含氧瓦斯双级提纯装置及瓦斯提纯方法与流程

本发明属于气体的分离与液化，具体涉及含氧瓦斯双级提纯装置，还涉及利用上述装置进行瓦斯提纯的方法。

背景技术：

1、瓦斯也称非常规天然气，其主要成分是甲烷，并含有少量的乙烷、二氧化碳、氮、氢、氧、硫化氢和重烃等，我国瓦斯资源极为丰富，储量占世界第一位，但瓦斯开发利用比较少。主要是因为一般的矿区离工业化城市较远，目前存在运输与储存方面的困难。

2、瓦斯的特点是单井产量不高，尤其是采煤过程中抽放的瓦斯，压力低(微正压)，甲烷含量低，而且混有空气，其中的氧气是危险的助燃剂，这就给瓦斯的加工和输送带来了困难，通常只能就地使用，或放空，浪费严重。这种采煤过程中抽放的瓦斯，由于混入了空气，被称为含氧瓦斯。低温制冷精馏的方法可以把含氧瓦斯的分离和液化在低温下同步进行。提纯后的高纯甲烷经液化，因体积极大缩小，运输与储运成本大大降低。与管道输送相比，液化运输更为灵活安全，可随着气源和用户的变化而随时改变运输路线。采用双级精馏，可得到高纯甲烷(lng产品)，纯度可达99.999％。目前低温主要由复叠式制冷、混合制冷剂制冷、透平膨胀制冷三种方法实现。

3、复叠式制冷循环工艺是由几个蒸汽压缩式制冷循环复叠而成，高温级的蒸发器为低温级的冷凝器提供冷量。例如可以用丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的制冷循环、复叠制冷来实现低温，使天然气或瓦斯液化，这种循环效率高、能耗少，但需要多台压缩机、初投资大、工艺的可靠性差、控制复杂、维修不便，现已经较少采用；透平膨胀制冷循环工艺结构简单、紧凑，制冷效果好，但高性能的膨胀机造价高，膨胀过程中内部叶片旋转极快，叶片受到的冲击很大，易损坏，一旦损坏，一般是无法修复的，因此耗费较大。

4、采用混合工质的自复叠制冷循环工艺是20世纪60年代末在复叠式制冷液化循环的基础上发展起来的，它以多组分混合物作为一种制冷剂，只需要一台压缩机，代替了复叠式制冷循环中的单组分、多种制冷剂，从而简化了流程。混合制冷剂一般是5～6种组分的混合物，同一压力下的饱和温度应相差较大，工作时利用混合物中重组分先冷凝，轻组分后冷凝，按沸点高低顺序依次节流，蒸发制冷，获得使含氧瓦斯精馏所需的低温。设备相对简单，能耗低，但制冷剂需要专门配制，适用于气体组分稳定，流量大的场合。随着国家对矿区瓦斯大力开发的重视，混合工质制冷循环的前景一片光明。

5、同时，现有含氧瓦斯提纯装置在净化过程中，瓦斯从湿法脱碳环节出来后，经过简单的气液分离直接进入吸附干燥环节，没有经过预脱水，使得后端吸附干燥装置有较大的脱水负荷，分子筛及易饱和，脱水再生能源(电耗或燃气消耗)大；现有瓦斯提纯采用单级精馏工艺，瓦斯气体分离不够完善，无法得到甲烷较高的提取率和纯度，lng产品中的杂质气体较多，由于氮的饱和蒸气压高于氧，故lng产品中的杂质主要是氧而不是氮，产品纯度不够，会加大lng储罐顶部的bog气体的氧含量，因此lng产品的纯度指标至关重要，关系着lng过冷器、lng储罐、lng装车系统的安全，传统的单级精馏提纯装置，塔底经常出现氧含量(由塔底在线取样并复热后气化，由气相在线色谱仪测得)超标，即便单级精馏塔底操作温度略高于正常操作温度时亦如此，因此需要提供一种新的精馏工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供含氧瓦斯双级提纯装置，采用混合工质制冷循环为液化装置提供冷量，液化设备的核心部分是带有冷凝蒸发器的双级精馏塔，提高了lng产品纯度，解决了现有单级精馏提纯装置，塔底经常出现氧含量超标的问题。

2、本发明的另一目的是提供利用上述装置进行瓦斯提纯的方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，含氧瓦斯双级提纯装置，包括瓦斯压缩与净化装置，瓦斯压缩与净化装置通过管道连通有双级精馏装置，双级精馏装置包括液化分离装置和自复叠制冷装置，瓦斯压缩与净化装置通过管道与液化分离装置连通，液化分离装置与自复叠制冷系统通过管线连接。

4、本发明的特点还在于：

5、瓦斯压缩与净化装置包括水封式阻火罐，水封式阻火罐通过管道连通有第四气液分离器，第四气液分离器通过管道连通有多级增压机，多级增压机通过管道连通有第二冷却器，第二冷却器通过管道连通有吸收塔，吸收塔通过管道连通有冷干机，冷干机通过管道连通有吸附式干燥机，吸附式干燥机采用多塔变温变压吸附工艺，吸附式干燥机通过管道连通有过滤器，过滤器还通过管道与自复叠制冷装置连通。

6、多级增压机采用多级压缩增压，级间设置第四冷却器，各级增压缸内部及出口瓦斯的温度低于80℃。

7、冷干机包括经济器，经济器通过管道与吸收塔连通，经济器还通过管道连通有第三冷却器，第三冷却器通过管道连通有机械脱水器，机械脱水器通过管道与经济器连接，经济器还通过管道与吸附式干燥机连通，第三冷却器通过有氟利昂制冷剂管道连通有氟利昂制冷系统。

8、液化分离装置包括第一级换热器和精馏塔，第一级换热器通过管道与吸附式干燥机连通，第一级换热器还通过管道连通有第二级换热器，精馏塔塔釜内设有再沸器，再沸器与第二级换热器连通，再沸器还通过管道连通有第三级换热器，精馏塔中间位置设有冷凝蒸发器，冷凝蒸发器将精馏塔分为上塔和下塔，第三级换热器通过管道连通与精馏塔下塔中部连通；

9、精馏塔的塔釜通过富甲烷管道与上塔中部连通，连接塔釜与上塔中部之间的富甲烷管道上设有第一节流阀，冷凝蒸发器冷凝侧通过富氮氧液体管道与上塔顶部连通，连通冷凝蒸发器冷凝侧与上塔顶部之间的富氮氧液体管道上设有第二节流阀；

10、精馏塔塔顶通过管道连通有冷凝器，冷凝器通过管道连通有第一气液分离器，第一气液分离器还通过管道与精馏塔塔顶连通，第一气液分离器还通过管道连通有lng产品过冷器，lng产品过冷器通过管道与第三级换热器连通，第三级换热器与第二级换热器连通，第二级换热器与第一级换热器连通，第一级换热器通过管道与吸附式干燥机连通；

11、第一级换热器、第二级换热器、第三级换热器与精馏塔的冷量均由自复叠制冷系统提供。

12、自复叠制冷系统包括混合冷剂平衡罐，混合冷剂平衡罐通过管道依次连通有若干个压缩机，每个压缩机出口管道均连通有第一冷却器，最远离混合冷剂平衡罐的第一冷却器通过管道连通有第三气液分离器，第三气液分离器分别通过第一换热管和第二换热管与第一级换热器连通，第一换热管穿过第一级换热器后连通有第二气液分离器，第二气液分离器分别通过第三换热管和第四换热管与第二级换热器连通，第三换热管依次穿过第二级换热器和第三级换热器后与冷凝器连通，冷凝器还通过第五换热管依次穿过第三级换热器、第二级换热器和第一级换热器后与混合冷剂平衡罐连通，第五换热管与第三换热管连通；第三换热管位于第三级换热器和冷凝器之间的部分设有第五节流阀；

13、第四换热管穿过第二级换热器后与第五换热管位于第二级换热器和第三级换热器之间的部分汇合，第四换热管位于第二级换热器和第三级换热器之间的部分设有第四节流阀；

14、第二换热管穿过第一级换热器后与第五换热管位于第二级换热器和第一级换热器之间的部分汇合，第一换热管位于第二级换热器和第一级换热器之间的部分设有第三节流阀。

15、本发明所采用的第二个技术方案是，利用上述装置进行含氧瓦斯双级提纯的方法，具体步骤如下：

16、s1:将未处理的含氧瓦斯输入瓦斯压缩与净化装置内，对未处理的含氧瓦斯进行净化处理，得到干净的瓦斯气体；

17、s2:然后将干净的瓦斯气体通入液化分离装置，液化分离装置在制冷装置的运转下进行制冷，并对干净的瓦斯气体进行精馏提纯，得到高纯度的甲烷液体。

18、本发明的特点还在于：

19、s1中含氧瓦斯压缩与净化具体方法为：

20、s1.1、自外界管网来的含氧瓦斯首先经过水封式阻火罐降温除尘，并脱除可能含有的微小火星；

21、s1.2、从水封式阻火罐出来的原料气进入第四气液分离器，脱除游离态的水，防止水进入压缩机造成“液击”；

22、s1.3、从第四气液分离器出来的含氧瓦斯进入多级增压机进行增压，压缩机采用多级压缩增压，级间采用水或空气冷却，每级的压缩比相同，采用过压保护，并严格控制压缩温度；

23、s1.4、压缩后的含氧瓦斯进入第二冷却器冷却，使其温度降至常温；

24、s1.5、冷却后的含氧瓦斯进入吸收塔脱除其中的酸性气体，脱碳液采用醇胺水溶液；

25、s1.6、脱除酸气后的气体进入冷干机，温度降到4℃，并脱除因冷却而游离出来的水，使进入吸附式干燥机的原料气预先达到4℃露点的含水量；

26、s1.7、粗脱水后的含氧瓦斯进入吸附式干燥机，在低分压下脱除其中的水和剩余的酸性气体，另一方面，在吸附柱中加入专门的硫浸煤基活性炭脱除可能含有的微量汞，加入专门的吸附剂脱除可能含有的重烃，经过滤器除掉其中可能含有的微量吸附剂粉沫后，得到干净的瓦斯。

27、s2中液化分离具体方法为：

28、s2.1、经压缩净化后的含氧瓦斯依次进入第一级换热器和第一级换热器预冷；

29、s2.2、从第二级换热器流出的含氧瓦斯进入精馏塔塔釜内的再沸器加热塔底液体，含氧瓦斯自身被冷却，然后进入第三级换热器，进一步预冷；

30、s2.3、从第三级换热器流出的含氧瓦斯进入精馏塔下塔进行精馏，冷凝液主要为甲烷，在下塔塔釜中汇集，在再沸器的加热下，对冷凝液进行精馏提纯，得到富甲烷液体；

31、s2.4、由下塔塔釜和下塔塔顶引出的富甲烷液体和贫甲烷气体分别节流后进入上塔中部继续精馏，冷凝蒸发器吸收冷凝侧贫甲烷流体的热量，挥发组分向上移动，与向下的回流液进行热质交换，由冷凝蒸发器蒸发侧引出的液体即为lng产品，纯度可达99.999％，过冷后进入lng储运系统；

32、s2.5、上塔顶部气体在冷凝器中继续冷凝出其中的甲烷组分，经第一气液分离器分离后，进入精馏塔作为上塔回流液；空气冷却lng产品后，依次经过三级换热器回收冷量，复热后进入净化系统，作为吸附式干燥机中吸附剂再生时的反吹气体。

33、s2中制冷装置对液化分离装置进行制冷的具体方法为：

34、s3.1、启动制冷系统后，来自混合冷剂平衡罐的制冷工质进入压缩机压缩，级间分别采用第一冷却器冷却；

35、s3.2、冷却后的混合冷剂进入气液分离器中进行分液，制冷剂被分为两股流体；

36、s3.3、s3.2中得到的气体制冷剂经第一级换热器预冷，进入第二气液分离器进行分液；

37、s3.4、s3.3中得到的气体制冷剂部分依次经第二级换热器和第三级换热器冷却，然后经过第五节流阀后，进入精馏塔顶冷凝器冷凝塔顶的流体，气体本身被加热；

38、s3.5、从冷凝器出来的气体制冷剂回流，经第三级换热器复热后，然后第二级换热器复热，继续经第一级换热器复热，最后进入混合冷剂平衡罐；

39、s3.6、s3.2中得到的液体制冷剂经过第一级换热器预冷，温度降低，经第三节流阀节流，压力降低，温度降低后与从换热器中流出的制冷剂流体汇合，作为换热器的冷流体；

40、s3.3中得到的液体制冷剂经第二级换热器冷却后，进入第四节流阀，温度降低后与从冷凝器中流出的制冷剂汇合，作为换热器的冷流体；至此完成一个循环。

41、本发明的有益效果是：

42、(1)本发明提供的一种含氧瓦斯的液化与分离装置，采用混合工质制冷循环为液化装置提供冷量，液化设备的核心部分是带有冷凝蒸发器的双级精馏塔，由冷凝蒸发器蒸发侧引出的lng产品纯度可达到99.999％，瓦斯中甲烷收率可达98％，塔顶引出的空气中，甲烷含量不超过0.1％，有效利用了清洁的瓦斯资源；

43、(2)本发明提供的含氧瓦斯节能净化及双级提纯工艺装置及方法，是专为煤矿抽采的含氧瓦斯液化与分离设备设计的工艺装置，下塔得到较高纯度的甲烷和空气，上塔对甲烷和空气进一步分凝，得到纯度极高的lng产品和高纯空气，整套系统的控制采用dcs系统自动化操作，方便、安全、可靠、长期运行成本较低；

44、(3)本发明采用低温精馏的方法，实现含氧瓦斯中甲烷和空气的分离，同时将浓缩后的甲烷液化，由于等量的甲烷液化后体积减为原来的1/625，极大的方便了运输和储存，可用lng槽车通过高速公路将产品运输到全国各工业化城市，相当于给矿区的瓦斯装上了“轮子”，在目前能源紧缺的情况下，解决这个问题，可以起到很好的示范作用，把原本无法很好利用的含氧瓦斯利用起来，利国、利民，而且对企业也能产生较好的经济与社会效益。