专利名称：含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法
含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法技术领域
本发明属于煤层气、合成氨弛放气、甲醇弛放气等含甲烷气体的脱氮领域，特 别涉及一种双塔深冷精馏脱氮制取天然气的方法。
背景技术：
煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是ch4 (甲烷)，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。1立方米纯煤层气的热值相当于 1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧 后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气 空气浓度达到5%-16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直 接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。在采煤之 前如果先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤层气的开发利用具有一举 多得的功效提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应；有效减排温室气体，产生良好的 环保效应；作为一种高效、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。
目前国内对于煤层气的开发利用处于起步阶段，比较流行的处理技术是将煤层 气先进行催化脱氧，再变压吸附脱氮提纯甲烷。变压吸附脱氮虽然具有变压吸附技术的 方便快捷等优点，但是由于甲烷与氮气的吸附性能接近，现有的吸附剂的平衡选择性系 数较低，造成产品气的回收率较低。这是该技术的最大不足之处。而且随着甲烷纯度要 求的升高，装置投资也急剧升高。
氨是一种重要的基础化工原料，在农业领域可以用来制作含氮化肥，在国防、 矿山等领域可以用来制作硝酸铵炸药。同时，由于氨相对于其它气体的高沸点性质，它 还是一种优良的制冷剂。
目前，本领域技术人员公知的制氨的一种常用技术是将煤气化制得合成气，该 合成气经过一系列净化补氮和压缩得到主要物质为h2+n2+ch4的气体，然后进行合成反 应制成氨。由于合成氨反应是可逆反应，所以在上述合成过程中会有一定量的尾气排 出，即合成氨弛放气，其主要成分是氢气，氮气和甲烷等组分，还有少量的氩，氨等气 体。为了将合成氨弛放气中的有用气体回收，现有技术中已公开了多种处理合成氨弛放 气的方法，其中常用的两种方法是变压吸附方法和膜分离方法。
变压吸附的主要原理是利用气体介质中不同组份在吸附剂上的吸附容量的不 同，吸附剂在压力升高时进行选择性吸附气体中的特定组分，在压力降低时脱附得到再 生气体。请参见图3，变压吸附依次包括预处理装置、变压吸附装置、精制装置，合成氨 弛放气首先在预处理装置中经过水洗塔和分离器除去其中所含氨，然后进入变压吸附装 置，其中的甲烷，氮气，氩气等气体被吸附，氢气组分不被吸附。弛放气通过吸附剂床 层在吸附塔塔顶得到高浓度氢气，然后再经过精制装置进行处理得到纯净氢气；被吸附 的甲烷，氮气，氩气碳等则通过再生过程作为脱附气从吸附塔塔底排出，作为燃料气燃 烧掉。该方法虽然具有制备的氢气纯度高、压降小、氢气回收率高的优点，但对甲烷和氮气并未做进一步处理，而是白白燃烧掉。
膜分离的工作原理是利用高分子聚合物(如聚酰亚胺或聚砜)薄膜来选择“过 滤”进料气而达到气体分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜 时，各气体组分由于在聚合物中具有不同的溶解扩散系数，因此在渗透通过膜壁时具有 不同的速率，渗透速率相对较快的气体有H2CK H2, He、CO2,俗称“快气”；渗透速 率相对较慢的气体有氮气、CO、甲烷及其它轻烃类气体，俗称“慢气”。这样，气体组 分经过膜分离后被分离成低压的渗透气体和高压的非渗透气体。
利用膜分离处理合成氨弛放气时，驰放气中的大部分的H2作为低压渗透气在塔 底得到，经过压缩机压缩后返回氨合成系统；而大部分的CH4、N2、Ar等作为高压非 渗透气经过降压后在厂内作为燃料气燃烧掉。这种处理工艺不但损失了甲烷，氮气等组 分，而且浪费了很高的压力。发明内容
本发明的目的就是针对上述现有对于煤层气和合成氨弛放气等富含甲烷的气体 处理工艺中存在的不足，提供一种新的能够有效分离甲烷和氮气的深冷双塔精馏工艺。 通过该工艺，可以将经过变压吸附或膜分离提氢后的尾气中的氮气和甲烷分离，得到的 产品氮气纯度可以达到95%以上，可以作为合成工段的原料气，也可作为工厂氮气用。
根据需要，甲烷可以制成气态天然气或液化天然气，纯度可以达到98%。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案一种含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，主要包括以下步骤(1)、原料气预冷原料气101进入脱氮装置，首先在冷凝器ElOl中被冷凝到液态或部分冷凝到液态 102，然后，如果需要，经过第一减压阀I将压力减低到高压塔(下塔)T102的操作压 力，从物流103引入高压塔T102精馏；(2)、高压塔精馏在高压塔T102内，富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，从高压塔T102塔顶引出物流 104，进入低压塔塔釜内设置的冷凝蒸发器E103的一侧冷凝或部分冷凝；富含甲烷的难挥发组成从高压塔T102塔底引出，引出物流113，如果需要，由第二 减压阀减压将压力降低到低压塔(上塔)TlOl的操作压力，由物流116引入低压塔TlOl 中部，继续进行精馏分离；(3)、高压塔塔顶物流的分离及回流从高压塔T102塔顶引出的物流104经过冷凝蒸发器E103冷凝或部分冷凝后，部分冷 凝后所得物流经气液分离器VlOl分离出的液相或全部冷凝所得冷凝液由物流105引出， 一部分作为高压塔T102的塔顶回流，由物流106从高压塔T102塔顶引入；另一部分由物 流110引入换热器E102过冷却，如果需要，经过第三减压阀III将压力减低到低压塔TlOl 的操作压力，由物流112引入低压塔TlOl顶部，作为低压塔塔顶的回流液；(4)、低压塔精馏在低压塔TlOl内，继续对从高压塔T102引出的物流116进行精馏分离； 低压塔TlOl塔釜内的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E103的一侧，被冷凝蒸发器E103另一侧的来自高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升气流，未 蒸发部分从冷凝蒸发器E103 —侧引出物流120 ；物流120作为产品液化天然气引出装置，或经过增压泵PlOl增压后，由物流121进 入冷凝器ElOl复热至常温，作为产品天然气122引出装置；从低压塔顶得到的富氮气物流117经过换热器E102复热，由物流118引入冷凝器 ElOl复热后作为产品氮气119引出装置。
上述含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，在某些流程中，步骤(2) 中富含甲烷的难挥发组分从高压塔T102塔底引出，引出物流113引入冷凝器ElOl下部 过冷却，由物流114引入换热器E102下部进行过冷却，从换热器E102下部引出的物流 115，如果需要，经过第二减压阀II将压力降低到低压塔TlOl的操作压力，再由物流116 引入低压塔T102中部，继续进行精馏分离。
上述含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，在某些流程中，步骤(3) 中从高压塔T102塔顶引出的物流104经过冷凝蒸发器E103部分冷凝后，由物流105引 出，进入气液分离器VlOl分离；从气液分离器VlOl分离出的气相物流107经过换热器E102复热，由物流108引入 冷凝器ElOl复热，作为粗氮气109引出装置；从气液分离器VlOl分离出的液相物流分为两部分，一部分作为高压塔T102的塔顶 回流，由物流106从高压塔T102塔顶引入；另一部分由物流110引入换热器E102上部 过冷却，由物流111引出，如果需要，经过第三减压阀III将压力减低到低压塔TlOl的操 作压力，由物流112引入低压塔TlOl顶部，作为低压塔精馏段的回流液。
上述含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，在某些流程中，步骤(4) 中从冷凝蒸发器E103—侧引出的富甲烷液体物流120作为产品LNG输出脱氮装置，引入 LNG储罐V102，如图2所示，这种情况下，冷凝器ElOl的冷量由循环制冷剂提供，循 环制冷剂经过压缩机C201压缩升压，压缩升压后的物流202经制冷剂冷却器E201冷却后 由物流208进入冷凝器ElOl顶部,经过冷凝器ElOl后的物流204经过第四减压阀IV将压 力降低到压缩机入口压力，再由物流205引入冷凝器ElOl底部，经过冷凝器ElOl的物流 201返回压缩机入口重新压缩，实现循环。
本发明的方法采用深冷精馏技术将甲烷和氮气分离，采用高低压双塔工艺，低 压塔建在高压塔顶部，低压塔和高压塔共同使用冷凝蒸发器E103，高压塔中上升的富含 氮气的物流104和低压塔塔釜中的液态甲烷换热，104被冷凝或部分冷凝，实现了高压塔 塔顶的回流和低压塔内液态甲烷被蒸发。所以冷凝蒸发器E103既是低压塔底的再沸器， 也是高压塔顶的冷凝器，充分利用了下塔的热源和上塔的冷源，实现了节能的目的。两 塔之间的流动靠压差实现，从而将氮气和甲烷分离。
在生产LNG流程中，系统需要的冷量和热量由混合制冷循环压缩系统提供；在 生产气态净化天然气流程中，系统不需要外加冷量或热量，依靠各物流之间的能量传递 即可完成整个分离过程。
与其它流程相比，本发明的有益之处还在于充分利用了产品气和废气的冷量， 在生产天然气的流程(图1)中，粗氮气109，氮气119和天然气122的冷量都得到了充 分的利用回收；在生产LNG流程中(图2，图3)，由于需要保持液态甲烷的冷量，系统6需要的这部分冷量由混合制冷循环压缩系统提供。若不计设备和管道本身的热损耗，本 发明的三个流程中都是没有冷量损失的。
本发明可以对压力在3 lOMRi，N2含量在3% 90%，CH4含量在10% 97%，CO含量在1% 20%其它烃类含量在1% 15%的原料气进行处理，装置的操作 弹性高。经过脱氮净化后，天然气标准能够达到工业用天然气的热值标准。
本发明中，所有低温设备放在冷箱内部，方便保冷；换热器E103放在低压塔内 部，方便循环；产品增压泵放在冷箱外部，方便检修。
与其它技术相比，本发明的有益效果是工艺处理量大，操作弹性大；天然气 回收率高，氮气脱除率高；不需要吸附剂，吸收溶剂等化学品消耗；没有循环热泵， 运行费用降低，操作稳定性和安全性提高；双塔技术，降低了塔的高度，减少了设备尺 寸，整套设备可以成撬装。
图1是生合成氨弛放气产气态天然气流程原理示意图。
图2是生合成氨弛放气产液化天然气(LNG)流程示意图。
图3是煤层气分离液化生产液化天然气(LNG)流程示意图。
图1-3中，ElOl是冷凝器，E102是换热器，E103是冷凝蒸发器，TlOl是低压 塔(上塔)，T102是高压塔(下塔)，VlOl是气液分离器，V102是LNG储罐，PlOl 是增压泵，C201是制冷剂压缩机，E201是制冷剂冷却器。I、II、III、IV分别是第一 至第四减压阀。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理 解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属 于本发明的范围。
实施例1本实施例的流程示意图如图1所示，本实施例列举的含氮甲烷气为合成氨弛放气经 过膜分离回收氢气后的气体，采用该气体经双塔精馏生产液化天然气(LNG)的工艺步骤 如下(1)、原料气预冷原料气101进入脱氮装置，首先在冷凝器ElOl中被冷凝到液态或部分冷凝到液态 102，然后，经过第一减压阀I将压力减低到高压塔(下塔)T102的操作压力，从物流 103引入高压塔T102精馏；(2)、高压塔精馏在高压塔T102内，富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，从高压塔T102塔顶引出物流 104，进入冷凝蒸发器E103 —侧部分冷凝；富含甲烷的难挥发组分从高压塔T102塔底引出，依次由物流113引入冷凝器ElOl下 部和物流114引入换热器E102下部进行过冷却，从换热器E102下部引出的物流115，如 果需要，经过第二减压阀II将压力降低到低压塔(上塔)TlOl压力，由物流116引入低压塔T102中部，继续进行精馏分离；(3)、高压塔塔顶物流的分离及回流从高压塔T102塔顶引出的物流104经过冷凝蒸发器E103冷凝后，由物流105引出， 进入气液分离器VlOl分离；从气液分离器VlOl分离出的气相物流107经过换热器E102复热，由物流109引入 冷凝器ElOl复热，作为粗氮气109引出装置；从气液分离器VlOl分离出的液相物流分为两部分，一部分作为高压塔T102的塔顶 回流，由物流106从高压塔T102塔顶引入；另一部分由物流110引入换热器E102上部 过冷却，由物流111引出，如果需要，再经过第三减压阀III将压力减低到低压塔TlOl的 操作压力，由物流112引入低压塔TlOl顶部，作为低压塔精馏段的回流液；(4)、低压塔精馏在低压塔TlOl内，继续对从高压塔T102引出的物流116 (是物流116吗？)进行 精馏分离；低压塔TlOl塔釜内的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E103的一侧，被冷凝蒸发器E103 另一侧中的来自高压塔顶的富氮气加热至少部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的塔底回 流，未蒸发部分从冷凝蒸发器E103的一侧引出物流120 ；物流120经过增压泵PlOl增压后，由物流121进入冷凝器ElOl复热至常温，作为产 品天然气122引出装置；从低压塔顶得到的富氮气物流117经过换热器E102复热，由物流118引入冷凝器 ElOl复热后作为产品氮气119引出装置。
本实施例中原料气及各步骤气体组成等如下述表1 : 表1实施例1的原料弛放气及各步骤气体组成
权利要求
1.一种含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，包括以下步骤(1)、原料气预冷原料气101进入脱氮装置，首先在冷凝器ElOl中被冷凝到液态或部分冷凝到液态 102，然后，如果需要，经过第一减压阀I将压力减低到高压塔T102的操作压力，从物 流103引入高压塔T102精馏；(2)、高压塔精馏在高压塔T102内，富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，从高压塔T102塔顶引出物流 104，进入冷凝蒸发器E103 —侧冷凝或部分冷凝；富含甲烷的难挥发组成从高压塔T102塔底引出，引出物流113，如果需要，由第二 减压阀减压将压力降低到低压塔TlOl的操作压力，由物流116引入低压塔TlOl中部，继 续进行精馏分离；(3)、高压塔塔顶物流的分离及回流从高压塔T102塔顶引出的物流104经过冷凝蒸发器E103冷凝或部分冷凝后，部分冷 凝后所得物流经气液分离器VlOl分离出的液相或全部冷凝所得冷凝液由物流105引出， 一部分作为高压塔T102的塔顶回流，由物流106从高压塔T102塔顶引入；另一部分由物 流110引入换热器E102过冷却，如果需要，再经第三减压阀III将压力减低到低压塔TlOl 的操作压力，由物流112引入低压塔TlOl顶部，作为低压塔精馏段的回流液；(4)、低压塔精馏在低压塔TlOl内，继续对从高压塔T102引出的物流116进行精馏分离；低压塔TlOl塔釜内的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E103的一侧，被冷凝蒸发器E103 另一侧中的来自高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升气流， 未蒸发部分从冷凝蒸发器E103 —侧引出物流120 ；物流120作为产品液化天然气引出或经过增压泵PlOl增压后，由物流121进入冷凝 器ElOl复热至常温，作为产品天然气122引出装置；从低压塔顶得到的富氮气物流117经过换热器E102复热，由物流118引入冷凝器 ElOl复热后作为产品氮气119引出装置。
2.根据权利要求1所述的含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，其特征在 于步骤(2)中富含甲烷的难挥发组分从高压塔T102塔底引出，引出物流113引入冷 凝器ElOl下部进行过冷却，由物流114引入换热器E102下部进行过冷却，从换热器E102 下部引出的物流115，如果需要，经过第二减压阀II将压力降低到低压塔TlOl的操作压 力，再由物流116引入低压塔T102中部，继续进行精馏分离。
3.根据权利要求1所述的含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，其特征在 于步骤(3)中从高压塔T102塔顶引出的物流104经过冷凝蒸发器E103部分冷凝后， 由物流105引出，进入气液分离器VlOl分离；从气液分离器VlOl分离出的气相物流107经过换热器E102复热，由物流108引入 冷凝器ElOl复热，作为粗氮气109引出装置；从气液分离器VlOl分离出的液相物流分为两部分，一部分作为高压塔T102的塔顶 回流，由物流106从高压塔T102塔顶引入；另一部分由物流110引入换热器E102上部 过冷却，由物流111引出，如果需要，再经过第三减压阀III将压力减低到低压塔TlOl的操作压力，由物流112引入低压塔TlOl顶部，作为低压塔精馏段的回流液。
4.根据权利要求1所述的含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，其特征在 于步骤(4)中从冷凝蒸发器E103—侧引出的富甲烷液体物流120作为产品LNG输出 脱氮装置，引入LNG储罐V102，冷凝器ElOl的冷量由循环制冷剂提供，循环制冷剂经 过压缩机C201压缩升压，压缩升压后的物流202经制冷剂冷却器E201冷却后由物流208 进入冷凝器ElOl顶部，经过冷凝器ElOl后的物流204经第四减压阀IV将压力降低到压缩 机入口压力，再由物流205引入冷凝器ElOl底部，经过冷凝器ElOl的物流201返回压缩 机入口重新压缩，实现循环。
全文摘要
本发明公开了一种含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法，属于脱氮技术领域。本发明公开的含氮甲烷气脱氮制天然气/液化天然气的方法包括原料气的预冷，高压塔(下塔)精馏，低压塔(上塔)提馏，产品气复热/混合制冷剂循环等步骤。本发明的方法甲烷回收率高，产品纯度高，能耗低。本发明方法所涉及的设备尺寸小，可成撬装。
文档编号C10L3/10GK102021056SQ20101056179
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者张惊涛 申请人:成都赛普瑞兴科技有限公司