本实用新型涉及煤化工领域，具体而言，涉及一种含氧煤层气的处理装置。
背景技术：
含氧煤层气由可燃气体(主要是CH4)、氧气和惰性气体组成。高浓度含氧煤层气利用率较高，而低浓度煤层气(30％以下)由于存在爆炸危险性，利用率较低。含氧煤层气在压缩过程中，温度升高，导致危险系数增大。在常温常压下甲烷与空气形成的混合物的爆炸上下限为5～15％，其值随着温度和压力的改变而改变。随着甲烷不断被提纯，上述混合物中甲烷含量都有可能进入爆炸范围之内，其直接阻碍了含氧煤层气的综合利用的步伐。
现有的含氧煤层气的综合利用方法可简单概括为直接利用和间接利用两大类。
直接利用包含三种：一为变压吸附法，此法可能使局部区域进入爆炸危险区，使装置存在较大安全隐患，且不适用于大规模的工业化应用；二为膜分离法，膜分离用于含氧煤层气领域还不成熟，且膜渗透选择性低制约了其在该领域的发展，同时膜造价高，并需要频繁更换；三为直接深冷分离法，由于含氧煤层气深冷分离液化首先需要压缩机压缩，压缩过程中含氧煤层气温度升高，因此压缩机是最易发生危险的部位，出于安全考虑，含氧煤层气直接分离液化多在低压下进行，能耗较高不经济，且最重要的是煤矿排出的瓦斯气氧含量波动较大，在压缩和深冷分离过程中仍然存在安全隐患。
间接利用法通常包括含氧煤层气的脱氧工序和脱氧后的煤层气综合利用工序，该法工艺复杂，投资较大，且脱氧过程造成甲烷的损失使甲烷的提取率降低。
由此可知，现有的含氧煤层气的利用方法存在安全风险大且甲烷提取率低的问题。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种含氧煤层气的处理装置，以解决现有的含氧煤层气的处理方法存在处理风险高且甲烷提取率低的问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种含氧煤层气的处理装置，该处理装置包括：稀释气供应单元，稀释气为氮气；含氧煤层气供应单元，压缩单元，设置有气体入口和压缩气出口，气体入口分别与稀释气供应单元及含氧煤层气供应单元相连通；换热单元，设置有第一换热入口和第一换热出口，第一换热入口与压缩气出口相连通；及甲烷分离单元，设置有精馏入口，精馏入口与第一换热出口相连通。
进一步地，换热单元还设置有第二换热气体入口和第二换热气体出口；甲烷分离单元包括第一精馏塔、位于第一精馏塔底部的再沸器和位于顶部的第一冷凝器，精馏入口设置在第 一精馏塔上，再沸器设置有再沸器入口和再沸器出口，再沸器入口与第一换热气体出口相连通，再沸器出口与第二换热气体入口相连通，且第二换热气体出口与精馏入口相连。
进一步地，第一精馏塔还设置有混合气出口，稀释气供应单元包括稀释气分离装置，稀释气分离装置设置有混合气入口和稀释气出口，混合气入口与混合气出口相连通，稀释气出口与压缩单元的气体入口相连。
进一步地，处理装置还包括过冷单元，稀释气输送管路穿过过冷单元。
进一步地，处理装置还包括氮气压缩机，氮气压缩机设置有氮气入口和压缩氮气出口，氮气入口与压缩氮气出口通过氮气循环管路相连，且氮气循环管路依次穿过换热单元、第一冷凝器和换热单元。
进一步地，稀释气分离装置包括第二精馏塔和位于第二精馏塔顶部的第二冷凝器，第二冷凝器具有冷媒入口和冷媒出口，冷媒入口与换热单元和第一冷凝器之间且靠近氮气入口的氮气循环管路相连通，冷媒出口与第一冷凝器和换热单元之间且靠近氮气出口的氮气循环管路相连。
进一步地，稀释气出口与压缩单元的气体入口之间的稀释气输送管路穿过过冷单元设置。
进一步地，压缩单元包括相连的气体混合器和压缩机，气体入口设置在气体混合器上，压缩气出口设置在压缩机上。
进一步地，处理装置还包括循环制冷剂压缩机，循环制冷剂压缩机与换热单元通过制冷剂输入管路和制冷剂输出管路相连通。
进一步地，处理装置还包括制冷剂加剂口，该制冷剂加剂口设置于制冷剂输出管路上。
应用本实用新型的技术方案，在对含氧煤层气进行压缩之前，采用氮气作为稀释气与含氧煤层气混合，这能够将含氧煤层气进行稀释而避开含氧煤层气的爆炸危险浓度，进而有利于提高气体压缩过程的安全性。通过甲烷分离单元，本申请能够将甲烷从含氧煤层气与稀释气组成混合气中分离出来得到纯度较高的液化天然气和压缩天然，从而丰富了产品组成；同时由于上述处理装置结构简单，处理流程短，因而甲烷的分离效率得到大大提升。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型一种典型的实施方式提供的一种含氧煤层气处理装置的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、压缩单元；11、气体混合器；12、压缩机；20、换热单元；30、甲烷分离单元；31、第一精馏塔；311、精馏入口；312、混合气出口；32、再沸器；40、稀释气分离装置；41、第二精馏塔；411、混合气入口；412、稀释气出口；42、第二冷凝器；50、氮气压缩机；60、过冷单元；70、循环制冷剂压缩机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
正如背景技术所描述的，现有的含氧煤层气的处理方法存在处理风险高且甲烷提取率低的问题。为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种含氧煤层气的处理装置，如图1所示，该处理装置包括：稀释气供应单元、含氧煤层气供应单元、压缩单元10、换热单元20以及甲烷分离单元30。其中稀释气为氮气，压缩单元10设置有气体入口和压缩气出口，气体入口分别与稀释气供应单元及含氧煤层气供应单元相连通；换热单元20设置有第一换热入口和第一换热出口，第一换热入口与压缩气出口相连通；甲烷分离单元30设置有精馏入口311，精馏入口311与第一换热出口相连通。
通过压缩过程有利于提高含氧煤层气中甲烷气体的纯度。但是随着压缩过程的进行很容易造成含氧煤层气的爆炸。本申请在对含氧煤层气进行压缩之前，采用氮气作为稀释气与含氧煤层气混合，这能够将含氧煤层气进行稀释而避开含氧煤层气的爆炸危险浓度，进而有利于提高气体压缩和分离过程的安全性。同时通过稀释气供应单元，使得稀释气得以循环利用。通过换热单元20将稀释气和含氧煤层气的混合气体中的热量进行回收，从而有利于降低能量损耗。通过甲烷分离单元30，本申请能够将甲烷从含氧煤层气与稀释气组成混合气中分离出来得到纯度较高的液化天然气(LNG)和压缩天然气(CNG)，从而丰富了产品组成；同时由于上述处理装置结构简单，处理流程短，因而甲烷的分离效率得到大大提升。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，换热单元20还设置有第二换热气体入口和第二换热气体出口；甲烷分离单元30包括第一精馏塔31、位于第一精馏塔31底部的再沸器32和位于顶部的第一冷凝器，精馏入口311设置在第一精馏塔上，再沸器32设置有再沸器32入口和再沸器32出口，再沸器32入口与第一换热气体出口相连通，再沸器32出口与第二换热气体入口相连通，且第二换热气体出口与精馏入口311相连。将换热后的压缩气通入再沸器32中，能够使上述换热后的压缩气为再沸器32提供热源，从而有利于提高热量的利用率。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，处理装置还包括过冷单元60，稀释气输送管路穿过过冷单元60。这能够使稀释气在过冷单元60中进一步冷却，从而有利于为后续的装置提供冷媒。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，第一精馏塔31还设置有混合气出口312，稀释气供应单元包括稀释气分离装置40，稀释气分离装置40设置有混合气入口411和稀释气出口412，混合气入口411与混合气出口相连通，稀释气出口412与压缩单元10的气体入口相连。 通过稀释气供应单元能够将甲烷分离单元30中排出的混合气体中的稀释气进行分离提纯，从而有利于提高稀释气的循环利用率，进而降低工艺成本。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，上述处理装置还包括氮气压缩机50，氮气压缩机50设置有氮气入口和压缩氮气出口，氮气入口与压缩氮气出口通过氮气循环管路相连，且氮气循环管路依次穿过换热单元、第一冷凝器和换热单元。通过氮气压缩机50能够提高氮气的压力，并为氮气的运输提供动力。而将氮气循环管路依次穿过换热单元20、第一冷凝器和换热单元20有利于使氮气换热后进入第一精馏塔31的第一冷凝器中为冷凝过程提供冷源，同时使整个处理装置中氮气体进行循环利用，并回收氮气中的热量。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，稀释气分离装置40包括第二精馏塔41和位于第二精馏塔41顶部的第二冷凝器42，第二冷凝器42具有冷媒入口和冷媒出口，冷媒入口与换热单元20和第一冷凝器之间且靠近氮气入口的氮气循环管路相连通，冷媒出口与第一冷凝器和换热单元20之间且靠近氮气出口的氮气循环管路相连。将氮气输送管路与第二冷凝器42的冷媒入口相连通，这有利于使经过换热后的氮气为第二冷凝器42提供冷源，同时使整个装置中氮气能够形成循环回路，从而能够使冷媒能够循环利用，降低工艺成本。
在一种优选的实施方式中，稀释气出口412与压缩单元10的气体入口之间的稀释气输送管路穿过过冷单元60。作为冷媒的氮气在第一精馏塔和第二精馏塔41中被加热气化，将稀释气出口412与压缩单元10的气体入口之间的稀释气输送管路穿过过冷单元60能够使氮气再次被加热至所需的温度，然后重新输送至稀释气供应单元中以使稀释气进行循环利用。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，压缩单元10包括相连的气体混合器11和压缩机12，气体入口设置在气体混合器11上，压缩气出口设置在压缩机12上。气体混合器11有利于使含氧煤层气与稀释气混合均匀，从而有利于避免混合气体中局部达到爆炸浓度从而形成安全隐患。对混合气体进行压缩，一方面能够提高混合气体的压力，为在装置中的运输提供动力，另一方面还能够提高混合气体中的甲烷浓度，从而提高甲烷分离效率和天然气的产率。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，处理装置还包括循环制冷剂压缩机70，循环制冷剂压缩机70与换热单元20通过制冷剂输入管路和制冷剂输出管路相连通。循环制冷剂压缩机70用于为换热单元20提供冷媒。在实际使用过程中本申请中的制冷循环工艺还可以使用阶式制冷循环工艺、混合制冷循环工艺(制冷剂为N2和C1～C5烃类混合物作为循环制冷剂的工艺)或膨胀制冷循环工艺(氮膨胀机制冷循环、氮-甲烷膨胀机制冷循环、天然气膨胀制冷循环工艺)。优选地，在制冷剂输出管路上设置制冷剂加剂口。这有利于根据实际情况随时调整制冷剂的量。
本实用新型另一方面提供了一种含氧煤层气的处理方法，该处理方法包括：含氧煤层气和稀释气的混合气进行压缩得到压缩气，稀释气为氮气，含氧煤层气中氧气含量为1～17mol％；将压缩气进行换热；及经过换热后的压缩气通入进行第一分离过程以将压缩气中的甲烷进行分离，上述混合气压缩后的压力为0.9～2.2MPa。
通过压缩过程有利于提高含氧煤层气中甲烷气体的纯度。但是随着压缩过程的进行很容 易造成含氧煤层气的爆炸。本申请在对含氧煤层气进行压缩之前，采用氮气和/或惰性气体作为稀释气与含氧煤层气混合，这能够将含氧煤层气进行稀释而避开含氧煤层气的爆炸危险浓度，进而有利于提高气体压缩过程的安全性。通过换热将稀释气和含氧煤层气的混合气体中的热量进行回收，从而有利于降低能量损耗。然后通过第一分离过程将甲烷从含氧煤层气与稀释气组成压缩气中分离出来得到纯度较高的液化天然气和压缩天然气，从而丰富了产品组成。
上述处理方法中，本领域技术人员可以选择含氧煤层气与稀释气的流量比。在一种优选的实施方式中，含氧煤层气和稀释气的流量比为1～10：1。将流量比限定在上述范围内，有利于进一步在保证上述含氧煤层气的处理方法安全性的同时，提高液化天然气和/或压缩天然气的产率。
上述处理方法中，可以采用本领域常用的换热方法。在一种优选的实施方式中，第一分离过程为第一精馏过程，将压缩气进行换热的步骤包括：将压缩气进行第一次换热得到-100～-90的第一换热压缩气；将第一换热压缩气作为第一精馏过程的再沸热源进行第二次换热得到-140～-130℃的第二换热压缩气；及将第二换热压缩气进行第三次换热得到-160～-150℃的第三换热气。将压缩气依次进行多次换热有利于实现热量利用率，同时节约工艺成本。
上述处理方法中，本领域技术人员可以选择第一精馏过程的温度和压力。在一种优选的实施方式中，第一精馏过程的温度为-160～-150℃，压力为0.35～0.45MPa。第一精馏过程的温度和压力包括但不限于上述范围，但将温度和压力限定在上述范围内有利于进一步提高甲烷的分离效率，进而提高液化天然气和/或压缩天然气的产率。
在一种优选的实施方式中，第一精馏过程的产物还包括稀释气和氧气的混合气，处理方法还包括将稀释气和氧气的混合气进行第二精馏过程，得到稀释气，第二精馏过程的温度为-182～-170℃，压力为0.33～0.43MPa。通过第二精馏过程能够将第一精馏过程排出的混合气体中的稀释气进行分离提纯，从而有利于提高稀释气的循环利用率，进而降低工艺成本。将第二精馏过程的温度和压力限定在上述范围内有利于进一步提高稀释气的回收效率。
在一种优选的实施方式中，处理方法还包括氮气循环利用过程，其包括：将氮气进行压缩得到2.0～3.5MPa的压缩氮气；将压缩氮气进行第四次换热得到-160～-150℃的液化氮气，经过节流后液化氮气的温度为-190～-175℃；将-190～-175℃的液化氮气作为第一精馏过程和/或第二精馏过程的冷媒进行第五次换热，得到饱和氮气；及将上述饱和氮气进行第六次换热得到上述待压缩的氮气。
将第二精馏过程得到的氮气进行依次进行压缩和第四次换热过程能够对氮气中的热量进行回收。然后将经过第四次换热后得到的液化氮气作为第一精馏过程和/或第二精馏过程的冷媒，经过换热后液化氮气被汽化形成饱和氮气，然后该饱和氮气经过第六次换热过程复热至原来的温度得到待压缩的氮气。这有利于在整个处理过程中循环利用氮气以为上述处理过程提供冷媒，从而能够实现氮气的自给自足，无需额外供给，进而降低了工艺成本。
以下结合具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本实 用新型所要求保护的范围。
实施例1
含氧煤层气的组成为CH4：30mol％；N2：55.4mol％；O2：14.6mol％，含氧煤层气的流量为5000Nm3/h，LNG的储存型式为带压储存，压力为4bar(A)。含氧煤层气处理装置的结构如图1所示。
净化后的含氧煤层气与氮气进入气体混合器11中充分混合后进入压缩单元10，增压至15bar。净化后的含氧煤层气流量为5000Nm3/h，氮气流量为5000Nm3/h，充分混合后的稀释煤层气组成为CH4：15mol％；N2：77.7mol％；O2：7.3mol％。
稀释煤层气进入换热单元20，被冷却至179k后，进入甲烷分离单元30的再沸器32作为再沸器32的热源，而其自身被冷却至138K。然后将138K的稀释煤层气再次进入换热单元20，并将其冷却至118K后进入甲烷分离单元30进行第一分离过程得到LNG。LNG从甲烷分离单元30的第一精馏塔的底部抽出后，经换热单元20过冷后作为产品LNG输出。第一精馏塔顶部排出的混合气体进入稀释气分离装置40的第二精馏塔41中进行第二分离过程，得到氮气。将第二精馏塔41顶部排出的氮气，经过冷单元60(过冷器)和换热单元复热至308K，进入气体混合器11，进行氮气循环。
氮气循环过程：循环氮气首先进入氮气压缩机50，得到24bar的压缩气；将压缩气依次在换热单元20和过冷单元中进行第四次换热，先后得到113k的氮气和97k的液态氮；将液态氮节流至3bar后分为两股，分别进入甲烷分离单元30的第一冷凝器和稀释气分离装置40的第二冷凝器42中作为冷源，经过第五次换热后得到饱和氮气；然后上述饱和氮气依次经过冷单元60和换热单元20进行第六次换热得到308K的氮气，该氮气可以作为循环氮气再次进入氮气压缩机50。
第二精馏塔41顶部排出的混合气，经过冷单元60和换热单元20复热至308K，其成分接近与空气，不需要净化，可以作为其他装置(如空气系统)的原料气。
采用氮气稀释含氧煤层气能够避开煤层气的爆炸危区域，从而使含氧煤层气处理装置的安全性得到保障。同时本实施例中的处理方法还实现了稀释用氮气的循环利用，从而在处理装置运行过程中不用引入外来氮源，节约了工艺成本；才用上述处理方法能够得到高纯度的LNG(氧含量O2＜1ppm)。通过压力和温度的调节还能够得到CNG。此外上述分离工艺简单，且灵活可靠。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。