利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺 【技术领域】
本发明涉及一种煤层气的液化工艺，特别是一种涉及高含氮量煤层气的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺。属于化工与低温技术领域。
背景技术
煤层气是一种以甲烷为主要成分的煤矿伴生气，俗称“煤矿瓦斯”，属于非常规天然气。煤层气的开发利用不仅能够提供一种高热值的清洁能源，同时可以防止瓦斯爆炸引起的矿难并减少温室气体甲烷的排放量，对煤矿安全及环境保护均具有重要意义。我国的煤层气储量丰富，且主要分布在经济发达或较发达的中东部地区，与常规天然气表现出很好的互补性，容易形成便利的市场条件，因此我国煤层气开发利用具有突出的优势和发展潜力。然而，我国煤层气产地一般远离天然气管网，且气质与常规天然气不同，不便或不宜进入现有管网。利用天然气的小型液化技术将煤层气液化，可使其体积减少为原来的大约1/600，极大地方便了从产地到用户的输送，是一种极有前景的开发形式。
我国液化天然气的技术已经较为成熟，其中混合制冷剂循环液化流程有着机组设备少、流程简单、能耗较低等优点，是目前应用最广的液化方式。但不论是国内还是国外，对于甲烷含量不高的煤层气的液化技术的研究还很少。受到目前瓦斯抽采技术的限制，中国的煤层气大多为矿井气，由于混入了空气而往往含有较多的氮，不能通过常规的净化工艺脱除，影响了其作为能源加以利用。因此低浓度甲烷的液化工艺还必须考虑甲烷提浓的问题。可以通过在液化前进行变压吸附或液化后进行低温精馏将氮从煤层气中分离出去，从而提高甲烷的纯度。
变压吸附过程在常温和较低压力下工作，能耗较低，且吸附法工艺简单，操作、维护费用低，有其独特的优势。但甲烷与氮的吸附分离难度很大，是目前化工技术面临的一项十分艰巨的任务。现有文献和相关研究中有的是将煤层气吸附脱氮过程独立出来研究，再就是单独对煤层气液化流程进行研究，而对于从整体上将吸附和液化过程结合起来考虑还很少见，未见将吸附余压利用于后继液化过程的报道。
已有技术中，申请号为200610080889.4、名称为“含空气煤层气液化工艺及设备”的发明专利采用低温双级精馏实现了煤层气在低温下的液化和分离，得到的液化天然气的产品纯度可达99％以上。但相比传统的天然气液化工艺，系统单位功耗较高。上海交通大学制冷与低温专业的祝家新在其硕士论文中使用吸附-液化法实现煤层气的液化，直接利用变压吸附分离后煤层气的余压减少煤层气的压缩功，但由于混合制冷剂循环液化流程中制冷剂的压缩功占系统整体功耗的较大份额，因此仅靠降低煤层气的压缩功节能效果不明显。
【发明内容】
为克服已有技术的不足和缺陷，提高煤层气中甲烷的浓度并降低煤层气液化过程中的能耗，本发明提出一种利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺。针对高含氮量的低浓度煤层气，通过变压吸附过程首先分离出大部分的氮，并利用这部分氮气具有的吸附余压，将其膨胀对煤层气进行预冷，利用这部分“免费”的能量，减少用于提供冷量的混合制冷剂流量，从而降低系统的整体功耗。且随着煤层气含氮量及氮吸附余压的增大，煤层气预冷后的温度逐渐降低，将相应减少混合制冷剂循环地冷却级数。
本发明是按照下述技术方案进行的，本发明工艺包括下述步骤：
1、首先将煤层气进行预净化，去除其中的水、酸性气体、重烃杂质；
2、将预净化后的含氮煤层气通过变压吸附过程进行甲烷提浓，分离出带余压氮气和常压的浓缩煤层气；
3、浓缩煤层气被两级压缩并水冷为常温高压煤层气；
4、常温高压煤层气在第一换热器中预冷，预冷所需的冷量由步骤2中吸附分离出的带余压氮气膨胀所提供；
5、预冷后的煤层气通过混合制冷剂循环提供的冷量被冷却为低温煤层气。上述的混合制冷剂循环根据煤层气预冷后温度的不同范围设置不同的冷却级数：温度高于0℃时采用四级冷却过程；温度在-60～0℃范围内，使用三级冷却；温度低于-60℃时为二级冷却。
6、低温煤层气节流，最终在气液分离器中分离出液体产品。
本发明的有益效果是：通过石化工业中广泛采用的HYSYS软件的模拟和计算，证实本发明能有效降低系统单位产品液化功耗，且煤层气原料气中的含氮量越高，吸附余压越高，节省的功耗越多。如含氮量达到70％，吸附余压达到2MPa时，相比不利用余压的吸附-液化工艺即可节能超过50％。
【附图说明】
图1是本发明的四级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺的流程图。
图2是本发明的三级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺的流程图。
图3是本发明的二级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺的流程图。
图中，1预净化系统，2吸附器，3氮膨胀机，4一级甲烷压缩机，5第一冷却器，6二级甲烷压缩机，7第二冷却器，8第一换热器，9一级制冷剂压缩机，10第三冷却器，11二级制冷剂压缩机，12第四冷却器，13第一气液分离器，14第二换热器，15第一节流阀，16第二气液分离器，17第三换热器，18第二节流阀，19第三气液分离器，20第四换热器，21第三节流阀，22第五换热器，23第四节流阀，24第五节流阀，25第四气液分离器。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。
实施方案1：如图1所示，煤层气预冷后温度大于0℃时的四级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺包括下述步骤：
1、带有压力的常温煤层气原料气在预净化系统1中去除其中的水、酸性气体、重烃杂质；
2、预净化后的煤层气在吸附器2中通过变压吸附过程进行甲烷提浓，分离出带余压氮气和常压的浓缩煤层气；
3、浓缩煤层气通过一级甲烷压缩机4压缩至中压0.6～0.8MPa及二级甲烷压缩机6压缩至大于等于4.5MPa，并分别在第一冷却器5和第二冷却器7中被水冷至常温；
4、高压的浓缩煤层气在第一换热器8中被预冷，预冷所需的冷量由步骤2中吸附分离出的带余压氮气在氮膨胀机3中膨胀至接近常压后提供，该带余压氮气冷量利用后被复温至接近常温并排出系统；
5、预冷后的浓缩煤层气分别经第二换热器14冷却至0℃，第三换热器17冷却至-60℃，第四换热器20冷却至-130℃及第五换热器22冷却至-155℃，成为低温煤层气，这四个换热器中的冷量由以氮、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷和正戊烷组成的混合制冷剂的制冷循环提供。上述的混合制冷剂循环为：一定量的常温常压混合制冷剂通过一级制冷剂压缩机9压缩至中压0.8～1.0MPa及二级制冷剂压缩机11压缩至3.5MPa，并分别在第三冷却器10和第四冷却器12中被水冷至常温，成为高压常温下的气液两相混合物。该气液两相混合物先在第一气液分离器13中分离出气相和液相的制冷剂，经第一气液分离器13分离出的气相和液相制冷剂分别进入第二换热器14中被冷却至0℃。其中液相冷却为过冷液体，经第一节流阀15降压至接近常压后为第二换热器14提供冷量；气相冷却后则成为气液两相混合物，该气液两相混合物经第二气液分离器16分离成气相和液相，经第二气液分离器16分离出的气相和液相分别进入第三换热器17进一步降温至-60℃，经第三换热器17冷却后的液相经第二节流阀18降压至接近常压后为第三换热器17提供冷量并与经第一节流阀15降压后的冷却流体混合继而为第二换热器14提供冷量；经第三换热器17冷却后的气相成为气液两相混合物，并进入第三气液分离器19分离成气相和液相后分别进入第四换热器20进一步降温至-130℃。经第四换热器20冷却后的液相经第三节流阀21降压至接近常压后为第四换热器20提供冷量，并相继与经第二节流阀18降压后的冷却流体和经第一节流阀15降压后的冷却流体混合后为第三换热器17和第二换热器14提供冷量；经第四换热器20冷却后的气相进入第五换热器22冷却至-155℃，之后经第四节流阀23降压至接近常压后为第五换热器22提供冷量，并相继与经第三节流阀21降压后的冷却流体，经第二节流阀18降压后的冷却流体和经第一节流阀15降压后的冷却流体混合后为第四换热器20，第三换热器17和第二换热器14提供冷量，并恢复至常温，从而完成混合制冷剂的四级冷却循环。
6、低温煤层气通过第五节流阀24节流，最后在气液分离器25中分离出常压下的液化天然气产品。
实施方案2：如图2所示，煤层气预冷后温度为-60～0℃时的三级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺包括下述步骤：
步骤1，步骤2，步骤3和步骤4分别与实施方案1中步骤1，步骤2，步骤3和步骤4相同；
5、预冷后的浓缩煤层气分别经第二换热器14冷却至-60℃，第四换热器20冷却至-130℃及第五换热器22冷却至-155℃，成为低温煤层气，这三个换热器中的冷量由混合制冷剂循环提供。上述的混合制冷剂循环为：一定量的常温常压混合制冷剂通过一级制冷剂压缩机9压缩至中压0.8～1.0MPa及二级制冷剂压缩机11压缩至3.5MPa，并分别在第三冷却器10和第四冷却器12中被水冷至常温，成为高压常温下的气液两相混合物。该气液两相混合物先在第一气液分离器13中分离出气相和液相的制冷剂，经第一气液分离器13分离出的气相和液相制冷剂分别进入第二换热器14中被冷却至-60℃。其中液相冷却为过冷液体，经第一节流阀15降压至接近常压后为第二换热器14提供冷量；气相冷却后则成为气液两相混合物，该气液两相混合物经第二气液分离器16分离成气相和液相后分别进入第四换热器20进一步降温至-130℃。经第四换热器20冷却后的过冷液相经第三节流阀21降压至接近常压后为第四换热器20提供冷量，继而与经第一节流阀15降压后的冷却流体混合后为第二换热器14提供冷量；经第四换热器20冷却后的气相进入第五换热器22冷却至-155℃，之后经第四节流阀23降压至接近常压后为第五换热器22提供冷量，继而与经第三节流阀21降压后的冷却流体和经第一节流阀15降压后的冷却流体混合后为第四换热器20和第二换热器14提供冷量，并恢复至常温，从而完成混合制冷剂的三级冷却循环。
步骤6与实施方案1中步骤6相同。
实施方案3：如图3所示，煤层气预冷后温度低于-60℃时的二级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气混合制冷剂循环液化工艺包括下述步骤：
步骤1，步骤2，步骤3和步骤4分别与实施方案1中步骤1，步骤2，步骤3和步骤4相同；
5、预冷后的浓缩煤层气分别经第二换热器14冷却至-130℃及第五换热器22冷却至-155℃，成为低温煤层气，这两个换热器中的冷量由混合制冷剂循环提供；上述的混合制冷剂循环为：一定量的常温常压混合制冷剂通过一级制冷剂压缩机9压缩至中压0.8～1.0MPa及二级制冷剂压缩机11压缩至3.5MPa，并分别在第三冷却器10和第四冷却器12中被水冷至常温。然后分别经第二换热器14冷却至-130℃和第五换热器22冷却至-155℃。之后经第四节流阀23降压至接近常压后相继为第五换热器22和第二换热器14提供冷量并恢复至常温，从而完成混合制冷剂的两级冷却循环。
步骤6与实施方案1中步骤6相同。