[发明专利]含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法

说明书

技术领域

本发明属于煤层气、合成氨弛放气、甲醇弛放气等含甲烷气体的脱氮领域，特别涉及一种双塔深冷精馏脱氮制取天然气的方法。

背景技术

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH₄（甲烷),与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2-5倍。1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举多得的功效：提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的环保效应；作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。

目前国内对于煤层气的开发利用处于起步阶段，比较流行的处理技术是将煤层气先进行催化脱氧，再变压吸附脱氮提纯甲烷。变压吸附脱氮虽然具有变压吸附技术的方便快捷等优点，但是由于甲烷与氮气的吸附性能接近，现有的吸附剂的平衡选择性系数较低，造成产品气的回收率较低。这是该技术的最大不足之处。而且随着甲烷纯度要求的升高，装置投资也急剧升高。

氨是一种重要的基础化工原料，在农业领域可以用来制作含氮化肥，在国防、矿山等领域可以用来制作硝酸铵炸药。同时，由于氨相对于其它气体的高沸点性质，它还是一种优良的制冷剂。

目前，本领域技术人员公知的制氨的一种常用技术是将煤气化制得合成气，该合成气经过一系列净化补氮和压缩得到主要物质为H₂+N₂+CH₄的气体，然后进行合成反应制成氨。由于合成氨反应是可逆反应，所以在上述合成过程中会有一定量的尾气排出，即合成氨弛放气，其主要成分是氢气，氮气和甲烷等组分，还有少量的氩，氨等气体。为了将合成氨弛放气中的有用气体回收，现有技术中已公开了多种处理合成氨弛放气的方法，其中常用的两种方法是变压吸附方法和膜分离方法。

变压吸附的主要原理是利用气体介质中不同组份在吸附剂上的吸附容量的不同，吸附剂在压力升高时进行选择性吸附气体中的特定组分，在压力降低时脱附得到再生气体。请参见图3，变压吸附依次包括预处理装置、变压吸附装置、精制装置，合成氨弛放气首先在预处理装置中经过水洗塔和分离器除去其中所含氨，然后进入变压吸附装置，其中的甲烷，氮气，氩气等气体被吸附，氢气组分不被吸附。弛放气通过吸附剂床层在吸附塔塔顶得到高浓度氢气，然后再经过精制装置进行处理得到纯净氢气；被吸附的甲烷，氮气，氩气碳等则通过再生过程作为脱附气从吸附塔塔底排出，作为燃料气燃烧掉。该方法虽然具有制备的氢气纯度高、压降小、氢气回收率高的优点，但对甲烷和氮气并未做进一步处理，而是白白燃烧掉。

膜分离的工作原理是利用高分子聚合物（如聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”进料气而达到气体分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分由于在聚合物中具有不同的溶解扩散系数，因此在渗透通过膜壁时具有不同的速率，渗透速率相对较快的气体有H₂O、H₂、He、CO₂，俗称“快气”；渗透速率相对较慢的气体有氮气、CO、甲烷及其它轻烃类气体，俗称“慢气”。这样，气体组分经过膜分离后被分离成低压的渗透气体和高压的非渗透气体。

利用膜分离处理合成氨弛放气时，驰放气中的大部分的H₂作为低压渗透气在塔底得到，经过压缩机压缩后返回氨合成系统；而大部分的CH₄、N₂、Ar等作为高压非渗透气经过降压后在厂内作为燃料气燃烧掉。这种处理工艺不但损失了甲烷，氮气等组分，而且浪费了很高的压力。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有对于煤层气和合成氨弛放气等富含甲烷的气体处理工艺中存在的不足，提供一种新的能够有效分离甲烷和氮气的深冷双塔精馏工艺。通过该工艺，可以将经过变压吸附或膜分离提氢后的尾气中的氮气和甲烷分离，得到的产品氮气纯度可以达到95%以上，可以作为合成工段的原料气，也可作为工厂氮气用。

根据需要，甲烷可以制成气态天然气或液化天然气，纯度可以达到98%。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：