专利名称：一种煤层气的低温高速离心分离脱氧的方法
技术领域：
本发明通过加入低温离心分离器，并用高速旋转的膨胀机驱动离心分离器，在低温下实现煤层气的脱氧技术。考虑到甲烷爆炸限问题，将前级换热器置于防爆区，以提高安全性，不同于以往的利用化学反应分离煤层气技术，本发明从机械和组分物性差别角度研究煤层气脱氧技术，属于气体除氧领域，特别涉及煤层气领域中的脱氧方法。
背景技术：
煤层中吸附的伴生气称为煤层气，其主要成分是甲烷，属于非常规天然气。全世界煤层气储量巨大，根据国际能源署(IEA)的统计资料结果，全球煤层气资源量可达270万亿立方米。中国煤层气资源丰富，全国埋深2000米以浅的煤层气总资源量为36. 81万亿立方米。采用地面打井的方法，来实现煤层气回收的技术，在世界范围内已有很好的发展。但是，采煤过程中抽采的瓦斯气压力很低，同时甲烷含量也低，称为含氧煤层气，这就给煤层气的加工和输送带来困难。含氧煤层气压力低，甲烷含量低，且混有10%左右的氧气，极易发生爆炸。含氧煤层气通常只能就地使用，放空浪费的现象比较严重。含氧煤层气脱氧已成为其开发利用的关键和重大课题。国外煤矿开采多采用先采气后采煤的方式，通过地面钻井预抽煤层气，得到的煤层气甲烷含量高，一般可直接输入天然气管道。中国是目前对含氧煤层气分离研究最深入的国家，按照技术路线可以分为变压吸附技术、膜分离技术和含氧煤层气直接液化技术。变压吸附因为吸附层中存在空隙，吸附时空隙中贮存产品，因此产品回收率比较低，只有40% 50%，造成很大的浪费。气体在脱附阶段被排放而损失掉。产品纯度和回收率之间存在矛盾，提高回收率，则纯度又下降。而且排放废气的氧含量处于爆炸极限范围。 综合而言，其应用受到一定的限制。膜分离技术是一种新型的气体分离技术，但是其在分离中会造成产品气的损失， 而且甲烷爆炸极限随着压力升高急剧扩大，进一步凸显该技术的安全问题。至于煤层气的脱氧问题，目前主要有焦炭法脱氧、贵金属催化剂催化脱氧以及非贵金属耐硫型催化剂催化脱氧。焦炭法脱氧、贵金属催化剂催化脱氧这两种方法都能将煤层气中的氧含量脱至0. 5%以下，满足安全分离的要求，但是前者需要消耗焦炭资源，后者贵金属脱氧不足之处在于催化剂价格昂贵，脱氧成本高。非贵金属耐硫型催化剂催化脱氧催化剂选用的是非贵金属催化剂，价格低廉，虽然损失一部分甲烷，但是可以利用氧和甲烷的反应热来驱动透平压缩机，节省电能。在现有的煤层气脱氧技术中，已申请专利的有申请号为200810044237. 4，名称为一种煤层气催化转化方法，申请号为200910195504. 2，名称为一种煤层气的脱氧方法和一种催化剂，申请号为2008102^999. 1，名称为一种煤层气提纯液化方法，申请号为 201010256294. 6，名称为一种煤层气脱氧和分离甲烷的方法等专利，前三项专利属于催化脱氧，后一种是非催化脱氧。这些脱氧的办法都是从化学反应的角度来考虑煤层气的脱氧问题，具有安全性低，成本高，产品回收率低，甲烷损失率高等缺点，本发明正是依据上述背景技术，设计提出一种低温高速离心脱氧方法，在脱氧装置中加入低温离心分离器，在低温下根据甲烷和氧气浓度差变大的特点将煤层气中的氧脱离出来，为了提高安全性，将前级换热器置于防爆区。利用高速旋转的膨胀机驱动离心分离器高速运转，充分利用膨胀机输出功，提高能源利用率。
发明内容
为了弥补以往煤层气脱氧技术的不足，本发明提供一种能够提高系统的安全性和能源利用率、降低甲烷损失且能实现产品高回收率的煤层气的低温高速离心分离脱氧的方法。本发明采用如下技术方案
一种煤层气的低温高速离心分离脱氧的方法，首先将第一换热器和第二换热器置于密封的真空钢板房中，再将含有甲烷和氧气的煤层气依次通入第一换热器、第二换热器并与氮气顺流热交换，降温后原料气进入离心分离器，同时，来自第二换热器的氮气进入膨胀机后绝热膨胀，消耗自身内能对外做功驱动膨胀机运行，离心分离器与膨胀机通过轴连接，膨胀机输出功驱动离心分离器旋转，分离进入离心器的煤层气，分离出的氧气和主要成分为甲烷的脱氧煤层气，分离后的氧气直接排入空气中，脱氧煤层气依次经过第三换热器、第四换热器以及第五换热器，并与在膨胀机中膨胀降温的氮气换热，第四换热器和第五换热器之间连接节流阀，并使用节流阀对氮气进行节流降温，利用降温的氮气将脱氧煤层气冷却至液态并储存，出自第五换热器氮气再次经过第五换热器、第四换热器、第三换热器、第二换热器以及第一换热器并进行换热，此后，出自第一换热器的氮气经氮压缩机加压、水冷却器降温和除油器除油后再次进入换热器预冷来料气，形成循环回路并逆流换热，所述第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第五换热器为三进三出换热器。本发明通过采用离心分离器，该离心分离器可实现气-气分离，与以往用电能以及其他能量的驱动方式不同，在本发明中利用膨胀机输出功驱动离心分离器，在低温下实现煤层气脱氧技术，考虑到爆炸极限限制问题，将未脱氧前的煤层气置于防爆区。本发明装置主要包括离心分离器、膨胀机、水冷却器、除油器、氮压缩机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、节流阀、第五换热器。进入离心分离器前的煤层气，考虑到爆炸极限的限制，将前级换热器置于真空钢板房即防爆区中，提高系统的安全性。本发明中的离心分离器通过高速旋转的膨胀机输出功驱动，高速运转实现煤层气脱氧， 脱氧后的煤层气甲烷含量很高，在爆炸极限以下，不必置于防爆区，避免了带氧甲烷的危险性。脱氧后的甲烷经过换热器与液氮进行热量交换降温至液态储存。从煤层气中脱离的氧气直接排放至空气。氮气经节流阀节流降温后回收再预冷来料气，提高能源利用率。本发明的效果显著，包括如下几个方面
1.本发明采用低温离心分离器，该离心器是本发明的创新之一，之前分离煤层气的分离器一般利用超重力、离心等原理气-液、气-固分离器，在本发明中，该分离器可实现低温下的气-气分离，即煤层气中的氧气和甲烷都是在低温气态下被分离。在本发明中，利用机械和组分物性差别研究煤层气脱氧技术，在低温下脱离煤层气中的氧气，提高产品回收率。2.本发明通过采用高速旋转的膨胀机驱动离心分离器，与以往的利用电能或者其他动力驱动方式不同的是充分利用膨胀机输出功驱动离心分离器，既利用了膨胀机的输出功又节约了其他能源，最大限度的提高能源的利用率。3.本发明采用将前级换热器置于防爆区，甲烷在低温液化前被分离，没有进入运动部件，无阻力损失且无磨损。将预冷来料气的前级换热器置于防爆区(防爆区是密封的真空钢板房)，与以往的脱氧方法相比，降低爆炸系数甚至将爆炸系数降为零，提高了系统的安全性。利用化学方法脱氧，特别利用吸附原理脱除煤层气中的氧气时，虽然可以将甲烷中的氧气脱至0. 5%以下，但由于吸附性，甲烷也有一定的损失，本发明利用机械和组分物性差别脱离煤层气中的氧气避免甲烷被吸附等，降低甲烷损失率。4.本发明中用氮气与煤层气进行热交换达到冷却煤层气的目的，在前级换热器中降温到最佳的分离温度范围，在离心分离器中分离后再次经过换热器换热，直至将分离后的煤层气降温至液态储存，换热后的氮气经过氮压缩机、水冷却器和除油器后预冷来料气， 充分利用氮气冷量，节约能源。
图1为煤层气低温离心脱氧方法流程示意图。图2为离心分离器结构图。图1中1为离心分离器，2为膨胀机，3为水冷却器，4为除油器，5为氮压缩机，6为第一换热器，7为第二换热器，8为第三换热器，9为第四换热器，10为节流阀，11为第五换热
ο图2中的离心分离器主要部件有1-排气管，2分离室，3中心管，4调试装置。离心分离器的分离室中装有螺旋导流片和升气管，围绕升气管由内向外分布有非封闭环形挡板。
具体实施例方式以下将结合附图1对本发明的具体方法做进一步的描述
如图所示，应用本发明实现煤层气脱氧技术所应用到的主要部件有1离心分离器，2 膨胀机，3水冷却器，4除油器，5氮压缩机，6第一换热器，7第二换热器，8第三换热器，9第四换热器，10节流阀，11第五换热器。一种煤层气的低温高速离心分离脱氧的方法，首先将第一换热器6和第二换热器 7置于密封的真空钢板房中，再将含有甲烷和氧气的煤层气依次通入第一换热器6、第二换热器7并与氮气顺流热交换，降温后原料气进入离心分离器1，同时，来自第二换热器7的氮气进入膨胀机2后绝热膨胀，消耗自身内能对外做功驱动膨胀机2运行，离心分离器1与膨胀机2通过轴连接，膨胀机2输出功驱动离心分离器1旋转，分离进入离心器的煤层气，分离出的氧气和主要成分为甲烷的脱氧煤层气，分离后的氧气直接排入空气中，脱氧煤层气依次经过第三换热器8、第四换热器9以及第五换热器11，并与在膨胀机2中膨胀降温的氮气换热，第四换热器9和第五换热器11之间连接节流阀10，并使用节流阀10对氮气进行节流降温，利用降温的氮气将脱氧煤层气冷却至液态并储存，出自第五换热器11氮气再次经过第五换热器11、第四换热器9、第三换热器8、第二换热器7以及第一换热器6并进行换热，此后，出自第一换热器6的氮气经氮压缩机5加压(通常将氮气升至3 Kbar )、水冷却器 3降温和除油器4除油后再次进入换热器预冷来料气，形成循环回路并逆流换热，所述第一换热器6、第二换热器7、第三换热器8、第四换热器9以及第五换热器11为三进三出换热器。参照图1，氮气经过氮压缩机、水冷却器、除油器一次加压、冷却、除油后进入防爆区内的第一换热器的第二入口，从第一换热器第二出口进入第二换热器的第二入口，换热后从第二换热器的第二出口进入膨胀机，消耗自身内能驱动膨胀机运行，然后从膨胀机出口处出去进入第三换热器的第二入口，与脱氧后的煤层气换热后从第三换热器的第二出口进入第四换热器的第二入口，换热后氮气从第四换热器的第二出口进入节流阀，节流降温后进入第五换热器的第二入口，在第五换热器中将脱氧煤层气冷却至液态储存，然后从第二出口进入第五换热器的第三入口，经第三出口进入第四换热器的第三入口，与循环回路中的氮气逆流换热后自第四换热器的第三出口进入第三换热器的第三入口，换热后从第三换热器的第三出口进入第二换热器的第三入口，最后从第二换热器的第三出口进入第一换热器的第三入口，换热后进入氮压缩机加压，如此反复循环。
权利要求
1. 一种煤层气的低温高速离心分离脱氧的方法，其特征在于，首先将第一换热器(6) 和第二换热器(7)置于密封的真空钢板房中，再将含有甲烷和氧气的煤层气依次通入第一换热器(6)、第二换热器(7)并与氮气顺流热交换，降温后煤层气进入离心分离器(1)，同时，来自第二换热器(7)的氮气进入膨胀机(2)后绝热膨胀，消耗自身内能对外做功驱动膨胀机(2)运行，离心分离器(1)与膨胀机(2)通过轴连接，膨胀机(2)输出功驱动离心分离器 (1)旋转，分离进入离心器的煤层气，分离出的氧气和主要成分为甲烷的脱氧煤层气，分离后的氧气直接排入空气中，脱氧煤层气依次经过第三换热器(8)、第四换热器(9)以及第五换热器(11)，并与在膨胀机(2)中膨胀降温的氮气换热，第四换热器(9)和第五换热器(11) 之间连接节流阀(10)，并使用节流阀(10)对氮气进行节流降温，利用降温的氮气将脱氧煤层气冷却至液态并储存，出自第五换热器(11)氮气再次经过第五换热器(11)、第四换热器 (9)、第三换热器(8)、第二换热器(7)以及第一换热器(6)并进行换热，此后，出自第一换热器(6)的氮气经氮压缩机(5)加压、水冷却器(3)降温和除油器(4)除油后再次进入换热器预冷来料气，形成循环回路并逆流换热，所述第一换热器(6)、第二换热器(7)、第三换热器 (8)、第四换热器(9)以及第五换热器(11)为三进三出换热器。
全文摘要
一种低温高速离心分离煤层气的方法，将前级换热器置于密封的真空钢板房中，再将含有甲烷和氧气的煤层气通入换热器并与氮气顺流换热，降温后煤层气进入利用高压氮气消耗自身内能驱动的膨胀机的输出功驱动的离心分离器，高速低温分离煤层气，分离出氧气和主要成分为甲烷的脱氧煤层气，分离后的氧气排入空气中，脱氧煤层气依次经过后级换热器，并与在膨胀机中膨胀降温的氮气换热，第四和第五换热器之间连接节流阀，对氮气进行节流降温，利用降温的氮气将脱氧煤层气冷却至液态储存，出自第五换热器的氮气再次经过各级换热器并进行换热后经氮压缩机、水冷却器和除油器后再次进入换热器预冷来料气，形成循环回路并逆流换热。
文档编号C10L3/10GK102533368SQ201210006620
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者叶雨森, 梁文清, 石露露, 郑晓红, 钱华 申请人:东南大学