专利名称：利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤层气的液化工艺，特别是一种涉及高含氮量煤层气的利用 变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺。属于化工与低温技术领域。
背景技术：
煤层气(CBM)是一种以甲烷为主要成分的煤矿伴生气，俗称"煤矿瓦斯"， 属于非常规天然气。煤层气的开发利用不仅能够提供一种高热值的清洁能源，同 时可以防止瓦斯爆炸引起的矿难并减少温室气体甲垸的排放量，对煤矿安全及环 境保护均具有重要意义。我国的煤层气储量丰富，且主要分布在经济发达或较发 达的中东部地区，与常规天然气表现出很好的互补性，容易形成便利的市场条件， 因此我国煤层气开发利用具有突出的优势和发展潜力。然而，我国煤层气产地一 般远离天然气管网，且气质与常规天然气不同，不便或不宜进入现有管网。利用 天然气的小型液化技术将煤层气液化，可使其体积减少为原来的大约1/600，极大 地方便了从产地到用户的输送，是一种极有前景的开发形式。
我国液化天然气的技术已经较为成熟，其中氮膨胀液化流程结构简单，造价 较低，适应性强，易于操作和控制，较适用于小型天然气液化装置。但不论是国 内还是国外，对于甲垸含量不高的煤层气的液化技术的研究还很少。受到目前瓦 斯抽釆技术的限制，中国的煤层气大多为矿井气，由于混入了空气而往往含有较 多的氮，不能通过常规的净化工艺脱除，影响了其作为能源加以利用。因此低浓 度甲烷的液化工艺还必须考虑甲烷提浓的问题。可以通过在液化前进行变压吸附 或液化后进行低温精馏将氮从煤层气中分离出去，从而提高甲烷的纯度。
低温精馏法利用沸点差实现氮与甲垸的分离，是一种高效的分离方式，其主 要优点是甲烷纯度高，可达95%以上。但精馏法用于液化之后，因此需要将氮同 时液化，从而增加了系统液化功耗，同时精馏过程本身同样需要消耗巨大能量。 而变压吸附过程在常温和较低压力下工作，能耗较低，因此吸附-液化法的液化流程总功耗较低。且吸附法工艺简单，操作、维护费用低，有其独特的优势。但甲 垸与氮的吸附分离难度很大，是目前化工技术面临的一项十分艰巨的任务。现有 文献和相关研究中有的是将煤层气吸附脱氮过程独立出来研究，再就是单独对煤 层气液化流程进行研究，而对于从整体上将吸附和液化过程耦合起来考虑还很少 见，未见将吸附余压利用于后继液化过程的报道。
已有技术中，申请号为200610080889.4、名称为"含空气煤层气液化工艺及 设备"的发明专利采用低温双级精馏实现了煤层气在低温下的液化和分离，得到 的液化天然气的产品纯度可达99%以上。但相比传统的天然气液化工艺，系统单 位功耗较高。上海交通大学制冷与低温专业的祝家新在其硕士论文中使用吸附-液 化法实现煤层气的液化，直接利用变压吸附分离后煤层气的余压减少煤层气的压 縮功耗，但由于氮膨胀液化流程中氮压縮功占系统整体功耗的较大份额，因此仅 靠降低煤层气的压縮功耗节能效果不明显。
发明内容
为克服已有技术的不足和缺陷，提高煤层气中甲烷的浓度并降低煤层气液化 过程中的能耗，本发明提出一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺。 针对高含氮量的低浓度煤层气，通过变压吸附过程首先分离出大部分的氮，并利 用这部分氮气具有的吸附余压，将其膨胀对煤层气进行预冷，利用这部分"免费" 的能量，减少氮膨胀循环所需的氮压縮功，从而降低系统的整体功耗。
本发明是按照下述技术方案进行的，本发明工艺包括下述步骤
1、 首先将煤层气进行预净化，去除其中的水、酸性气体、重烃等杂质；
2、 将预净化后的含氮煤层气通过变压吸附过程分离出其中的大部分氮；
3、 通过以上两步提浓后的煤层气被两级压縮并水冷为常温高压煤层气；
4、 常温高压煤层气在第一换热器中预冷，预冷所需的冷量由气液分离器中分 离出的冷气体及吸附分离出的带余压氮气膨胀所提供；
5、 预冷后的煤层气在第二换热器中被冷却为低温煤层气，该换热器中的冷量 由一个氮膨胀循环及气液分离器中分离出的冷气体提供；上述的氮膨胀循环过程 为 一定量的氮气被两级压缩并水冷，先经过一级膨胀到中间压力，然后在第二 换热器中被预冷，再经过二级膨胀，为该换热器提供冷量并复热后排出系统。
6、 低温煤层气节流，最终在气液分离器中分离出液体产品，分离出的冷气体则相继回到第二换热器和第一换热器重新利用其冷量后排出。
本发明所能达到的有益效果是通过石化工业中广泛采用的HYSYS软件的模 拟和计算，证实本发明能有效降低系统单位产品液化功耗，且煤层气原料气中的 含氮量越高，吸附余压越高，节省的功耗越多。如含氮量达到70%，吸附余压达 到3MPa时，相比不利用余压的吸附-液化工艺即可节能将近50%，相比液化-精馏 工艺则节能效果更加显著。
图1是本发明的利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺的流程图。 图中，l预净化系统，2吸附器，3余压氮气膨胀机，4一级压縮机，5第一冷 却器，6二级压縮机，7第二冷却器，8第一换热器，9第二换热器，IO节流阀， ll气液分离器，12—级氮压縮机，13第三冷却器，14二级氮压縮机，15第四冷 却器，16—级氮膨胀机，17二级氮膨胀机。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。
如图l所示，利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺包括下述步骤
1、 带有压力的常温煤层气原料气在预净化系统1中除氧、脱硫、脱碳、干燥；
2、 预净化后的煤层气在吸附器2中通过变压吸附进行甲垸提浓，分离出带余 压氮气和常压的浓縮煤层气；
3、 浓缩煤层气通过一级压縮机4压縮至中压0.6 0.8MPa及二级压縮机6压 縮至大于等于4.5MPa，并分别在第一冷却器5和第二冷却器7中被水冷至常温；
4、 高压的浓縮煤层气在第一换热器8中被预冷，预冷所需的冷量一部分由气 液分离器ll中分离出的冷气体提供，另一部分由吸附分离出的带余压氮气在余压 氮气膨胀机3中膨胀至接近常压后提供，该带余压氮气冷量利用后被复温至接近 常温并排出系统；
5、 预冷后的浓縮煤层气在第二换热器9中被冷却为低温煤层气，该换热器中 的冷量由一个氮膨胀循环及气液分离器ll中分离出的冷气体提供；上述的氮膨胀 循环过程为 一定量的氮气通过一级氮压縮机12压縮至中压0.8 1.0MPa及二级 氮压縮机14压縮至3MPa，并分别在第三冷却器13和第四冷却器15中被水冷至常温。然后先在一级氮膨胀机16中膨胀，继而在第二换热器9中被预冷至-110。C， 之后在二级氮膨胀机17中膨胀至0.15 0.20MPa，温度为-165。C，并最终为第二 换热器9提供冷量。
6、低温煤层气通过节流阀10节流，最后在气液分离器11中分离出常压下的 液化天然气产品，最终液化率大于等于95%;气液分离器ll中闪蒸出的冷气体则 相继在第二换热器9和第一换热器8中回收冷量，最终复温至接近常温后排出系 统。
权利要求
1、 一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺，其特征在于，该液化工艺包括以下步骤1)首先将煤层气通过预净化系统(1)进行预净化，去除其中的水、酸性气体、重烃等杂质；2)将预净化后的含氮煤层气在吸附器(2)中通过变压吸附过程分离出其中的大部分氮；3)通过以上两步提浓后的浓缩煤层气经一级压缩机(4)和二级压缩机(6)压缩及第一冷却器(5)和第二冷却器(7)水冷为常温高压煤层气；4)常温高压煤层气在第一换热器(8)中预冷，预冷所需的冷量一部分由气液分离器(11)中分离出的冷气体提供，另一部分由吸附分离出的带余压氮气在余压氮气膨胀机(3)中膨胀后提供；5)预冷后的煤层气在第二换热器(9)中被冷却为低温煤层气，该换热器中的冷量由一个氮膨胀循环及气液分离器(11)中分离出的冷气体提供；上述的氮膨胀循环过程为一定量的氮气分别在一级氮压缩机(12)和二级氮压缩机(14)中压缩并被第三冷却器(13)和第四冷却器(15)冷却至接近常温后，先经一级氮膨胀机(16)膨胀至中间压力，然后在第二换热器(9)中被预冷，再经二级氮膨胀机(17)膨胀至低压，为第二换热器(9)提供冷量后回到一级氮压缩机(12)，完成循环；6)低温煤层气通过节流阀(10)节流，最终在气液分离器(11)中分离出液体产品，分离出的冷气体则相继回到第二换热器(9)和第一换热器(8)重新利用其冷量后排出系统。
2、 根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工 艺，其特征是，所述的步骤1)中的预净化系统(1)是使用常规天然气液化流程 中的预净化系统。
3、 根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤2)中的吸附器(2)是使用分子筛或活性炭吸附器。
4、 根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工 艺，其特征是，所述的步骤3)中浓縮煤层气经一级压縮机(4)压縮后压力为0.6 0.8MPa，经二级压縮机(6)压縮后压力大于等于4.5MPa。
5、 根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工 艺，其特征是，所述的步骤4)中带余压氮气膨胀至接近常压，冷量利用并复温至 接近常温后排出系统。
6、 根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工 艺，其特征是，所述的步骤5)中的氮膨胀循环过程中，氮气经一级氮压縮机(12) 压縮后压力为0.8 1.0MPa，经二级氮压縮机(14)压縮后压力为3MPa，在第二 换热器(9)中预冷后温度为-110。C，经二级氮膨胀机(17)膨胀后压力为0.15 0.20MPa，温度为-165。C。
7、 据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺， 其特征是，所述的步骤6)中的冷气体相继在第二换热器(9)和第一换热器(8) 中回收冷量后，被复温至接近常温后排出系统。
全文摘要
利用变压吸附余压预冷的煤层气氮膨胀液化工艺，属于化工与低温技术领域。本发明提供了一种高含氮量煤层气的吸附-液化一体化流程。液化前首先通过变压吸附过程脱除煤层气中大部分的氮气，并利用这部分氮气带有的吸附余压，将其膨胀后对煤层气进行预冷。之后煤层气通过氮膨胀液化过程被液化。由于带余压氮气的预冷过程，节省了氮膨胀循环所需提供的冷量，从而降低其压缩功，使得系统单位产品液化功有所降低。且煤层气原料气中的含氮量越高，吸附余压越高，节省的功耗越多。
文档编号B01D53/04GK101285639SQ20081003855
公开日2008年10月15日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者林文胜, 敏 辜, 顾安忠, 婷 高 申请人:上海交通大学