CN201199120Y - 一种空气回热式的矿井瓦斯气的分离液化设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种矿井瓦斯气的分离液化设备。其包括压缩净化设备、制冷设备、液化分离设备和辅助设备；液化分离设备包括换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与液化分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与液化分离设备的换热器的制冷通道连接，所述液化分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液态天然气引出管道。本实用新型的设备避免了在低温下生产氮气，并且采用空气回热的方法，设备结构简单，降低了能耗，减少成本，更有利于大规模推广。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种气体分离液化方法及设备，特别涉及一种空气回热式的矿井瓦斯气的分离液化设备。
背景技术
采煤过程中抽放的煤层气即矿井瓦斯气，因为压力低，甲烷含量低，其中混有空气，给这种气体的加工和运输带来了困难，通常都是把它排放到大气中。这不但造成了严重的大气污染，也造成很大的资源浪费。如果把这种瓦斯气中的煤层气(主要是甲烷)和空气分离出来并将提纯后的煤层气液化，这就会使运输和利用都变得很方便。
常规的分离方法有吸收法、吸附法、薄膜渗透法和低温精馏法等。前面几种方法，分离的纯度很难达到要求，有的回收率低，有的还需要加热，混有空气的瓦斯气在高温下易爆炸，存在安全隐患，因此没有能够得到应用。美国BCCK工程公司发明了一种工艺，是先将混有空气的矿井瓦斯气压缩，然后用接触氧化法把其中的氧气脱除，然后脱除硫化氢和二氧化碳，再脱除水分，最后再用节流制冷分离的方法把氮气脱除。这种工艺设备比较复杂，产品是气体甲烷。如要生产液体甲烷，还要进一步增加液化设备。于2006年5月和7月分别提出的内容为“含空气煤层气液化工艺及设备”的几项中国专利申请中，分别描述了一种双级精馏和单级精馏的工艺(专利号为：200610080889.4；200620115881.2；200610103425.0；200620122543.1)，上述工艺及设备比美国BCCK的工艺要简单，而且能直接生产出液体的甲烷。但是，由于上述工艺均需要在低温下分离出氮气，因此其工艺设备所需的能耗仍然偏高。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其能够采用低温空气回热的方法回收冷量，并且不生产氮气，工艺更为简单，能耗也更低。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种空气回热式的矿井瓦斯气的分离液化设备，
其包括压缩净化设备、制冷设备、液化分离设备和辅助设备；
所述液化分离设备包括有换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与液化分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与液化分离设备的换热器的制冷通道连接，所述液化分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；
分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液态天然气引出管道。
进一步，所述分馏塔顶部的气体管路将低温空气引回到换热器后，也可以再连接到膨胀机，然后再连接到换热器。
进一步，输入到分馏塔中部的原料气输入口的原料气(矿井瓦斯气)的温度在摄氏负82.5度以下。
进一步，所述分馏塔的蒸发器加热管路与制冷介质的预冷管路相连通。
进一步，所述分馏塔的冷凝器制冷管路与换热器的制冷介质管路相连通。
进一步，所述分馏塔的蒸发器加热管路也可以与原料气预冷管路相连通。
进一步，所述制冷设备为气体膨胀制冷设备或混合制冷剂制冷设备。
进一步，所述压缩净化设备中可以包括压缩机和原料气净化器；所述原料气净化器可以是分子筛吸附的净化设备，也可以是由胺吸收塔与再生塔所组成的净化系统。
进一步，所述辅助设备是制氮设备，例如变压吸附制氮设备。
所述分馏塔的冷凝器的制冷介质管路与制冷设备的制冷气管路连通；分馏塔底部的液体管路可将液体引入到液体储槽中。
所述制冷设备可以是氮气膨胀制冷或者氮、甲烷膨胀制冷，包括有压缩机、膨胀机等，也可以用混合制冷剂制冷，包括有混合制冷压缩机、冷却器、气液分离器等；所述辅助设备可以为变压吸附制氮机，变压吸附制氮机的氮气输出管线与净化设备的再生管路、还有氮气制冷系统的氮气管路相连接。
本实用新型中的技术方案与申请号为200610080889.4的发明相比，该发明需要设立两级分馏塔，并且需将矿井瓦斯气分解为氮气、富氧空气和液态天然气三部分，其工艺复杂、成本高、耗能大；而本实用新型采用单分馏塔，并且不需要从矿井瓦斯气中分解出氮气和富氧空气，具有制造工艺简单、成本低、耗能小的有益效果。
本实用新型中的技术方案与申请号为200610103425.0的发明相比，该发明虽然采用了单分馏塔结构，但是仍需要从矿井瓦斯气中分解出氮气和富氧空气，需要在分馏塔内设置多个不同的温度区域，以及将氮气、富氧空气分别引出的分流管道，并且为了分离氮气需还要提供更低的温度，因此其依然存在着工艺较复杂、成本较高、耗能较大的缺陷。与之相比，由于本实用新型不需要从矿井瓦斯气中分解出氮气和富氧空气，不需要在分馏塔内设立多处不同温度区间，以及将氮气、富氧空气分别引出的分流管道，因此，本实用新型明显具有结构简单、建造成本低、分馏效率更高、耗能小的有益效果。
综上所述，本实用新型中的方法和设备的有益效果是：本实用新型矿井瓦斯气分离液化设备避免了在低温下生产氮气，并且采用空气回热的方法，其结构简单，从而降低了能耗，减少了成本，更有利于大规模推广。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的压缩净化设备示意图；
图2为本实用新型实施例1的制冷设备和液化分离设备示意图。
图3为本实用新型实施例2的制冷设备和液化分离设备示意图。
图4为本实用新型中分馏塔的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
参阅图1，为本实用新型实施例1的压缩净化设备示意图。包括过滤器1、气液分离器2、压缩机3、冷却器4、气液分离器5、分子筛净化设备组，所述分子筛净化设备组包括两台分子筛干燥机6、7，当第一台分子筛干燥机6工作时，第二台分子筛干燥机7加热再生、冷却备用，每12小时切换一次。该分子筛干燥设备主要用来脱除水、二氧化碳。分子筛设备组后有过滤器8，还有加热器9。另外，还有一台变压吸附制氮机10提供氮气，用于置换净化设备中的气体。
压缩净化的具体工艺流程如下：
1、自排放管道来的矿井瓦斯气原料气首先经过滤器1除去灰尘；
2、除尘后的矿井瓦斯气进入气液分离器2气液分离后，气体进入压缩机3压缩；
3、压缩后经冷却器4冷却，然后经气液分离器5去除游离水。
4、矿井瓦斯气进入分子筛干燥设备6，脱出水和二氧化碳，变压吸附制氮机10提供的氮气，先进入7，置换其中的瓦斯气，然后用流程中产生的洁净空气经加热器9加热至240-250℃，用于分子筛干燥器7的再生；加热再生完成后，将洁净空气不经过加热，直接输入干燥器7，冷却分子筛，降低分子筛干燥机7的温度，然后再用氮气置换分子筛7中的空气，备用；
6、经分子筛干燥设备脱除水、二氧化碳和氧气的原料气再经过滤器8即可进入制冷、液化分离设备。
参阅图2，为本实用新型实施例1的制冷设备和液化分离设备示意图。液化分离设备包括四级换热器11、12、13，17和分馏塔15；分馏塔顶部有冷凝器16，分馏塔底部有蒸发器14，冷凝器16的制冷管道与制冷系统的管道相连，蒸发器14的加热管道在换热器11、12之间与制冷气的管道相连；原料气管道依次与换热器11、12、13相连，换热器13冷端的原料气管道与分馏塔15的中部相连；分馏塔15顶部有气体管道依次与换热器17、膨胀机18、换热器13、12、11相连；分馏塔底部还有液体管路将液体天然气连接到换热器17，然后连接到输出阀门。
制冷设备为压缩膨胀制冷系统，采用了一台压缩机19、冷却器20、22、带增压机21的透平膨胀机23。制冷气管道在换热器9、10之间与蒸发器14的加热管道相连，膨胀机23的排气管路与冷凝器16的制冷管道相连，然后依次与换热器13、12、11相连。
液化分离工艺步骤如下：
1、经压缩净化的矿井瓦斯原料气(甲烷45％，空气55％)进入换热器11、12、13中被制冷气体冷却，降低温度达到约-175℃。
2、温度下降后的原料气进入分馏塔15的中部，其液体自上而下流过塔板，在分馏塔15底部的蒸发器14内原料气液体的一部分被蒸发为气体，加热温度约为-140℃，被蒸发的气体向上流动与向下流动的液体进行热、质交换。
3、向上流动的气体到达分馏塔顶部，又被分馏塔顶部的冷凝器16冷凝，其中一部分冷凝为液体，向下回流，同样又与气体再进行热、质交换。冷凝器16的冷凝温度约为-180℃。
4、从分馏塔的顶部放出的气体是洁净的空气，流量为原料气的55％，这部分气体含甲烷量小于0.1％，温度约为-178℃，先经过换热器17把液体煤层气进一步冷却，然后，再经过膨胀机18膨胀，再依次进入换热器13、12、11回热，以回收冷量。
6、从分馏塔12底部放出的就是纯度很高的液化煤层气。流量为原料气的45％，纯度达到99.9％以上，温度约为-143℃。
上述液化分离过程中换热器11、12、13和冷凝器16所需要的冷量都是由制冷系统提供的，所述制冷设备包括依次连接的压缩机19，冷却器20，透平增压机21、冷却器22，然后连接换热器11，从换热器11出来再进一步连接蒸发器14的管道，然后制冷管道连接换热器12，换热器12的制冷管道再和透平膨胀机23的进气口连接，透平膨胀机23的排气口再和冷凝器16的制冷管道连接，再依次连接换热器13、12、11的冷介质通道，最后，连接到压缩机19的入口。透平增压机21由透平膨胀机23的转轴驱动。制冷系统工艺步骤如下：
1、制冷系统启动之前，系统内充满氮气作为制冷气。
2、启动制冷系统，制冷气先经压缩机19压缩，在冷却器20中冷却，再经过透平增压机21增压，再经冷却器22冷却，进入第一换热器11预冷，温度降低到-128℃。
3、制冷气再经蒸发器14的管道(温度为-143℃)被进一步冷却到-142℃，然后制冷气进入第二换热器12，被进一步冷却到-150℃，再进入透平膨胀机23膨胀制冷。
4、从透平膨胀机23膨胀后的制冷气温度为-182℃，它先进入冷凝器16的制冷管道，为冷凝器16提供冷源，随后，制冷气温度升高到-179℃，再返流进入第三换热器13用来冷却原料气。
5、从换热器13的热端出来的制冷气再依次进入换热器12、11，作为换热器的冷源。制冷气体复热后，再回到压缩机入口，重新压缩、增压、冷却、膨胀制冷，如此循环。
实施例2
参见图3，为本实用新型实施例2的制冷设备和液化分离设备示意图。其分离液化部分的换热器、分馏塔与实施例1基本相同，不再重复说明。不同之处在于，先使原料气通过换热器24冷却到0℃至-50℃，然后经过分馏塔底部的蒸发器27为蒸发器提供热量，同时原料气本身得到预冷。因此，在设备上，分馏塔的蒸发器27的加热管路与原料气管路相连通，然后原料气再经过换热器25、26冷却至-150℃～-180℃，使大部分矿井瓦斯气冷却为液体，再进入分馏塔28的中部。另外一点不同之处是，制冷系统采用了混合制冷剂制冷的方法，混合制冷剂系统由混合制冷剂压缩机系统32、低温气液分离器33和几个节流阀门组成，这是成熟的现有技术，在这里不需要叙述。只是在设备上，分馏塔的冷凝器29的制冷介质管路是与混合制冷剂制冷设备的制冷管路连通，而不是像实施例1那样，与氮气制冷的膨胀机排气管路相连通。
图4所示为实施例1和实施例2中分馏塔的结构示意图，图中分馏塔15的顶部设有冷凝器16，分馏塔15的底部设有蒸发器14。
Claims (9)
1.一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，包括压缩净化设备、制冷设备、液化分离设备和辅助设备；
所述液化分离设备包括有换热器和一个分馏塔，压缩净化设备的原料气输出管路与液化分离设备中的换热器的原料气输入通道连接，制冷设备的制冷管路与液化分离设备的换热器的制冷通道连接，所述液化分离设备的换热器的原料气输出管道与位于分馏塔中部的原料气输入口相连；
分馏塔顶部具有冷凝器，同时其顶部还设有气体管路将低温空气引回到换热器中；分馏塔底部具有蒸发器，同时底部设有液态天然气引出管道。
2.根据权利要求1所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述分馏塔顶部的气体管路将低温空气引回到换热器后，再连接到膨胀机，然后再连接到换热器。
3.根据权利要求1所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，输入到分馏塔中部的原料气输入口的原料气的温度在摄氏负82.5度以下。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述分馏塔的蒸发器加热管路与制冷介质的预冷管路相连通。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述分馏塔的冷凝器制冷管路与换热器的制冷介质管路相连通。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述分馏塔的蒸发器加热管路与原料气预冷管路相连通。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述制冷设备为气体膨胀制冷设备或混合制冷剂制冷设备。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述压缩净化设备中的净化设备是分子筛吸附净化器，或者是由胺吸收塔与再生塔组成的净化系统。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种空气回热式矿井瓦斯气分离液化设备，其特征在于，所述辅助设备是制氮设备。
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