专利名称：低浓度煤层气含氧深冷液化制取lng工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于通过加压和冷却处理使气体或气体混合物进行液化、固化或分离的技术领域，具体的为一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺。
背景技术：
含氧煤层气是煤矿在开采过程中为防止瓦斯爆炸和突出，保证煤矿安全生产而抽排出的初级副产品，其主要成分为甲烷，从其成分含量上可以看出，煤层气是较为重要的能源和化工原料。但是由于其成分较为复杂，特别是在煤层气中含有氧，是非常危险的助燃助爆剂，制约了含氧煤层气的综合利用，实践中，为了节约成本，煤层气普遍在采煤过程中排入大气，造成资源的极度浪费和对环境造成污染。随着技术的发展，目前在低浓度煤层气提纯制取天然气的领域中，出现了多种含氧煤层气的液化技术。公开号为CN101922850A和CN101929788A分别公开了一种利用含氧煤层气制取液化天然气的方法和利用含氧煤层气制取液化天然气的装置，该方法和装置采用混合冷剂自复叠制冷循环，将净化后的原料气液化并分离，得到LNG产品，该方法和装置虽然能够利用含氧煤层气制取天然气，但是还存在以下问题:
(1)原料气(即低浓度煤层气)来自于煤矿井下抽采，甲烷含量波动较大，难免会影响液化工艺的稳定运行，需要对装置进行调整；而该方法和装置中天然气产品的纯度和收率分别由塔底蒸发量和塔顶冷凝量控制，但为塔底加热和为塔顶冷却的制冷剂流体为同一股，因此在调整产品纯度时会影响塔顶冷凝量(收率)，同样，调整产品收率时又会影响到塔底蒸发量(纯度)；
(2)如果冷剂压缩机工况不稳定，会导致大量混合冷剂中的重组分(如异丁烷、异戊烷)进入液化装置的低温区(温度低于一 165°C )，造成该段冷剂温度低于其下转化温度，使节流后温度升高(即不制冷)，严重时亦会导致凝固，使冷剂通道堵塞；
(3)煤层气中甲烷被提出后，氮氧尾气在精馏塔的操作压力(0.3MPa)下直接复热排空，未充分回收其能量(压力能)，浪费能源。有鉴于此，本发明旨在探索一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，该低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺不仅能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且能够防止冷剂通道堵塞，并提高提高能源利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，该低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺不仅能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且能够防止冷剂通道堵塞。为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案:
一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，包括:
I)压缩净化工序:将低浓度含氧煤层原料气经压缩净化后得到净化含氧煤层气；2)液化分离工序:包括主流程工艺和制冷工艺；
a.主流程工艺:将净化含氧煤层气依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器换热制冷，并节流后进入精馏塔，在设置在精馏塔塔底的再沸器出口得到液化天然气，精馏塔的塔顶得到氮氧尾气，并利用精馏塔塔顶设置的塔顶冷凝器析出氮氧尾气中含有的少量甲烷组分；
b.制冷工艺:包括混合冷剂工艺和氮冷剂工艺；
Iv混合冷剂工艺:混合冷剂经压缩、冷却后进入重烃分离器分离为气液两相，其中气相混合冷剂依次通过一级换热器和二级换热器降温后，进入位于精馏塔塔底的再沸器加热塔底液体，节流后将气相混合冷剂依次通过三级换热器、二级换热器和一级换热器输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机循环利用；液相混合冷剂通过一级换热器冷却降温、并节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器一起回流至混合冷剂压缩机循环利用；
b2.氮冷剂工艺:氮冷剂经压缩、冷却后依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器冷却降温，将经节流后的氮冷剂进入塔顶冷凝器输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器、一级换热器逐级升温至常温后回流至氮压缩机循环利用。进一步，经所述压缩净化工序得到的净化含氧煤层气的温度为40°C、绝对压强为
0.42MPa。进一步，所述主流程工艺包括如下步骤:
B1.将净化含氧煤层气依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器换热制冷，并经过节流后形成冷凝液和气体的混合物；
a2.净化含氧煤层气从精馏塔的中部进入精馏塔，冷凝液向下流向塔底，并向上挥发携带的少量氮氧尾气，通过再沸器加热后从冷凝液出口流出，且在冷凝液出口得到温度为-143.5°C、绝对压力为0.32、.36MPa、甲烷浓度大于等于99%的液化天然气，该液化天然气通过三级换热器换热并达到温度为-155 160°C，压力为0.243MPa的过冷状态后带压存储，得到成品天然气；
a3.精馏塔的塔顶得到氮氧尾气经塔顶冷凝器析出携带的少量甲烷组分后，再经过冷器复热后进入膨胀机膨胀，膨胀至0.15^0.1SMPa后的氮氧尾气依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器和一级换热器复热至常温后作为压缩净化工序的再生气。进一步，步骤Id1中，混合冷剂的初始压强为0.26MPa，经混合冷剂压缩机压缩至
3.2-3.8Mpa,冷却后进入重烃分尚器分尚为气液两相；
其中气相混合冷剂依次通过一级换热器和二级换热器降温至_120°C后，进入位于精馏塔塔底的再沸器加热塔底液化天然气，自身被冷却至_148°C，节流后将温度为_160°C的气相混合冷剂依次通过三级换热器、二级换热器和一级换热器输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机循环利用；
液相混合冷剂通过一级换热器冷却至_50°C，并节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器一起回流至混合冷剂压缩机循环`利用。进一步，步骤b2中，氮冷剂的初始压强为0.35MPa，经氮压缩机压缩至
3.2^3.5MPa，冷却后依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器冷却至_172°C，经节流后氮冷剂的温度为_182°C、绝对压强为0.4MPa，进入塔顶冷凝器输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器、一级换热器逐级升温至常温后回流至氮压缩机循环利用。进一步，所述混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷的混合物。本发明的有益效果在于:
本发明的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，通过将制冷工艺分为相对独立的混合冷剂工艺和氮冷剂工艺，并通过混合冷剂工艺控制精馏塔的塔底蒸发量，通过氮冷剂工艺控制精馏塔的塔顶冷凝量，能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且低温区的冷剂仅有氮组分，不存在异丁烷、异戊烷等重组分，从而解决节流不制冷，或冷剂通道堵塞问题。通过将精馏塔塔顶得到的氮氧尾气经膨胀机膨胀，膨胀机在常温常压下排空，从而充分回收返流的氮氧气的能量，达到节能减排的目的。
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
图1为本发明低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺实施例的流程示意图。
具体实施例方式下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。首先对适用于本发明低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺的一种制取天然气的装置进行说明。如图1所示，该低浓度煤层气含氧深冷液化制取天然气的装置，包括主流程系统和制冷系统。主流程系统沿净化后的煤层气流动方向依次包括一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3、过冷器4和精馏塔5，精馏塔5塔顶设置塔顶冷凝器6，精馏塔5塔内设置位于塔底的再沸器7，精馏塔5塔顶设置的氮氧气出口与塔顶冷凝器6的氮氧气出口相连，且精馏塔5的塔底设置冷凝液出口，用于液态天然气流出。过冷器4的煤层气出口与精馏塔5的煤层气入口之间设有节流阀Vf，能够对煤层气进行节流降温。制冷系统包括混合冷剂循环系统和氮循环系统。混合冷剂循环系统沿混合冷剂流动方向依次包括混合冷剂压缩机8、混合冷剂冷却器9和重烃分离器10。重烃分离器10的气相混合冷剂出口依次通过一级换热器I和二级换热器2连通于再沸器7的气相混合冷剂入口，再沸器7的气相混合冷剂出口依次通过三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I使气相混合冷剂回流并连通于混合冷剂压缩机8的混合冷剂入口，重烃分离器10的液相混合冷剂出口通过一级换热器I后与回流的气相混合冷剂汇合，液相混合冷剂与气相混合冷剂汇合后经一级换热器I 一起回流进入混合冷剂压缩机8，使混合冷剂能够循环利用。混合冷剂循环系统还包括节流阀V1，重烃分离器10的液相混合冷剂出口依次通过一级换热器I和节流阀V1与回流的气相混合冷剂汇合，通过设置节流阀V1，能够对液相混合冷剂进行节流减压。再沸器7的气相混合冷剂出口与三级换热器3之间设有节流阀V2,能够对气相混合冷剂进行节流降温。
氮循环系统沿氮冷却剂的流动方向依次包括氮压缩机11和氮冷却器12，氮冷却器12的氮出口依次通过一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3和过冷器4连通于塔顶冷凝器6的氮入口，塔顶冷凝器6的氮出口依次通过过冷器4、三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I使氮冷却剂回流并连通于氮压缩机11的氮入口，使氮能够循环利用，并对塔顶冷凝器6提供冷量。过冷器4与塔顶冷凝器6的氮入口之间设有节流阀V3,能够对氮冷却剂进行降温。该低浓度煤层气含氧深冷液化制取天然气的装置，通过将制冷系统设置为混合冷剂循环系统和氮循环系统，通过混合冷剂循环系统控制精馏塔5的塔底蒸发量和通过氮循环系统控制精馏塔5的塔顶冷凝量，能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且低温区的冷剂仅有氮组分，不存在异丁烷、异戊烷等重组分，从而解决节流不制冷，或冷剂通道堵塞问题。进一步，主流程系统还包括膨胀机13，精馏塔5的氮氧气出口通过过冷器4连通于膨胀机13的氮氧气入口，膨胀机13的氮氧气出口依次通过过冷器4、三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I使氮氧气复热后进入净化工序。通过设置膨胀机13，使其在常温常压下排空，从而充分回收返流的氮氧气的能量，达到节能减排的目的。进一步，精馏塔5的冷凝液出口通过三级换热器3连通于天然气储罐，使天然气产品达到过冷状态，便于储存。进一步，混合冷剂冷却器9和氮冷却器12均为水冷却器，能够满足混合冷剂和氮冷却剂的冷却需求，并将其冷却至设定温度。下面结合上述低浓度煤层气含氧深冷液化制取天然气的装置对本发明低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺的具体实施方式
作详细说明。如图1所示，本实施例的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，包括:
I)压缩净化工序:将低浓度含氧煤层原料气经压缩净化后得到净化含氧煤层气，本实施例经压缩净化工序得到的净化含氧煤层气的温度为40°C、绝对压强为0.42MPa。2)液化分离工序:包括主流程工艺和制冷工艺。a.主流程工艺:将净化含氧煤层气依次通过一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3和过冷器4换热制冷，并通过节流阀Vf节流后进入精馏塔5，在设置在精馏塔5塔底的再沸器7出口得到液化天然气，精馏塔5的塔顶得到氮氧尾气，并利用精馏塔塔5顶设置的塔顶冷凝器6析出氮氧尾气中含有的少量甲烷组分。b.制冷工艺:包括混合冷剂工艺和氮冷剂工艺。Iv混合冷剂工艺:混合冷剂经混合冷剂压缩机8压缩、经混合冷剂冷却器9冷却后进入重烃分离器10分离为气液两相，其中气相混合冷剂依次通过一级换热器I和二级换热器2降温后，进入位于精馏塔5塔底的再沸器7加热塔底液体，经节流阀V2节流后将气相混合冷剂依次通过三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机8循环利用；液相混合冷剂通过一级换热器I冷却降温、并通过节流阀V1节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器I一起回流至混合冷剂压缩机8循环利用。本实施例的混合冷剂工艺的工艺参数如下:
本实施例的混合冷剂的初始压强为0.26MPa，经混合冷剂压缩机8压缩至3.2-3.8Mpa，冷却后进入重烃分离器10分离为气液两相；其中气相混合冷剂依次通过一级换热器I和二级换热器2降温至_120°C后，进入位于精馏塔5塔底的再沸器7加热塔底液化天然气，自身被冷却至_148°C，节流后将温度为_160°C的气相混合冷剂依次通过三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机8循环利用；液相混合冷剂通过一级换热器I冷却至_50°C，并节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器I 一起回流至混合冷剂压缩机8循环利用，能够满足液化天然气的制取要求，并控制精馏塔5的塔底蒸发量。b2.氮冷剂工艺:氮冷剂经氮压缩机11压缩、经氮冷却器12冷却后依次通过一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3和过冷器4冷却降温，将经节流阀V3节流后的氮冷剂进入塔顶冷凝器6输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器4、三级换热器3、二级换热器2、一级换热器I逐级升温至常温后回流至氮压缩机11循环利用。本实施例的氮冷剂工艺的工艺参数如下:
本实施例的氮冷剂的初始压强为0.35MPa，经氮压缩机11压缩至3.2^3.5MPa，冷却后依次通过一级换热器1、二级 换热器2、三级换热器3和过冷器4冷却至-172°C，经节流后氮冷剂的温度为_182°C、绝对压强为0.4MPa，进入塔顶冷凝器6输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器4、三级换热器3、二级换热器2、一级换热器I逐级升温至常温后回流至氮压缩机11循环利用，能够满足液化天然气的制取要求，并控制精馏塔5的塔顶冷凝量。本实施例的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，通过将制冷工艺分为相对独立的混合冷剂工艺和氮冷剂工艺，并通过混合冷剂工艺控制精馏塔的塔底蒸发量，通过氮冷剂工艺控制精馏塔的塔顶冷凝量，能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且低温区的冷剂仅有氮组分，不存在异丁烷、异戊烷等重组分，从而解决节流不制冷，或冷剂通道堵塞问题。进一步，本实施例的主流程工艺具体包括如下步骤:
B1.将净化含氧煤层气依次通过一级换热器1、二级换热器2、三级换热器3和过冷器4换热制冷，并经过节流阀Vf节流后形成冷凝液和气体的混合物；
a2.净化含氧煤层气从精馏塔5的中部进入精馏塔5，冷凝液向下流向塔底，并向上挥发携带的少量氮氧尾气，通过再沸器7加热后从冷凝液出口流出，且在冷凝液出口得到温度为-143.5°C、绝对压力为0.32、.36MPa、甲烷浓度大于等于99%的液化天然气，该液化天然气通过三级换热器3换热并达到温度为-155 160°C，压力为0.243MPa的过冷状态后带压存储，得到成品天然气；
a3.精馏塔5的塔顶得到氮氧尾气经塔顶冷凝器6析出携带的少量甲烷组分后，再经过冷器4复热后进入膨胀机13膨胀，膨胀至0.15^0.1SMPa后的氮氧尾气依次通过过冷器4、三级换热器3、二级换热器2和一级换热器I复热至常温后作为压缩净化工序的再生气。通过将精馏塔5塔顶得到的氮氧尾气经膨胀机13膨胀，膨胀机13在常温常压下排空，从而充分回收返流的氮氧气的能量，达到节能减排的目的。进一步，本实施例的混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷的混合物，能够满足在液化天然气制取的各个环节中的温度控制要求，混合冷剂中各个组分的配比根据实际制冷量的需求进行设定，当然，混合冷剂还可采用现有的其他组分的混合冷剂，不再累述。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:包括: 1)压缩净化工序:将低浓度含氧煤层原料气经压缩净化后得到净化含氧煤层气； 2)液化分离工序:包括主流程工艺和制冷工艺； a.主流程工艺:将净化含氧煤层气依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器换热制冷，并节流后进入精馏塔，在设置在精馏塔塔底的再沸器出口得到液化天然气LNG，精馏塔的塔顶得到氮氧尾气，并利用精馏塔塔顶设置的塔顶冷凝器析出氮氧尾气中含有的少量甲烷组分； b.制冷工艺:包括混合冷剂工艺和氮冷剂工艺； Iv混合冷剂工艺:混合冷剂经压缩、冷却后进入重烃分离器分离为气液两相；其中气相混合冷剂依次通过一级换热器和二级换热器降温后，进入位于精馏塔塔底的再沸器加热塔底液体，节流后将气相混合冷剂依次通过三级换热器、二级换热器和一级换热器输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机循环利用；液相混合冷剂通过一级换热器冷却降温、并节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器一起回流至混合冷剂压缩机循环利用； b2.氮冷剂工艺:氮冷剂经压缩、冷却后依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器冷却降温，将经节流后的氮冷剂进入塔顶冷凝器输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器、一级换热器逐级升温至常温后回流至氮压缩机循环利用。
2.根据权利要求1所述的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:经所述压缩净化工序得到的净化含氧煤层气的温度为40°C、绝对压强为0.52MPa。
3.根据权利要求2所述的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:所述主流程工艺包括如下步骤: B1.将净化含氧煤层气依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器换热制冷，并经过节流后形成冷凝液和气体的混合物； a2.净化含氧煤层气从精馏塔的中部进入精馏塔，冷凝液向下流向塔底，并向上挥发携带的少量氮氧尾气，通过再沸器加热后从冷凝液出口流出，且在冷凝液出口得到温度为-143.5°C、绝对压力为0.32、.36MPa、甲烷浓度大于等于99%的液化天然气，该液化天然气通过三级换热器换热并达到温度为-155 160°C，压力为0.243MPa的过冷状态后带压存储，得到成品LNG; a3.精馏塔的塔顶得到氮氧尾气经塔顶冷凝器析出携带的少量甲烷组分后，再经过冷器复热后进入膨胀机膨胀，膨胀至0.15^0.1SMPa后的氮氧尾气依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器和一级换热器复热至常温后作为压缩净化工序的再生气。
4.根据权利要求3所述的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:步骤1^中，混合冷剂的初始压强为0.26MPa，经混合冷剂压缩机压缩至3.2-3.8Mpa，冷却后进入重烃分离器分离为气液两相； 其中气相混合冷剂依次通过一级换热器和二级换热器降温至_120°C后，进入位于精馏塔塔底的再沸器加热塔底液化天然气，自身被冷却至_148°C，节流后将温度为_160°C的气相混合冷剂依次通过三级换热器、二级换热器和一级换热器输出冷量并循环回流至混合冷剂压缩机循环利用； 液相混合冷剂通过一级换热器冷却至_50°C，并节流后与回流的气相混合冷剂汇合经一级换热器一起回流至混合冷剂压缩机循环利用。
5.根据权利要求4所述的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:步骤b2中，氮冷剂的初始压强为0.35MPa，经氮压缩机压缩至3.2^3.5MPa，冷却后依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器冷却至_172°C，经节流后氮冷剂的温度为_182°C、绝对压强为0.4MPa，进入塔顶冷凝器输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器、一级换热器逐级升温至常温后回流至氮压缩机循环利用。
6.根据权利要求1-5任一项所述的低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，其特征在于:所述混合冷剂为氮气、甲烷、乙烯、丙`烷、异戊烷的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种低浓度煤层气含氧深冷液化制取LNG工艺，包括1)压缩净化工序；2)液化分离工序包括a．主流程工艺；b．制冷工艺包括b1．混合冷剂工艺；b2．氮冷剂工艺氮冷剂经压缩、冷却后依次通过一级换热器、二级换热器、三级换热器和过冷器冷却降温，将节流后的氮冷剂进入塔顶冷凝器输出冷量，然后将气态的氮冷剂依次通过过冷器、三级换热器、二级换热器、一级换热器逐级升温至常温后回流至氮压缩机循环利用。通过混合冷剂工艺控制塔底蒸发量，通过氮冷剂工艺控制塔顶冷凝量，能够独立调整天然气产品的纯度和收率，而且低温区的冷剂仅有氮组分，不存在异丁烷、异戊烷等重组分，从而解决节流不制冷，或冷剂通道堵塞问题。
文档编号F25J3/02GK103175381SQ20131011743
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者张武, 肖露, 任小坤, 姚成林, 姚占强, 王勇 申请人:中国科学院理化技术研究所, 中煤科工集团重庆研究院