨胀机膨胀端6.2入口连接，增压透平膨胀机膨胀端6.2出口经高压换热器7与增压透平膨胀机增压端6.1的入口连接。

工艺方法为：

实施例1：

煤层气(煤层气组成见表1)经煤层气过滤器1滤去5～200μm的大颗粒灰尘，经煤层气压缩机2加压至0.5MPag～3.0MPag后进入洗涤塔3，煤层气在洗涤塔3中与循环洗涤水逆流接触除去细尘，经洗涤后，煤层气含尘量≤20mg/Nm³，然后进入吸附系统4，吸附清除煤层气中的水分、二氧化碳、硫化氢和碳氢化合物等杂质，吸附系统中的再生用氮使用由深冷精馏塔12循环而来的污氮气；所述吸附剂使用可以使用分子筛或硅胶等可再生循环利用的吸附剂。

已净化的煤层气导入煤层气增压机5增压至1.5MPag～3.5MPag，然后进入高压换热器7，在高压换热器7中同时与循环的制冷工质、返流污氮气和侧线气相出料换热，冷却至-135℃至-155℃后进入分离器8。冷却后的煤层气在分离器8中气液分离，液相经第二节流阀11节流(压力降至0.05MPag～0.5MPag)去深冷精馏塔12的上段进料口，气相先经过过冷器9回收污氮气的部分冷量(换热)，再经第一节流阀10节流(压力降至0.05MPag～0.5MPag)进入深冷精馏塔12上段进料口，煤层气经分离后的气相及液相在深冷精馏塔12中精馏后，获得液化天然气、污氮气和侧线气相。

深冷精馏塔12底部出来的液化天然气去液化天然气贮罐13。

深冷精馏塔12顶部出来的污氮气(本实施例中污氮气由第一块塔板中抽出，主要成份体积百分数为N₂占85.8％mol，O₂占8.4％mol，CH₄占5.8％mol)，经过过冷器9与进深冷精馏塔12的气相换热回收部分冷量后，再去高压换热器7复热(与煤层气换热)后回送吸附系统4，用作吸附系统4再生用氮。

深冷精馏塔12侧线出来的侧线气相(本实施例中侧线气相由第十块塔板中抽出，主要成份体积百分数为N₂占39.2％mol，O₂占45％mol，CH₄占l 5.8％mol)经高压换热器7复热(与煤层气换热)后，与制冷工质气体混合。

本实用新型中的制冷循环过程为：开工时，制冷工质经过增压透平膨胀机增压端6.1的压缩，进入高压换热器7与煤层气进行换热，冷却后去增压透平膨胀机膨胀端6.2，制冷工质在增压透平膨胀机膨胀端6.2中等熵膨胀，并对增压透平膨胀机增压端6.1做功，然后经过高压换热器7继续与煤层气换热，并与深冷精馏塔12侧线出来的同样在高压换热器7内与煤气层换热的侧线气相混合形成混合气，混合气再循环至增压透平膨胀机增压端6.1压缩后回送高压换热器7。该循环过程持续进行，提供足够的冷量使经过高压换热器7的煤层气被冷却至-135℃至-155℃。本工艺中，制冷工质只需开工时一次性导入循环量即可，运行时的损失量可由侧线气相补充，所述制冷工质可以采用氮气或混合制冷剂如氮气+甲烷、氮气+乙烷、氮气+丙烷等现有常用的制冷工质，这里并不特别限定。

最终得到液化天然气产品的回收率为93.2％，纯净度为95.7％mol。

实施例2

煤层气组成如表2所示。

表2煤层气组成

工艺方法同实施例1，最终得到液化天然气产品的回收率为91.8％，纯净度为96.9％mol。

实施例3

煤层气组成如表2所示。

表3煤层气组成

工艺方法同实施例1，最终得到液化天然气产品的回收率为97.5％，纯净度为99.5％mol。

Claims (4)

1.一种煤层气净化精制系统，其特征在于，包括净化系统、加压制冷系统以及深冷精馏系统，所述净化系统包括依次连接的过滤器、压缩机、洗涤塔以及吸附系统；所述加压制冷系统包括增压机及高压换热器；所述深冷精馏系统包括分离器、过冷器、节流阀以及深冷精馏塔；所述吸附系统依次连接增压机、高压换热器、分离器及节流阀以及深冷精馏塔。

2.如权利要求1所述的煤层气净化精制系统，其特征在于，所述深冷精馏系统还包括有过冷器，所述节流阀包括第一节流阀和第二节流阀，所述分离器的顶部气相出口经过冷器、第一节流阀与深冷精馏塔连接，底部液相出口经第二节流阀与深冷精馏塔连接。

3.如权利要求2所述的煤层气净化精制系统，其特征在于，所述深冷精馏塔的顶部出口经过冷器、高压换热器与再生吸附系统连接。

4.如权利要求1－3任一项所述的煤层气净化精制系统，其特征在于，所述加压制冷系统还包括增压透平膨胀机，所述深冷精馏塔的侧线出口经高压换热器与增压透平膨胀机的增压端入口连接，所述增压透平膨胀机的增压端出口再经高压换热器与增压透平膨胀机的膨胀端入口连接，所述增压透平膨胀机的膨胀端出口经高压换热器与增压透平膨胀机的增压端入口连接。