含氮煤層氣二氧化碳凈化指標(biāo)與液化提純流程研究.pdf

1、煤層氣是與煤礦伴生的以甲烷為主的混合氣體，是一種潛在的高效潔凈能源。煤層氣的合理開發(fā)和利用，不僅可以在一定程度上補(bǔ)充天然氣資源，緩解油氣資源不足，而且可以減少溫室氣體的排放，因此具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于煤層氣的產(chǎn)地往往在偏遠(yuǎn)山區(qū)，遠(yuǎn)離天然氣管網(wǎng)，且氣質(zhì)和常規(guī)天然氣不同，不便或不宜進(jìn)入現(xiàn)有管網(wǎng)，其運(yùn)輸和儲(chǔ)存成為首要解決的問題。液化是煤層氣儲(chǔ)運(yùn)的一個(gè)較好選擇。我國(guó)大多數(shù)煤層氣資源以礦井氣的形式存在，由于混有空氣含有大量的氮和氧，為

2、了將其變?yōu)楹细竦囊夯烊粴猱a(chǎn)品，必須進(jìn)行甲烷提濃。脫氧后的低濃度煤層氣主要是氮和甲烷的混合物。高含量氮的存在對(duì)液化技術(shù)提出了新的要求。
　　本文針對(duì)安全脫氧后的含氮煤層氣，重點(diǎn)考察高氮含量對(duì)煤層氣凈化和液化工藝的影響，并在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，研究高效的液化與提純（脫氮）相結(jié)合的一體化流程。主要內(nèi)容可分為三個(gè)方面。
　?。?）在凈化方面，高濃度氮的存在可能導(dǎo)致二氧化碳在含氮煤層氣液化流程中的溶解度低于常規(guī)天然氣液化

3、流程，使常規(guī)的二氧化碳凈化指標(biāo)不再適用。因此本文研究二氧化碳在含氮煤層氣液化條件下的溶解度數(shù)據(jù)，為確定二氧化碳凈化指標(biāo)提供依據(jù)。
　　1）搭建了靜態(tài)色譜分析法的固液相平衡實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試低溫下二氧化碳在甲烷/氮混合溶液中的溶解度。結(jié)果表明：二氧化碳在甲烷/氮混合物中的溶解度與在純甲烷中有所差別，隨著含氮量的增加，在同一溫度下，二氧化碳溶解度先減小后增加，變化范圍較小。但隨著含氮量的增加，煤層氣液化溫度降低，而二氧化碳溶解度隨著溫度的

4、降低急劇減小。因此，若液化煤層氣儲(chǔ)存于常壓下，隨著含氮量的增加，液化溫度急劇降低，則二氧化碳的凈化指標(biāo)應(yīng)該大大提高標(biāo)準(zhǔn)。如仍使用常規(guī)天然氣液化工藝中的二氧化碳凈化指標(biāo)，則應(yīng)選擇在較高壓力下進(jìn)行煤層氣的液化和產(chǎn)品儲(chǔ)存。
　　2）使用PR和SRK狀態(tài)方程法計(jì)算了二氧化碳在甲烷/氮混合物中的溶解度，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明由于缺乏準(zhǔn)確的氮與甲烷以及氮與二氧化碳之間的二元交互作用系數(shù)，氮含量較高時(shí)計(jì)算結(jié)果偏差很大。
　?。?）

5、針對(duì)煤層氣液化流程，重點(diǎn)考察氮含量對(duì)液化流程的選擇、參數(shù)設(shè)置以及最終的系統(tǒng)性能的影響。
　　1）首先分別針對(duì)四種經(jīng)典流程進(jìn)行研究，包括帶丙烷預(yù)冷的氮膨脹循環(huán)（C3-NEC）、氮膨脹循環(huán)（NEC）、帶丙烷預(yù)冷的混合制冷劑循環(huán)（C3-MRC）以及混合制冷劑循環(huán)（MRC）。結(jié)果表明：在一定的液化率下，隨著氮含量的增加，液化流程單位產(chǎn)品能耗先急劇增加，然后增速放緩甚至有所下降。在一定的甲烷回收率下，單位能耗則隨著含氮量的增加一直增大。另一

6、方面，液化流程的液化率和甲烷回收率也對(duì)單位能耗有較大影響，但都不是越低越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)值。研究還發(fā)現(xiàn)，液化過程本身能實(shí)現(xiàn)一定的甲烷提濃效果，但仍達(dá)不到LNG產(chǎn)品要求的甲烷濃度。
　　2）在對(duì)各個(gè)流程分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)四種液化流程進(jìn)行了能量和兩方面的比較，為不同條件時(shí)的流程選擇提供參考。結(jié)果表明：混合制冷劑類的液化流程的能量效率和效率均優(yōu)于氮膨脹類的液化流程，但煤層氣氮含量較高時(shí)，混合制冷劑類的液化流程達(dá)不到較高的液化率。然

7、而混合制冷劑類液化流程換熱系統(tǒng)的損失卻大于氮膨脹類的液化流程，因此混合制冷劑類液化流程在換熱系統(tǒng)部分有著更大的優(yōu)化空間。另一方面，在高溫段增加丙烷預(yù)冷過程可以有效降低換熱過程的損失從而在一定程度上提高液化系統(tǒng)的能量效率和效率。此外，對(duì)于氮膨脹類的液化流程，液化溫度較低時(shí)，可以將一級(jí)膨脹后的氮?dú)膺M(jìn)一步冷卻后再進(jìn)行第二級(jí)膨脹，從而提高效率。
　?。?）針對(duì)甲烷提純過程，從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，創(chuàng)新性地提出將液化和甲烷提純兩個(gè)部分進(jìn)行整合

8、的一體化流程，并探討其節(jié)能效果。
　　1）針對(duì)液化-精餾的技術(shù)路線，提出將液化過程和精餾過程進(jìn)行三方面的能量整合，可將整體流程的能耗降低20％左右；但隨著含氮量的增加，整體流程的能耗還是增長(zhǎng)明顯；降低精餾分離出的氮產(chǎn)品純度，可以在保證較高的甲烷回收率的條件下，使整體能耗有所降低。
　　2）針對(duì)吸附-液化的技術(shù)路線，創(chuàng)新性地提出了將吸附分離出的帶余壓廢氮?dú)庥糜谝夯鞒讨械奈?液化一體化流程，并提出了兩種余壓利用方式，分別考察