專利名稱：一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型通過加入低溫離心分離器，并用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動離心分離器，在低溫下實(shí)現(xiàn)煤層氣的脫氧技術(shù)?？紤]到甲烷爆炸限問題，將前級換熱器置于防爆區(qū)，以提高安全性，不同于以往的利用化學(xué)反應(yīng)分離煤層氣技術(shù)，本實(shí)用新型從機(jī)械和組分物性差別角度研究煤層氣脫氧技術(shù)，屬于氣體除氧領(lǐng)域，特別涉及煤層氣領(lǐng)域中的脫氧方法。
背景技術(shù)：
煤層中吸附的伴生氣稱為煤層氣，其主要成分是甲烷，屬于非常規(guī)天然氣。全世界煤層氣儲量巨大，根據(jù)國際能源署(IEA)的統(tǒng)計(jì)資料結(jié)果，全球煤層氣資源量可達(dá)270萬億立方米。中國煤層氣資源豐富，全國埋深2000米以淺的煤層氣總資源量為36. 81萬億立方米。采用地面打井的方法，來實(shí)現(xiàn)煤層氣回收的技術(shù)，在世界范圍內(nèi)已有很好的發(fā)展。但是，采煤過程中抽采的瓦斯氣壓力很低，同時(shí)甲烷含量也低，稱為含氧煤層氣，這 就給煤層氣的加工和輸送帶來困難。含氧煤層氣壓力低，甲烷含量低，且混有10%左右的氧氣，極易發(fā)生爆炸。含氧煤層氣通常只能就地使用，放空浪費(fèi)的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。含氧煤層氣脫氧已成為其開發(fā)利用的關(guān)鍵和重大課題。國外煤礦開采多采用先采氣后采煤的方式，通過地面鉆井預(yù)抽煤層氣，得到的煤層氣甲烷含量高，一般可直接輸入天然氣管道。中國是目前對含氧煤層氣分離研究最深入的國家，按照技術(shù)路線可以分為變壓吸附技術(shù)、膜分離技術(shù)和含氧煤層氣直接液化技術(shù)。變壓吸附因?yàn)槲綄又写嬖诳障?，吸附時(shí)空隙中貯存產(chǎn)品，因此產(chǎn)品回收率比較低，只有40% 50%，造成很大的浪費(fèi)。氣體在脫附階段被排放而損失掉。產(chǎn)品純度和回收率之間存在矛盾，提高回收率，則純度又下降。而且排放廢氣的氧含量處于爆炸極限范圍。綜合而言，其應(yīng)用受到一定的限制。膜分離技術(shù)是一種新型的氣體分離技術(shù)，但是其在分離中會造成產(chǎn)品氣的損失，而且甲烷爆炸極限隨著壓力升高急劇擴(kuò)大，進(jìn)一步凸顯該技術(shù)的安全問題。至于煤層氣的脫氧問題，目前主要有焦炭法脫氧、貴金屬催化劑催化脫氧以及非貴金屬耐硫型催化劑催化脫氧。焦炭法脫氧、貴金屬催化劑催化脫氧這兩種方法都能將煤層氣中的氧含量脫至0. 5%以下，滿足安全分離的要求，但是前者需要消耗焦炭資源，后者貴金屬脫氧不足之處在于催化劑價(jià)格昂貴，脫氧成本高。非貴金屬耐硫型催化劑催化脫氧催化劑選用的是非貴金屬催化劑，價(jià)格低廉，雖然損失一部分甲烷，但是可以利用氧和甲烷的反應(yīng)熱來驅(qū)動透平壓縮機(jī)，節(jié)省電能。在現(xiàn)有的煤層氣脫氧技術(shù)中，已申請專利的有申請?zhí)枮?00810044237. 4，名稱為一種煤層氣催化轉(zhuǎn)化方法，申請?zhí)枮?00910195504. 2,名稱為一種煤層氣的脫氧方法和一種催化劑，申請?zhí)枮?00810229999. 1，名稱為一種煤層氣提純液化方法，申請?zhí)枮?01010256294. 6，名稱為一種煤層氣脫氧和分離甲烷的方法等專利，前三項(xiàng)專利屬于催化脫氧，后一種是非催化脫氧。這些脫氧的辦法都是從化學(xué)反應(yīng)的角度來考慮煤層氣的脫氧問題，具有安全性低，成本高，產(chǎn)品回收率低，甲烷損失率高等缺點(diǎn)，本實(shí)用新型正是依據(jù)上述背景技術(shù)，設(shè)計(jì)提出一種低溫高速離心脫氧方法，在脫氧裝置中加入低溫離心分離器，在低溫下根據(jù)甲烷和氧氣濃度差變大的特點(diǎn)將煤層氣中的氧脫離出來，為了提高安全性，將前級換熱器置于防爆區(qū)。利用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動離心分離器高速運(yùn)轉(zhuǎn)，充分利用膨脹機(jī)輸出功，提高能源利用率。

實(shí)用新型內(nèi)容為了彌補(bǔ)以往煤層氣脫氧技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種能夠提高系統(tǒng)的安全性和能源利用率、降低甲烷損失且能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高回收率的煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置，包括離心分離器、膨脹機(jī)、氮壓縮機(jī)、第一 換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器、節(jié)流閥、第五換熱器及真空鋼板房，所述第一換熱器和第二換熱器置于密封的真空鋼板房中，膨脹機(jī)設(shè)有輸出軸并通過輸出軸將膨脹機(jī)的輸出功用于驅(qū)動離心分離器旋轉(zhuǎn)，所述第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第四換熱器以及第五換熱器為三進(jìn)三出換熱器，氮壓縮機(jī)的出口通過水冷卻器及除油器與第一換熱器的第二入口連接，第一換熱器的第二出口與第二換熱器的第二入口連接，第二換熱器的第二出口與膨脹機(jī)的進(jìn)口連接，膨脹機(jī)的出口與第三換熱器的第二入口連接，第三換熱器的第二出口與第四換熱器的第二入口連接，第四換熱器的第二出口通過節(jié)流閥與第五換熱器的第二入口連接，第五換熱器的第二出口與第五換熱器的第三入口，第五換熱器的第三出口與第四換熱器的第三入口連接，第四換熱器的第三出口與第三換熱器的第三入口連接，第三換熱器的第三出口與第二換熱器的第三入口連接，第二換熱器的第三出口與第一換熱器的第三入口連接，第一換熱器的第三出口與氮壓縮機(jī)入口連接。本實(shí)用新型通過采用離心分離器，該離心分離器可實(shí)現(xiàn)氣-氣分離，與以往用電能以及其他能量的驅(qū)動方式不同，在本實(shí)用新型中利用膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動離心分離器，在低溫下實(shí)現(xiàn)煤層氣脫氧技術(shù)，考慮到爆炸極限限制問題，將未脫氧前的煤層氣置于防爆區(qū)。在本實(shí)用新型中，進(jìn)入離心分離器前的煤層氣，考慮到爆炸極限的限制，將前級換熱器置于真空鋼板房即防爆區(qū)中，提高系統(tǒng)的安全性。本實(shí)用新型中的離心分離器通過高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動，高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)煤層氣脫氧，脫氧后的煤層氣甲烷含量很高，在爆炸極限以下，不必置于防爆區(qū)，避免了帶氧甲烷的危險(xiǎn)性。脫氧后的甲烷經(jīng)過換熱器與液氮進(jìn)行熱量交換降溫至液態(tài)儲存。從煤層氣中脫離的氧氣直接排放至空氣。氮?dú)饨?jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫后回收再預(yù)冷來料氣，提高能源利用率。本實(shí)用新型的效果顯著，包括如下幾個(gè)方面I.本實(shí)用新型采用低溫離心分離器，之前分離煤層氣的分離器一般利用超重力、離心等原理氣-液、氣-固分離器，在本實(shí)用新型中，該分離器可實(shí)現(xiàn)低溫下的氣-氣分離，即煤層氣中的氧氣和甲烷都是在低溫氣態(tài)下被分離。在本實(shí)用新型中，利用機(jī)械和組分物性差別研究煤層氣脫氧技術(shù)，在低溫下脫離煤層氣中的氧氣，提高產(chǎn)品回收率。2.本實(shí)用新型通過采用高速旋轉(zhuǎn)的膨脹機(jī)驅(qū)動離心分離器，與以往的利用電能或者其他動力驅(qū)動方式不同的是充分利用膨脹機(jī)輸出功驅(qū)動離心分離器，既利用了膨脹機(jī)的輸出功又節(jié)約了其他能源，最大限度的提高能源的利用率。[0016]3.本實(shí)用新型采用將前級換熱器置于防爆區(qū)，甲烷在低溫液化前被分離，沒有進(jìn)入運(yùn)動部件，無阻力損失且無磨損。將預(yù)冷來料氣的前級換熱器置于防爆區(qū)(防爆區(qū)是密封的真空鋼板房)，與以往的脫氧方法相比，降低爆炸系數(shù)甚至將爆炸系數(shù)降為零，提高了系統(tǒng)的安全性。利用化學(xué)方法脫氧，特別利用吸附原理脫除煤層氣中的氧氣時(shí)，雖然可以將甲烷中的氧氣脫至0. 5%以下，但由于吸附性，甲烷也有一定的損失，本實(shí)用新型利用機(jī)械和組分物性差別脫離煤層氣中的氧氣避免甲烷被吸附等，降低甲烷損失率。4.本實(shí)用新型中用氮?dú)馀c煤層氣進(jìn)行熱交換達(dá)到冷卻煤層氣的目的，在前級換熱器中降溫到最佳的分離溫度范圍，在離心分離器中分離后再次經(jīng)過換熱器換熱，直至將分離后的煤層氣降溫至液態(tài)儲存，換熱后的氮?dú)饨?jīng)過氮壓縮機(jī)、水冷卻器和除油器后預(yù)冷來料氣，充分利用氮?dú)饫淞?，?jié)約能源。

圖I為煤層氣低溫離心脫氧方法流程示意圖。 圖2為離心分離器結(jié)構(gòu)圖。圖I中I為離心分離器，2為膨脹機(jī)，3為水冷卻器，4為除油器，5為氮壓縮機(jī)，6為第一換熱器，7為第二換熱器，8為第三換熱器，9為第四換熱器，10為節(jié)流閥，11為第五換熱器。圖2中的離心分離器主要部件有101-排氣管，102分離室，103中心管，104調(diào)試裝置。離心分離器的分離室中裝有螺旋導(dǎo)流片和升氣管，圍繞升氣管由內(nèi)向外分布有非封閉環(huán)形擋板。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合圖I對本實(shí)用新型的具體方法做進(jìn)一步的描述一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置，包括離心分離器I、膨脹機(jī)2、氮壓縮機(jī)5、第一換熱器6、第二換熱器7、第三換熱器實(shí)用新型8實(shí)用新型、第四換熱器實(shí)用新型9實(shí)用新型、節(jié)流閥實(shí)用新型10實(shí)用新型、第五換熱器實(shí)用新型11實(shí)用新型及真空鋼板房，所述第一換熱器實(shí)用新型6實(shí)用新型和第二換熱器實(shí)用新型7實(shí)用新型置于密封的真空鋼板房中，膨脹機(jī)實(shí)用新型2實(shí)用新型設(shè)有輸出軸并通過輸出軸將膨脹機(jī)實(shí)用新型2實(shí)用新型的輸出功用于驅(qū)動離心分離器I旋轉(zhuǎn)，所述第一換熱器6、第二換熱器7、第三換熱器8、第四換熱器9以及第五換熱器11為三進(jìn)三出換熱器，氮壓縮機(jī)5的出口通過水冷卻器3及除油器4與第一換熱器的第二入口連接，第一換熱器6的第二出口與第二換熱器7的第二入口連接，第二換熱器7的第二出口與膨脹機(jī)2的進(jìn)口連接，膨脹機(jī)2的出口與第三換熱器8的第二入口連接，第三換熱器8的第二出口與第四換熱器9的第二入口連接，第四換熱器9的第二出口通過節(jié)流閥10與第五換熱器11的第二入口連接，第五換熱器11的第二出口與第五換熱器11的第三入口，第五換熱器11的第三出口與第四換熱器9的第三入口連接，第四換熱器9的第三出口與第三換熱器8的第三入口連接，第三換熱器8的第三出口與第二換熱器7的第三入口連接，第二換熱器7的第三出口與第一換熱器6的第三入口連接，第一換熱器6的第三出口與氮壓縮機(jī)入口連接。本實(shí)用新型的工作原理和工作過程如下[0025]本實(shí)用新型所述的一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置，首先將第一換熱器
6和第二換熱器7置于密封的真空鋼板房中，再將含有甲烷和氧氣的煤層氣依次通入第一換熱器6、第二換熱器7并與氮?dú)忭樍鳠峤粨Q，降溫后原料氣進(jìn)入離心分離器1，同時(shí)，來自第二換熱器7的氮?dú)膺M(jìn)入膨脹機(jī)2后絕熱膨脹，消耗自身內(nèi)能對外做功驅(qū)動膨脹機(jī)2運(yùn)行，離心分離器I與膨脹機(jī)2通過軸連接，膨脹機(jī)2輸出功驅(qū)動離心分離器I旋轉(zhuǎn)，分離進(jìn)入離心器的煤層氣，分離出的氧氣和主要成分為甲烷的脫氧煤層氣，分離后的氧氣直接排入空氣中，脫氧煤層氣依次經(jīng)過第三換熱器8、第四換熱器9以及第五換熱器11，并與在膨脹機(jī)2中膨脹降溫的氮?dú)鈸Q熱，第四換熱器9和第五換熱器11之間連接節(jié)流閥10，并使用節(jié)流閥10對氮?dú)膺M(jìn)行節(jié)流降溫，利用降溫的氮?dú)鈱⒚撗趺簩託饫鋮s至液態(tài)并儲存，出自第五換熱器11氮?dú)庠俅谓?jīng)過第五換熱器11、第四換熱器9、第三換熱器8、第二換熱器7以及第一換熱器6并進(jìn)行換熱，此后，出自第一換熱器6的氮?dú)饨?jīng)氮壓縮機(jī)5加壓(通常將氮?dú)馍? 15bar)、水冷卻器3降溫和除油器4除油后再次進(jìn)入換熱器預(yù)冷來料氣，形成循環(huán)回路并逆流換熱，所述第一換熱器6、第二換熱器7、第三換熱器8、第四換熱器9以及第五換熱器11為三進(jìn)三出換熱器。參照圖1，氮?dú)饨?jīng)過氮壓縮機(jī)、水冷卻器、除油器一次加壓、冷卻、 除油后進(jìn)入防爆區(qū)內(nèi)的第一換熱器的第二入口，從第一換熱器第二出口進(jìn)入第二換熱器的第二入口，換熱后從第二換熱器的第二出口進(jìn)入膨脹機(jī)，消耗自身內(nèi)能驅(qū)動膨脹機(jī)運(yùn)行，然后從膨脹機(jī)出口處出去進(jìn)入第三換熱器的第二入口，與脫氧后的煤層氣換熱后從第三換熱器的第二出口進(jìn)入第四換熱器的第二入口，換熱后氮?dú)鈴牡谒膿Q熱器的第二出口進(jìn)入節(jié)流閥，節(jié)流降溫后進(jìn)入第五換熱器的第二入口，在第五換熱器中將脫氧煤層氣冷卻至液態(tài)儲存，然后從第二出口進(jìn)入第五換熱器的第三入口，經(jīng)第三出口進(jìn)入第四換熱器的第三入口，與循環(huán)回路中的氮?dú)饽媪鲹Q熱后自第四換熱器的第三出口進(jìn)入第三換熱器的第三入口，換熱后從第三換熱器的第三出口進(jìn)入第二換熱器的第三入口，最后從第二換熱器的第三出口進(jìn)入第一換熱器的第三入口，換熱后進(jìn)入氮壓縮機(jī)加壓，如此反復(fù)循環(huán)。
權(quán)利要求1.一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置，其特征在于，包括離心分離器(I)、膨脹機(jī)(2)、氮壓縮機(jī)(5)、第一換熱器(6)、第二換熱器(7)、第三換熱器(8)、第四換熱器(9)、節(jié)流閥(10)、第五換熱器(11)及真空鋼板房，所述第一換熱器(6)和第二換熱器(7)置于密封的真空鋼板房中，膨脹機(jī)(2)設(shè)有輸出軸并通過輸出軸將膨脹機(jī)(2)的輸出功用于驅(qū)動離心分離器(I)旋轉(zhuǎn)，所述第一換熱器(6)、第二換熱器(7)、第三換熱器(8)、第四換熱器(9)以及第五換熱器(11)為三進(jìn)三出換熱器，氮壓縮機(jī)(5)的出口通過水冷卻器(3)及除油器(4)與第一換熱器的第二入口連接，第一換熱器(6)的第二出口與第二換熱器(7)的第二入口連接，第二換熱器(7)的第二出口與膨脹機(jī)(2)的進(jìn)口連接，膨脹機(jī)(2)的出口與第三換熱器(8)的第二入口連接，第三換熱器(8)的第二出口與第四換熱器(9)的第二入口連接，第四換熱器(9)的第二出口通過節(jié)流閥(10)與第五換熱器(11)的第二入口連接，第五換熱器(11)的第二出口與第五換熱器(11)的第三入口，第五換熱器(11)的第三出口與第四換熱器(9)的第三入口連接，第四換熱器(9)的第三出口與第三換熱器(8)的第三入口連接，第三換熱器(8)的第三出口與第二換熱器(7)的第三入口連接，第二換熱器(7)的第三出口與第一換熱器(6)的第三入口連接，第一換熱器(6)的第三出口與氮壓縮機(jī)入口連接。
專利摘要一種煤層氣的低溫高速離心脫氧裝置，本裝置的第一、二換熱器置于、真空鋼板房中，氮壓縮機(jī)的出口與第一換熱器的第二入口、第一換熱器的第二出口與第二換熱器的第二入口、第二換熱器的第二出口與膨脹機(jī)的進(jìn)口、膨脹機(jī)的出口與第三換熱器的第二入口、第三換熱器的第二出口與第四換熱器的第二入口、第四換熱器的第二出口、與第五換熱器的第二入口、第五換熱器的第二出口與第五換熱器的第三入口、第五換熱器的第三出口與第四換熱器的第三入口、第四換熱器的第三出口與第三換熱器的第三入口、第三換熱器的第三出口與第二換熱器的第三入口、第二換熱器的第三出口與第一換熱器的第三入口、第一換熱器的第三出口與氮壓縮機(jī)入口依次連接。
文檔編號C10L3/10GK202482291SQ20122000974
公開日2012年10月10日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者葉雨森, 梁文清, 石露露, 鄭曉紅, 錢華 申請人:東南大學(xué)