專利名稱：一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤層氣的分離設(shè)備，尤其涉及一種含空氣煤層氣的全液化分 離設(shè)備。
背景技術(shù)：
煤層氣，俗名瓦斯，甲烷在煤炭形成的過程中被煤體所吸附，即成為煤層氣。我國 地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井眾多，僅在國有重點(diǎn)煤礦中就占45%。 瓦斯無色無味，易燃易爆，在煤層開發(fā)的過程中會解析分離并分散，當(dāng)空氣中的瓦斯?jié)舛仍?5. 5% -16%之間并且有明火發(fā)生時，極易發(fā)生爆炸事故。這成為長期困擾煤礦安全生產(chǎn)的 嚴(yán)重問題，我國煤礦發(fā)生的特大、重大事故80%以上都是由瓦斯造成的。除此之外，甲烷直 接排入大氣不僅會造成溫室效應(yīng)，而且對臭氧層還有破壞作用。我國一次能源結(jié)構(gòu)上長期以來以煤炭為主，給環(huán)境帶來了很大的壓力，在國際市 場油價氣價雙創(chuàng)新高的情況下，依靠大量進(jìn)口來改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)并不現(xiàn)實(shí)。通過對煤層 氣(主要成分為甲烷)的開發(fā)，不僅可解決煤礦生產(chǎn)安全問題，還可以改善能源結(jié)構(gòu)，減少 污染，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。隨著能源問題越來越突出，煤層氣的開發(fā)利用也在不斷升 溫。美國在煤層氣的研究、勘探、開發(fā)利用方面處于世界領(lǐng)先地位，是率先取得煤層氣商業(yè) 化開發(fā)的國家。我國這幾年煤層氣的開發(fā)利用發(fā)展迅速，已實(shí)現(xiàn)了初步的商業(yè)規(guī)模開發(fā)。我 國煤層氣多分布于儲量低、分布分散的小型氣田，因此適于采用低溫液化的方式進(jìn)行開發(fā) 利用。常規(guī)天然氣、煤層氣液化工藝只關(guān)注如何液化烴類組分，而煤層氣常含有CO2、氮、氧 等組分，尤其含氧煤層氣是我國煤礦事故的根源，因此如何安全高效的分離、處理這些組分 是煤層氣液化工藝的關(guān)鍵和難點(diǎn)。目前已有多種用于含氧煤層氣的液化分離工藝以及設(shè)備的專利申請，例如 200620115881. 2號中國實(shí)用新型專利公開了一種含空氣煤層氣的液化設(shè)備，包括壓縮凈化 設(shè)備、制冷設(shè)備和液化分離設(shè)備，液化分離設(shè)備具有換熱器，所述壓縮凈化設(shè)備與液化分離 設(shè)備中的換熱器的熱介質(zhì)通道連接，制冷設(shè)備與液化分離設(shè)備的制冷介質(zhì)通道連接，所述 液化分離設(shè)備包括依次連接的換熱器和兩級分餾塔，第一分餾塔具有冷凝器，第二分餾塔 具有蒸發(fā)器，其特征在于，第一分餾塔頂部、底部與第二分餾塔頂部、底部通過管道相連，第 一分餾塔冷凝器還具有氣體管路將氣體引入到制冷設(shè)備中。該實(shí)用新型提供的設(shè)備通過 采用低溫精餾方法來實(shí)現(xiàn)煤層氣的分離，以得到液化天然氣。該實(shí)用新型專利僅得到LNG 產(chǎn)品，而未實(shí)現(xiàn)氮和氧的分離，因而須從第二分餾塔頂部將空氣放空，因而可能造成浪費(fèi)。 200620134297. 1號中國實(shí)用新型專利公開了一種含空氣煤層氣的液化分離設(shè)備，其提供 的分離設(shè)備需要通過兩級分餾來進(jìn)行分離，所涉及的設(shè)備較多、工藝流程比較復(fù)雜，除得到 LNG產(chǎn)品外，還得到高純的氮，但仍有一部分氮、氧混合氣體放空，而且得到部分為氣態(tài)產(chǎn) 品，仍不便于儲存運(yùn)輸。
實(shí)用新型內(nèi)容為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種含空氣煤層氣的全液化分 離設(shè)備，通過對分離塔的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了液化天然氣、液氧和液氮的完全液化分離，具有結(jié)構(gòu) 簡單、分離效果好、產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其包 括壓縮凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與液化分離系統(tǒng)，其特征在于所述液化分離系統(tǒng)包括一雙層烴氧分離塔和一氮分離塔，所述雙層烴氧分離塔由 上塔和下塔組成，所述下塔具有一供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口，所述下塔的底部具有一用 于輸出液化天然氣的出口，所述下塔頂部具有一出口，所述上塔頂部具有一第二入口以及 一出口，所述上塔底部具有一用于輸出液氧的出口，并且，所述上塔和下塔之間設(shè)有一冷凝 蒸發(fā)器；所述氮分離塔頂部具有一用于輸出氮?dú)獾某隹?，并且，所述氮分離塔底部具有一入 口以及一出口 ；其中，輸送含空氣煤層氣的管道依次通過所述壓縮凈化系統(tǒng)、所述冷卻系統(tǒng)，并連接到 所述下塔供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口 ；所述上塔頂部設(shè)置一第一入口，所述下塔頂部的出口通過JT閥與所述上塔頂部 的第一入口連接，或者，所述氮分離塔中部設(shè)置一入口，所述下塔頂部的出口通過JT閥與 所述氮分離塔中部的入口連接；當(dāng)采用前一種方案時，不需要在氮分離塔的中部設(shè)置入口， 當(dāng)采用后一種方案時，上塔頂部不設(shè)置第一入口 ；所述上塔頂部的出口與所述氮分離塔底部的入口連接；所述氮分離塔底部的出口與所述上塔頂部的第二入口連接。在上述全液化分離設(shè)備中，氮分離塔頂部的出口可以與一常規(guī)的低溫冷卻裝置或 者所述冷卻系統(tǒng)相連接，用于對氮?dú)膺M(jìn)行冷卻得到液氮。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述液化分離 系統(tǒng)具有一第一氣液分離罐，所述下塔底部具有一入口，其中，所述下塔底部的出口通過管道與所述第一氣液分離罐的入口連接，并且該管道先 經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)；所述第一氣液分離罐的一出口(氣體出口)與所述下塔底部的入口連接，并且，所 述第一氣液分離罐還具有一輸出液化天然氣的出口(液體出口)。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述液化分離 系統(tǒng)具有一第二氣液分離罐，其中，所述氮分離塔頂部的出口通過管道先經(jīng)過所述冷卻系 統(tǒng)，再與所述第二氣液分離罐的入口連接(即所述液化分離系統(tǒng)具有一第二氣液分離罐， 其中，所述氮分離塔頂部的出口通過管道與所述第二氣液分離罐的入口連接，并且，該管道 先經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng))；所述第二氣液分離罐的一出口(氣體出口)與所述氮分離塔的頂部入口連接，并 且，所述第二氣液分離罐還具有一輸出液氮的出口(液體出口)。在上述的全液化分離設(shè)備中，所述壓縮凈化系統(tǒng)用于對含空氣煤層氣進(jìn)行壓縮凈 化，包括過濾、脫酸性氣體、脫水、脫汞等，可以采用常規(guī)的系統(tǒng)或裝置。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，所述雙層烴氧分離塔主 要用于從含空氣煤層氣中分離烴類。當(dāng)利用冷卻系統(tǒng)回收下塔底部的液態(tài)烴中的冷量時，可以通過以下方式進(jìn)行當(dāng)經(jīng)過壓縮凈化和冷卻的含空氣煤層氣由下塔供含空氣煤層氣進(jìn) 入的入口(該入口優(yōu)選設(shè)置于下塔的中部)進(jìn)入下塔之后，液體向下流動(在流動的過程 中，液體會與向上流動的氣體進(jìn)行熱質(zhì)交換，液體中的氮、氧會氣化進(jìn)入氣體中，而氣體中 的烴類會凝結(jié)并進(jìn)入液體中，這樣液體中的烴含量越來越高，而氣體中的氮、氧含量越來越 高，在接近下塔底部的位置得到純度很高的液態(tài)烴，即液化天然氣，并從下塔底部的出口流 出，這部分液態(tài)烴可以通過管道輸送到冷卻系統(tǒng)中，向其中的制冷劑輸出冷量，自身被加熱 使部分液體蒸發(fā)形成氣液混合狀態(tài)的烴類，并被輸送到第一氣液分離罐進(jìn)行分離，其中，液 態(tài)烴輸出成為高純度的液化天然氣產(chǎn)品(LNG產(chǎn)品)，而氣態(tài)烴則通過下塔底部的入口進(jìn)入 下塔中，繼續(xù)參與液化分離過程(這部分氣態(tài)烴在向上流動過程中會與由上向下流動的液 體進(jìn)行熱質(zhì)交換)。在下塔中，氣體向上流動并在下塔頂部被冷凝，所需的冷量是由上塔底 部的液體再沸所提供的，實(shí)際上，在烴類被冷凝的同時，上塔底部的液體也因此而被加熱， 冷凝蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了上塔底部的液體與下塔頂部的氣體之間的熱量交換。在單獨(dú)的分離塔 中，一般地，底部均設(shè)有再沸器，頂部均設(shè)有再冷凝器，本實(shí)用新型提供的全液化分離設(shè)備 采用了雙層結(jié)構(gòu)的烴氧分離塔，通過冷凝蒸發(fā)器將原本分離的兩個分離塔結(jié)合在一起，替 代了一個再沸器和一個再冷凝器，實(shí)現(xiàn)了兩塔的結(jié)合，減少了設(shè)備數(shù)量，并且冷凝蒸發(fā)器的 換熱溫差可以控制的很小，從而高效地利用的冷量和熱量。上塔與下塔通過冷凝蒸發(fā)器結(jié) 合在一起，組成雙層烴氧分離塔，其中，冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與常規(guī)的冷凝蒸發(fā)器基本相同， 只要能夠?qū)崿F(xiàn)上塔底部的液體與下塔頂部的氣體之間的熱量交換的冷凝蒸發(fā)器都可以適 用。在上述全液化分離設(shè)備中，可以使冷凝蒸發(fā)器與上、下塔連接為一個整體，即將單個冷 凝蒸發(fā)器單元(即換熱器)布置在上塔中或?qū)⒍鄠€冷凝蒸發(fā)器單元在上塔內(nèi)按單層星形排 列，或者在上塔外設(shè)置輔助冷凝蒸發(fā)器；也可以采用單獨(dú)布置的冷凝蒸發(fā)器，即將多個冷凝 蒸發(fā)器單元并聯(lián)置于圓筒形容器內(nèi)，用管道與上、下塔分別連接，其中，換熱單元可以采用 板翅式、列管式和盤管式等結(jié)構(gòu)形式。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，上塔頂部的氣體經(jīng)過氮 分離塔底部的入口進(jìn)入氮分離塔底部，氮分離塔底部的液體經(jīng)過泵后由雙層烴氧分離塔上 塔頂部的第二入口進(jìn)入上塔。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述氮分離塔 頂部出口通過管道并經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)的第二冷箱與第二氣液分離罐的入口連接。從氮分 離塔頂部出口流出的氣體(組成為高純度的氮)在冷卻系統(tǒng)中被制冷劑冷卻為液體，然后 經(jīng)過第二氣液分離罐(用于在非正常工況下保護(hù)泵)和泵，一部分作為液氮產(chǎn)品輸出，另一 部分作為回流液體通過氮分離塔頂部的入口進(jìn)入氮分離塔。從氮分離塔底部出口離開的液體進(jìn)入雙層烴氧分離塔上部入口后，從上向下流 動，在此過程中與由下向上流動的氣體進(jìn)行熱質(zhì)交換；由上塔的頂部到底部，氮含量逐漸降 低而氧含量逐漸上升，在上塔底部由冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)側(cè)加熱沸騰，一部分液體汽化向上流 動，另一部分未汽化的液體即為純度較高的液氧產(chǎn)品。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，所采用的壓縮凈化系統(tǒng) 以及冷卻系統(tǒng)可以采用本領(lǐng)域中所常用的系統(tǒng)或裝置，優(yōu)選地，所述冷卻系統(tǒng)采用單級混 合制冷劑循環(huán)裝置，使含空氣煤層氣依次通過單級混合制冷劑循環(huán)裝置的第一冷箱和第二 冷箱進(jìn)行冷卻之后進(jìn)入液化分離系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)(即單級混合制冷劑循環(huán)裝置)包括一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐、二段壓縮機(jī)、二段空冷器、二段氣液分離罐、第一 冷箱和第二冷箱，所述一段氣液分離罐具有一入口、一頂部出口(氣體出口)以及一底部出 口(液體出口)，其中一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐的入口、一段氣液分離罐的底部出口、 第一冷箱(第二流道)、第一 JT閥和第一冷箱(第三流道)依次連接，形成高溫循環(huán)；一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐的入口、一段氣液分離罐的頂部出口、 二段壓縮機(jī)、二段空冷器、二段氣液分離罐、第一冷箱(第一流道)、第二冷箱(第二流道)、 第二 JT閥、第二冷箱(第三流道)和第一冷箱(第三流道)依次連接，形成低溫循環(huán)。在上述冷卻系統(tǒng)的高溫循環(huán)和低溫循環(huán)中，一段氣液分離罐分離后得到的液體制 冷劑直接進(jìn)入第一冷箱被預(yù)冷(溫度約為-70至-90°C )，這部分制冷劑經(jīng)過第一冷箱之 后，由第一 JT閥進(jìn)行節(jié)流，然后回到第一冷箱提供冷量用于冷卻經(jīng)過壓縮凈化處理的含空 氣煤層氣，并對進(jìn)入第一冷箱的液體制冷劑和氣體制冷劑進(jìn)行預(yù)冷(在全液化分離設(shè)備 中，各個部分的操作均是持續(xù)循環(huán)進(jìn)行的)；一段氣液分離罐分離后得到的氣體制冷劑，則 經(jīng)過二段壓縮機(jī)、空冷器、二段氣液分離罐之后，經(jīng)過第一冷箱進(jìn)入第二冷箱依次預(yù)冷至很 低的溫度(約為-160至-190°C )，這部分制冷劑在經(jīng)過第二冷箱之后，由第二 JT閥進(jìn)行節(jié) 流，然后回到第二冷箱提供低溫位的冷量，并在經(jīng)過第二冷箱之后，與上述經(jīng)過第一 JT閥 節(jié)流之后的制冷劑混合進(jìn)入第一冷箱，共同提供高溫位的冷量，完成上述步驟之后，制冷劑 回到一段壓縮機(jī)，繼續(xù)下一步循環(huán)。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，輸送含空氣煤 層氣的管道依次通過所述壓縮凈化系統(tǒng)、所述第一冷箱以及所述第二冷箱連接到所述下塔 供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述氮分離塔 頂部的出口通過管道并經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)的第二冷箱(第一流道)與所述第二氣液分離罐 的入口連接。氮分離塔頂部的出口的管道首先經(jīng)過第二冷箱(第一流道)，以使其中的氮?dú)?與第二冷箱中的制冷劑進(jìn)行冷熱交換，然后連接到第二氣液分離罐的入口。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述下塔底部 的出口通過管道并經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)的第二冷箱(第五流道)與第一氣液分離罐的入口連 接。下塔底部出口的管道首先經(jīng)過第二冷箱(第五流道)，以使其中的液化天然氣與第二冷 箱中的制冷劑進(jìn)行冷熱交換，回收液化天然氣中的冷量，并對液化天然氣進(jìn)行加熱，使部分 液化天然氣蒸發(fā)為氣態(tài)，該管道經(jīng)過第二冷箱之后，連接到第一氣液分離罐的入口。在本實(shí)用新型提供的全液化分離設(shè)備中，可以有以下兩種方式實(shí)現(xiàn)下塔底部的再沸使下塔底部出口出來的液體經(jīng)過第二冷箱，向第二冷箱提供冷量而自身被加熱實(shí) 現(xiàn)再沸，然后在第一氣液分離罐中實(shí)現(xiàn)氣液分離，液體作為液化天然氣輸出，而氣體回到下 塔中由下向上流動；也可以在下塔底部設(shè)置一個再沸器，與下塔底部的出口和入口相連接，利用外部 的熱量使下塔底部的液體再沸，例如使下塔底部的出口與再沸器連接，采用常規(guī)的加熱方 式向再沸器提供熱量使其中的部分液體沸騰回到下塔向上流動，另一部分液體作為液化天 然氣產(chǎn)品輸出。在本實(shí)用新型提供的全液化分離設(shè)備中，可以有以下兩種方式實(shí)現(xiàn)上塔頂部輸出的氮?dú)獾睦淠股纤敳砍隹诔鰜淼牡獨(dú)饨?jīng)過第二冷箱，向第二冷箱提供冷量使氮?dú)饫?凝，得到液氮；也可以設(shè)置常規(guī)的低溫冷卻裝置和冷凝器來提供冷量，使其與上塔頂部出口 實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾睦淠?，以得到液氮，然后進(jìn)入氣液分離罐進(jìn)行分離。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述氮分離塔 底部的出口與所述上塔頂部的第二入口之間設(shè)有一泵，用于泵送氮分離塔底部的出口輸出 的液體。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述第二冷箱 與所述第二氣液分離罐的入口之間的管道上設(shè)有一泵，用于泵送在第二冷箱中冷卻得到的 液氮。在本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備中，優(yōu)選地，所述雙層烴氧 分離塔的下塔底部的出口與所述第二冷箱之間設(shè)有一泵，用于泵送在下塔底部獲得的液化 天然氣。本實(shí)用新型提供的含空氣煤層氣全液化分離設(shè)備具有以下一些優(yōu)點(diǎn)1、通過采用一雙層烴氧分離塔，替代單獨(dú)的烴分離塔和氧分離塔，同時，以冷凝蒸 發(fā)器來替代一個再沸器和一個再冷凝器，能夠減少設(shè)備，簡化工藝流程；同時，通過采用冷 凝蒸發(fā)器將氧分離塔和烴分離塔進(jìn)行結(jié)合，能夠充分利用分離過程中的冷量和熱量，降低 成本；2、通過采用本實(shí)用新型提供的全液化分離設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對含空氣煤層氣中的烴 類、氧氣和氮?dú)獾鹊某浞址蛛x，避免浪費(fèi)。

以下附圖僅旨在于對本實(shí)用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實(shí)用新型的范 圍。其中圖1為實(shí)施例1提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例2提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實(shí)施例3提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實(shí)施例4提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型提供的全液化分離設(shè)備的冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)號說明壓縮凈化系統(tǒng)、1 ；冷卻系統(tǒng)、2 ；—段壓縮機(jī)、201 ；—段空冷器、202 ；—段氣液分離 罐、203 ；二段壓縮機(jī)、204 ；二段空冷器、205 ；二段氣液分離罐、206 ；第一冷箱、207 ；第二冷 箱、208 ；第一 JT閥、209 ；第二 JT閥、210 ；上塔、301 ；下塔、302 ；冷凝蒸發(fā)器、303 ；氮分離 塔、304 ；第一氣液分離罐、305 ；第二氣液分離罐、306 JT閥、307 ；泵、308 309 310 ；冷卻裝 置、4 ；隔板、401 ；蒸發(fā)側(cè)入口、402 ；冷凝側(cè)出口、403 ；蒸發(fā)側(cè)出口、404 ；冷凝側(cè)入口、405。
具體實(shí)施方式
為了對本實(shí)用新型的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)參照說明 書附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本實(shí)用新型的可實(shí)施 范圍的限定。[0049]實(shí)施例1本實(shí)施例提供了一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該全液化分離設(shè)備包括壓縮凈化系統(tǒng)1、冷卻系統(tǒng)2和液化分離系統(tǒng)，其中，壓縮 凈化系統(tǒng)1用于對含空氣煤層氣進(jìn)行壓縮凈化，冷卻系統(tǒng)2用于提供冷量，對空氣煤層氣進(jìn) 行冷卻，上述二者均采用本領(lǐng)域常用的系統(tǒng)；液化分離系統(tǒng)包括一雙層烴氧分離塔和一氮分離塔304，所述雙層烴氧分離塔由 上塔301和下塔302組成，下塔302的中部具有一供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口，下塔302的 底部具有一用于輸出液化天然氣的出口，下塔302的頂部具有一出口，上塔301的頂部具有 一第一入口、一第二入口以及一出口，上塔301的底部具有一用于輸出液氧的出口，并且， 上塔301和下塔302之間設(shè)有一冷凝蒸發(fā)器303 ；輸送含空氣煤層氣的管道依次通過壓縮凈化系統(tǒng)1、冷卻系統(tǒng)2連接到下塔302中 部的入口(供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口)；下塔302頂部的出口通過JT閥307與上塔301頂部的第一入口連接；上塔301頂部的出口與氮分離塔底部304的入口連接，氮分離塔304頂部的出口 為氮?dú)獬隹?，氮?dú)饨?jīng)過冷卻(該冷卻可以通過常規(guī)的冷卻裝置4實(shí)現(xiàn)，也可以通過冷卻系統(tǒng) 2實(shí)現(xiàn))之后可以得到液氮，其中部分作為液氮產(chǎn)品輸出，部分作為回流液體；氮分離塔304底部的出口通過管道與上塔301頂部的第二入口連接。實(shí)施例2本實(shí)施例提供了一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該全液化分離設(shè)備包括壓縮凈化系統(tǒng)1、冷卻系統(tǒng)2和液化分離系統(tǒng)，其中，壓縮 凈化系統(tǒng)1用于對含空氣煤層氣進(jìn)行壓縮凈化，冷卻系統(tǒng)2用于提供冷量，對空氣煤層氣以 及氮分離塔304頂部輸出的氮?dú)膺M(jìn)行冷卻，并對部分產(chǎn)物的冷量進(jìn)行回收，上述二者均采 用本領(lǐng)域常用的系統(tǒng)；液化分離系統(tǒng)包括一雙層烴氧分離塔和一氮分離塔304，雙層烴氧分離塔由上塔 301和下塔302組成，下塔302的中部具有一供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口，下塔302的底部 具有一用于輸出液化天然氣的出口，下塔302的頂部具有一出口，上塔301的頂部具有一第 一入口、一第二入口以及一出口，上塔301的底部具有一用于輸出液氧的出口，并且，上塔 301和下塔302之間設(shè)有一冷凝蒸發(fā)器303 ；輸送含空氣煤層氣的管道依次通過壓縮凈化系統(tǒng)1、冷卻系統(tǒng)2連接到下塔302中 部的入口(供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口)，下塔302底部的出口(用于輸出液化天然氣的出 口)通過管道經(jīng)過冷卻系統(tǒng)2與第一氣液分離罐305的入口連接，該第一氣液分離罐305 的一出口(氣體出口)通過管道與下塔302底部的入口連接，并且，該第一氣液分離罐305 具有一液化天然氣出口(液體出口)；下塔302頂部的出口通過JT閥307與上塔301頂部的第一入口連接；上塔301頂部的出口與氮分離塔304底部的入口連接，氮分離塔304頂部的出口 連接有管道，該管道經(jīng)過冷卻系統(tǒng)2以對管道中的氮?dú)膺M(jìn)行冷卻，該管道在經(jīng)過冷卻系統(tǒng)2 之后分為兩個支路(分支管道)，其中一個支路與氮分離塔304頂部的第二入口連接，另一 個支路作為液氮出口，用于輸出液氮產(chǎn)品；氮分離塔304底部的出口通過管道與上塔301頂部的第二入口連接，上塔301的底部具有一液氧出口。實(shí)施例3本實(shí)施例提供了一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其中，所采用的冷卻系統(tǒng) 為MRC裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該全液化分離設(shè)備中，冷卻系統(tǒng)包括一段壓縮機(jī)201、一段空冷器202、一段氣 液分離罐203、二段壓縮機(jī)204、二段空冷器205、二段氣液分離罐206、第一冷箱207和第二 冷箱208，一段氣液分離罐203具有一入口、一頂部出口以及一底部出口，其中一段壓縮機(jī)201、一段空冷器202、一段氣液分離罐203的入口、一段氣液分離罐 203的底部出口(液體出口)、第一冷箱(第二流道)207、第一 JT閥209和第一冷箱(第三 流道)207依次連接，形成高溫循環(huán)；一段壓縮機(jī)201、一段空冷器202、一段氣液分離罐203的入口、一段氣液分離罐 203的頂部出口(氣體出口)、二段壓縮機(jī)204、二段空冷器205、二段氣液分離罐206、第一 冷箱(第一流道)207、第二冷箱(第二流道)208、第二 JT閥210、第二冷箱(第三流道)208 和第一冷箱(第三流道)207依次連接，形成低溫循環(huán)；雙層烴氧分離塔的下塔302的底部出口與第二冷箱208之間設(shè)有一低溫泵308， 并且，用于連接下塔302的底部出口與第一氣液分離罐305的管道經(jīng)過第二冷箱(第五流 道)208，用于實(shí)現(xiàn)低溫液化天然氣與制冷劑之間的冷熱交換，以回收冷量；氮分離塔304的底部出口與上塔302的頂部第二入口之間設(shè)有一低溫泵309 ；用于連接氮分離塔304的頂部出口與第二氣液分離罐306的管道經(jīng)過第二冷箱 (第一流道)208，用于實(shí)現(xiàn)低溫制冷劑與氮?dú)庵g的冷熱交換，以制備得到液氮；在第二冷 箱208與第二氣液分離罐306之間的管道上設(shè)有一低溫泵310 ；在上述全液化分離設(shè)備中，在第一冷箱207中，由上到下并列的四個流道分別為 第一、第二、第三和第四流道，在第二冷箱208中，由上到下并列的五個流道分別為第一、第 二、第三、第四和第五流道；經(jīng)過壓縮凈化之后的含空氣煤層氣依次經(jīng)過第一冷箱207的第 四流道和第二冷箱208的第四流道進(jìn)行冷卻，然后進(jìn)入下塔302。本實(shí)施例提供的全液化分離設(shè)備的其他結(jié)構(gòu)均與實(shí)施例2相同。下面以實(shí)施例3提供的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備為例，對采用本實(shí)用新型 提供的設(shè)備進(jìn)行含空氣煤層氣的全液化分離的工藝(該工藝是一個持續(xù)進(jìn)行的工藝過程) 進(jìn)行示例性說明，但不限于此利用壓縮凈化系統(tǒng)1對含空氣煤層氣進(jìn)行壓縮凈化；使輸送經(jīng)壓縮凈化的含空氣煤層氣(摩爾含量甲烷、49%，乙烷、1%，氮、40%， 氧、10%，溫度為30°C，壓力為2000kPa)的管道進(jìn)入第一冷箱207，使含空氣煤層氣與制冷 劑進(jìn)行換熱，含空氣煤層氣冷卻到-145°C后，由雙層烴氧分離塔的下塔302中部的入口進(jìn) 入下塔302中；雙層烴氧分離塔的上塔301的操作壓力控制為370kPa-400kPa，上塔301頂 部通過外部管線與氮分離塔304相連，構(gòu)成一個完整的精餾_提餾過程；下塔302中的操作壓力控制為885kPa-920kPa，冷凝蒸發(fā)器303的冷凝溫度(下塔 302頂部的溫度)為-167. 1°C，利用上塔301底部液體再沸提供的冷量使(下塔頂部的氣 體)冷卻回流，從而在下塔302頂部得到溫度為-167. 1°C、壓力為885kPa的潔凈空氣(混 合氣體)，其中甲烷的摩爾含量低于0. 02% ；[0079]回流到下塔302底部的液體溫度為-125. 1°C、壓力為920kPa，其主要成分為液化 天然氣(純烴類)，通過底部出口經(jīng)過低溫泵308之后進(jìn)入第二冷箱208，液化天然氣在第 二冷箱208中與制冷劑進(jìn)行冷熱交換(液化天然氣提供冷量并且其自身被加熱)，一部分 (例如約64. 5% )液化天然氣蒸發(fā)為氣體，形成氣態(tài)和液化天然氣的混合物，然后，該混合 物進(jìn)入第一氣液分離罐305進(jìn)行分離，其中，氣態(tài)天然氣通過第一氣液分離罐305的氣體出 口回到下塔302中并向上流動，繼續(xù)參與液化分離過程，而液化天然氣由第一氣液分離罐 305的出口(液體出口 )輸出，成為壓力在920kPa下的高純度液化天然氣(LNG)產(chǎn)品；分離了烴類的混合氣體通過下塔302頂部的出口，經(jīng)過JT閥307的節(jié)流至 410kPa、溫度降為-175. 4°C后，進(jìn)入上塔301中，并從上塔301頂部進(jìn)入氮分離塔304 ；在氮分離塔304中，氣體由下而上流動，在流動過程中通過與由上而下流動的液 體進(jìn)行熱質(zhì)交換，使氣體中的氧逐漸冷卻為液體并進(jìn)入由上而下流動的液體，落到氮分離 塔304的底部，氮?dú)鈩t上升到頂部，隨高度的升高，氮含量不斷增加而氧含量不斷減小，氮 分離塔304頂部的氣體(溫度為-182. 1°C、壓力為380kPa)，其組成接近純氮；這些氮?dú)膺M(jìn) 入與氮分離塔304頂部出口連接的管道中，并在經(jīng)過第二冷箱208時被冷卻，使其中全部 氣體液化得到液氮，在依次經(jīng)過第二氣液分離罐306 (用于在異常情況下保護(hù)泵310)和泵 310之后，其中，一部分液氮(例如70.6%)回到氮分離塔304的頂部作為回流液體回流， 其余的通過出口輸出，得到高純度的液氮產(chǎn)品，純度在99. 98%以上；在氮分離塔304中，回 流的液體與由下向上流動的氣體進(jìn)行熱質(zhì)交換，氮含量不斷減小而氧含量不斷增加(由上 到下)。氮分離塔304底部的液體經(jīng)過氮分離塔304底部出口進(jìn)入上塔301頂部(通過第 二入口進(jìn)入)，并在上塔301中由上向下流動與由下向上流動的氣體繼續(xù)進(jìn)行熱質(zhì)交換，在 上塔底部得到組成接近純氧的液體；在上塔301底部的冷凝蒸發(fā)器303蒸發(fā)側(cè)(與上塔301 連接的一側(cè))，利用下塔302頂部氣體冷凝回流(下塔302頂部的氣體冷凝，這部分氣體的 組成絕大部分為氮、氧)所提供的熱量使液體再沸，使其中的液體(此時組成以氧為主)蒸 發(fā)為氣體由下向上流動，并與由上向下流動的液體進(jìn)行熱質(zhì)交換，氣體中的氧含量不斷減 小而氮含量不斷增加(由下到上)。再沸得到的這部分氣體上升到上塔301頂部與從下塔 節(jié)流后進(jìn)入上塔301的氣體混合后，一起進(jìn)入氮分離塔304的底部(這部分氣體會與來自 下塔302的混合氣體混合后，一起進(jìn)入氮分離塔304的底部，參與氮分離塔304中的分離)， 從而在上塔301底部得到高純度的液氧產(chǎn)品，其中含有少量的氮(摩爾含量低于3%)和極 少量的甲烷(摩爾含量低于0. 1 % )。上塔301底部的液氧溫度較低，可以為冷凝蒸發(fā)器303對下塔302頂部的氣體的 冷卻提供冷量，這樣可以減少換熱溫差，提高能量利用效率，并且減少設(shè)備，簡化工藝流程， 降低投資。在上述的冷熱交換中，上塔302底部的再沸溫度(冷凝蒸發(fā)器303蒸發(fā)側(cè)的 溫度)為-168. 1°C，比下塔302頂部的回流溫度(冷凝溫度，冷凝蒸發(fā)器303冷凝側(cè)的溫 度)-167. 1°C低大約1°C，由于兩者通過冷凝蒸發(fā)器303相連，并通過相變換熱，所以換熱溫 差小，能夠提高能量的利用效率。在上述全液化分離過程中，冷量由單一的單級混合制冷劑循環(huán)裝置(MRC裝置) 提供，制冷劑(混合制冷劑)中氮的含量很高，以與液化分離系統(tǒng)的冷量需求相適應(yīng)，制 冷劑的摩爾組成如下甲烷、19. 95 %，乙烯、12. 37 %，丙烷、11. 42 %，異戊烷、10. 46 %，氮、45. 8%。低壓的混合制冷劑經(jīng)一段壓縮機(jī)201壓縮至1662kPa，在一段空冷器202中冷卻 至40°C后，通過一段氣液分離罐203進(jìn)行氣液分離，液相制冷劑經(jīng)過第一冷箱207預(yù)冷 至-80°C后，通過JT閥209節(jié)流至260kPa后返回第一冷箱207提供冷量，氣相制冷劑進(jìn)入 二段壓縮機(jī)204壓縮至3988kPa，在二段空冷器205中冷卻至40°C后，氣液兩相同時經(jīng)過第 一冷箱207、第二冷箱208，冷卻至_184°C后，通過JT閥節(jié)流至240kPa、溫度約為_187°C后， 返回第二冷箱208提供冷量；制冷劑在第二冷箱中會與來自氮分離塔304頂部的氮?dú)膺M(jìn)行 冷熱交換，以使氮?dú)饫鋮s為液氮，同時制冷劑還與來自下塔302底部的液態(tài)烴進(jìn)行冷熱交 換，以回收冷量，并用于對經(jīng)過第一冷箱207后的含空氣煤層氣的冷卻。從第二冷箱208出 來的制冷劑會與從J-T閥209出來的制冷劑混合，共同進(jìn)入第一冷箱207提供冷量，以預(yù)冷 從一段氣液分離罐203出來的液體冷劑以及從二段空冷器205出來的制冷劑，并預(yù)冷凈化 處理后的含空氣煤層氣。實(shí)施例4本實(shí)施例提供了一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該全 液化分離設(shè)備中，氮分離塔304的中部設(shè)有一入口，下塔302頂部的出口，經(jīng)過JT閥與氮分 離塔304中部的入口，并且，上塔301頂部不設(shè)置第一入口，其他基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例3所采 用的全液化分離設(shè)備基本相同。在實(shí)際生產(chǎn)中，雙層烴氧分離塔和氮分離塔304的高度可 以相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，減少雙層烴氧分離塔中(上塔)的塔板數(shù)量，相應(yīng)地增加氮分離塔304 中的塔板數(shù)量。在采用本實(shí)施例提供的全液化分離設(shè)備進(jìn)行的全液化分離工藝中，在下塔302中 分離了烴類的混合氣體通過下塔302頂部的出口，經(jīng)過JT閥307節(jié)流至410kPa、溫度降 為-175. 4°C后，也不再進(jìn)入上塔301中，而是直接進(jìn)入氮分離塔304中部的入口。實(shí)施例5本實(shí)施例提供了一種冷凝蒸發(fā)器，其是與上、下塔連接成整體的浸浴式冷凝蒸發(fā) 器，可以采用單個板翅式的換熱器單元(即冷凝蒸發(fā)器單元)。上述冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)如圖 5所示。將單個板翅式的冷凝蒸發(fā)器單元設(shè)置在上塔底部的正中位置，并采用螺栓將冷凝 蒸發(fā)器與上塔底部的隔板401固定在一起(此隔板將上塔、下塔分成兩個互不連通的空 間)。在實(shí)際運(yùn)行時，液氧會在上塔的底部積聚，從而將冷凝蒸發(fā)器單元大部分浸沒在 液氧中。冷凝蒸發(fā)器單元的底部有一蒸發(fā)側(cè)入口 402和一冷凝側(cè)出口 403，冷凝蒸發(fā)器單元 的頂部有一蒸發(fā)側(cè)出口 404和一冷凝側(cè)入口 405。冷凝蒸發(fā)器單元的蒸發(fā)側(cè)入口 402和蒸 發(fā)側(cè)出口 404與冷凝蒸發(fā)器單元內(nèi)供液氧在其中蒸發(fā)的流道相連，而冷凝蒸發(fā)器單元的冷 凝側(cè)入口 405和冷凝側(cè)出口 403和供下塔頂部氣體在其中冷凝的流道相連。下塔頂部的氣體通過管道與冷凝蒸發(fā)器頂部的冷凝側(cè)入口 405相連接，下塔頂部 的氣體通過冷凝側(cè)入口 405進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器后與蒸發(fā)器中的液氧換熱，使來自下塔的部分 氣體凝結(jié)為液體向下流動，從冷凝蒸發(fā)器底部的冷凝側(cè)出口 403流出再經(jīng)過管路流回至下 塔；而來自下塔未凝結(jié)的氣體則通過管路(如圖5最右側(cè)所示)與節(jié)流閥連接，節(jié)流后進(jìn)入 上塔或者節(jié)流后進(jìn)入氮分離塔中部。液氧從冷凝蒸發(fā)器底部的蒸發(fā)側(cè)入口 402進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)，與來自下塔的氣體進(jìn)行換熱，使液氧氣化為氣體向上流動，從冷凝蒸發(fā)器頂部的蒸發(fā)側(cè)出口 404流出 至上塔大空間中。蒸發(fā)側(cè)出口和入口只要能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)側(cè)流道空間分別與上塔底部積聚的液 體和液體上方的大空間連通即可，對其開口的大小、具體位置和形狀并無特殊要求，對于板 翅式冷凝蒸發(fā)器單元一般采取將蒸發(fā)側(cè)流道最上一層和最小一層封頭取消的方式即可實(shí) 現(xiàn)。本實(shí)施例提供的僅僅是冷凝蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)以及設(shè)置方式中的一種，本實(shí)用新型所 能夠采用的并不限于此，其他能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的冷凝蒸發(fā)器均可以用于本實(shí)用新型的技術(shù) 方案中。以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對 本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本實(shí)用新型的技術(shù) 方案進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其包括壓縮凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與液化分離系統(tǒng)，其特征在于所述液化分離系統(tǒng)包括一雙層烴氧分離塔和一氮分離塔，所述雙層烴氧分離塔由上塔和下塔組成，所述下塔具有一供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口，所述下塔的底部具有一用于輸出液化天然氣的出口，所述下塔頂部具有一出口，所述上塔頂部具有一第二入口以及一出口，所述上塔底部具有一用于輸出液氧的出口，并且，所述上塔和下塔之間設(shè)有一冷凝蒸發(fā)器；所述氮分離塔頂部具有一用于輸出氮?dú)獾某隹?，并且，所述氮分離塔底部具有一入口以及一出口；其中，輸送含空氣煤層氣的管道依次通過所述壓縮凈化系統(tǒng)、所述冷卻系統(tǒng)，并連接到所述下塔供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口；所述上塔頂部設(shè)置一第一入口，所述下塔頂部的出口通過JT閥與所述上塔頂部的第一入口連接，或者，所述氮分離塔中部設(shè)置一入口，所述下塔頂部的出口通過JT閥與所述氮分離塔中部的入口連接；所述上塔頂部的出口與所述氮分離塔底部的入口連接；所述氮分離塔底部的出口與所述上塔頂部的第二入口連接。
2.如權(quán)利要求1所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述液化分離 系統(tǒng)具有一第一氣液分離罐，所述下塔底部具有一入口，其中，所述下塔底部的出口通過管 道與所述第一氣液分離罐的入口連接，并且該管道先經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)；所述第一氣液分離罐的一出口與所述下塔底部的入口連接，并且，所述第一氣液分離 罐還具有一輸出液化天然氣的出口。
3.如權(quán)利要求2所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述液化分離 系統(tǒng)具有一第二氣液分離罐，其中，所述氮分離塔頂部的出口通過管道先經(jīng)過所述冷卻系 統(tǒng)，再與所述第二氣液分離罐的入口連接；所述第二氣液分離罐的一出口與所述氮分離塔的頂部入口連接，并且，所述第二氣液 分離罐還具有一輸出液氮的出口。
4.如權(quán)利要求3所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng) 包括一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐、二段壓縮機(jī)、二段空冷器、二段氣液分離 罐、第一冷箱和第二冷箱，所述一段氣液分離罐具有一入口、一頂部出口以及一底部出口， 其中一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐的入口、一段分離氣液罐的底部出口、第一 冷箱、第一 JT閥和第一冷箱依次連接，形成高溫循環(huán)；一段壓縮機(jī)、一段空冷器、一段氣液分離罐的入口、一段氣液分離罐的頂部出口、二段 壓縮機(jī)、二段空冷器、二段氣液分離罐、第一冷箱、第二冷箱、第二 JT閥、第二冷箱和第一冷 箱依次連接，形成低溫循環(huán)。
5.如權(quán)利要求4所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，輸送含空氣煤 層氣的管道依次通過所述壓縮凈化系統(tǒng)、所述第一冷箱以及所述第二冷箱連接到所述下塔 供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口。
6.如權(quán)利要求4所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述氮分離塔 頂部的出口通過管道并經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)的第二冷箱與所述第二氣液分離罐的入口連接。
7.如權(quán)利要求4所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述下塔底部 的出口通過管道并經(jīng)過所述冷卻系統(tǒng)的第二冷箱與第一氣液分離罐的入口連接。
8.如權(quán)利要求1所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述氮分離塔 底部的出口與所述上塔頂部的第二入口之間設(shè)有一泵。
9.如權(quán)利要求6所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述第二冷箱 與所述第二氣液分離罐的入口之間的管道上設(shè)有一泵。
10.如權(quán)利要求7所述的含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備，其特征在于，所述雙層烴氧 分離塔的下塔底部的出口與所述第二冷箱之間設(shè)有一泵。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種含空氣煤層氣的全液化分離設(shè)備。該全液化分離設(shè)備包括壓縮凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與液化分離系統(tǒng)，其特征在于液化分離系統(tǒng)包括一雙層烴氧分離塔和一氮分離塔，雙層烴氧分離塔由上塔和下塔組成，上塔和下塔之間設(shè)有一冷凝蒸發(fā)器；氮分離塔頂部具有一用于輸出氮?dú)獾某隹冢蛛x塔底部具有一入口以及一出口；其中，輸送含空氣煤層氣的管道依次通過壓縮凈化系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，連接到下塔供含空氣煤層氣進(jìn)入的入口；下塔頂部的出口通過JT閥與上塔頂部的第一入口連接；上塔頂部的出口與氮分離塔底部的入口連接；氮分離塔底部的出口與上塔頂部的第二入口連接。通過采用上述全液化分離設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對烴類、氧氣和氮?dú)獾某浞址蛛x。
文檔編號F25J3/02GK201688650SQ20102017172
公開日2010年12月29日 申請日期2010年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月21日
發(fā)明者孫恒, 舒丹 申請人:中國石油大學(xué)(北京)