[发明专利]含氧煤层气的液化精馏方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种燃气提纯技术领域的方法，具体是一种含氧煤层气的液化精馏方法。

背景技术

煤层气是一种新型清洁能源，它是一种与煤伴生并以吸附状态的形式自生自储于煤层中的非常规天然气。我国煤层气资源潜力巨大，其开发和利用可以增加新的洁净能源，减少对进口能源的依赖，有效减少温室气体的排放，而且还可以降低或避免瓦斯爆炸事故，具有安全效应。

可供开发利用的煤层气有两种，一种是煤矿开采前抽采的煤层气，这种气体甲烷含量超过95％，利用价值较高，可直接加压进行管网运输，也可直接进行液化储运，但是这种气体规模数量较小；另一种是在煤矿开采过程中抽采的煤层气，这种气体数量巨大，但是甲烷含量较低，通常在30％-80％之间，而且含有空气。空气中的氧气是导致煤层气难于回收利用的主要因素。煤层气的脱氧是国内外的一个技术难题，目前主要的脱氧技术包括吸附法、膜分离法、燃烧法和低温分离法。其中吸附方法常导致产品回收率降低，膜分离方法以气压差为推动力，分离效果受膜渗透系数和渗透面积等多种因素的影响，不易操作，而且高压会带来安全隐患，通过检索发现，采用这两种方法进行煤层气脱氧的文献非常少见。

经过对现有技术的检索发现，中国专利CN101613627A中提出了采用燃烧法，使煤层气中的甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，将煤层气中的氧气浓度降低到0.2％以下，这种方法可以有效脱除浓度在1％-15％的含氧煤层气中的氧气，但是燃烧产生的二氧化碳杂质气体也需要脱除，这就增加了设备投资和能耗。

进一步检索发现，中国专利CN200952872Y中采用分馏塔在低温条件下脱除煤层气中的氧气，但是该专利没有考虑分离过程中的爆炸极限问题，操作过程的安全性没有保证。中国专利CN101531559A采用低温精馏方法脱除煤层气中的氧气，并且通过对原料气进行预粗脱氧的方式保证操作安全性，中国专利CN101531560A也采用低温精馏方法脱除煤层气中的氧气，通过控制精馏过程中最易发生爆炸位置的温度来保证操作安全性，但是对于较低浓度的煤层气，这两种专利的甲烷回收率都很低，导致能源利用率不高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种含氧煤层气的液化精馏方法，利用含氧煤层气液化后再通过精馏塔分离掉其中的杂质氮气和氧气，从而在塔底得到高纯度的液态产品。应用爆炸极限理论分析工艺流程的操作安全性并确定流程中最易发生爆炸的操作过程，并采取有效措施，既保证最易发生爆炸操作过程的操作安全性，从而使整个工艺流程操作安全可靠，又能保证较高的甲烷回收率，从而提高能源利用率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、将净化后的含氧煤层气经过两级压缩机压缩，并经过水冷却器冷却为高压常温煤层气；将高压常温煤层气经过一级换热器进行预冷，然后在第二冷却器中由精馏塔塔底的再沸器提供冷量进行二次冷却，并输出至二级换热器中进行冷却液化，得到液化煤层气；

第二步、液化煤层气经降压后输出至精馏塔中将杂质氮气和氧气从塔顶过滤出，并在精馏塔的塔底得到液化天然气，从精馏塔塔顶过滤出的杂质氮气和氧气返回二级换热器进行冷量回收，然后经过节流阀节流降压后进入一级换热器继续提供冷量，并最终在一级换热器的出口处温度升高至常温并排出；

所述的二级换热器中冷却液化，煤层气的冷量由氮气膨胀制冷循环提供：在氮气膨胀制冷循环中，单一气态制冷剂氮气首先经过两级压缩机压缩至高压，并用水冷却器冷却至常温，然后进入一级换热器进行预冷，预冷后的氮气经过一级膨胀机膨胀降温降压，而后再进入二级换热器进一步冷却，从二级换热器出来的氮气再经过二级膨胀机膨胀降温降压，得到的低温低压的氮气首先给精馏塔塔顶冷凝器提供冷量，而后分别返回一级换热器和二级换热器为含氧煤层气和氮气提供冷量。

所述的一级膨胀机和二级膨胀机的膨胀功经回收后驱动压缩机。

第三步、利用爆炸极限理论对整个流程的操作安全性进行分析，找出流程中最易发生爆炸的操作过程，通过初步脱除煤层气中的氧气和调节塔底采出量并设置塔板数为22，回流比为1.4，调节精馏塔塔底采出量0.425kmol/h-0.7882kmol/h，使最易发生爆炸位置处甲烷浓度高出气体爆炸上限约5％，同时保证甲烷回收率在90％以上，从而实现液化精馏。