專利名稱：一種煤層氣的低溫高速離心分離脫氧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通過加入低溫離心分離器，并用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)離心分離器，在低溫下實(shí)現(xiàn)煤層氣的脫氧技術(shù)。考慮到甲烷爆炸限問題，將前級(jí)換熱器置于防爆區(qū)，以提高安全性，不同于以往的利用化學(xué)反應(yīng)分離煤層氣技術(shù)，本發(fā)明從機(jī)械和組分物性差別角度研究煤層氣脫氧技術(shù)，屬于氣體除氧領(lǐng)域，特別涉及煤層氣領(lǐng)域中的脫氧方法。
背景技術(shù)：
煤層中吸附的伴生氣稱為煤層氣，其主要成分是甲烷，屬于非常規(guī)天然氣。全世界煤層氣儲(chǔ)量巨大，根據(jù)國際能源署(IEA)的統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果，全球煤層氣資源量可達(dá)270萬億立方米。中國煤層氣資源豐富，全國埋深2000米以淺的煤層氣總資源量為36. 81萬億立方米。采用地面打井的方法，來實(shí)現(xiàn)煤層氣回收的技術(shù)，在世界范圍內(nèi)已有很好的發(fā)展。但是，采煤過程中抽采的瓦斯氣壓力很低，同時(shí)甲烷含量也低，稱為含氧煤層氣，這就給煤層氣的加工和輸送帶來困難。含氧煤層氣壓力低，甲烷含量低，且混有10%左右的氧氣，極易發(fā)生爆炸。含氧煤層氣通常只能就地使用，放空浪費(fèi)的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。含氧煤層氣脫氧已成為其開發(fā)利用的關(guān)鍵和重大課題。國外煤礦開采多采用先采氣后采煤的方式，通過地面鉆井預(yù)抽煤層氣，得到的煤層氣甲烷含量高，一般可直接輸入天然氣管道。中國是目前對(duì)含氧煤層氣分離研究最深入的國家，按照技術(shù)路線可以分為變壓吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)和含氧煤層氣直接液化技術(shù)。變壓吸附因?yàn)槲綄又写嬖诳障叮綍r(shí)空隙中貯存產(chǎn)品，因此產(chǎn)品回收率比較低，只有40% 50%，造成很大的浪費(fèi)。氣體在脫附階段被排放而損失掉。產(chǎn)品純度和回收率之間存在矛盾，提高回收率，則純度又下降。而且排放廢氣的氧含量處于爆炸極限范圍。 綜合而言，其應(yīng)用受到一定的限制。膜分離技術(shù)是一種新型的氣體分離技術(shù)，但是其在分離中會(huì)造成產(chǎn)品氣的損失， 而且甲烷爆炸極限隨著壓力升高急劇擴(kuò)大，進(jìn)一步凸顯該技術(shù)的安全問題。至于煤層氣的脫氧問題，目前主要有焦炭法脫氧、貴金屬催化劑催化脫氧以及非貴金屬耐硫型催化劑催化脫氧。焦炭法脫氧、貴金屬催化劑催化脫氧這兩種方法都能將煤層氣中的氧含量脫至0. 5%以下，滿足安全分離的要求，但是前者需要消耗焦炭資源，后者貴金屬脫氧不足之處在于催化劑價(jià)格昂貴，脫氧成本高。非貴金屬耐硫型催化劑催化脫氧催化劑選用的是非貴金屬催化劑，價(jià)格低廉，雖然損失一部分甲烷，但是可以利用氧和甲烷的反應(yīng)熱來驅(qū)動(dòng)透平壓縮機(jī)，節(jié)省電能。在現(xiàn)有的煤層氣脫氧技術(shù)中，已申請(qǐng)專利的有申請(qǐng)?zhí)枮?00810044237. 4，名稱為一種煤層氣催化轉(zhuǎn)化方法，申請(qǐng)?zhí)枮?00910195504. 2，名稱為一種煤層氣的脫氧方法和一種催化劑，申請(qǐng)?zhí)枮?008102^999. 1，名稱為一種煤層氣提純液化方法，申請(qǐng)?zhí)枮?201010256294. 6，名稱為一種煤層氣脫氧和分離甲烷的方法等專利，前三項(xiàng)專利屬于催化脫氧，后一種是非催化脫氧。這些脫氧的辦法都是從化學(xué)反應(yīng)的角度來考慮煤層氣的脫氧問題，具有安全性低，成本高，產(chǎn)品回收率低，甲烷損失率高等缺點(diǎn)，本發(fā)明正是依據(jù)上述背景技術(shù)，設(shè)計(jì)提出一種低溫高速離心脫氧方法，在脫氧裝置中加入低溫離心分離器，在低溫下根據(jù)甲烷和氧氣濃度差變大的特點(diǎn)將煤層氣中的氧脫離出來，為了提高安全性，將前級(jí)換熱器置于防爆區(qū)。利用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)離心分離器高速運(yùn)轉(zhuǎn)，充分利用膨脹機(jī)輸出功，提高能源利用率。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補(bǔ)以往煤層氣脫氧技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種能夠提高系統(tǒng)的安全性和能源利用率、降低甲烷損失且能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高回收率的煤層氣的低溫高速離心分離脫氧的方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種煤層氣的低溫高速離心分離脫氧的方法，首先將第一換熱器和第二換熱器置于密封的真空鋼板房中，再將含有甲烷和氧氣的煤層氣依次通入第一換熱器、第二換熱器并與氮?dú)忭樍鳠峤粨Q，降溫后原料氣進(jìn)入離心分離器，同時(shí)，來自第二換熱器的氮?dú)膺M(jìn)入膨脹機(jī)后絕熱膨脹，消耗自身內(nèi)能對(duì)外做功驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)運(yùn)行，離心分離器與膨脹機(jī)通過軸連接，膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動(dòng)離心分離器旋轉(zhuǎn)，分離進(jìn)入離心器的煤層氣，分離出的氧氣和主要成分為甲烷的脫氧煤層氣，分離后的氧氣直接排入空氣中，脫氧煤層氣依次經(jīng)過第三換熱器、第四換熱器以及第五換熱器，并與在膨脹機(jī)中膨脹降溫的氮?dú)鈸Q熱，第四換熱器和第五換熱器之間連接節(jié)流閥，并使用節(jié)流閥對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行節(jié)流降溫，利用降溫的氮?dú)鈱⒚撗趺簩託饫鋮s至液態(tài)并儲(chǔ)存，出自第五換熱器氮?dú)庠俅谓?jīng)過第五換熱器、第四換熱器、第三換熱器、第二換熱器以及第一換熱器并進(jìn)行換熱，此后，出自第一換熱器的氮?dú)饨?jīng)氮壓縮機(jī)加壓、水冷卻器降溫和除油器除油后再次進(jìn)入換熱器預(yù)冷來料氣，形成循環(huán)回路并逆流換熱，所述第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器以及第五換熱器為三進(jìn)三出換熱器。本發(fā)明通過采用離心分離器，該離心分離器可實(shí)現(xiàn)氣-氣分離，與以往用電能以及其他能量的驅(qū)動(dòng)方式不同，在本發(fā)明中利用膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動(dòng)離心分離器，在低溫下實(shí)現(xiàn)煤層氣脫氧技術(shù)，考慮到爆炸極限限制問題，將未脫氧前的煤層氣置于防爆區(qū)。本發(fā)明裝置主要包括離心分離器、膨脹機(jī)、水冷卻器、除油器、氮壓縮機(jī)、第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器、節(jié)流閥、第五換熱器。進(jìn)入離心分離器前的煤層氣，考慮到爆炸極限的限制，將前級(jí)換熱器置于真空鋼板房即防爆區(qū)中，提高系統(tǒng)的安全性。本發(fā)明中的離心分離器通過高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動(dòng)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)煤層氣脫氧， 脫氧后的煤層氣甲烷含量很高，在爆炸極限以下，不必置于防爆區(qū)，避免了帶氧甲烷的危險(xiǎn)性。脫氧后的甲烷經(jīng)過換熱器與液氮進(jìn)行熱量交換降溫至液態(tài)儲(chǔ)存。從煤層氣中脫離的氧氣直接排放至空氣。氮?dú)饨?jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫后回收再預(yù)冷來料氣，提高能源利用率。本發(fā)明的效果顯著，包括如下幾個(gè)方面
1.本發(fā)明采用低溫離心分離器，該離心器是本發(fā)明的創(chuàng)新之一，之前分離煤層氣的分離器一般利用超重力、離心等原理氣-液、氣-固分離器，在本發(fā)明中，該分離器可實(shí)現(xiàn)低溫下的氣-氣分離，即煤層氣中的氧氣和甲烷都是在低溫氣態(tài)下被分離。在本發(fā)明中，利用機(jī)械和組分物性差別研究煤層氣脫氧技術(shù)，在低溫下脫離煤層氣中的氧氣，提高產(chǎn)品回收率。2.本發(fā)明通過采用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)離心分離器，與以往的利用電能或者其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式不同的是充分利用膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動(dòng)離心分離器，既利用了膨脹機(jī)的輸出功又節(jié)約了其他能源，最大限度的提高能源的利用率。3.本發(fā)明采用將前級(jí)換熱器置于防爆區(qū)，甲烷在低溫液化前被分離，沒有進(jìn)入運(yùn)動(dòng)部件，無阻力損失且無磨損。將預(yù)冷來料氣的前級(jí)換熱器置于防爆區(qū)(防爆區(qū)是密封的真空鋼板房)，與以往的脫氧方法相比，降低爆炸系數(shù)甚至將爆炸系數(shù)降為零，提高了系統(tǒng)的安全性。利用化學(xué)方法脫氧，特別利用吸附原理脫除煤層氣中的氧氣時(shí)，雖然可以將甲烷中的氧氣脫至0. 5%以下，但由于吸附性，甲烷也有一定的損失，本發(fā)明利用機(jī)械和組分物性差別脫離煤層氣中的氧氣避免甲烷被吸附等，降低甲烷損失率。4.本發(fā)明中用氮?dú)馀c煤層氣進(jìn)行熱交換達(dá)到冷卻煤層氣的目的，在前級(jí)換熱器中降溫到最佳的分離溫度范圍，在離心分離器中分離后再次經(jīng)過換熱器換熱，直至將分離后的煤層氣降溫至液態(tài)儲(chǔ)存，換熱后的氮?dú)饨?jīng)過氮壓縮機(jī)、水冷卻器和除油器后預(yù)冷來料氣， 充分利用氮?dú)饫淞浚?jié)約能源。


圖1為煤層氣低溫離心脫氧方法流程示意圖。圖2為離心分離器結(jié)構(gòu)圖。圖1中1為離心分離器，2為膨脹機(jī)，3為水冷卻器，4為除油器，5為氮壓縮機(jī)，6為第一換熱器，7為第二換熱器，8為第三換熱器，9為第四換熱器，10為節(jié)流閥，11為第五換熱
ο圖2中的離心分離器主要部件有1-排氣管，2分離室，3中心管，4調(diào)試裝置。離心分離器的分離室中裝有螺旋導(dǎo)流片和升氣管，圍繞升氣管由內(nèi)向外分布有非封閉環(huán)形擋板。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明的具體方法做進(jìn)一步的描述
如圖所示，應(yīng)用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)煤層氣脫氧技術(shù)所應(yīng)用到的主要部件有1離心分離器，2 膨脹機(jī)，3水冷卻器，4除油器，5氮壓縮機(jī)，6第一換熱器，7第二換熱器，8第三換熱器，9第四換熱器，10節(jié)流閥，11第五換熱器。一種煤層氣的低溫高速離心分離脫氧的方法，首先將第一換熱器6和第二換熱器 7置于密封的真空鋼板房中，再將含有甲烷和氧氣的煤層氣依次通入第一換熱器6、第二換熱器7并與氮?dú)忭樍鳠峤粨Q，降溫后原料氣進(jìn)入離心分離器1，同時(shí)，來自第二換熱器7的氮?dú)膺M(jìn)入膨脹機(jī)2后絕熱膨脹，消耗自身內(nèi)能對(duì)外做功驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)2運(yùn)行，離心分離器1與膨脹機(jī)2通過軸連接，膨脹機(jī)2輸出功驅(qū)動(dòng)離心分離器1旋轉(zhuǎn)，分離進(jìn)入離心器的煤層氣，分離出的氧氣和主要成分為甲烷的脫氧煤層氣，分離后的氧氣直接排入空氣中，脫氧煤層氣依次經(jīng)過第三換熱器8、第四換熱器9以及第五換熱器11，并與在膨脹機(jī)2中膨脹降溫的氮?dú)鈸Q熱，第四換熱器9和第五換熱器11之間連接節(jié)流閥10，并使用節(jié)流閥10對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行節(jié)流降溫，利用降溫的氮?dú)鈱⒚撗趺簩託饫鋮s至液態(tài)并儲(chǔ)存，出自第五換熱器11氮?dú)庠俅谓?jīng)過第五換熱器11、第四換熱器9、第三換熱器8、第二換熱器7以及第一換熱器6并進(jìn)行換熱，此后，出自第一換熱器6的氮?dú)饨?jīng)氮壓縮機(jī)5加壓(通常將氮?dú)馍? Kbar )、水冷卻器 3降溫和除油器4除油后再次進(jìn)入換熱器預(yù)冷來料氣，形成循環(huán)回路并逆流換熱，所述第一換熱器6、第二換熱器7、第三換熱器8、第四換熱器9以及第五換熱器11為三進(jìn)三出換熱器。參照?qǐng)D1，氮?dú)饨?jīng)過氮壓縮機(jī)、水冷卻器、除油器一次加壓、冷卻、除油后進(jìn)入防爆區(qū)內(nèi)的第一換熱器的第二入口，從第一換熱器第二出口進(jìn)入第二換熱器的第二入口，換熱后從第二換熱器的第二出口進(jìn)入膨脹機(jī)，消耗自身內(nèi)能驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)運(yùn)行，然后從膨脹機(jī)出口處出去進(jìn)入第三換熱器的第二入口，與脫氧后的煤層氣換熱后從第三換熱器的第二出口進(jìn)入第四換熱器的第二入口，換熱后氮?dú)鈴牡谒膿Q熱器的第二出口進(jìn)入節(jié)流閥，節(jié)流降溫后進(jìn)入第五換熱器的第二入口，在第五換熱器中將脫氧煤層氣冷卻至液態(tài)儲(chǔ)存，然后從第二出口進(jìn)入第五換熱器的第三入口，經(jīng)第三出口進(jìn)入第四換熱器的第三入口，與循環(huán)回路中的氮?dú)饽媪鲹Q熱后自第四換熱器的第三出口進(jìn)入第三換熱器的第三入口，換熱后從第三換熱器的第三出口進(jìn)入第二換熱器的第三入口，最后從第二換熱器的第三出口進(jìn)入第一換熱器的第三入口，換熱后進(jìn)入氮壓縮機(jī)加壓，如此反復(fù)循環(huán)。
權(quán)利要求
1. 一種煤層氣的低溫高速離心分離脫氧的方法，其特征在于，首先將第一換熱器(6) 和第二換熱器(7)置于密封的真空鋼板房中，再將含有甲烷和氧氣的煤層氣依次通入第一換熱器(6)、第二換熱器(7)并與氮?dú)忭樍鳠峤粨Q，降溫后煤層氣進(jìn)入離心分離器(1)，同時(shí)，來自第二換熱器(7)的氮?dú)膺M(jìn)入膨脹機(jī)(2)后絕熱膨脹，消耗自身內(nèi)能對(duì)外做功驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)(2)運(yùn)行，離心分離器(1)與膨脹機(jī)(2)通過軸連接，膨脹機(jī)(2)輸出功驅(qū)動(dòng)離心分離器 (1)旋轉(zhuǎn)，分離進(jìn)入離心器的煤層氣，分離出的氧氣和主要成分為甲烷的脫氧煤層氣，分離后的氧氣直接排入空氣中，脫氧煤層氣依次經(jīng)過第三換熱器(8)、第四換熱器(9)以及第五換熱器(11)，并與在膨脹機(jī)(2)中膨脹降溫的氮?dú)鈸Q熱，第四換熱器(9)和第五換熱器(11) 之間連接節(jié)流閥(10)，并使用節(jié)流閥(10)對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行節(jié)流降溫，利用降溫的氮?dú)鈱⒚撗趺簩託饫鋮s至液態(tài)并儲(chǔ)存，出自第五換熱器(11)氮?dú)庠俅谓?jīng)過第五換熱器(11)、第四換熱器 (9)、第三換熱器(8)、第二換熱器(7)以及第一換熱器(6)并進(jìn)行換熱，此后，出自第一換熱器(6)的氮?dú)饨?jīng)氮壓縮機(jī)(5)加壓、水冷卻器(3)降溫和除油器(4)除油后再次進(jìn)入換熱器預(yù)冷來料氣，形成循環(huán)回路并逆流換熱，所述第一換熱器(6)、第二換熱器(7)、第三換熱器 (8)、第四換熱器(9)以及第五換熱器(11)為三進(jìn)三出換熱器。
全文摘要
一種低溫高速離心分離煤層氣的方法，將前級(jí)換熱器置于密封的真空鋼板房中，再將含有甲烷和氧氣的煤層氣通入換熱器并與氮?dú)忭樍鲹Q熱，降溫后煤層氣進(jìn)入利用高壓氮?dú)庀淖陨韮?nèi)能驅(qū)動(dòng)的膨脹機(jī)的輸出功驅(qū)動(dòng)的離心分離器，高速低溫分離煤層氣，分離出氧氣和主要成分為甲烷的脫氧煤層氣，分離后的氧氣排入空氣中，脫氧煤層氣依次經(jīng)過后級(jí)換熱器，并與在膨脹機(jī)中膨脹降溫的氮?dú)鈸Q熱，第四和第五換熱器之間連接節(jié)流閥，對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行節(jié)流降溫，利用降溫的氮?dú)鈱⒚撗趺簩託饫鋮s至液態(tài)儲(chǔ)存，出自第五換熱器的氮?dú)庠俅谓?jīng)過各級(jí)換熱器并進(jìn)行換熱后經(jīng)氮壓縮機(jī)、水冷卻器和除油器后再次進(jìn)入換熱器預(yù)冷來料氣，形成循環(huán)回路并逆流換熱。
文檔編號(hào)C10L3/10GK102533368SQ201210006620
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者葉雨森, 梁文清, 石露露, 鄭曉紅, 錢華 申請(qǐng)人:東南大學(xué)