CN105254463A - 从含有甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种从含甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法：将原料气分为气流A、气流B两股，气流A进入主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离；气流B进入主换热器降温一定阶段后，从换热器中部抽出，经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔精馏，塔底得到产品液态甲烷。或者，原料气进主换热器降温至一定阶段后，分为气流A和气流B两股：气流A继续进主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离，气流B经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔精馏，塔底得到产品液态甲烷。本发明可以直接得到纯度为98％以上的常压液态天然气，产品无需再液化，可大大降低能耗，甲烷回收率高达99.5％，氮气回收率高达99％，复热后的氮气可作为工业氮气用。

Description

从含有甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法
技术领域
本发明涉及一种从含有甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法。
背景技术
煤层气、合成氨驰放气、煤提质热解尾气等均为含甲烷、氢、氮等元素的混合气，其主要成分包括：CO2、H2、CH4、CO、H2O、N2及其他烃类和硫化物。
目前混合气中(主要是CH4、H2和N2)甲烷分离技术有膜分离法、变压吸附法。膜分离技术虽操作简单、能耗低，但投资费用较大，且分离效果较差，变压吸附法虽方便快捷，但由于甲烷与氮气的吸附性能接近，造成产品气的回收率较低，且难以分离CH4和N2，而低温精馏技术可直接分离出高纯度的甲烷及氮气。
发明内容
发明目的：本发明的目的就是针对上述现有从含有甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法中存在的不足，提供新的能够有效提取甲烷的深冷高低压塔精馏工艺。
技术方案：本发明提供了一种从含甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法：
将原料气分为两股气流，第一股气流(气流A)、第二股气流(气流B)：气流A进入主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离；气流B进入主换热器降温一定阶段后，从换热器中部抽出，经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔精馏，塔底得到产品液态甲烷。
或者，原料气进主换热器降温至一定阶段后，分为两股气流，第一股气流(气流A)和第二股气流(气流B)：气流A继续进主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离，气流B经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔精馏，塔底得到产品液态甲烷。
本发明低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器一侧引出，经过冷器过冷后，得到产品液态天然气。得到的产品为纯度98％以上的常压液态天然气，产品无需再液化，可大大降低能耗，甲烷回收率高达99.5％。
本发明低压塔塔顶得到的富氮气与来自高压塔的为未冷凝的富氮气一同复热后，作为产品氮气引出。具体的，低压塔塔顶获得纯度99.5％以上的氮气经复热后可作为工业氮气用。从高压塔中抽液氮(纯度高达99.8％)继续冷却后节流进低压塔，作为低压塔的回流液。
本发明过程中另外部分冷量可由混合冷剂压缩循环制冷提供或氮气膨胀机制冷循环来提供。
本发明中，操作条件为：低压塔压力为0.01MPa((表压)以上，高压塔压力为0.4MPa(表压)以上。由于压力越高，对设备要求越严格，本发明在不影响分离效果及提取率的前提下，抽取部分原料气膨胀后直接进低压塔，充分利用低压塔的精馏潜力，且可大大降低高压塔的负荷，从而减轻高压塔的制作难度。
本发明的可以通过以下两个具体的技术方案来实现：
方案一：
将煤提质热解尾气经过脱硫脱碳，除水，脱重烃及微量杂质后，进入甲烷化单元，得到的尾气作为原料气。
将原料气分为气流A、气流B两股。
其中气流A进入主换热器E1，经换热，原料气部分液化后，进入高压塔T1的底部，进行初步精馏分离。其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔T1塔顶引出气态流股(即气流G)，进入冷凝蒸发器E4中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流(即气流C)经过一过冷器E2过冷后减压进入低压塔中部继续精馏。
其中的另一股气流B进入主换热器E1，降温后进入原料膨胀机EXP1，降压降温后，与高压塔塔釜液即气流E，均进入低压塔T2中部，以高压塔T1塔顶冷凝液气流(即气流C)作为塔顶回流液，进行低压塔T2的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E4一侧，被冷凝蒸发器E4另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器E4一侧引出气流(即气流H)，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
方案二：
将煤提质热解尾气经过脱硫脱碳，除水，脱重烃及微量杂质后，进入甲烷化单元，得到的尾气作为原料气。
原料气进主换热器降温至一定阶段后，分为第一股气流和第二股气流。
第一股气流继续进主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离，第二股气流经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔中部精馏，塔底得到产品甲烷。
所述的第一股气流进入主换热器(E1)，经换热，原料气降温或部分液化后，进入高压塔(T1)的底部，进行初步精馏分离；其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔(T1)塔顶引出气态流股，进入冷凝蒸发器(E4)中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流经过一过冷器(E2)过冷后减压进入低压塔中部继续精馏。
所述的第二股气流进入原料膨胀机(EXP1)，降压降温后，与高压塔塔釜液，均进入低压塔(T2)中部，以高压塔(T1)塔顶冷凝液气流作为塔顶回流液，进行低压塔(T2)的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器(E4)一侧，被冷凝蒸发器(E4)另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器(E4)一侧引出气流，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
有益效果：1，本发明可以直接得到纯度为98％以上的常压液态天然气，产品无需再液化，可大大降低能耗，甲烷回收率高达99.5％。可以得到纯度为99％以上的的氮气，氮气回收率高达99％，复热后的氮气可作为工业氮气用。
2，本发明利用低压塔塔顶的低温富氮气过冷低压塔塔底产品液态甲烷，为产品提供足够的过冷度，同时过冷高压塔底部粗甲烷，以降低液体进低压塔的温度，提高回流比，提高精馏能力。
3，本发明在不影响分离效果及提取率的前提下，抽取部分原料气膨胀后直接进低压塔，充分利用了低压塔的精馏潜力，大大降低高压塔的负荷，从而减轻高压塔的制作难度。
附图说明
图1为本发明实施例1的流程示意图；
图2为本发明实施例2的流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进一步进行说明，
实施例1
如图1所示，在图1中，各标记所表示的设备如下：P1-原料气膨胀机增压端；P2-混合冷剂循环压缩机；E1-主换热器；E2-过冷器；E3-混合冷剂冷却器；E4-冷凝蒸发器；EXP1-原料膨胀机膨胀端；T1-高压塔；T2-低压塔；FL-气液分离器。
各标记所表示的气流如下：气流A-预冷后进高压塔的原料气；气流B-压缩膨胀后进低压塔的原料气；气流C-过冷进低压塔的高压塔顶氮气冷凝液；气流D-进低压塔的高压塔塔底粗甲烷；气流E-用于复热的低压塔顶氮气；气流F-高压塔塔顶引出的气态流股；气流G-塔底产品LNG。
本实施例中所处理的煤提质热解尾气，主要成分包括：CO2、H2、CH4、CO、H2O、N2及其他烃类和硫化物。
将该气体经过脱硫脱碳，除水，脱重烃及微量杂质后，进入甲烷化单元，得到的尾气作为原料气，原料气气量为25000Nm3/h，压力约20bar，将原料气分为气流A、气流B两股。其中15000Nm3/h用于压缩预冷膨胀后直接进低压塔精馏，剩余10000Nm3/h经深冷后进高压塔精馏。
其中气流A进入主换热器E1，经换热，原料气部分液化后，进入高压塔T1的底部，进行初步精馏分离。其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔T1塔顶引出气态流股，即气流F，进入冷凝蒸发器E4中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流C经过一过冷器E2过冷后减压进入低压塔中部继续精馏，低压塔T2塔顶氮气气流E进入主换热器E1，为过程提供补充的低温冷量。
其中的另一股气流B经过原料气膨胀机增压端P1增压后进入主换热器E1，降温后进入原料膨胀机EXP1，降压降温后，与高压塔塔釜液，即气流D，均进入低压塔T2中部，以高压塔T1塔顶冷凝液气流C(57500Nm3/h)作为塔顶回流液，进行低压塔T2的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E4一侧，被冷凝蒸发器E4另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器E4一侧引出气流G，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
实施例1中原料气及各步骤气体参数，如下表1所示：
表1
甲烷化后气体 脱水后原料气 低压塔顶富氮气 产品LNG
流量(Nm3/h) 300000 250000 206000 45630
温度(℃) 20 20 -193 -180
压力(barA) ～20 ～20 ～1.3 ～1.4
组成(mol％)
CH4 14.57 17.72 9ppm 98
H2 0.429 0.522 0.64 0
N2 67.18 81.75 99.36 2
H2O 17.82 0 0 0
CO 31ppm 38ppm 41ppm 22ppm
实施例2
如图2所示，在图2中，各标记所表示的设备如下：P1-原料气膨胀机增压端；P2-混合冷剂循环压缩机；E1-主换热器；E2-过冷器；E3-混合冷剂冷却器；E4-冷凝蒸发器；EXP1-原料膨胀机膨胀端；T1-高压塔；T2-低压塔；FL-气液分离器。
各标记所表示的气流如下：气流A-预冷后进高压塔的原料气；气流B-膨胀后进低压塔的原料气；气流C-过冷进低压塔的高压塔顶氮气冷凝液；气流D-进低压塔的高压塔塔底粗甲烷；气流E-用于复热的低压塔顶氮气；气流F-高压塔塔顶引出的气态流股；气流G-塔底产品LNG。
本实施例中所处理的气体，主要成分包括：CO2、H2、CH4、CO、H2O、N2及其他烃类和硫化物。原料气进主换热器中部后，分为两股，气流A和气流B，气流A继续进主换热器E1降温后进入高压塔T1底部，进行初步精馏分离，其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔T1塔顶引出气态流股，即气流F，进入冷凝蒸发器E4中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流C经过一过冷器E2过冷后减压进入低压塔中部继续精馏，低压塔T2塔顶氮气气流E进入主换热器E1，为过程提供补充的低温冷量。
气流B经膨胀机EXP1降压制冷降温后直接送入低压塔T2精馏，与高压塔塔釜液，即气流D，均进入低压塔T2中部，以高压塔T1塔顶冷凝液气流C作为塔顶回流液，进行低压塔T2的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器E4一侧，被冷凝蒸发器E4另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器E4一侧引出气流G，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
实施例2中原料气及各步骤气体参数，如下表2所示：
表2
甲烷化后气体 脱水后原料气 低压塔顶富氮气 产品LNG
流量(Nm3/h) 300000 250000 206600 45600
温度(℃) 20 20 -193 -162
压力(barA) ～20 ～20 ～1.3 ～1.4
组成(mol％)
CH4 14.57 17.72 9ppm 98
H2 0.429 0.522 0.64 0
N2 67.18 81.75 99.36 2
H2O 17.82 0 0 0
CO 31ppm 38ppm 40ppm 28ppm

Claims (10)

1.一种从含甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法，其特征在于，将原料气分为两股气流，第一股气流进入主换热器降温后，送入高压塔进行精馏分离；第二股气流进入主换热器降温一定阶段后，从换热器中部抽出，经膨胀机制冷降温降压后直接送入低压塔中部精馏，塔底得到产品甲烷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的第一股气流进入主换热器(E1)，经换热，原料气降温或部分液化后，进入高压塔(T1)的底部，进行初步精馏分离；其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔(T1)塔顶引出气态流股，进入冷凝蒸发器(E4)中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流经过一过冷器(E2)过冷后减压进入低压塔中部继续精馏。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的气流B进入主换热器(E1)降温后进入原料膨胀机(EXP1)，降压降温后，与高压塔塔釜液，均进入低压塔(T2)中部，以高压塔(T1)塔顶冷凝液气流作为塔顶回流液，进行低压塔(T2)的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器(E4)一侧，被冷凝蒸发器(E4)另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器(E4)一侧引出气流，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于过程中另外部分冷量可由混合冷剂压缩循环制冷提供或氮气膨胀机制冷循环来提供。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于低压塔压力为0.01MPa以上，高压塔压力为0.4MPa以上。
6.一种从含甲烷、氢、氮的混合气中提取甲烷的方法，其特征在于，原料气进主换热器降温后，分为第一股气流和第二股气流：第一股气流继续进主换热器降温后进入高压塔进行精馏分离，第二股气流经膨胀机降压制冷降温后直接送入低压塔中部精馏，塔底得到产品甲烷。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的第一股气流进入主换热器(E1)，经换热，原料气降温或部分液化后，进入高压塔(T1)的底部，进行初步精馏分离；其中富含氮气的易挥发组分沿塔高向上，在高压塔(T1)塔顶引出气态流股，进入冷凝蒸发器(E4)中，进行部分冷凝，冷凝后的液态气流经过一过冷器(E2)过冷后减压进入低压塔中部继续精馏。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的第二股气流进入原料膨胀机(EXP1)，降压降温后，与高压塔塔釜液，均进入低压塔(T2)中部，以高压塔(T1)塔顶冷凝液气流作为塔顶回流液，进行低压塔(T2)的精馏过程，低压塔塔釜的富甲烷液体进入冷凝蒸发器(E4)一侧，被冷凝蒸发器(E4)另一侧来的高压塔顶的富氮气加热至部分蒸发，蒸发部分作为低压塔的上升蒸汽，未蒸发部分从冷凝蒸发器(E4)一侧引出气流，经过冷器过冷后作为产品液态天然气。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于过程中另外部分冷量可由混合冷剂压缩循环制冷提供或氮气膨胀机制冷循环来提供。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于低压塔压力为0.01MPa以上，高压塔压力为0.4MPa以上。
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