利用变压吸附余压预冷的煤层气级联式液化工艺 【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级联式液化工艺。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，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。
对于液化方式，级联式液化流程技术成熟，操作稳定且能耗较低，常用于基本负荷型液化装置。它通常使用三级独立的制冷循环逐级冷却天然气，制冷剂分别为丙烷，乙烯和甲烷。
对于甲烷提浓的方式，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耦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，但由于级联式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级联式液化工艺。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，减少原第一级冷却所需的丙烷流量，从而降低系统的整体单位功耗。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可能低于原第一级丙烷冷却后的温度，因此可将预冷后的煤层气直接引入乙烯提供冷量的换热器，还可节省乙烯的用量。
本发明是按照下述技术方案进行地，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中变压吸附分离出的带余压氮气膨胀所提供；
5、预冷后的煤层气逐级被丙烷制冷循环，乙烯制冷循环和甲烷制冷循环提供的冷量冷却为低温煤层气；上述的各制冷循环为：丙烷制冷循环中，丙烷经压缩机压缩并水冷至常温后节流降压降温，进入第二换热器冷却煤层气，乙烯及甲烷，之后回到压缩机；乙烯制冷循环中，乙烯经压缩机压缩并水冷至常温后，先经第二换热器被丙烷预冷，而后节流降温降压，进入第三换热器进一步冷却煤层气和甲烷，之后回到压缩机；甲烷制冷循环中，甲烷经压缩机压缩并水冷至常温后，先经第二换热器被丙烷预冷及第三换热器被乙烯进一步冷却，而后节流降温降压，进入第四换热器冷却煤层气，之后回到压缩机。若煤层气预冷后温度低于-55℃，煤层气预冷后直接进入第三换热器被乙烯冷却，其余过程与前述相同。
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3MPa时，相比不利用余压的吸附-液化工艺即可节能将近50％，相比液化-精馏工艺则节能效果更加显著。
【附图说明】
图1是本发明的煤层气三级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气级联式液化工艺的流程图。
图2是本发明的煤层气二级冷却过程的利用变压吸附余压预冷的煤层气级联式液化工艺的流程图。
图中，1预净化系统，2吸附器，3氮膨胀机，4一级煤层气压缩机，5第一冷却器，6二级煤层气压缩机，7第二冷却器，8第一换热器，9第二换热器，10第三换热器，11第四换热器，12第一节流阀，13气液分离器，14丙烷压缩机，15第三冷却器，16第二节流阀，17乙烯压缩机，18第四冷却器，19第三节流阀，20甲烷压缩机，21第五冷却器，22第四节流阀。
【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-55℃时的三级冷却的利用变压吸附余压预冷的煤层气级联式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9冷却至-55℃，第三换热器10冷却至-110℃和第四换热器11冷却至-160℃，成为低温煤层气。这三个换热器中的冷量分别由丙烷，乙烯和甲烷的制冷循环提供。上述的制冷循环分别为：丙烷制冷循环中，一定量的丙烷经丙烷压缩机14压缩至1250kPa后经第三冷却器15冷却至常温，然后经第二节流阀16降压至41kPa，进入第二换热器9冷却煤层气、乙烯及甲烷，最后复温至30℃回到丙烷压缩机14；乙烯制冷循环中，乙烯经乙烯压缩机17压缩至1000kPa后经第四冷却器18冷却至常温，然后先经第二换热器9被丙烷预冷至-55℃，而后经第三节流阀19降压至41kPa，进入第三换热器10进一步冷却煤层气和甲烷，最后复温至-60℃回到乙烯压缩机17；甲烷制冷循环中，甲烷经甲烷压缩机20压缩至2000kPa后经第五冷却器21冷却至常温，然后先经第二换热器9被冷却至-55℃及第三换热器10被进一步冷却至-110℃，而后经第四节流阀22降压至41kPa，进入第四换热器11冷却煤层气，最后复温至-115℃后回到甲烷压缩机20。
6、低温煤层气通过第一节流阀12节流，最后在气液分离器13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，煤层气预冷后温度低于-55℃时的二级冷却的利用变压吸附余压预冷的煤层气级联式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三换热器10冷却至-110℃和第四换热器11冷却至-160℃，成为低温煤层气。其余过程与实施方案1中的步骤5相同。
步骤6与实施方案1中步骤6相同。