利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，属于化工与低温技术领域。本发明提供了一种高含氮量煤层气的吸附-液化一体化流程。液化前首先通过变压吸附过程脱除煤层气中大部分的氮气，之后煤层气通过氮膨胀液化过程被液化。其中吸附分离出的带余压氮气与一定量的循环氮气混合形成半开式的氮膨胀循环，并根据吸附余压大小的不同范围设计不同的混合过程，为煤层气液化提供冷量，从而节省了氮压缩功，使得系统单位产品液化功有所降低。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。
1.一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征在于，该液化工艺包括以下步骤：
1)首先将煤层气通过预净化系统(1)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在吸附器(2)中通过变压吸附过程分离出其中的大部分氮；
3)通过以上两步提浓后的浓缩煤层气经一级压缩机(3)和二级压缩机(5)压缩及第一冷却器(4)和第二冷却器(6)水冷为常温高压煤层气；
4)常温高压煤层气在换热器(7)中被冷却为低温煤层气，所需的冷量一部分由半开式氮膨胀循环提供，另一部分由气液分离器(9)中分离出的冷气体提供，上述的半开式氮膨胀循环，根据吸附余压的范围设置不同的流程：吸附余压低于3MPa时，将步骤2中变压吸附分离出的带余压氮气与压缩到中间压力的循环氮气混合，并进一步压缩到3MPa，然后膨胀至低温为煤层气液化提供冷量；吸附余压高于3MPa时，将其先膨胀至3MPa，然后与两级压缩后的循环氮气混合，再共同膨胀至低温为煤层气液化提供冷量；
5)低温煤层气通过节流阀(8)节流，最终在气液分离器(9)中分离出液体产品，气液分离器中分离出的冷气体则回到换热器(7)重新利用其冷量后排出系统。
2.根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤1)中的预净化系统(1)是使用常规天然气液化流程中的预净化系统。
3.根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤2)中的吸附器(2)是使用分子筛或活性炭吸附器。
4.根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤3)中浓缩煤层气经一级压缩机(3)压缩后压力为0.6～0.8MPa，经二级压缩机(5)压缩后压力大于等于4.5MPa。
5.根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤4)中的吸附余压低于3MPa时的半开式氮膨胀循环过程中，吸附分离出的带余压氮气与经一级氮压缩机(10)压缩至0.8～1.0MPa并经第三冷却器(11)冷却至常温后的循环氮气混合，然后在二级氮压缩机(12)中被共同压缩至3MPa并在第四冷却器(13)中再次被冷却到常温，接着先在一级氮膨胀机(14)中膨胀，继而在换热器(7)中被预冷至-110℃，之后在二级氮膨胀机(15)中膨胀至0.15～0.20MPa，温度为-165℃，并最终为换热器(7)提供冷量，为维持半开式氮膨胀循环的物料平衡，与带余压氮气相同流量的一部分氮气需从系统中排出。
6.根据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤4)中的吸附余压高于3MPa时的半开式氮膨胀循环过程中，吸附分离出的带余压氮气先在余压氮气膨胀机(16)中膨胀至3MPa，然后与分别经过一级氮压缩机(10)和二级氮压缩机(12)压缩至3MPa及第三冷却器(11)和第四冷却器(13)降温至常温的循环氮气混合，在一级氮膨胀机(14)中膨胀，继而在换热器(7)中被预冷至-110℃，之后在二级氮膨胀机(15)中膨胀至0.15～0.20MPa，温度为-165℃，并最终为换热器(7)提供冷量，为维持半开式氮膨胀循环的物料平衡，与带余压氮气相同流量的一部分低压氮气在提供冷量后需从系统中排出。
7.据权利要求1所述的一种利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺，其特征是，所述的步骤5)中的冷气体在换热器(7)中回收冷量，复温至-40℃排出。
利用变压吸附余压的半开式煤层气氮膨胀液化工艺
技术领域
[0001] 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的半开式煤层气氮膨胀液化工艺。属于化工与低温技术领域。
背景技术
[0002] 煤层气(CBM)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。
[0003] 我国液化天然气的技术已经较为成熟，其中氮膨胀液化流程结构简单，造价较低，适应性强，易于操作和控制，较适用于小型天然气液化装置。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。
[0004] 低温精馏法利用沸点差实现氮与甲烷的分离，是一种高效的分离方式，其主要优点是甲烷纯度高，可达95％以上。但精馏法用于液化之后，因此需要将氮同时液化，从而增加了系统液化功耗，同时精馏过程本身同样需要消耗巨大能量。而变压吸附过程在常温和较低压力下工作，能耗较低，因此吸附-液化法的液化流程总功耗较低。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。
[0005] 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耗，但由于氮膨胀液化流程中氮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耗节能效果不明显。
发明内容
[0006] 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的半开式煤层气氮膨胀液化工艺。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，并将这部分带余压的氮气用于氮膨胀循环为煤层气液化提供冷量。若含氮量和吸附余压足够高，则煤层气液化所需的冷量可完全由这部分“免费”的能量提供，系统理论上完全不耗功。但往往煤层气中的含氮量不足以满足使其液化所需的冷量，因此需要补充一部分循环氮气形成半开式循环，则仍然可因为大大降低了氮压缩功而降低系统的整体功耗。
[0007] 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：
[0008] 1、首先将煤层气进行预净化，去除其中的水、酸性气体、重烃等杂质；
[0009] 2、将预净化后的含氮煤层气通过变压吸附过程分离出其中的大部分氮；
[0010] 3、通过以上两步提浓后的煤层气被两级压缩并水冷为常温高压煤层气；
[0011] 4、常温高压煤层气在换热器中被冷却为低温煤层气，所需的冷量一部分由半开式氮膨胀循环提供，另一部分由气液分离器中分离出的冷气体提供；上述的半开式氮膨胀循环，根据吸附余压的范围设置不同的流程：吸附余压低于3MPa时，将步骤2中变压吸附分离出的带余压氮气与压缩到中间压力的循环氮气混合，并进一步压缩到3MPa，然后膨胀至低温为煤层气液化提供冷量；吸附余压高于3MPa时，将其先膨胀至3MPa，然后与两级压缩后的循环氮气混合，再共同膨胀至低温为煤层气液化提供冷量；
[0012] 5、低温煤层气节流，最终在气液分离器中分离出液体产品；气液分离器中分离出的冷气体则回到换热器重新利用其冷量后排出。
[0013] 本发明所能达到的有益效果是：通过石化工业中广泛采用的HYSYS软件的模拟和计算，证实本发明能有效的降低系统单位产品液化功，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，相比不利用余压的吸附-液化工艺即可节能40％，相比液化-精馏工艺则节能效果更加显著。
附图说明
[0014] 图1是本发明的吸附余压低于3MPa时的半开式煤层气氮膨胀液化工艺的流程图。
[0015] 图2是本发明的吸附余压高于3MPa时的半开式煤层气氮膨胀液化工艺的流程图。
[0016] 图中，1预净化系统，2吸附器，3一级压缩机，4第一冷却器，5二级压缩机，6第二冷却器，7换热器，8节流阀，9气液分离器，10一级氮压缩机，11第三冷却器，12二级氮压缩机，13第四冷却器，14一级氮膨胀机，15二级氮膨胀机，16余压氮气膨胀机。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。
[0018] 实施方案1：如图1所示，吸附余压低于3MPa时的半开式煤层气氮膨胀液化工艺包括下述步骤：
[0019] 1、带有压力的常温煤层气原料气在常规天然气液化流程中的预净化系统1中除氧、脱硫、脱碳、干燥；
[0020] 2、预净化后的煤层气在吸附器2中通过变压吸附进行甲烷提浓，分离出带余压氮气和常压的浓缩煤层气，吸附器(2)是使用分子筛或活性炭吸附器；
[0021] 3、浓缩煤层气通过一级压缩机3压缩至中压0.6～0.8MPa及二级压缩机5压缩至大于等于4.5MPa，并分别在第一冷却器4和第二冷却器6中被水冷至常温；
[0022] 4、高压的浓缩煤层气在换热器7中被冷却为低温的浓缩煤层气，所需的冷量一部分由半开式氮膨胀循环提供，另一部分由气液分离器中分离出的冷气体提供。其中半开式氮膨胀循环为：步骤2中变压吸附分离出的带余压氮气与经一级氮压缩机10压缩至0.8～1.0MPa并经第三冷却器11冷却至常温后的循环氮气混合，然后在二级氮压缩机12中被共同压缩至3MPa并在第四冷却器13中再次被冷却到常温，接着先在一级氮膨胀机14中膨胀，继而在换热器7中被预冷至-110℃，之后在二级氮膨胀机15中膨胀至0.15～0.20MPa，温度为-165℃，并最终为换热器7提供冷量。为维持半开式氮膨胀循环的物料平衡，与带余压氮气相同流量的一部分低压氮气在提供冷量后需从系统中排出；
[0023] 5、低温的浓缩煤层气通过节流阀8节流，最后在气液分离器9中分离出常压下的液化天然气产品，最终液化率大于等于95％；气液分离器9闪蒸出的冷气体在换热器7中回收冷量，被复温至-40℃排出。
[0024] 实施方案2：如图2所示，吸附余压高于3MPa时的半开式煤层气氮膨胀液化工艺包括下述步骤：
[0025] 步骤1，步骤2和步骤3分别与实施方案1中步骤1，步骤2和步骤3相同；
[0026] 4、高压的浓缩煤层气在换热器7中被冷却为低温的浓缩煤层气，所需的冷量一部分由半开式氮膨胀循环提供，另一部分由气液分离器中分离出的冷气体提供。其中半开式氮膨胀循环为：吸附分离出的带余压氮气先在余压氮气膨胀机16中膨胀至3MPa，然后与分别经过一级氮压缩机10和二级氮压缩机12压缩至3MPa及第三冷却器11和第四冷却器13降温至常温的循环氮气混合，在一级氮膨胀机14中膨胀，继而在换热器7中被预冷至-110℃，之后在二级氮膨胀机15中膨胀至0.15～0.20MPa，温度为-165℃，并最终为换热器7提供冷量。为维持半开式氮膨胀循环的物料平衡，与带余压氮气相同流量的一部分低压氮气在提供冷量后需从系统中排出。
[0027] 步骤5与实施方案1中步骤5相同。
