一种含空气煤层气的全液化分离工艺的制作方法

专利名称：一种含空气煤层气的全液化分离工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体的液化分离工艺，尤其涉及一种含空气煤层气的全液化分离工艺。
背景技术：
煤层气，俗名瓦斯，甲烷在煤炭形成的过程中被煤体所吸附，即成为煤层气。我国 地质构造条件复杂，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井众多，仅在国有重点煤矿中就占45%。 瓦斯无色无味，易燃易爆，在煤层开发的过程中会解析分离并分散，当空气中的瓦斯浓度在 5.5% -16%之间并且有明火发生时，极易发生爆炸事故，这成为长期困扰煤矿安全生产的 严重问题，我国煤矿发生的特大、重大事故80%以上都是由瓦斯造成的。除此之外，甲烷直 接排入大气不仅会造成温室效应，而且对臭氧层还有破坏作用。我国一次能源结构上长期以来以煤炭为主，给环境带来了很大的压力，在国际市 场油价气价双创新高的情况下，依靠大量进口来改变能源消费结构并不现实。通过对煤层 气(主要成分为甲烷)的开发，不仅可解决煤矿生产安全问题，还可以改善能源结构，减少 污染，并取得良好的经济效益。随着能源问题越来越突出，煤层气的开发利用也在不断升 温。美国在煤层气的研究、勘探、开发利用方面处于世界领先地位，是率先取得煤层气商业 化开发的国家。我国这几年煤层气的开发利用发展迅速，已实现了初步的商业规模开发。我 国煤层气多分布于储量低、分布分散的小型气田，因此适于采用低温液化的方式进行开发 利用。常规天然气、煤层气液化工艺只关注如何液化烃类组分，而煤层气常含有CO2、氮、氧 等组分，尤其含氧煤层气是我国煤矿事故的根源，因此如何安全高效的分离、处理这些组分 是煤层气液化工艺的关键和难点。目前已有多种有关含氧煤层气的分离工艺及设备的发明专利，例如 200610080889. 4号中国专利申请。该专利申请公开的技术方案采用低温双级精馏实现烃与 气体的分离，以获得液化天然气产品。采用双级精馏可以实现烃、氮和氧的分离，但是两级 的精馏塔均需有独立的再沸器与再冷凝器，所采用的设备较多、工艺流程较为复杂，投资较 高，虽然能够实现气液分离，获得一定量的液化天然气产品，但是并未能实现液化天然气、 液氧和液氮三者的完全分离，中间还有一部分混合气体被引出释放到空气中，这会造成一 定的浪费。200610103425. 0号中国专利申请采用的单级精馏虽然设备简化，但是不能够实 现天然气、氧与氮的完全分离，中间有一部分混合气体被引出并释放到空气中，会造成一定 的浪费。

发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种含空气煤层气的分离工艺，通 过多步的分馏和气液分离，得到高纯度的液化天然气、液氧和液氮产品。为达到上述目的，本发明提供了一种含空气煤层气的全液化分离工艺，其是通过 包括双层烃氧分离塔和氮分离塔的全液化分离设备进行含空气煤层气的全液化分离，该双层烃氧分离塔包括上塔和下塔，并且，上塔和下塔之间设有冷凝蒸发器，该全液化分离工艺 包括以下步骤将经过压缩净化的含空气煤层气冷却后通入下塔中，通过下塔底部的加热(使下 塔底部的液体再沸)以及冷凝蒸发器的冷凝，使含空气煤层气中的烃类冷凝为液体落到下 塔的底部，获得液化天然气(LNG产品)；使分离了烃的气体(此时气体的主要成分为氮气 和氧气)上升到下塔的顶部，并在节流后进入上塔顶部，经过上塔顶部的出口进入氮分离 塔，或者使分离了烃的气体节流后进入氮分离塔中部，其中，通过氮分离塔顶部的冷凝使气 体中的氧气冷却为液氧回流到氮分离塔底部，并通过氮分离塔底部的出口离开，回到上塔 的顶部，并在上塔的底部输出；氮气则通过氮分离塔顶部的出口输出，冷却之后形成液氮。上述冷凝蒸发器实现上塔底部的低温液体与下塔顶部的高温气体之间的热交换， 分别实现对二者的蒸发和冷凝。该冷凝蒸发器与下塔连接的一侧可称为冷凝侧，与上塔连 接的一侧可以称为蒸发侧。上塔与下塔通过冷凝蒸发器结合在一起，组成双层烃氧分离塔， 其中，冷凝蒸发器的结构与常规的冷凝蒸发器基本相同，只要能够实现上塔底部的液体与 下塔顶部的气体之间的热量交换的冷凝蒸发器都可以适用。在上述全液化分离设备中，可 以使冷凝蒸发器与上、下塔连接为一个整体，即将单个冷凝蒸发器单元(即换热器)布置在 上塔中或将多个冷凝蒸发器单元在上塔内按单层星形排列，或者在上塔外设置辅助冷凝蒸 发器；也可以采用单独布置的冷凝蒸发器，即将多个冷凝蒸发器单元并联置于圆筒形容器 内，用管道与上、下塔分别连接，其中，换热单元可以采用板翅式、列管式和盘管式等结构形 式。在本发明提供的全液化分离工艺中，含空气煤层气首先进行常规的压缩净化处 理，包括过滤、脱酸性气体、脱水、脱汞等步骤，然后进入冷却系统进行冷却，一般可以将含 空气煤层气的冷却温度控制为约-140°C至-160°C。其中，上述冷却所需要的冷量可以由常 规的冷却系统提供。压缩净化处理之后的气体以烃类、氮气、氧气为主。本发明提供的全液化分离工艺所采用的双层烃氧分离塔由上塔和下塔组成，其 中，上塔为氮氧分离塔的精馏段，下塔为一烃与氮氧组分的分离塔，常规的精馏分离塔的顶 部和底部分别设有一再冷凝器和再沸器，本发明所采用的双层烃氧分离塔的上塔和下塔通 过一个冷凝蒸发器组合在一起，该冷凝蒸发器可以替代常规的氮氧分离塔底部的再沸器以 及常规的烃分离塔顶部的再冷凝器，使下塔顶部的气体与上塔底部的液体进行热量交换， 实现烃类在下塔顶部的冷凝(冷凝后的气体组分以氮、氧为主)回流、以及上塔底部的液体 的再沸，这样可以简化全液化分离的工艺步骤，减少所使用的设备数量。为了实现上述的目标，在全液化分离工艺中，优选地，可以通过调节上塔和下塔的压力(例如可以通过对由下塔进入上塔的气体进行节流实现)，控制所述上塔底部的温度 低于所述下塔顶部的温度。通过控制上塔和下塔的操作压力之差，控制上塔底部的温度 (再沸温度)比下塔顶部的温度(回流温度)低0. 5-30C (优选l-2°c )；优选地，控制上塔 的操作压力为300-450kPa，控制下塔的操作压力为700_1100kPa。在本发明提供的全液化分离工艺中，可以通过常规的冷却系统提供冷量，优选地， 采用单级混合制冷剂循环提供冷量，使含空气煤层气依次通过单级混合制冷剂循环装置的 第一冷箱和第二冷箱进行冷却之后进入液化分离系统，该装置一般包括一段压缩机、一 段空冷器、一段气液分离罐、二段压缩机、二段空冷器、二段气液分离罐、第一冷箱和第二冷箱，一段气液分离罐具有一入口、一顶部出口以及一底部出口，其中一段压缩机、一段空冷器、一段气液分离罐的入口、一段分离气液罐的底部出口、 第一冷箱(第二流道)、第一 JT阀和第一冷箱(第三流道)依次连接，形成高温循环；一段压缩机、一段空冷器、一段气液分离罐的入口、一段气液分离罐的顶部出口、 二段压缩机、二段空冷器、二段气液分离罐、第一冷箱(第一流道)、第二冷箱(第二流道)、 第二 JT阀、第二冷箱(第三流道)和第一冷 箱(第三流道)依次连接，形成低温循环。采用上述装置提供冷量，以便对含空气煤层气以及氮分离塔的顶部获得的氮气 进行冷却，可以按照以下的方法进行制冷剂经一级压缩至1.4-1. SMPa并气液分离成液 态的第一制冷剂和气态的第二制冷剂，液态的第一制冷剂经过第一冷箱进行预冷至-50°C 至-120°C，然后节流至0. 2-0. 3MPa，而气态的第二制冷剂经二级压缩、空气冷却后，依次经 过第一冷箱、第二冷箱冷却至_170°C至_190°C，节流至0. 2-0. 3MPa后返回到第二冷箱提供 低温位冷量，并在温度升高至_50°C至-130°C后，与节流后的第一制冷剂混合，进入第一冷 箱提供高温位冷量，并返回制冷压缩机，其中，第二制冷剂在经过第一冷箱之后进入第二冷 箱时是气液两相的，经过第二冷箱的冷却后，第二制冷剂是液态的。一般地，经过气液分离 得到的气态的第二制冷剂在进入第一冷箱之前，可以再进行一次气液分离，然后混合进入 第一冷箱。在制冷时所采用的制冷剂可以是混合冷剂，其中氮的含量要高于常规的MRC装置 所采用的制冷剂，一般在30%以上，以提供氮分离塔顶回流所需的较低温位的冷量。优选 地，所采用的制冷剂为混合制冷剂，该制冷剂包括甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮等中的一种 或几种的组合；更优选地，该制冷剂具有以下组成(摩尔含量)甲烷15. 00-20. 00%、乙烯 7. 00-18. 00%、丙烷 6. 00-17. 00%、异戊烷 5. 00-16. 00% 以及氮 40. 00-51. 00%，各组分之 和满足100%。第一制冷剂和第二制冷剂的组成是相同的。在全液化分离过程中，含空气煤层气经过冷却之后，使其由双层烃氧分离塔的下 塔中部进入，并在下塔底部对含空气煤层气进行加热(通过控制含空气煤层气在制冷系统 中被冷却的温度，可以控制含空气煤层气进入下塔时的状态，既可以是全液体进料，也可以 是气液两相进料，优选采用全液体进料的方式；如果是气液两相进料，进入下塔之后，液体 部分会下落而气体部分沿塔上升，在下塔底部的加热仅是对这一液体部分进行)，使其气化 沿下塔上升，下塔顶部的气体通过冷凝蒸发器与上塔底部的低温液体(该部分低温液体是 上塔顶部冷凝液化落下的液体，在实际生产中，整个全液化分离工艺是连续进行的)进行 热量传递，气体中的烃类成分(气体中的氮、氧含量很高，其中的一部分氮、氧也会同时冷 凝液化进入由上向下流动的液体中；液体中的氮氧在与上升的气体进行热质交换的时候， 会重新汽化并进入由下向上流动的气体中)冷凝液化，落到下塔的底部(在下落过程中，这 部分液体会与上升的气体接触，使气体中的部分烃类被冷却为液体，并回流到下塔底部，而 液体中的氮和氧也会气化并随气体沿下塔上升)，得到高纯度的液态烃(液化天然气)。这 部分液态烃的温度很低，其沸腾所产生的冷量可以回收，优选地，在本发明的全液化分离工 艺中，使下塔底部获得的液态烃(液化天然气)进入第二冷箱(下塔底部可以通过管道与 第二冷箱相连接)与制冷剂实现冷热交换并形成气态烃(气态天然气)和液态烃(液化天 然气)的混合物，其中气体含量大约在50% -80%之间，经过气液分离之后，气态烃回流至 下塔底部，液态烃输出，得到液化天然气产品。
在烃类冷凝回流到下塔底部的同时，上升到下塔顶部的分离了烃类的气体(几乎 不含烃的氮氧混合气体)离开下塔，在节流后进入上塔，并通过上塔顶部进入氮分离塔(大 部分气体直接进入氮分离塔，但是在此过程中，会与上塔底部由冷凝蒸发器加热而蒸发的 气体混合)，或者，分离了烃类的气体也可以在节流之后，直接进入氮分离塔的中部。在氮分 离塔中，来自上塔的气体在向上流动过程中与从氮分离塔顶部由上向下流动的液体进行热 质交换，气体中的氧不断被从塔顶由上向下流动的回流液冷却成液体而落下，而液体中的 氮则气化并随气体上升，在此过程中，气体中的氮含量不断升高，越靠近顶部氮含量越高， 在氮分离塔顶部得到纯度很高的氮气；落到氮分离塔底部的液体(通过氮分离塔底部的出 口离开)通过泵及管线回到上塔顶部，然后下落到上塔底部(在此过程中，可以实现进一步 的精馏)，输出得到较高纯度的液氧产品，氧含量为约95%-99%，且其中的烃含量极低，大 约为0. 01% -0. 001%。上塔底部的一部分液体被冷凝蒸发器蒸发侧加热成为气体并沿上 塔上升，上升过程中，这部分气体会与由上塔顶部下落的液体进行热质交换，气体中的氧气 不断地被冷却液化并下落到上塔底部，而氮气会继续上升，下落到上塔底部的液氧一部分 作为液氧输出，另一部分则重新被加热而再沸，通过上塔顶部的出口离开上塔并进入氮分 离塔中进行进一步的提馏，气体中的氧不断被冷凝并进入由上向下流动的液体中，而液体 中的氮不断汽化并进入由下向上流动的气体中，从而在氮分离塔顶部得到纯度很高的气态 氮，冷却之后得到液氮产品，对氮气所进行的冷却可以通过冷却系统(即单级混合制冷剂 循环)或者常规的低温冷却装置进行，优选地，在本发明的全液化分离工艺中，对于氮气的 冷却采用冷却系统进行，使氮分离塔顶部获得的氮气进入第二冷箱被冷却形成液氮，一部 分(一般在50% -70%左右)液氮回流到氮分离塔顶部(回流的液氮从氮分离塔顶部向下 流动，与自下而上流动的气体进行热质交换，使气体中的氧不断冷凝为液体向下流动，从而 在氮分离塔顶部得到高纯度的氮)，另一部分液氮输出得到高纯度的液氮产品；或者，采用 常规的低温冷却装置对氮气进行冷却，使氮分离塔顶部获得的氮气离开氮分离塔之后进入 低温冷却装置中，冷却为液氮，使其中一部分液氮回流到氮分离塔顶部，另一部分输出得到 液氮产品。本发明还提供了一种实现上述含空气煤层气全液化分离工艺的全液化分离设备， 其包括压缩净化系统、冷却系统与液化分离系统；所述液化分离系统包括一双层烃氧分离塔和一氮分离塔，所述双层烃氧分离塔由 上塔和下塔组成，所述下塔具有一供含空气煤层气进入的入口(该入口可以设置在下塔的 中部)，所述下塔的底部具有一出口以及一入口，所述下塔顶部具有一出口，所述上塔顶部 具有一第二入口以及一出口，所述上塔底部具有一用于输出液氧的出口，并且，所述上塔和 下塔之间设有一冷凝蒸发器；所述氮分离塔顶部具有一用于输出氮气的出口，该出口与所 述冷却系统相连接(也可以与一单独的低温冷却装置连接，用于将氮气冷却为液氮)，并 且，所述氮分离塔底部具有一入口以及一出口 ；其中，输送含空气煤层气的管道依次通过所述压缩净化系统、所述冷却系统，并连接到 所述下塔供含空气煤层气进入的入口 ；所述上塔顶部设置一第一入口，所述下塔顶部的出口通过JT阀与所述上塔顶部 的第一入口连接，或者，所述氮分离塔中部设置一入口，所述下塔顶部的出口通过JT阀与 所述氮分离塔中部的入口连接；当采用前一种方案时，不需要在氮分离塔的中部设置入口，当采用后一种方案时，上塔顶部不设置第一入口 ；所述上塔顶部的出口与所述氮分离塔底部的入口连接；所述氮分离塔底部的出口与所述上塔顶部的第二入口连接；所述液化分离系统具有一第一气液分离罐，所述下塔底部的出口通过管道与所述第一气液分离罐连接，并且该管道经过所述冷却系统；所述第一气液分离罐与所述下塔底 部的入口连接，并且，所述第一气液分离罐还具有一输出液化天然气的出口。在上述分离设备中，可以有以下两种方式实现下塔底部的再沸下塔底部出口出 来的液体经过第二冷箱(第五流道)，向第二冷箱提供冷量而自身被加热实现再沸，然后在 第一气液分离罐中实现气液分离，液体作为液化天然气输出，而气体回到下塔中由下向上 流动；也可以在下塔底部设置一个再沸器，与下塔底部的出口和入口相连接，以便于利用来 自外部的热量对下塔底部的液体进行加热使其再沸，例如采用常规的加热装置，使下塔底 部出口与再沸器连接，由加热装置向再沸器提供热量使其中的部分液体沸腾回到下塔向上 流动，另一部分液体作为液化天然气产品输出。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述液化分离系统 具有一第二气液分离罐，其中，所述氮分离塔顶部的出口通过管道与所述第二气液分离罐 的入口连接，并且，该管道先经过所述冷却系统；所述第二气液分离罐的一出口(气体出口)与所述氮分离塔的顶部入口连接，并 且，所述第二气液分离罐还具有一输出液氮的出口(液体出口)。在上述的全液化分离设备中，所述压缩净化系统用于对含空气煤层气进行压缩净 化，包括过滤、脱酸性气体、脱水、脱汞等，可以采用常规的系统或装置。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述氮分离塔顶部 出口通过管道并经过所述冷却系统的第二冷箱与第二气液分离罐的入口连接。从氮分离塔 顶部出口流出的气体(组成为高纯度的氮)在冷却系统中被制冷剂冷却为液体，然后经过 第二气液分离罐(用于在非正常工况下保护泵)和泵，一部分作为液氮产品输出，另一部分 作为回流液体通过氮分离塔顶部的入口进入氮分离塔。从氮分离塔底部出口离开的液体进入双层烃氧分离塔上塔中后，从上向下流动， 在此过程中与由下向上流动的气体进行热质交换；沿着上塔的顶部到底部，氮含量逐渐降 低而氧含量逐渐上升，在上塔底部由冷凝蒸发器蒸发侧加热沸腾，一部分液体汽化向上流 动，另一部分未汽化的液体即为纯度较高的液氧产品。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，输送含空气煤层气 的管道依次通过所述压缩净化系统、所述第一冷箱以及所述第二冷箱连接到所述下塔供含 空气煤层气进入的入口。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述下塔底部的出 口通过管道并经过所述冷却系统的第二冷箱(第五流道)与第一气液分离罐的入口连接。 下塔底部出口的管道首先经过第二冷箱(第五流道)，以使其中的液化天然气与第二冷箱 中的制冷剂进行冷热交换，回收液化天然气中的冷量，并对液化天然气进行加热，使部分液 化天然气蒸发为气态，该管道经过第二冷箱之后，连接到第一气液分离罐的入口。在上述全液化分离设备中，优选地，所述氮分离塔顶部的出口通过管道并经过所 述冷却系统的第二冷箱(第一流道)与所述第二气液分离罐的入口连接。氮分离塔顶部输出的氮气经过第二冷箱(第一流道)被冷却成液氮之后，可以通过管路和阀门进行分割，一 部分输出为液氮产品，一部分回到氮分离塔中。在管路中，可以设置一个泵，用于提供流动 的动力，并且，在第二冷箱与上述泵之间可以设置一气液分离罐，以保护上述泵。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述氮分离塔底部 的出口与所述上塔顶部的第二入口之间设有一泵，用于泵送氮分离塔底部的出口输出的液 体。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述第二冷箱与所 述第二气液分离罐的入口之间的管道上设有一泵，用于泵送在第二冷箱中冷却得到的液 氮。在本发明提供的含空气煤层气的全液化分离设备中，优选地，所述双层烃氧分离 塔的下塔底部的出口与所述第二冷箱之间设有一泵，用于泵送在下塔底部获得的液化天然气。本发明提供的含空气煤层气全液化分离工艺具有以下一些优点1、通过采用本发明提供的分离工艺，能够对含空气煤层气进行充分的分离，避免 浪费；2、分离得到的产品是三种高纯度的液体产品，有利于储存运输；3、通过采用双层烃氧分离塔来进行烃、氧的分离，可以有效利用此分离过程中所 产生的冷量和热量，有利于简化流程，减少设备，节约成本。


以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其 中图1为实施例2所采用的全液化分离设备的结构示意图；图2为实施例3所采用的全液化分离设备的结构示意图；图3为实施例4所采用的全液化分离设备的结构示意图；图4为本发明提供的全液化分离设备中的冷凝蒸发器的结构示意图。附图标号说明压缩净化系统、1 ；冷却系统、2 ；—段压缩机、201 ；—段空冷器、202 ；—段气液分离 罐、203 ；二段压缩机、204 ；二段空冷器、205 ；二段气液分离罐、206 ；第一冷箱、207 ；第二冷 箱、208 ；第一 JT阀、209 ；第二 JT阀、210 ；上塔、301 ；下塔、302 ；冷凝蒸发器、303 ；氮分离 塔、304 ；第一气液分离罐、305 ；第二气液分离罐、306 JT阀、307 ；泵、308 309 310 ；隔板、 401 ；蒸发侧入口、402 ；冷凝侧出口、403 ；蒸发侧出口、404 ；冷凝侧入口、405。
具体实施例方式为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现参照说明书附 图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。实施例1本实施例提供了一种含空气煤层气的全液化分离工艺，该工艺所采用的烃氧分离 设备为一双层烃氧分离塔，该双层烃氧分离塔包括上塔和下塔，并且，上塔和下塔之间设有冷凝蒸发器；该全液化分离工艺包括以下步骤将经过压缩净化的含空气煤层气冷却后通入下塔的中部，通过下塔底部的加热以 及冷凝蒸发器冷凝侧的冷凝，在下塔的底部获得液态烃，并使分离了烃的混合气体在节流 后进入上塔顶部，或者使分离了烃的混合气体在节流后进入氮分离塔中部，在下塔中，越靠 近底部，液态烃的含量越高，氮气和氧气的含量越低，相反，越靠近顶部，烃的含量越低，氮 气和氧气的含量越高；混合气体进入上塔之后再通过管路进入氮分离塔(或者混合气体不经过上塔而 直接进入氮分离塔)；混合气体进入氮分离塔后由下向上流动，通过与由上向下流动的液 体之间的热质交换，在氮分离塔顶部获得纯度很高的氮气，冷却之后得到高纯度的液氮，其 中，一部分液氮作为回流液回流到氮分离塔，并在塔中由上向下流动(即上述由上向下流 动的液体)，从而与由下向上流动的气体进行热质交换，另一部分作为产品输出，得到液氮； 在上述热质交换过程中，混合气体中的氧会逐渐冷凝为液体，并随由上向下流动的液体下 落到氮分离塔底部；在氮分离塔中，越靠近底部，氧的含量越高，氮气的含量越低，相反，越 靠近顶部，氧的含量越低，氮气的含量越高；从氮分离塔底部离开的液体从顶部进入上塔并向下流动，继续与上升的气体进行 热质交换，从而在上塔底部得到纯度很高的液氧；在上塔中，越靠近底部，氧的含量越高，氮 气的含量越低，相反，越靠近顶部，氧的含量越低，氮气的含量越高。实施例2本实施例提供了一种含空气煤层气的全液化分离工艺，其中，所采用的全液化分 离设备如图1所示。该全液化分离设备包括压缩净化系统1、冷却系统2和液化分离系统，其中，压缩 净化系统1用于对含空气煤层气进行压缩净化，冷却系统2用于提供冷量并可以对部分产 物的冷量进行回收，上述二者均可以采用本领域常用的系统；液化分离系统包括一双层烃氧分离塔和一氮分离塔304，双层烃氧分离塔由上塔 301和下塔302组成，上塔301和下塔302之间设有冷凝蒸发器303 ；输送含空气煤层气的管道依次通过压缩净化系统1、冷却系统2连接到下塔302中 部的入口(即供含空气的液化煤层气进入的入口)，下塔302底部的出口通过管道经过冷却 系统2与第一气液分离罐305连接，该第一气液分离罐305通过管道与下塔302底部的入 口连接，并且，该第一气液分离罐305具有一液化天然气出口 ；下塔302顶部的出口通过JT阀307与上塔301顶部的第一入口连接；上塔301顶部的出口与氮分离塔304底部的入口连接，氮分离塔304顶部的出口 与一经过冷却系统2的管道连接，该管道在经过冷却系统2之后分为两个管道，其中一个与 氮分离塔304顶部入口连接，另一个则作为液氮的输出口 ；氮分离塔304底部的出口通过管道与上塔301顶部的第二入口连接，上塔301的
底部具有一液氧出口。本实施例提供的全液化分离工艺包括以下步骤将经过压缩净化的含空气煤层气冷却后通入下塔302的中部，通过下塔302底部 的加热以及冷凝蒸发器303的冷凝，在下塔302的底部获得液态烃(液化天然气)，并使分 离了烃的混合气体在节流后进入上塔301顶部；
上述混合气体通过上塔301顶部的出口离开，并通过氮分离塔304底部的入口进 入氮分离塔304中；混合气体在氮分离塔304中沿塔上升，在上升过程中，氧气逐渐冷凝为 液体下落到氮分离塔304底部，并由底部出口离开，通过上塔301顶部的第二入口进入到上 塔301中，然后下落到上塔301底部，通过底部的出口输出，得到液氧产品，在上塔301的底 部，部分液体(包括液氮和液氧)会在冷凝蒸发器303的加热作用下再次蒸发为气体并沿 上塔301上升，参与上塔301中的分离过程；而氮气则通过氮分离塔304顶部出口输出，在 冷却之后形成液氮，一部分作为液氮产品输出，另一部分作为回流液回到氮分离塔304中， 并由上向下流动，继续参与分馏过程。实施例3本实施例提供了一种含空气煤层气的全液化分离工艺，其中，所采用的全液化分 离设备如图2所示。在该全液化分离设备中，冷却系统包括一段压缩机201、一段空冷 器202、一段气 液分离罐203、二段压缩机204、二段空冷器205、二段气液分离罐206、第一冷箱207和第二 冷箱208，一段气液分离罐203具有一入口、一顶部出口以及一底部出口，其中一段压缩机201、一段空冷器202、一段气液分离罐203的入口、一段分离气液罐 203的底部出口、第一冷箱(第二流道)207、第一 JT阀209和第一冷箱(第三流道)207依 次连接，形成高温循环；一段压缩机201、一段空冷器202、一段气液分离罐203的入口、一段气液分离罐 203的顶部出口、二段压缩机204、二段空冷器205、二段气液分离罐206、第一冷箱(第一流 道)207、第二冷箱(第二流道)208、第二 JT阀210、第二冷箱(第三流道)208和第一冷箱 (第三流道)207依次连接，形成低温循环；该全液化分离设备设有一连接到下塔302底部入口的第一气液分离罐305，该第 一气液分离罐305还具有一输出液化天然气的出口 ；双层烃氧分离塔的下塔302的底部出口与第二冷箱208之间设有一低温泵308， 并且，用于连接下塔302的底部出口与第一气液分离罐305的管道经过第二冷箱(第五流 道)208，用于实现低温液化天然气与制冷剂之间的冷热交换，以回收冷量；氮分离塔304的底部出口与上塔302的顶部第二入口之间设有一低温泵309 ；氮分离塔304的顶部出口连接有一管道，该管道经过第二冷箱208，用于实现低 温制冷剂与氮气之间的冷热交换，以使氮气冷凝得到液氮；在该管道上可以设置一低温泵 310，用于提供液氮流动的动力，并且，在第二冷箱208与低温泵310之间的管道上可以设置 一第二气液分离罐306，以保护低温泵310 ；在上述全液化分离设备中，在第一冷箱207中，由上到下并列的四个流道分别为 第一、第二、第三和第四流道，在第二冷箱208中，由上到下并列的五个流道分别为第一、第 二、第三、第四和第五流道；经过压缩净化之后的含空气煤层气依次经过第一冷箱207的第 四流道和第二冷箱208的第四流道进行冷却，然后进入下塔302。上述全液化分离设备的其他结构均与实施例2所采用的全液化分离设备相同。本 实施例所提供的含空气煤层气的全液化分离工艺包括以下步骤利用压缩净化系统1对含空气煤层气进行压缩净化；使输送经压缩净化的含空气煤层气(摩尔含量甲烷、49%，乙烷、1%，氮、40%，氧、10%，少量杂质可忽略不计，温度为30°C，压力为2000kPa)的管道进入第一冷箱(第四 流道)207，使含空气煤层气与制冷剂进行换热，含空气煤层气冷却到-145°C后，由双层烃 氧分离塔的下塔302中部的入口进入下塔302 ；下塔302中的操作压力控制为885kPa-920kPa，冷凝蒸发器303的冷凝温度(下塔 302顶部的回流温度)为-167. 1°C，利用上塔301底部液体再沸提供的冷量使下塔302中 向上流动的气体(下塔302顶部的气体的组分主要为氮、氧，并含有极少量的烃类)冷却回 流，从而在下塔302顶部得到温度为-167. 1°C，压力为885kPa的洁净空气(几乎不含烃的 混合气体)，其中甲烷的摩尔含量低于0. 02% ；回流到下塔302底部的液体温度为-125. 1°C、压力为920kPa，其主要成为纯烃 类，通过底部出口经过低温泵308之后进入第二冷箱(第五流道)208,液态烃类在第二冷 箱208中与制冷剂进行冷热交换(液态烃类提供冷量)，大约64. 5%的烃类蒸发，形成气态 和液态烃类的混合物，然后进入第一气液分离罐305进行分离，其中，气态烃类回流到下塔 302中并由下向上流动，继续参与全液化分离过程，即与自上向下流动的液体进行热质交 换，而液态烃类由第一气液分离罐305的出口输出，成为压力在920kPa下的高纯度(其中 的氧含量一般为0. 01% -0. 02%或者更低)液化天然气(LNG)产品；
分离了烃类的混合气体通过下塔302顶部的出口，经过JT阀307节流至410kPa、 温度降为-175. 4°C后，进入上塔301中，然后由上塔301顶部出口进入氮分离塔304底部， 并在氮分离塔304中向上流动，其中，由下向上氮的含量逐渐增加，在到达氮分离塔顶部时 成为纯度很高的氮气，氮气进入与氮分离塔304顶部出口连接的管道中，并在经过第二冷 箱(第一流道)208时被冷却成液氮，依次经过第二气液分离罐306 (用于在异常情况下保 护泵310)和泵310之后，一部分液氮回到氮分离塔304顶部作为回流液体(由上向下流动 至氮分离塔底部，在此过程中与由下向上流动的气体进行热质交换，液体中氮的含量逐渐 降低而氧的含量逐渐升高)，另一部分液氮输出为高纯的液氮产品；双层烃氧分离塔的上塔301的操作压力控制为370kPa-400kPa，上塔301顶部通过 外部管道与氮分离塔304相连，构成一个完整的精馏一提馏过程；氮分离塔304底部的液体 经过氮分离塔304底部出口离开，由上塔301顶部的第二入口进入上塔301顶部，并向下流 动(在此过程中与由下向上流动的气体进行热质交换，液体中氮的含量逐渐降低而氧的含 量逐渐升高)，在上塔301底部的冷凝蒸发器303蒸发侧，利用下塔302顶部回流提供的热 量使液体再沸(此处液体组分以氧为主，仅含有极少量的氮)，上升到上塔301顶部，从而在 上塔301底部得到高纯度的液氧产品，其中含有少量氮(摩尔含量低于3%)和极少量的 甲烷(摩尔含量低于0. 1%)；同时，上塔301底部的液氧温度较低，可以为冷凝蒸发器303 对下塔302顶部的气体的冷却(烃类的冷凝回流)提供冷量，这样可以减少换热温差，提高 能量利用效率，并且减少设备，简化工艺流程，降低投资。在上述的冷热交换中，上塔302底 部的再沸温度(冷凝蒸发器303蒸发侧的温度)为-168. 1°C，比下塔302顶部的回流温度 (冷凝温度，冷凝蒸发器303冷凝侧的温度)-167. 1°C低1°C，由于两者通过冷凝蒸发器303 直接相连，并通过相变换热，所以换热温差小，能够提高能量的利用效率；上升到上塔301顶部的气体可以与由上塔301顶部入口进入的气体(来自下塔 302的、经过节流的气体)混合后一起进入氮分离塔304的底部并向上流动，在流动过程中， 氧气逐渐液化并落到氮分离塔304的底部；氮分离塔304顶部的气体(温度为-182. 1°C、压力为380kPa)，其组成接近纯氮，可以直接进入第二冷箱(第一流道)208与制冷剂换热， 冷却使其中全部气体液化得到液氮，其中70. 6%的液氮回到氮分离塔304的顶部作为回流 液向下流动(这部分回流的液氮能够为氧气的冷凝提供冷量，同时有利于保证所获得的液 氮的纯度)，其余的通过出口输出，得到高纯度的液氮产品，纯度在99. 98%以上；在上述全液化分离过程中，冷量由单一的混合制冷剂循环(MRC装置)提供，制冷 剂(混合制冷剂)中氮的含量很高，以与液化分离系统的冷量需求相适应，制冷剂的摩尔组 成如下甲烷、19. 95%，乙烯、12. 37%，丙烷、11. 42%，异戊烷、10. 46%，氮、45. 8%。低压的 混合制冷剂经一段压缩机201压缩至1662kPa，在一段空冷器202中冷却至40°C后，通过一 段气液分离罐203进行气液分离，液相制冷剂经过第一冷箱(第二流道)207预冷至-80°C 后，通过JT阀209节流至260kPa后返回第一冷箱207 (第三流道)提供冷量，气相制冷剂进 入二段压缩机204压缩至3988kPa，在二段空冷器205中冷却至40°C后，气液两相同时依次 经过第一冷箱(第一流道)207、第二冷箱(第二流道)208，冷却至-184°C后，通过JT阀节 流至240kPa、温度约为-187°C后，返回第二冷箱(第三流道)208提供冷量；制冷剂在第二 冷箱中会与来自氮分离塔304顶部的氮气进行冷热交换，以使氮气冷却为液氮，同时制冷 剂还与来自下塔302底部的液态烃进行冷热交换，以回收冷量，并用于对经过第一冷箱(第 三流道)207的含空气煤层气的冷却。实施例4本实施例提供了一种含空气煤层气的全液化分离工艺，其中，所采用的全液化分 离设备如图3所示。该全液化分离设备中，氮分离塔304的中部设有一入口，下塔302顶部的出口，经 过JT阀与氮分离塔304中部的入口，并且，上塔301顶部不设置第一入口，其他基本结构与 实施例3所采用的全液化分离设备基本相同。在实际生产中，双层烃氧分离塔和氮分离塔 304的高度可以相应地进行调整，减少双层烃氧分离塔中(上塔)的塔板数量，相应地增加 氮分离塔304中的塔板数量。在本实施例提供的全液化分离工艺中，在下塔302中分离了烃类的混合气体通过 下塔302顶部的出口，经过JT阀307节流至410kPa、温度降为-175. 4°C后，也不再进入上 塔301中，而是直接进入氮分离塔304中部的入口。实施例5本实施例提供了一种冷凝蒸发器，其是与上、下塔连接成整体的浸浴式冷凝蒸发 器，可以采用单个板翅式的换热器单元(即冷凝蒸发器单元)。上述冷凝蒸发器的结构如图 4所示。将单个板翅式的冷凝蒸发器单元设置在上塔底部的正中位置，并采用螺栓将冷凝 蒸发器与上塔底部的隔板401固定在一起(此隔板将上塔、下塔分成两个互不连通的空 间)。在实际运行时，液氧会在上塔的底部积聚，从而将冷凝蒸发器单元大部分浸没在液氧中。冷凝蒸发器单元的底部有一蒸发侧入口 402和一冷凝侧出口 403，冷凝蒸发器单元 的顶部有一蒸发侧出口 404和一冷凝侧入口 405。冷凝蒸发器单元的蒸发侧入口 402和蒸 发侧出口 404与冷凝蒸发器单元内供液氧在其中蒸发的流道相连，而冷凝蒸发器单元的冷 凝侧入口 405和冷凝侧出口 403和供下塔顶部气体在其中冷凝的流道相连。
下塔顶部的气体通过管道与冷凝蒸发器顶部的冷凝侧入口 405相连接，下塔顶部 的气体通过冷凝侧入口 405进入冷凝蒸发器后与蒸发器中的液氧换热，使来自下塔的部分 气体凝结为液体向下流动，从冷凝蒸发器底部的冷凝侧出口 403流出再经过管路流回至下 塔；而来自下塔未凝结的气体则通过管路(如图4最右侧所示)与节流阀连接，节流后进入 上塔或者节流后进入氮分离塔中部。液氧从冷凝蒸发器底部的蒸发侧入口 402进入冷凝蒸发器的蒸发侧，与来自下塔 的气体进行换热，使液氧气化为气体向上流动，从冷凝蒸发器顶部的蒸发侧出口 404流出 至上塔大空间中。蒸发侧出口和入口只要能实现蒸发侧流道空间分别与上塔底部积聚的液 体和液体上方的大空间连通即可，对其开口的大小、具体位置和形状并无特殊要求，对于板 翅式冷凝蒸发器单元一般采取将蒸发侧流道最上一层和最小一层封头取消的方式即可实 现。本实施例提供的仅仅是冷凝蒸发器的结构以及设置方式中的一种，本发明所能够 采用的并不限于此，其他能够实现其功能的冷凝蒸发器均可以用于本发明的技术方案中。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发 明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改 或者等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
一种含空气煤层气的全液化分离工艺，其是通过包括双层烃氧分离塔和氮分离塔的全液化分离设备进行含空气煤层气的全液化分离，所述双层烃氧分离塔包括上塔和下塔，并且，上塔和下塔之间设有冷凝蒸发器，该全液化分离工艺包括以下步骤将经过压缩净化的含空气煤层气冷却后通入下塔中，通过下塔底部的加热以及冷凝蒸发器的冷凝，使含空气煤层气中的烃类冷凝为液体落到下塔的底部，获得液化天然气；使分离了烃的气体上升到下塔的顶部，并在节流后进入上塔顶部，经过上塔顶部的出口进入氮分离塔，或者使分离了烃的气体节流后进入氮分离塔中部；其中，通过氮分离塔顶部的冷凝使气体中的氧气冷却为液氧回流到氮分离塔底部，并通过氮分离塔底部的出口离开，回到上塔的顶部，在上塔的底部输出；氮气则通过氮分离塔顶部的出口输出，冷却之后形成液氮。
2.如权利要求1所述的全液化分离工艺，其中，控制所述含空气煤层气的冷却温度 为-140°CM _160°C。
3.如权利要求1所述的全液化分离工艺，其中，调节上塔和下塔的压力，控制所述上塔 底部的温度低于所述下塔顶部的温度。
4.如权利要求3所述的全液化分离工艺，其中，控制所述上塔的压力为300-450kPa，控 制所述下塔的压力为700-1100kPa。
5.如权利要求3所述的全液化分离工艺，其中，控制所述上塔底部的温度低于所述下 塔顶部的温度0. 5-3°C。
6.如权利要求1所述的全液化分离工艺，其中，采用单级混合制冷剂循环装置按照以 下的方法为液化分离系统提供冷量，使含空气煤层气依次通过单级混合制冷剂循环装置的 第一冷箱和第二冷箱进行冷却之后进入液化分离系统制冷剂经一级压缩至1. 4-1. SMPa并气液分离成液态的第一制冷剂和气态的第二制冷 齐IJ，液态的第一制冷剂经过第一冷箱进行预冷至_50°C至_120°C，然后节流至0. 2-0. 3MPa, 而气态的第二制冷剂经二级压缩、空气冷却后，依次经过第一冷箱、第二冷箱冷却至-170°C 至-190°C，节流至0. 2-0. 3MPa后返回到第二冷箱提供低温位冷量，并在温度升高至_50°C 至-130°C后，与节流后的第一制冷剂混合，进入第一冷箱提供高温位冷量，并返回制冷压缩 机。
7.如权利要求6所述的全液化分离工艺，其中，使所述烃氧分离塔下塔底部获得的液 化天然气进入第二冷箱与制冷剂实现冷热交换并形成气态天然气和液化天然气的混合物， 经过气液分离之后，气态天然气回流至下塔底部，液化天然气输出。
8.如权利要求7所述的全液化分离工艺，其中，使所述氮分离塔顶部输出的氮气进入 第二冷箱中冷却形成液氮，部分液氮回流至氮分离塔顶部。
9.如权利要求7所述的全液化分离工艺，其中，所述制冷剂的组成包括甲烷、乙烯、丙 烷、异戊烷和氮中的一种或几种的组合。
10.一种用于权利要求1-9任一项所述的全液化分离工艺的全液化分离设备，其包括 压缩净化系统、冷却系统与液化分离系统，其特征在于所述液化分离系统包括一双层烃氧分离塔和一氮分离塔，所述双层烃氧分离塔由上塔 和下塔组成，所述下塔具有一供含空气煤层气进入的入口，所述下塔的底部具有一出口以 及一入口，所述下塔顶部具有一出口，所述上塔顶部具有一第二入口以及一出口，所述上塔底部具有一用于输出液氧的出口，并且，所述上塔和下塔之间设有一冷凝蒸发器；所述氮 分离塔顶部具有一用于输出氮气的出口，该出口与一低温冷却装置或者所述冷却系统相连 接，并且，所述氮分离塔底部具有一入口以及一出口 ；其中，输送含空气煤层气的管道依次通过所述压缩净化系统、所述冷却系统，并连接到所述 下塔供含空气煤层气进入的入口；所述上塔顶部设置一第一入口，所述下塔顶部的出口通过JT阀与所述上塔顶部的第 一入口连接，或者，所述氮分离塔中部设置一入口，所述下塔顶部的出口通过JT阀与所述 氮分离塔中部的入口连接；所述上塔顶部的出口与所述氮分离塔底部的入口连接； 所述氮分离塔底部的出口与所述上塔顶部的第二入口连接；所述液化分离系统具有一第一气液分离罐，所述下塔底部的出口通过管道与所述第一 气液分离罐连接，并且该管道经过所述冷却系统；所述第一气液分离罐与所述下塔底部的 入口连接，并且，所述第一气液分离罐还具有一输出液化天然气的出口。
全文摘要
本发明涉及一种含空气煤层气的全液化分离工艺。该工艺是通过包括双层烃氧分离塔和氮分离塔的设备进行含空气煤层气的全液化分离，双层烃氧分离塔包括上塔和下塔，上塔和下塔之间设有冷凝蒸发器，该工艺包括以下步骤将经过压缩净化的含空气煤层气冷却后通入下塔，通过下塔底部的加热以及冷凝蒸发器的冷凝，使烃类冷凝为液体落到下塔底部，获得液化天然气；使分离了烃的气体上升到下塔的顶部，并在节流后进入上塔顶部，经过上塔顶部出口进入氮分离塔，或者在节流后进入氮分离塔中部，其中，氧气在氮分离塔顶部冷凝为液氧回流到氮分离塔底部，并通过氮分离塔底部出口离开，回到上塔顶部并在底部输出；氮气通过氮分离塔顶部出口输出，冷却形成液氮。
文档编号F25J3/00GK101818984SQ20101015546
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者孙恒, 舒丹 申请人:中国石油大学(北京)