含甲烷的空气全产品化分离系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及空分系统，具体为一种含甲烷的空气全产品化分离系统，用于将煤层气分离为单质产品，实现全产品化。
【背景技术】
[0002]空气分离技术是冶金、煤化工、石油化工等产业的重要组成部分。高纯度与大规模的空气分离技术，普遍采用深冷液化精馏分离技术。变压吸附与膜分离技术，因其分离产品的纯度低、规模小，不适用于高纯度与大规模的空气分离(纯度大于99%以上，规模大于3600Nm3/小时)。单质空气产品(氧气、氮气、氩气)具有广阔的市场需求(例如冶金、煤化工、石油化工、机械制造、钢结构工程、船舶工业、医疗、电子工业、食品加工与储存、消防灭火、仪器仪表隔爆等等)。
[0003]煤矿在采煤过程中，由于生产矿井的煤层有裂隙，因此从煤层中抽采的煤层气混入了部分空气。这部分空气的存在，一是降低了煤层气的能源品质(热值下降);二是按浓度折算的抽采效率下降致使成本增大。而其中的甲烷既威胁着采煤安全(在空气中的爆炸浓度为5~15%)，其温室效应是二氧化碳(CO2)的至少21倍，对大气臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。煤层气混入的部分空气，是影响煤层气高效开发与利用的瓶颈。因此如何将低浓度煤层气全部转化为产品(甲烷+空气产品)，既能恢复煤层气能源的品质，同时还能解决抽采作业时人力、财力、动力耗费，是煤层气开发利用领域的一项核心支撑技术。
[0004]我国煤系地层储存着与陆地天然气几乎等量的36万亿方煤层气能源，位居世界第三位。截止2013年底，美国从煤系地层开采了 500亿方煤层气，中国同期则为30亿方。2013年中国天然气的表观消费量约为1690亿方，其中进口超过了 500亿方，而煤层气仅占其中的1.8%。从数据中不难看出，中国完全具有不进口天然气的储量潜力。
[0005]由于我国执行采煤采气一体化政策，所以这种清洁能源的地位，是从属于采煤安全，也就是用煤矿安全基金的投入抽采出来的。这种抽采方式不仅导致采煤成本增大，而且作为低品质能源被滥用，导致耗费大量的财政补贴资金。因此，以增加采煤成本为代价的抽采模式，是遏制煤层气开发的瓶颈因素，所以迫切需要解决方法。
[0006]现在对于煤层气的利用状况如下:
[0007]1、对低浓度煤层气的传统利用技术是发电(浓度低于1%的采用氧化余热发电；浓度大于30%的采用内燃机+余热二级发电)，也就是仅将含甲烷的空气中的甲烷得到了利用，而且利用的附加值极低。对于在抽采过程中附带的空气作为废物释放了，浪费了开采时的能源投入，不考虑开采成本。
[0008]2、催化脱氧深冷液化精馏提纯煤层气(甲烷)技术的缺点是，为技术安全考虑，需要将含甲烷的空气中的氧气脱除(甲烷在空气中爆炸浓度为5-15%)。而催化脱氧过程，是甲烷与氧气发生氧化反应，因此催化脱氧浪费了部分甲烷与氧气资源。
[0009]3、同步深冷液化精馏提纯煤层气(甲烷)技术的缺点是，甲烷几乎得到了全部回收，但已经同步分离出的空气产品(氧气、氮气)又被作为废弃物排放掉。深冷液化精馏分离的工艺能耗在液化过程，精馏分离仅是一个传质与传热过程，因此精馏过程几乎没有能耗。所以，该技术的能耗因氧气、氮气的排放而增大(液化甲烷的成本增大)。
【发明内容】
[0010]本实用新型的目的在于提供一种含甲烷的空气全产品化分离系统，用于将煤层中抽采的含煤层气的空气组份，采用深冷液化精馏分离技术全部转化为单质产品，进一步提高煤层气的经济附加值。
[0011]本实用新型是采用如下技术方案实现的:
[0012]一种含甲烷的空气全产品化分离系统，包括初级换热器，所述初级换热器的物料进口与前处理系统的出口连接，所述初级换热器的物料出口与膨胀机的进口连接，所述膨胀机的出口与烃分离装置的中部进口连接，所述烃分离装置的顶部出口与主换热器的第一物料进口连接，所述烃分离装置的底部出口连接LNG储罐；所述主换热器的第一物料出口与双级分离塔的下塔底部进口连接，所述双级分离塔的下塔底部出口连接液氧储罐；所述双级分离塔的下塔上部出口通过污氮节流阀与氩分离装置的中部进口连接，所述氩分离装置的顶部出口通过氮气节流阀与双级分离塔的上塔中部进口连接，所述氩分离装置的底部出口连接液氩储罐；所述双级分离塔的上塔底部第一出口与主换热器的第二物料进口连接，所述主换热器的第二物料出口与双级分离塔的上塔顶部进口连接，所述双级分离塔的上塔底部安装有冷凝蒸发器；所述双级分离塔的上塔底部第二出口连接液氮储罐。
[0013]工作时，含甲烷的空气(煤层气)经常规的前处理系统处理掉杂质后进入初级换热器冷却至-120~-150°C，进入膨胀机做功膨胀后，进一步冷却至_162°C，进入烃分离装置，直接得出LNG ;去除烃后的低温气体经主换热器，进一步冷却，进入双级分离塔的下塔底部，经由冷凝蒸发器的冷凝，冷却至_184°C，在双级分离塔的下塔底部获得液氧，进入液氧储罐；去除氧的气体由双级分离塔的下塔顶部出口流出，经污氮节流阀进入氩分离装置进行液氩分离，获得液氩，进入液氩储罐；氮气经氮气节流阀节流后进入双级分离塔的上塔中部，双级分离塔内设有冷凝蒸发器，冷凝蒸发器浸泡在双级分离塔的上塔底部的液氮中，在_196°C条件下，双级分离塔的上塔底部获得液氮。双级分离塔的上塔底部设有两个液氮出口，一部分液氮从第一出口流出，经主换热器进一步冷却后返回双级分离塔的上塔的顶部，用来冷凝从氩分离装置出来的氮气，获得液氮后，另一部分液氮由双级分离塔的上塔底部的第二出口流出，进入液氮储罐。
[0014]含甲烷的空气全产品化的技术方法，在于运用空分手段将含甲烷的空气中的甲烷与空气进行单质分离，同步分离为甲烷、氧气、氮气、氩气等单质产品。使液化功耗分摊于多个单质产品中，降低每个品种的分离成本。
[0015]本实用新型具有如下优点:
[0016]1、传统空分系统是将随处可得的空气通过空分工艺将其液化分离或气化分离。在煤矿开采中，降低巷道内的瓦斯气体，主要抽取甲烷气体，但是在实际过程中，抽出的煤层气中大量含有空气，而空气则属于被动抽出，本分离系统的气源则正是煤矿通过做功获得的“空气”，对这部分空气进行全产品化，具有额外性。
[0017]2、传统空分是将空气先深冷为液空，然后精馏为单质产品，本分离系统是将含甲烷的空气通过逐级降温方式，获得单质产品。比传统空分可降低能耗。
[0018]3、煤矿企业在采煤过程中投入的资金、人力，能转化为产品变现，可将煤矿的被动抽采变为主动抽采，减少煤矿安全隐患。
[0019]应用于本分离系统的方法就是将煤层中抽采的含煤层气的空气组份，采用深冷液化精馏分离技术全部转化为单质产品，通过提高煤层气的经济附加值，一是可以解决煤层气的开发瓶颈，降低采煤成本，促进采煤安全(以用促抽)，大幅削减温室气体排放量，减少我国天然气的进口量。二是可以在回收煤层气温室效应的同时，将大量伴生空气回收利用，减少现有的中、小空分生产装置。既促进对煤层气温室效应的高效回收，还能替代传统空分
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[0020]本分离系统设计合理，将含甲烷的空气(煤层气)，经过现有的前处理系统去除悬浮物、水、二氧化碳、乙炔等杂质后，采用深冷工艺将其在临界温度与压力下通过膨胀压缩、冷凝蒸发等手段，依据甲烷(-162?)、氧气(_184°C)、氮气(_196°C)等的沸点差异，得到分离，获得单质产品。
【附图说明】
[0021]图1表不本实用新型的连接不意图。
[0022]图中，101-前处理系统，102-初级换热器，103-膨胀机，104-烃分离装置，105-主换热器，106-双级分离塔，107-氩分离装置，108-污氮节流阀，109-氮气节流阀，110-冷凝蒸发器，201-第一增压透平膨胀机，202-第一冷却器，203-第一压缩机，204-第一汽水分离器，205-第二增压透平膨胀机，206-第二冷却