基于安全的含氧煤层气利用研究

发布时间：2020-09-26 16:18

　　煤层气主要含甲烷成分,与天然气具有区域互补性。我国煤层气资源丰富,但利用率还不到50%。导致这一现象的主要原因是在煤矿开采过程中抽采的煤层气含有5%～10%的氧气而因安全原因被焚烧或放空,没能直接回收利用。既浪费了宝贵的清洁能源,又增加了温室气体的排放,污染了环境。甲烷的爆炸极限是约束含氧煤层气分离提纯工艺过程的关键。本文采用HYSYS对常规天然气液化方法进行模拟分析,结果表明：在煤层气中CH4摩尔分数为68%,其余均为空气成分时,液化压力至少要达到4.0MPa,才能确保LNG产品中满足氮气含量小于5%的条件,此时BOG气体中甲烷摩尔分数为48.87%,而甲烷回收率最大为60.5%,浪费了煤层气资源,确定常规天然气液化方法处理含有大量氮氧组成的煤层气是不可行的。宜采用带低温精馏单元的含氮氧煤层气液化系统。选用丙烷预冷氮膨胀制冷和混合制冷剂液化精馏工艺进行模拟、对比,结果表明：在安全性方面,混合制冷剂液化精馏流程优于丙烷预冷氮膨胀制冷液化流程；在产品纯度基本相同的条件下,混合制冷剂液化流程比丙烷预冷氮膨胀制冷少消耗5067.66kW,整个液化流程节能25.2%,并且甲烷回收率也较高,为85.3%。本文同时分析了煤层气压力、温度、组成变化对混合制冷剂液化精馏流程性能参数的影响；比较了不同制冷剂组成对制冷剂用量和制冷功耗的影响,确定了含氧煤层气液化系统的混合制冷剂组分。分析了混合制冷剂各组成的变化对换热器内部最小温差、关键点气相分率的影响,为混合制冷剂的优化配比提供依据。同时,对精馏流程中的关键设备低温精馏塔进行分析,从产品纯度和安全角度,确定了低温精馏塔的理论塔板数为10块,塔顶操作压力为0.18MPa,温度为-166.8℃时,返流煤层气中的CH4摩尔分数要大于爆炸上限18.85%；分析了低温精馏塔内部温度、压力及气液相摩尔流量分布情况,以及再沸比对返流煤层气中CH4含量、LNG中O2+N2的含量、再沸器热负荷和LNG产量的影响,提出在煤层气低温液化精馏分离的实际调试运行中,可根据煤层气中的氧气含量适当调节低温精馏塔的再沸比,控制LNG产品中的氮氧含量,保证产品高纯度。在保证混合制冷剂液化流程安全的前提条件下,采用注入氮气使尾气惰化,失去爆炸性,然后通过吸收塔吸收尾气中的甲烷,可以提高甲烷回收率。通过HYSYS模拟分析得到,氮气注入比大于0.30后,可使尾气失去爆炸性,通过合理增加液氮量可以使产品LNG中的甲烷浓度达到99.63%,甲烷回收率从原来的85.3%提高到99.0%。
【学位单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TE645
【部分图文】：

三角区,甲烷,爆炸区域,密封区

只要满足爆炸的条件在此环境下就会发生爆炸。II、III两个区域分别区，但只要在密封区间通入足够的新鲜空气或甲院，引起浓度变化，点移至CLU区域，爆炸也有可能被触发；IV区是安全区，不会发生ard爆炸性三角形只是告诉我们气体样品是否处于爆炸区域，但随着本如甲院浓度、压力和温度发生变化，混合气的点图发生移动，爆炸

液化流程,混合制冷剂

变组分配比影响换热器的温度分布曲线，其制冷温度可达70K?150K的范围[M。典型的混合制冷剂液化流程如图1-5所示，制冷系统和天然气液化系统相互分开，形成两个独立的循环。r*'^"AAA/V—I 人_ vWW— vVWV———丫一 AAAA/I AWv“ AWV^Q^M/% - I AWV—~‘0-"-@-^>AAAA. 一 mtv 一_-^yww—[>4^ 分离耀压缩机冷却器冷箱节流阅V图1-5混合制冷剂液化流程混合制冷剂经过压缩冷却后，通过气液分离器得到气液两相，液体经换热器过冷后再经节流阀节流降温，与蒸发气混合后一起为换热器提供冷?量，冷却天然气、气态混合制冷剂和需要过冷的液态混合制冷剂[45]。原料气经换热器降温后，大部分变为液体，经节流后分离，作为液态产品储存于储罐，未液化的天然气返回原料气入口进行再液化，或直接作为燃料气使用。混合制冷剂液化流程具有操作简便、所需设备少、节约成本、功耗低、冷剂纯度要求不过于严格，且可以从天然气本身提取与补充冷剂等特点[46]。目前国内外己投产和在建的天然气液化装置大部分采用混合制冷剂循环

液化循环,膨胀制冷,天然气,膨胀机制冷

低温气流来提供冷量，同时对外做功，可以用来驱动压缩机。典型的天然气膨胀制冷液化循环流程如图1-6所示。膨胀机制冷循环具有设备数量少，流程简单，占地面积小，操作灵活等优点，缺点是能耗较高。对于希望尽可能减少投资、采用撬装式设计以减少占地面积和现场安装工作量、对能耗指标要求不高的小型液化装置（煤层气液化通常属于此类），膨胀机制冷循环具有较强的竞争能力[49]。8

【参考文献】