[發明專利]利用變壓吸附余壓預冷的煤層氣混合制冷劑循環液化工藝

無效

• 申請號: 200910056339.2
• 申請日: 2009-08-13
• 公開（公告）號: CN101625190A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發明（設計）人: 林文勝;高婷;顧安忠
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: F25J3/00
• 分類號: F25J3/00;B01D53/047
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 周文娟

技術領域

本發明涉及一種煤層氣的液化工藝，特別是一種涉及高含氮量煤層氣的利用變壓吸附余壓預冷的煤層氣混合制冷劑循環液化工藝。屬于化工與低溫技術領域。

背景技術

煤層氣是一種以甲烷為主要成分的煤礦伴生氣，俗稱“煤礦瓦斯”，屬于非常規天然氣。煤層氣的開發利用不僅能夠提供一種高熱值的清潔能源，同時可以防止瓦斯爆炸引起的礦難并減少溫室氣體甲烷的排放量，對煤礦安全及環境保護均具有重要意義。我國的煤層氣儲量豐富，且主要分布在經濟發達或較發達的中東部地區，與常規天然氣表現出很好的互補性，容易形成便利的市場條件，因此我國煤層氣開發利用具有突出的優勢和發展潛力。然而，我國煤層氣產地一般遠離天然氣管網，且氣質與常規天然氣不同，不便或不宜進入現有管網。利用天然氣的小型液化技術將煤層氣液化，可使其體積減少為原來的大約1/600，極大地方便了從產地到用戶的輸送，是一種極有前景的開發形式。

我國液化天然氣的技術已經較為成熟，其中混合制冷劑循環液化流程有著機組設備少、流程簡單、能耗較低等優點，是目前應用最廣的液化方式。但不論是國內還是國外，對于甲烷含量不高的煤層氣的液化技術的研究還很少。受到目前瓦斯抽采技術的限制，中國的煤層氣大多為礦井氣，由于混入了空氣而往往含有較多的氮，不能通過常規的凈化工藝脫除，影響了其作為能源加以利用。因此低濃度甲烷的液化工藝還必須考慮甲烷提濃的問題。可以通過在液化前進行變壓吸附或液化后進行低溫精餾將氮從煤層氣中分離出去，從而提高甲烷的純度。

變壓吸附過程在常溫和較低壓力下工作，能耗較低，且吸附法工藝簡單，操作、維護費用低，有其獨特的優勢。但甲烷與氮的吸附分離難度很大，是目前化工技術面臨的一項十分艱巨的任務。現有文獻和相關研究中有的是將煤層氣吸附脫氮過程獨立出來研究，再就是單獨對煤層氣液化流程進行研究，而對于從整體上將吸附和液化過程結合起來考慮還很少見，未見將吸附余壓利用于后繼液化過程的報道。

已有技術中，申請號為200610080889.4、名稱為“含空氣煤層氣液化工藝及設備”的發明專利采用低溫雙級精餾實現了煤層氣在低溫下的液化和分離，得到的液化天然氣的產品純度可達99％以上。但相比傳統的天然氣液化工藝，系統單位功耗較高。上海交通大學制冷與低溫專業的祝家新在其碩士論文中使用吸附-液化法實現煤層氣的液化，直接利用變壓吸附分離后煤層氣的余壓減少煤層氣的壓縮功，但由于混合制冷劑循環液化流程中制冷劑的壓縮功占系統整體功耗的較大份額，因此僅靠降低煤層氣的壓縮功節能效果不明顯。

發明內容

為克服已有技術的不足和缺陷，提高煤層氣中甲烷的濃度并降低煤層氣液化過程中的能耗，本發明提出一種利用變壓吸附余壓預冷的煤層氣混合制冷劑循環液化工藝。針對高含氮量的低濃度煤層氣，通過變壓吸附過程首先分離出大部分的氮，并利用這部分氮氣具有的吸附余壓，將其膨脹對煤層氣進行預冷，利用這部分“免費”的能量，減少用于提供冷量的混合制冷劑流量，從而降低系統的整體功耗。且隨著煤層氣含氮量及氮吸附余壓的增大，煤層氣預冷后的溫度逐漸降低，將相應減少混合制冷劑循環的冷卻級數。

本發明是按照下述技術方案進行的，本發明工藝包括下述步驟：

1、首先將煤層氣進行預凈化，去除其中的水、酸性氣體、重烴雜質；

2、將預凈化后的含氮煤層氣通過變壓吸附過程進行甲烷提濃，分離出帶余壓氮氣和常壓的濃縮煤層氣；

3、濃縮煤層氣被兩級壓縮并水冷為常溫高壓煤層氣；

4、常溫高壓煤層氣在第一換熱器中預冷，預冷所需的冷量由步驟2中吸附分離出的帶余壓氮氣膨脹所提供；

5、預冷后的煤層氣通過混合制冷劑循環提供的冷量被冷卻為低溫煤層氣。上述的混合制冷劑循環根據煤層氣預冷后溫度的不同范圍設置不同的冷卻級數：溫度高于0℃時采用四級冷卻過程；溫度在-60～0℃范圍內，使用三級冷卻；溫度低于-60℃時為二級冷卻。

6、低溫煤層氣節流，最終在氣液分離器中分離出液體產品。

本發明的有益效果是：通過石化工業中廣泛采用的HYSYS軟件的模擬和計算，證實本發明能有效降低系統單位產品液化功耗，且煤層氣原料氣中的含氮量越高，吸附余壓越高，節省的功耗越多。如含氮量達到70％，吸附余壓達到2MPa時，相比不利用余壓的吸附-液化工藝即可節能超過50％。

附圖說明

圖1是本發明的四級冷卻過程的利用變壓吸附余壓預冷的煤層氣混合制冷劑循環液化工藝的流程圖。

圖2是本發明的三級冷卻過程的利用變壓吸附余壓預冷的煤層氣混合制冷劑循環液化工藝的流程圖。