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低濃度煤層氣含氧液化方案設(shè)計與安全性分析

文檔作者：肖搖露1,2 文檔來源： 1. 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室 2. 中煤科工集團重慶研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年08月25日
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收稿日期:2015-11-19;2016-04-11 修訂
基金項目:“十二五冶國家科技重大專項(2011ZX05041-
004-002)
作者簡介:肖搖露(1984—),男,陜西漢中人,碩士,畢業(yè)
于西安交通大學(xué)制冷與低溫研究所,目前主要從事低溫工
程、氣體分離、低濃度煤層氣深冷液化等方面的科研工作。
Tel:023-65239074。
肖露. 低濃度煤層氣含氧液化方案設(shè)計與安全性分析[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保,2016,43(3):25-28.
文章編號:1008-4495(2016)03-0025-04
開發(fā)設(shè)計
低濃度煤層氣含氧液化方案設(shè)計與安全性分析
肖搖露1,2
(1. 瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶400037;
2. 中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯研究分院,重慶400037)
摘要:分析了低濃度煤層氣含氧液化裝置設(shè)計方案,設(shè)計采用可靠的DCS/ SIS 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、防雷
防靜電技術(shù)、防隔爆電氣設(shè)備、壓力設(shè)備安裝泄壓裝置、可燃?xì)怏w監(jiān)測與報警等措施,可省去煤層氣液
化制取LNG 時的純脫氧工序,極大降低液化裝置初期投資。最后,通過對原料氣壓縮機的做功過程進(jìn)
行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)原料氣中甲烷濃度越高,壓縮機耗功越少。
關(guān)鍵詞:低濃度煤層氣;含氧液化;安全性分析;初期投資;數(shù)值模擬
中圖分類號:TD712+. 67;TE645搖搖搖文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B搖搖搖網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-06-05 17:29
網(wǎng)絡(luò)出版地址:http: / / www. cnki. net/ kcms/ detail/50. 1062. TD. 20160605. 1729. 008. html
Design of Liquefaction Scheme of Low-concentration Coal-bed Methane under
Oxygen-containing Condition and Analysis on its Safety
XIAO Lu1,2
(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China;
2. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China)
Abstract: Analysis was carried out on the design scheme of the liquefaction device of low-concentration coal-bed methane
under oxygen - containing condition. By using DCS/ SIS monitoring system, lightning protection and antistatic flameproof
electrical equipment, the installation of pressure relief on the pressure equipment, the monitoring and warning of flammable gas,
the pure de-oxidation process in LNG production by liquefaction of low-concentration coal-bed methane can be omitted, which
greatly reduced the initial investment of the liquefaction device. From the numerical simulation of the work process of raw
methane in the compressor, it was found out that the less the power consumption of the compressor, the higher the methane
concentration in raw gas.
Keywords: low-concentration coal-bed methane; liquefaction under oxygen-containing condition; safety analysis; initial
investment; numerical simulation
搖搖煤層氣屬于非常規(guī)天然氣,其世界儲量約為
240 萬億m3 [1] ,巨大的儲量是常規(guī)天然氣資源的有
效補充。據(jù)資料統(tǒng)計,2014 年我國煤礦井下抽采煤
層氣133 億m3,但有效使用量僅為45 億m3,大量低
濃度煤層氣釋放到大氣中,造成嚴(yán)重的資源浪費。
而作為一種溫室氣體,甲烷對全球溫室效應(yīng)的“貢
獻(xiàn)冶高達(dá)18% [2] 。據(jù)相關(guān)消息報道,我國將組織實
施《煤層氣勘探行動計劃》,預(yù)計2015 年煤層氣抽采
量將達(dá)179 億m3,利用量達(dá)83 億m3。制約煤層氣
利用的難點之一是原料氣中含有空氣。原料氣中的
氧氣是助燃劑,容易導(dǎo)致爆炸。如果能夠?qū)⒌蜐舛?
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煤層氣富集,濃縮成高濃度甲烷,就可以解決這個問
題。前人提出的煤層氣富集方法主要有變壓吸附
法[3] 、膜分離法[4] 、低溫精餾法[5] 和其他方法[6] 。
其中,低溫精餾法因工藝成熟、易于操作,推薦用于
完全除去氮、氧和其他雜質(zhì),生產(chǎn)高純度LNG 產(chǎn)品
的裝置。
中煤科工集團重慶研究院有限公司承擔(dān)了國家
重大科技專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)冶中的任
務(wù),在重慶松藻煤電有限責(zé)任公司逢春煤礦建立了
低濃度煤層氣含氧液化中試裝置。筆者對該裝置的
技術(shù)方案和安全性能進(jìn)行分析,并對原料氣的壓縮
過程進(jìn)行數(shù)值模擬,將裝置的安全性與經(jīng)濟性相結(jié)
合進(jìn)行研究,為該技術(shù)的放大設(shè)計和工業(yè)化應(yīng)用提
供借鑒。
1搖技術(shù)方案分析
低濃度煤層氣液化與分離的目的是從煤層氣中
提煉出甲烷,并液化制成LNG 產(chǎn)品,便于罐裝儲存
與利用。圖1 為課題組在重慶松藻中試基地建立的
低濃度煤層氣含氧液化裝置流程圖,包括煤層氣壓
縮、凈化預(yù)處理、氣體分離、LNG 儲存、程序控制。其
中氣體液化與分離是整個裝置的核心,系統(tǒng)的運行
采用高度自動化程序控制,以保障裝置運行的安全
性和可靠性。
圖1搖低濃度煤層氣含氧液化與分離裝置流程圖
1郾1搖原料氣壓縮
從礦井抽出來的低濃度煤層氣壓力較低,必須
由壓縮機升壓到流程所需壓力。理論上壓力的升高
可以增加混合物的液化點,從而提高液化溫度,減少
制冷系統(tǒng)的功耗,但煤層氣中含有氧氣,過高的壓力
不但因減小組分的沸點差而不利于分離[7] ,而且也
會促進(jìn)原料氣在壓縮過程中升溫,爆炸界限范圍變
大。一般采用往復(fù)式壓縮機,多級壓縮、中間冷卻。
對于低濃度含氧煤層氣,壓縮機的排氣狀態(tài)一般為
0郾4 MPa(表壓,下同)、40 益。壓縮機的級間溫度嚴(yán)
禁超過80 益。
1郾2搖凈化預(yù)處理
原料氣中需要去除的雜質(zhì)主要有:酸性氣體(包
括CO2、H2S、COS、有機化合物)、H2O、汞、重?zé)N、芳香
烴等。原料氣中的汞成份(包括單質(zhì)汞、汞離子及有
機汞化合物)會造成鋁合金材料設(shè)備的腐蝕,同時造
成環(huán)境污染,對人體產(chǎn)生危害;H2O、CO2、重?zé)N和芳
香烴在后續(xù)的低溫液化部分會固化,產(chǎn)生冰封現(xiàn)象,
影響設(shè)備的正常進(jìn)行;COS 本身沒有腐蝕性,但是它
可以被極少量的水水化,形成H2S、CO2,即使是濃度
為5伊10-7(體積分?jǐn)?shù),下同)的COS 被水化,也會產(chǎn)
生腐蝕。根據(jù)含氧煤層氣分離工藝,在進(jìn)入低溫環(huán)
境之前,原料氣需要達(dá)到的凈化指標(biāo)見表1。
表1搖煤層氣液化裝置原料氣凈化部分控制指標(biāo)
雜質(zhì)名稱控制指標(biāo)
汞含量/ (ng/ m3 ) 臆0郾1
CO2 體積分?jǐn)?shù)/10-6 臆50
H2 S 體積分?jǐn)?shù)/10-6 臆5
硫化物總量/ (mg/ m3 ) 臆5
芳香族化合物體積分?jǐn)?shù)/10-6 臆50
H2 O 體積分?jǐn)?shù)/10-6 臆5
搖搖根據(jù)對天府煤電公司和松藻煤電公司部分礦井
抽采瓦斯的氣體組分分析,其主要成分為CH4、O2、
N2 和極少量CO2,因此氣體凈化部分可以免去COS、
汞、重?zé)N、芳香烴的脫除,即本中試裝置凈化預(yù)處理
部分只包括脫酸與脫水兩個工序。
1郾3搖液化與精餾
本中試裝置將凈化后的含氧煤層氣直接在液化
冷箱中精餾濃縮。低溫精餾分離的原理是利用原料
氣中氮、氧、甲烷的沸點差,在精餾塔中實現(xiàn)氮氧成
分的連續(xù)分離。精餾過程實質(zhì)是上升蒸氣與下降液
體充分接觸,兩相間進(jìn)行物質(zhì)和能量的相互傳遞,塔
板或填料為氣液兩相提供了熱質(zhì)交換的場所。整個
工藝需要的冷量由外部制冷系統(tǒng)提供。外部制冷系
統(tǒng)將含氧煤層氣冷卻至-180 益后,送入精餾塔,分
離出氮氧組分。
制冷劑由壓縮機壓縮至高壓后進(jìn)入液化冷箱。
目前國內(nèi)外在液化冷箱內(nèi)已摒棄了階式制冷循環(huán)工
藝,多采用兩種方法制取冷量,即氮—甲烷膨脹制冷
和混合冷劑制冷。從能耗角度分析,對于相同規(guī)模
的含氧煤層氣液化裝置,前一種方法的能耗是后一
種方法的1郾4 倍;從系統(tǒng)設(shè)備角度分析,氮—甲烷膨
脹制冷機組簡單,能夠較迅速地啟動和停工,但冷箱
內(nèi)部有動力設(shè)備(膨脹機),對于低濃度煤層氣含氧
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液化,存在安全隱患。本裝置采用的是混合冷劑自
復(fù)疊制冷,液化冷箱(如圖2 所示)內(nèi)的主要設(shè)備包
括換熱器、氣液分離器、節(jié)流閥和精餾塔,制冷劑為
氮和5 種烷烴按適當(dāng)?shù)谋壤旌现瞥?對于今后連
續(xù)長期運行的大型化工業(yè)裝置,將產(chǎn)生較為可觀的
節(jié)能效應(yīng)。
圖2搖液化冷箱裝置設(shè)備圖
2搖安全技術(shù)措施
煤層氣液化技術(shù)有別于常規(guī)天然氣,低濃度煤
層氣氧氣含量高,在凈化、壓縮、液化與分離過程中
都會存在安全隱患,該問題是制約煤層氣利用的技
術(shù)瓶頸。因此需要對整個工藝流程進(jìn)行研究與特殊
設(shè)計,以及建立可靠的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),來解決含
氧煤層氣在凈化、壓縮、液化和分離過程中的安全
問題。
甲烷爆炸必須同時具備3 個條件:甲烷的體積
分?jǐn)?shù)處于該壓力下的爆炸界限內(nèi)、足夠體積分?jǐn)?shù)的
氧氣、足夠能量的引燃火源[8] 。消除其中任何一個
條件即可避免爆炸,確保裝置的安全運行。
本項目采用可靠的DCS/ SIS 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、防
雷防靜電技術(shù)、防隔爆電氣設(shè)備、壓力設(shè)備安裝泄壓
裝置、可燃?xì)怏w監(jiān)測與報警等安保措施,來解決低濃
度含氧煤層氣在壓縮、凈化、液化與分離過程中的安
全問題。
本中試裝置實質(zhì)上是為含氧煤層氣提供一個
熱、質(zhì)交換的場所,除壓縮機外,內(nèi)部的流體(制冷系
統(tǒng)暫不考慮)主要表現(xiàn)為流量和溫度的變化,而溫度
影響著可燃?xì)怏w的爆炸界限。當(dāng)溫度為t 時,單組
分可燃?xì)怏w的爆炸界限可按下式計算[9] :
NUT =NU· 1+721(t-25)
10
é
ë êêù û úú
6 (1)
NLT =NL· 1-721(t-25)
10
é
ë êê
ù
û úú
6 (2)
式中:NUT、NLT 為可燃?xì)怏w各組分的爆炸上限及下
限;NU、NL 為可燃?xì)怏w各組分在25 益時的爆炸上限
及下限。
從式(1) ~ (2)可以看出,當(dāng)壓力確定后,可燃
氣體的爆炸上限是溫度的單增函數(shù),爆炸下限是溫
度的單減函數(shù),因此降低溫度可以降低爆炸上限,同
時提高爆炸下限。甲烷在空氣中的爆炸界限為
5% ~15%,在本試驗裝置正常開車的過程中,含氧
煤層氣進(jìn)入精餾塔之前,甲烷的濃度為30%左右,不
在爆炸界限內(nèi)。而精餾塔中的溫度極低,平均溫度
達(dá)-165 益,這樣的溫度可以大大縮小甲烷的爆炸界
限。如果對精餾塔進(jìn)行相應(yīng)的接地及防雷處理,即
可消除引燃火源,從而可以省去液化與精餾前的單
純脫氧工序,降低裝置成本。
低溫制冷精餾的方法是把低濃度含氧煤層氣的
分離和液化在低溫下同步進(jìn)行,一次完成,所以比較
安全,可以省去脫氧工序。在整個裝置正常運行時,
只在精餾塔中有一段塔板上的甲烷組分處于爆炸界
限內(nèi),但由于其所處的環(huán)境為低溫而不易發(fā)生爆炸
(開車啟動初期,雖然塔內(nèi)溫度較高,但這時并沒有
發(fā)生甲烷的分離,甲烷處于爆炸界限之外),因此只
要采用可靠的監(jiān)測監(jiān)控技術(shù),確保裝置正常運行,并
且實現(xiàn)事故緊急停車(由SIS 系統(tǒng)完成),即可保證
系統(tǒng)安全可靠運行。
為了驗證整個裝置的安全性,開展了三參數(shù)(壓
力、溫度、濃度)耦合爆炸試驗和低溫瓦斯爆炸特性
試驗。三參數(shù)耦合爆炸試驗是驗證該裝置的壓縮與
凈化環(huán)節(jié)的安全性,試驗壓力和溫度為該工況下最
高壓力和溫度的1郾5 倍,試驗表明,只要濃度高于
25%,壓縮與凈化環(huán)節(jié)是安全的。低溫瓦斯爆炸特
性試驗是驗證該裝置在液化與分離環(huán)節(jié)的安全性,
在爆炸罐中配氣,組分、溫度和壓力與精餾塔中穿越
爆炸界限位置的狀態(tài)相同,配氣完成后按一定的能
量點火,使其爆炸,試驗表明,只要點火能量低于一
定值,即使點火,也不會爆炸。低濃度煤層氣含氧液
化裝置經(jīng)過4 個月的連續(xù)安全運行并順利生產(chǎn)出合
格的LNG 產(chǎn)品[10] ,進(jìn)一步驗證了該技術(shù)的安全性和
可靠性。
3搖壓縮工序模擬能耗分析
國家目前解決能源問題的方針是“開發(fā)和節(jié)約
并重,近期應(yīng)將節(jié)約放在優(yōu)先地位冶。低濃度煤層氣
制取LNG 既是能源生產(chǎn)單位,又是能源消耗單位,
因此必須認(rèn)真貫徹國家有關(guān)節(jié)能的方針,搞好節(jié)能
工作。煤層氣壓縮工序需要消耗一定的能量,本試
驗裝置用于生產(chǎn)LNG 的低濃度煤層氣甲烷濃度一
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般為30% ~50%,為此通過對原料氣壓縮機進(jìn)行數(shù)
值模擬,從理論上分析甲烷濃度對壓縮機功耗的
影響。
低濃度煤層氣氣源流量為200 m3 / h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)
下),進(jìn)氣壓力為微正壓(表壓50 kPa),溫度為常溫
(298 K)。煤層氣一般由甲烷、空氣(氧氮)、二氧化
碳組成,而二氧化碳極少,假定為1% 不變,甲烷濃
度在30% ~ 51% 內(nèi)變化,其余為空氣(其中氧組分
占空氣組分的20郾81%)。經(jīng)過原料氣壓縮機壓縮
后,壓力升至0郾40 MPa(表壓),壓縮機的絕熱效率
按80%計。按兩級壓縮進(jìn)行計算,通過對原料氣壓
縮機做功情況進(jìn)行數(shù)值模擬計算,得出原料氣壓縮
機功耗與氣源甲烷濃度的關(guān)系,如圖3 所示。
圖3搖原料氣壓縮機功耗與甲烷濃度的關(guān)系
由圖3 可以發(fā)現(xiàn),原料氣壓縮機功耗與氣源甲
烷濃度呈遞減關(guān)系。甲烷濃度越高,壓縮等量的原
料氣功耗越少。按工程熱力學(xué)有關(guān)理論進(jìn)行分析,
繪制氣體壓縮過程p—V 圖,如圖4 所示。
圖4搖氣體壓縮過程p—V 圖
由圖4 可知,當(dāng)氣體由狀態(tài)A 壓縮至狀態(tài)B,壓
縮過程曲線在縱軸上的投影面積即為壓縮功耗,再
除以絕熱效率,即為壓縮機需要輸出的軸功。甲烷
為多原子氣體,絕熱指數(shù)為9/7,空氣(氮氧)可認(rèn)為
是雙原子混合氣體,絕熱指數(shù)為7/5,大于甲烷的絕
熱指數(shù),因此,當(dāng)對甲烷與空氣從同一狀態(tài)點A 進(jìn)行
壓縮,圖中的B1、B2 點應(yīng)分別為甲烷、空氣壓縮狀態(tài)
終點(絕熱指數(shù)越大,過程曲線越陡),顯然,甲烷對
應(yīng)的過程曲線在縱軸上的投影面積較小。因此,甲
烷濃度越高,原料氣壓縮機所需輸出的軸功越小。
甲烷濃度越低,不但能耗增大,LNG 產(chǎn)量亦會相應(yīng)減
小,經(jīng)濟性變差。經(jīng)過對系統(tǒng)的經(jīng)濟性進(jìn)行分析,對
于處理原料氣量15 萬m3 / d 規(guī)模的低濃度煤層氣深
冷液化裝置,當(dāng)原料氣甲烷濃度為25%時,稅后收益
率約為5郾62%,小于行業(yè)基準(zhǔn)收益率(10%)。因
此,甲烷濃度低于25%時制取LNG 不經(jīng)濟。
4搖結(jié)語
1)研究提出了低濃度煤層氣含氧液化制取LNG
的技術(shù)方案,工藝過程為原料氣壓縮、凈化預(yù)處理、
低溫分離、LNG 儲存,整個工藝過程由程序進(jìn)行自動
化控制與操作。
2)整個低濃度煤層氣含氧液化流程只有精餾塔
內(nèi)一段物料處于爆炸界限內(nèi),結(jié)合該特點,給出了一
些安全技術(shù)措施,確保煤層氣含氧液化過程的安全,
如采用可靠的DCS/ SIS 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、防雷防靜電
設(shè)計,選用防隔爆電氣設(shè)備儀器儀表、壓力設(shè)備安裝
泄壓裝置、可燃?xì)怏w監(jiān)測與報警等,對于各個煤層氣
管道的法蘭等都采用導(dǎo)線跨接處理,整套裝置形成
一套良好的導(dǎo)體,與埋地導(dǎo)體相連。因此可以省去
煤層氣液化的純脫氧工序,大大降低裝置初期投資。
3)通過對原料氣壓縮機的做功過程進(jìn)行數(shù)值
模擬,分析了將相同狀態(tài)、不同甲烷濃度的低濃度
含氧煤層氣壓縮至相同的壓力后的做功情況,發(fā)現(xiàn)
甲烷濃度越高,壓縮機功耗越少,整個裝置的經(jīng)濟
性越好。
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(下轉(zhuǎn)第36 頁)
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量逐步加大,當(dāng)透平渦輪做功大于壓氣機及系統(tǒng)自
耗功后,由電動機啟動模式切換到發(fā)電機模式。此
時通過聯(lián)合調(diào)節(jié)外接負(fù)載負(fù)荷、原料氣甲烷濃度等
參數(shù),控制透平轉(zhuǎn)速及做功,直至達(dá)到壓氣機透平額
定轉(zhuǎn)速36 000 r/ min 左右。
3郾3搖試驗結(jié)果
試驗過程中,當(dāng)電動機帶動壓氣機透平轉(zhuǎn)速達(dá)
到26 400 r/ min、原料氣供應(yīng)量2 010 m3 / h、甲烷體
積分?jǐn)?shù)0郾95%時,乏風(fēng)瓦斯催化氧化燃?xì)廨啓C發(fā)電
系統(tǒng)運行達(dá)到自平衡,此時將電動機啟動模式切換
到發(fā)電機模式,同時手動逐步調(diào)節(jié)抽采瓦斯供氣量、
外接負(fù)載負(fù)荷,考察原料氣的甲烷濃度與發(fā)電機組
發(fā)電功率的關(guān)系,原料氣甲烷體積分?jǐn)?shù)分別控制在
0郾9%、1郾0%、1郾1%。從試驗結(jié)果中抽取具有代表
性的試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1搖乏風(fēng)瓦斯催化氧化燃?xì)廨啓C發(fā)電試驗數(shù)據(jù)
透平轉(zhuǎn)速/
(r/ min)
原料氣流量/
(m3 / h)
甲烷體積分?jǐn)?shù)/
%
發(fā)電功率/
kW
26 400 2 010 0郾98 3郾9
26 400 2 010 1郾04 6郾8
26 400 2 010 1郾13 12郾8
31 320 2 510 0郾94 13郾6
31 320 2 510 1郾06 17郾4
31 320 2 510 1郾15 21郾5
36 300 2 980 0郾94 22郾5
36 300 2 980 1郾08 30郾8
36 300 2 980 1郾12 33郾1
搖搖由表1 可見,在原料氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為1郾08%,
透平轉(zhuǎn)速為36 300 r/ min 的工況條件下,發(fā)電功率
達(dá)到了30郾8 kW,成功實現(xiàn)了系統(tǒng)額定發(fā)電功率為
30 kW 的設(shè)計指標(biāo)。
4搖結(jié)語
設(shè)計并搭建一套乏風(fēng)瓦斯催化氧化發(fā)電系統(tǒng),
試驗驗證表明:
1)在原料氣甲烷體積分?jǐn)?shù)為1郾08%,透平轉(zhuǎn)速為
36 300 r/ min 的工況條件下,發(fā)電功率達(dá)到了30郾8 kW,
成功實現(xiàn)了系統(tǒng)額定發(fā)電功率30 kW 的設(shè)計指標(biāo);
2)開發(fā)的乏風(fēng)瓦斯催化氧化發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)和危
急遮斷系統(tǒng),運行穩(wěn)定可靠,保證了乏風(fēng)瓦斯催化氧
化發(fā)電系統(tǒng)的安全正常運行;
3)該套發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小,可靈活
布置。但目前系統(tǒng)單機發(fā)電規(guī)模較小,單位投資規(guī)
模較大,發(fā)電規(guī)模及發(fā)電效率方面仍有提高空間,有
待下一步深入研究。
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(責(zé)任編輯:衛(wèi)搖蓉
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(上接第28 頁)
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(責(zé)任編輯:陳玉濤)
·36·
Vol郾43 No郾3
Jun郾2016 搖搖搖搖搖搖搖搖搖礦業(yè)安全與環(huán)保
MINING SAFETY &amp;amp; ENVIRONMENTAL PROTECTION搖搖搖搖搖搖搖第43 卷搖第3 期
2016 年6 月

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