专利名称：一种煤层气液化分离的设备及工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于混合气体的液化分离领域，具体涉及一种煤层气尤其是低CH4气含量煤层气的液化分离设备及工艺。
背景技术：
煤层气俗称“瓦斯”，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，其主要成分为甲烷。煤层气有两种抽采方式一种是地面抽采，其甲烷纯度高(98%左右)，利用价值较高，可直接加压进行管网输运，也可直接进行液化储运。但更为广泛的是在已经进行煤炭开采生产的矿井下抽采。这种方式抽采出来的煤层气甲烷含量较低，通常在30%-70%之间。我国煤矿开采一直以煤炭开采为主要目的，煤层气(瓦斯气)的抽放处理仅是出于煤矿安全生产的要求而进行的。从矿井煤层气中分离提纯甲烷对于扩展和提高煤层气的有效利用率和经济价值具有重要意义。而我国煤层气具有数量巨大、产地分散、单井规模小、井下抽采气浓度低并含氧等特点，一般除就近使用外，还没有其他有效的利用途径，放空浪费情况非常严重。如果把煤层气中的甲烷和空气分离出来并将提纯后的甲烷液化灌装，这就极大的方便了运输和利用。目前可应用于从煤层气中分离提纯甲烷的方法一般有低温液化分离、变压吸附及膜分离等工艺方案，每种方案均具有自己的特色和应用范围。然而对于变压吸附及膜分离等工艺，在分离工艺流程中均需要对原料气进行加压，这显然扩大了煤层气的爆炸浓度范围，因此在分离处理矿井煤层气这种含氧可燃混合物时，安全问题是所有分离技术必须考虑的。根据燃烧理论，甲烷等可燃气体在空气内燃爆，存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，与可燃气体的爆炸上、下限浓度点构成了一个三角形，通常称为 Coward爆炸三角形，当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统极易可能发生爆炸。如图1所示，其中区域I为爆炸三角区；区域II为欠氧区，即增加氧气(空气)可爆炸；区域III为欠甲烷区，即增加甲烷可爆炸；区域IV为安全区，不爆炸。在常温常压下， 甲烷与空气混合爆炸的浓度范围为5% -15%。这个范围会随压力和温度的变化而改变，温度升高和压力升高均会使爆炸浓度范围扩大。从矿井煤层气(空气和甲烷的混合物)中分离提纯甲烷，无论起始混合物中甲烷浓度有多高，随着甲烷的分离减少，在系统内均会穿过爆炸浓度范围，这对任何分离提纯系统均是非常危险的。因此，在对煤层气进行处理的过程中，必须要时刻考虑到可能出现的安全问题，控制甲烷和空气的含量，以达到开采过程的绝对安全。中国专利CN100404988C公开了一种含空气煤层气液化分离工艺及设备，该专利所述的工艺首先将经过初步处理的煤层气冷却并通入分馏塔中部，经分馏塔底部的蒸发器的蒸发和顶部冷凝器的冷凝，将塔内的气体馏分、液体馏分进行充分的质、热交换，在分馏塔顶部得到高纯度的氮气，分馏塔底部得到高纯度的液态天然气，其中在分馏塔顶部与含空气煤层气入口之间引出一部分洁净空气通入换热器中。该工艺中整个液化和分离步骤都在低温条件下进行，分离纯度高、安全性能好，在分离的同时即可制取液化天然气，不仅避免了排放造成的大气污染，而且有效的利用了含空气的煤层气资源。然而，该专利所述的液化工艺也存在一定的缺陷在对含空气煤层气冷凝液化的过程中，直接将温度降至甲烷的液化温度-168°C，此时甲烷液化、但其他气体例如&和N2仍未气态，虽然可以将甲烷分离出，但由于空气中含有部分CO2，而在-168°C下CO2已经液化甚至直接冷凝为固态干冰，很容易堵塞分馏塔影响分馏效果，显然该方案并未考虑到这一潜在因素存在的不良影响，易导致甲烷和氧气的分离不完全，仍然存在安全问题。另一方面， 该方案首先将煤层气整体降温，使得部分气体液化后再通入分馏塔，再利用蒸发以及冷凝进行质热交换达到分离的目的，此方案能耗较高，显然存在资源浪费的问题。中国专利CN101270952A公开了一种空气回热式的矿井瓦斯气的分离液化方法及设备，该专利首先将矿井瓦斯原料气压缩净化，出去原料气中的杂质，得到压缩净化的矿井瓦斯气；再将矿井瓦斯气通入换热器，使其温度冷却至-82. 5°C以下；将冷却后的矿井瓦斯气通入一个分馏塔的中部，在分馏塔顶部得到高纯度的低温气体，在分馏塔的底部得到高纯度的液态天然气；将从分馏塔顶部分理出的低温空气引入换热器作为制冷气回收冷量。 该专利所述的方案采用空气回热的方法，降低了能耗减少了成本。但该专利所述的方案中，将煤层气原料气首先降温至-82. 5°C以下的目的主要是通过分梯度降温的方式并辅以冷空气回流来降低所需的冷量能耗，而依然没有考虑在降温过程中会出现的CO2液化甚至变为固态干冰堵塞设备的问题，而且此时的降温过程由于是在换热器中进行，即便是考虑到可能出现的CO2液化问题，也依然无法得到解决。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中煤层气液化分离过程中(X)2堵塞设备而导致气体分离不彻底的问题，进而提供一种分离效果较好、节约能源的液化分离设备。进一步的，本发明还提供了一种用于所述液化分离工艺的工艺。为解决上述技术问题，本发明所述的煤层气液化分离的设备，包括顺次连接的压缩净化设备用于将所述煤层气原料气进行预处理；多个串联的冷分器其中初级冷分器对进入的煤层气原料气降温，使得其中沸点最低气体液化并收集，其他未液化的气体进入后一级冷分器，继续将剩余混合气体中沸点最低的气体液化并收集；后一级所述冷分器控制的温度低于上一级所述冷分器控制的温度；后一级所述冷分器中的液化产品输入至前面任意一级的所述冷分器中作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器未液化的气体重新通入上一级所述冷分器内作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器通过辅助制冷设备控制温度。各级所述冷分器之前还分别串联有与之适配的换热器；所述煤层气在进入各级所述冷分器之前先进入所述换热器进行预制冷降温；各级所述冷分器内收集的液体重新输入与之适配的所述换热器内作为冷介质流体交换冷量。所述冷分器内设有冷介质通道冷介质流体输入所述冷介质通道，用于提供所述煤层气降温液化时所需的冷量；热交换装置所述热交换装置包括一热交换室，所述热交换室的下部连接有煤层气输入管道和液化产品排出管道，其上部连接有螺旋状排气管道，所述热交换装置中的所述煤层气的流向同所述冷介质通道内的冷介质流体的流向相反。所述煤层气输入所述热交换装置内同所述冷介质通道内的冷介质流体进行质热交换，使所述煤层气冷却降温，经热交换后，实现所述煤层气中沸点最低的气体的液化，实现与其他气体组分的分离；所述煤层气中的被液化的液体经液化产品排出管道排出，其他未被液化的气体经所述排气管道排出。所述热交换室内还设有塔板6，所述塔板6设置于所述热交换室的上部，所述塔板 6上设有穿流孔，所述煤层气与液化后的液体在所述塔板6处进行气液热交换。所述热交换室内还包括设置于所述塔板6下方的引流板和集液器，被液化的液体经弓I流板进入所述集流器内，所述液化产品排出管道同所述集流器的底端连接。所述液体收集装置还包括用于控制所述集液器液面高度的液面传感器，并通过控制设置于所述液化产品排出管道上的阀门调节排液量。各级所述冷分器还设有辅助制冷系统，用于补偿所述煤层气液化时所需要的冷量。所述辅助制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。所述冷分器的外部由聚氨酯保温层包覆。所述冷分器包括顺次连接的能使(X)2液化的(X)2冷分器和能使CH4液化的CH4冷分器，所述换热器包括分别与所述(X)2冷分器和CH4冷分器适配的一级换热器和二级换热器； 所述一级换热器的气体通道分别与所述净化压缩设备的输出管道及所述(X)2冷分器的煤层气输入管道连通，所述(X)2冷分器的冷介质通道与所述一级换热器的冷介质通道和辅助制冷系统相连通，所述二级换热器的气体通道分别与所述(X)2冷分器的排气管道和所述CH4冷分器的煤层气输入管道连通，所述二级换热器的冷介质通道分别与所述CH4冷分器的排气管道和所述CO2冷分器的冷介质通道连通，所述CH4冷分器的冷介质通道与辅助制冷系统连通。所述(X)2冷分器的集液器和所述CH4冷分器的集液器分别通过液化产品排出管道同所述一级换热器和所述二级换热器的所述冷介质通道连通。所述ω2冷分器的控制温度为-85 -80°c ；所述CH4冷分器的控制温度为-170 -160°C。本发明还公开了一种煤层气液化分离的工艺，包括下述步骤(1)原料气的预处理将煤层气原料气净化并低压压缩，去除煤层气中含有的水蒸气、灰尘和含硫物质；(2) CO2的液化分离预处理后的煤层气经一级换热器预冷却，并通入(X)2冷分器底部的煤层气输入管道，继续冷却降温至-85 -80°C，使得所述煤层气达到(X)2的液化温度， 使其中的(X)2液化，同时收集液化后的(X)2液体，其他未液化的煤层气组分经所述(X)2冷分器顶部的排气管道继续通入下一级别的所述冷分器内；(3)CH4的液化分离将分离出CO2的煤层气通入所述二级换热器预冷却，并通入所述CH4冷分器底部的煤层气输入管道，所述辅助制冷系统继续强制冷却降温至-170 -160°C，使得所述煤层气达到CH4的液化温度，使其中的CH4液化，同时收集液化后的CH4 ；其他未液化的煤层气组分经所述CH4冷分器顶部的排气管道排出；(4)O2, N2的处理所述煤层气中未液化的02、N2通入所述二级换热器作为冷介质流体交换冷量或排空。所述步骤O)中，收集到的(X)2引入一级换热器的冷介质通道进行冷量交换。所述步骤(3)中，收集到的014引入所述一级换热器进行热交换，作为其他设备动力能源。所述步骤中，未液化的02、队依次作为冷介质流体依次通入所述二级换热器、 所述(X)2冷分器以及所述一级换热器交换冷量。所述一级换热器、二级换热器、CO2冷分器和CH4冷分器的冷却降温通过制冷系统控制。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，1、本发明所述的冷分器同时设有热介质通道和冷介质通道，且所述热介质通道和冷介质通道呈螺旋状盘旋排列，使得含冷量气体可以通过冷介质通道直接与煤层气进行热交换，在冷分器中即可实现降温，而无需特意添加冷凝器提供外接冷量，此结构可大大减小对外界冷量的依赖，减少能耗；2、所述液体收集装置中设置页面传感器，当液体达到一定高度后阀门打开将所收集到的液体排出，同时保留一定量的液体，用于保证对为液化产品体的密封；3、所述液化分离设备可以根据不同成分的煤层气选择多个冷分器组合，只需控制不同冷分器的冷却温度即可分理处各个组分的物质；4、本发明所述的液化分离工艺通过分步控制冷却的温度，先后独立的将CO2 和CH4液化分离，避免了再CH4液化过程中，(X)2先行液化甚至凝华进而堵塞设备的问题；5、 将分离收集的液态(X)2和CH4重新引入换热器的冷介质通道中，可以节约能量；6、未被液化的02、队可以重复引入换热器的冷介质通道作为热交换介质，节约能量。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为爆炸三角形理论示意图；图2为本发明所述的煤层气液化分离工艺设备示意图。图中附图标记表示为1-压缩净化设备，2-—级换热器，3_0)2冷分器，4-二级换热器，5-CH4冷分器，6-塔板，7-液面传感器，8-辅助制冷系统，9-深冷膨胀系统。
具体实施例方式如图2所示，本发明所述的煤层气液化分离的设备，包括顺次连接的压缩净化设备1 包括除尘设备、除硫设备和除水设备，用于将所述煤层气原料气进行预处理。所选除尘设备为水幕或折返式水槽；除硫设备为干式碱性催化剂滤罐或湿式硫酸铜水洗槽；除水设备为有机硅胶吸附和脱吸罐。使得煤层气中仅含有O2、队、CH4和CO2 等气体。多个串联的冷分器所述冷分器根据煤层气中各组分气体的性质调控其自身控制温度，使得煤层气中的各组分气体在各级所述冷分器内冷却降温并得到液化。初级冷分器
7对进入的煤层气原料气降温，使得其中沸点最低气体液化并收集，其他未液化的气体进入后一级冷分器，继续将剩余混合气体中沸点最低的气体液化并收集；后一级所述冷分器控制的温度低于上一级所述冷分器控制的温度；后一级所述冷分器中的液化产品输入至前面任意一级的所述冷分器中作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器未液化的气体重新通入上一级所述冷分器内作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器通过辅助制冷设备控制温度。分别与各级所述冷分器适配的多级换热器所述换热器与所述冷分器相串联，所述煤层气在进入各级所述冷分器之前先进入与之适配的所述换热器进行预制冷降温。同时各级所述冷分器内收集的液体重新输入与之适配的所述换热器内作为冷介质流体交换冷量。所述压缩净化设备与一级换热器的原料气热介质通道相连接，煤层气原料气经所述压缩净化设备净化后进入所述换热器，经降温后进入所述冷分器的热交换装置内进行煤层气的液化分离，所述后一级冷分器内的冷介质流体的温度低于前一级冷分器内冷介质流体的温度，且各级冷分器内的冷介质流体促使煤层气中的一种气体发生液化。所述冷分器垂直设置，与之适配的所述换热器的所述热介质通道被引入所述冷分器的底部的气体输入管道。所述冷分器包括冷介质通道冷介质流体输入所述冷介质通道，用于提供煤层气降温液化时所需的冷量；热交换装置煤层气输入所述热交换装置内同所述冷介质通道内的冷介质流体进行热交换，使煤层气冷却降温，经热交换后，实现煤层气中的一种气体的液化，实现与其他气体组分的分离；所述热交换装置内包括一个热交换室，所述热交换室的下部连接有煤层气输入管道和液化产品排出管道，其上部连接有螺旋状排气管道，经热交换后，煤层气中的被液化的液体经液化产品排出管道排出，其中未被液化的气体经所述排气管道排出；所述冷介质通道呈螺旋结构，盘旋于所述换热装置外部，并与所述螺旋状排气管道相盘旋，所述热交换装置的煤层气的流向同所述冷介质通道内的冷介质流体的流向相反，使得含冷量气体与煤层气有充分的接触空间进行充分的热交换；所述热交换室内还设有置于所述热交换室上部的塔板6以及设置于所述塔板6下方的引流板和集液器，所述塔板6上设有穿流孔，所述煤层气与液化后的液体在所述塔板6 处进行气液质热交换，被液化的气体经引流板进入所述集流器内，所述液化产品排出管道同所述集流器的底端连接，所述液体收集装置还包括用于控制所述集液器液面高度的液面传感器，并通过控制设置于所述液化产品排出管道上的阀门调节排液量。辅助制冷系统当所述含冷量气体提供的冷量无法满足所述冷分器的控温要求时，所述辅助制冷系统用于补偿提供所述冷分器所需的冷量；所述辅助制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。使用时所述冷分器需要垂直设置，所述煤层气从所述冷分器的底部进入所述冷分器液化，此时液化后的液体在自身重力作用下向下流动，向上流动的气体可以充分接触进行质热交换。
所述冷分器的外部由多层聚氨酯保温层包覆，确保整个冷分器的保温密封性。所述冷分器包括顺次连接的能使(X)2液化的(X)2冷分器3和能使CH4液化的CH4冷分器5，所述换热器包括分别与所述(X)2冷分器3和CH4冷分器5适配的一级换热器2和二级换热器4 ；所述一级换热器2的气体通道分别与所述净化压缩设备1的输出管道及所述 CO2冷分器3的煤层气输入管道连通，所述(X)2冷分器3的冷介质通道与所述一级换热器2的冷介质通道和辅助制冷系统8相连通，所述二级换热器4的气体通道分别与所述(X)2冷分器 3的排气管道和所述CH4冷分器5的煤层气输入管道连通，所述二级换热器4的冷介质通道分别与所述CH4冷分器5的排气管道和所述(X)2冷分器3的冷介质通道连通，所述CH4冷分器5的冷介质通道与深冷膨胀系统9连通。所述(X)2冷分器3的控制温度为-85 -80°C ； 所述CH4冷分器5的控制温度为-170 -160°C。所述(X)2冷分器3的集液器和所述CH4冷分器5的集液器分别通过液化产品排出管道同所述一级换热器和所述二级换热器的所述冷介质通道连通。所述CO2冷分器3还设有辅助制冷系统8，当N2和仏提供给CO2冷分器3的能量不能满足ω2液化温度的要求时，CO2冷分器的辅助制冷系统8启动，含冷量工质通入所述 CO2冷分器3的冷介质通道，来满足冷分器所需的温度要求。CH4冷分器5内的温度必须达到CH4液化的温度，温度主要由工质膨胀气化吸收冷分器中的热能，使冷分器内温度下降，达到CH4的液化温度。深冷膨胀系统9的膨胀管环绕在冷凝管的外面，含冷量工质通入所述冷介质通道提供所述CH4冷分器5降温所需的冷量， 在整个系统外面外部均用多层聚氨酯保温层包覆。所述(X)2冷分器3和所述CH4冷分器5内均含有液体收集装置7，所述液体收集装置包括用于导流的引流板和集液器，所述集液器与储气罐相连接收集液体，或者与所述换热器的所述冷介质通道相连接，作为冷介质提供冷分器所需的冷量。所述液体收集装置还包括控制所述集液器液面高度的液面传感器，并通过控制阀门调节排液量。当液体达到一定高度后阀门打开将收集到的液体排出，同时留有一定量的液体，用于保证对未液化产品体的密封。所述一级换热器2、二级换热器4、0)2冷分器3和CH4冷分器5的冷却由制冷系统控制。本发明所述的煤层气液化分离工艺，包括下述步骤(1)原料气的预处理将煤层气原料气经过罗茨泵低压加压进入高效除尘、除水、 除硫设备中净化，脱去气体中大量的水蒸气、灰尘和含硫物质。所选除尘设备为水幕或折返式水槽；除硫设备为干式碱性催化剂滤罐或湿式硫酸铜水洗槽；除水设备为有机硅胶吸附和脱吸罐。使得煤层气中仅含有02、N2, CH4和(X)2等气体。(2) CO2的液化分离将含有剩余气体02、队、014、0)2等气体的煤层气进入一级换热器进行降温预冷处理，该步骤中温度应控制在能够使(X)2液化的温度。将预冷后的气体从底部通入垂直设置的(X)2冷分器的气体输入管道内，CO2冷分器内的控制温度为-85 -80°c， 由于所述冷介质通道呈螺旋状盘旋于所述换热室外部并与所述排气管道相盘旋，因此所述冷介质流体所含的冷量可以使所述煤层气降温至-85 _80°C，使用辅助制冷系统一方面检测所述CO2冷分器内的温度，另一方面当所述冷介质流体的冷量无法使所述煤层气的温度将至核定温度时，启动所述辅助制冷系统，含冷量工质通入所述冷介质通道内提供冷量，对所述ω2冷分器强制降温。由于冷却降温是一个持续的过程，混合气上升过程中经过足够长的螺旋状排气管道时，在CO2冷凝温度下，(X)2气体在冷分器的排气管道内开始液化，并在螺旋管内壁凝结结露。在上升气流扰动和冷凝液重力双重作用下，CO2液滴沿螺旋管壁下滑，最后落入螺旋管下的集液器内。由于设有足够长度的排气管道，能够使得煤层气中含有的CO2全部液化收集。集液器处设有液面传感器，当液体达到一定高度后阀门打开将收集到的CO2液体排出，同时留有一定量的液体，用于保证对未液化产品体的密封。CO2排出口可以连接至储气罐收集起来也可以直接连接到一级换热器的冷介质通道中上对进入的煤层气原料气进行一级降温处理而(X)2自身转化为气体。此时煤层气混合气体中仅含有队、O2和 CH4。所述(X)2冷分器的的所述冷介质通道内的所述冷介质流体主要是CH4冷分器排出的N2 和O2。C3) CH4的液化分离将含有队、02、014等气体的煤层气通入二级换热器的热介质通道进行二级降温预冷处理处理，该部分温度应控制在甲烷能够进行液化的温度。然后将预冷后的煤层气从底部通入垂直设置的CH4冷分器的煤层气输入管道内，CH4冷分器内的控制温度为-170 -160°C，由于所述CH4冷分器为最末级冷分器，并没有温度更低的冷量气体对其进行冷交换降温，因此所述CH4冷分器采用深冷膨胀辅助系统进行强制降温。含冷量工质通入所述CH4冷分器的冷介质内对其内的煤层气进行强制降温至核定温度。由于所述冷介质通道呈螺旋状盘旋于所述换热室外部并与所述排气管道相盘旋，同时也因为冷却是一个持续过程，混合气上升经过足够长的螺旋管，在CH4冷凝温度下，将会在螺旋管内壁结露。 在上升气流扰动和冷凝液重力双重作用下，CH4液滴沿螺旋管壁流下，最后落入螺旋管下的集液器内。集液器处装有液面传感器可以控制阀门的开启，来控制CH4的流出量，目的是留有一定量的CH4液体以实现对未被液化的气体的密封。在CH4出口可以直接连接到储气罐， 灌装成为液化天然气，也可以连接到一级换热器的冷介质通道处为进入的煤层气原料气降温，同时CH4液体经过热交换复热为气体，在气体出口处直接连接储气罐收集或做为其他设备动力能源。CH4冷分器内的温度必须达到CH4液化的温度，温度主要由工质膨胀气化吸收冷分器中的热能，使冷分器内温度下降，达到CH4的液化温度。深冷膨胀系统的膨胀管环绕在冷凝管的外面，在整个系统外面外部均用聚氨酯保温层包覆。(4) O2^N2的处理剩余的O2和队可以直接连接到一级换热器和二级换热器的冷介质通道内用作热交换之用，也可以引入CO2冷分器的冷介质通道内为CO2的液化提供能量。 CO2冷分器的温度主要是依赖CH4冷分器出来的N2和A的温度满足CO2的液化要求，当N2 和A提供给(X)2冷分器的能量不能满足(X)2液化温度的要求时，(X)2冷分器的辅助制冷系统将启动来满足冷分器所需的温度要求。所述制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。最后用作交换冷量之用的N2、O2和(X)2经过一级换热器的出口排放或是收集至储气罐。本发明所述的煤层气液化分离的设备和工艺，还可以根据所需分离的煤层气的成分及含量不同，设置不同级数的冷分器和换热器，将煤层气中的不同组分依次液化分离并收集。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或
10变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1.一种煤层气液化分离的设备，其特征在于，包括顺次连接的 压缩净化设备(1)用于将所述煤层气原料气进行预处理；多个串联的冷分器其中初级冷分器对进入的煤层气原料气降温，使得其中沸点最低气体液化并收集，其他未液化的气体进入后一级冷分器，继续将剩余混合气体中沸点最低的气体液化并收集；后一级所述冷分器控制的温度低于上一级所述冷分器控制的温度；后一级所述冷分器中的液化产品输入至前面任意一级的所述冷分器中作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器未液化的气体重新通入上一级所述冷分器内作为冷介质流体交换冷量；最后一级所述冷分器通过辅助制冷设备控制温度。
2.根据权利要求1所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于 各级所述冷分器之前还分别串联有与之适配的换热器；所述煤层气在进入各级所述冷分器之前先进入所述换热器进行预制冷降温； 各级所述冷分器内收集的液体输入与之适配的所述换热器内作为冷介质流体交换冷量。
3.根据权利要求1或2所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于，所述冷分器内设有冷介质通道冷介质流体输入所述冷介质通道，用于提供所述煤层气降温液化时所需的冷量；热交换装置所述热交换装置包括一热交换室，所述热交换室的下部连接有煤层气输入管道和液化产品排出管道，其上部连接有螺旋状排气管道，所述热交换装置中的所述煤层气的流向同所述冷介质通道内的冷介质流体的流向相反。
4.根据权利要求3所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于所述热交换室内还设有塔板(6)，所述塔板(6)设置于所述热交换室的上部，所述塔板 (6)上设有穿流孔，所述煤层气与液化后的液体在所述塔板(6)处进行气液热交换。
5.根据权利要求4所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于所述热交换室内还包括设置于所述塔板(6)下方的引流板和集液器，被液化的液体经弓I流板进入所述集流器内，所述液化产品排出管道同所述集流器的底端连接。
6.根据权利要求5所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于所述液体收集装置还包括用于控制所述集液器液面高度的液面传感器，并通过控制设置于所述液化产品排出管道上的阀门调节排液量。
7.根据权利要求6所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于各级所述冷分器还设有辅助制冷系统，用于补偿所述煤层气液化时所需要的冷量。
8.根据权利要求7所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于 所述辅助制冷系统为气体膨胀制冷系统或混合制冷剂制冷系统。
9.根据权利要求8所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于 所述冷分器的外部由聚氨酯保温层包覆。
10.根据权利要求2-9任一所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于所述冷分器包括顺次连接的能使(X)2液化的(X)2冷分器( 和能使CH4液化的CH4冷分器(5)，所述换热器包括分别与所述CO2冷分器和CH4冷分器适配的一级换热器( 和二级换热器(4)；所述一级换热器O)的气体通道分别与所述净化压缩设备(1)的输出管道及所述CO2冷分器C3)的煤层气输入管道连通，所述CO2冷分器C3)的冷介质通道与所述一级换热器O)的冷介质通道以及辅助制冷系统相连通，所述二级换热器的气体通道分别与所述CO2冷分器(3)的排气管道和所述CH4冷分器( 的煤层气输入管道连通，所述二级换热器⑷的冷介质通道分别与所述CH4冷分器(5)的排气管道和所述CO2冷分器(3)的冷介质通道连通，所述CH4冷分器(5)的冷介质通道与辅助制冷系统连通。所述CO2冷分器(3)的集液器和所述CH4冷分器(5)的集液器分别通过液化产品排出管道同所述一级换热器( 和所述二级换热器(4)的所述冷介质通道连通。
11.根据权利要求10所述的煤层气液化分离的设备，其特征在于所述CO2冷分器(3)的控制温度为-85 -80°C ；所述CH4冷分器(5)的控制温度为-170 -160°C。
12.一种煤层气液化分离的工艺，其特征在于，包括下述步骤(1)原料气的预处理将煤层气原料气净化并低压压缩，去除煤层气中含有的水蒸气、 灰尘和含硫物质；(2)CO2的液化分离预处理后的煤层气经一级换热器预冷却，并通入CO2冷分器底部的煤层气输入管道，继续冷却降温至-85 -80°C，使得所述煤层气达到(X)2的液化温度，使其中的(X)2液化，同时收集液化后的CO2液体，其他未液化的煤层气组分经所述(X)2冷分器顶部的排气管道继续通入下一级别的所述冷分器内；(3)CH4的液化分离将分离出(X)2的煤层气通入所述二级换热器预冷却，并通入所述CH4冷分器底部的煤层气输入管道，所述辅助制冷系统继续强制冷却降温至-170 -160°C，使得所述煤层气达到CH4的液化温度，使其中的CH4液化，同时收集液化后的CH4 ；其他未液化的煤层气组分经所述CH4冷分器顶部的排气管道排出；(4)O2,N2的处理所述煤层气中未液化的02、N2通入所述二级换热器作为冷介质流体交换冷量或排空。
13.根据权利要求12所述的煤层气液化分离的工艺，其特征在于所述步骤O)中，收集到的CO2引入一级换热器的冷介质通道进行冷量交换。
14.根据权利要求12所述的煤层气液化分离的工艺，其特征在于所述步骤(3)中，收集到的CH4引入所述一级换热器进行热交换，作为其他设备动力能源。
15.根据权利要求12所述的煤层气液化分离的工艺，其特征在于所述步骤(4)中，未液化的02、队依次作为冷介质流体依次通入所述二级换热器、所述 CO2冷分器以及所述一级换热器交换冷量。
16.根据权利要求12-15任一项所述的煤层气液化分离的工艺，其特征在于所述一级换热器、二级换热器、(X)2冷分器和CH4冷分器的冷却降温通过制冷系统控制。
全文摘要
本发明属于混合气体的液化分离领域，具体涉及一种煤层气尤其是低CH4气含量煤层气液化分离的设备及工艺。本发明所述的液化分离工艺通过分步控制冷却的温度，先后独立的将CO2和CH4液化分离，避免了在CH4液化过程中，CO2先行液化甚至凝华进而堵塞设备的问题。不仅解决了煤层气开采过程中的安全隐患，同时收集得到纯净的CH4，可以供其他工业应用。
文档编号F25J5/00GK102226627SQ20111013693
公开日2011年10月26日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者丁琦洋, 魏厚瑗 申请人:北京惟泰安全设备有限公司