的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體分離凈化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種低溫變壓吸附工藝凈化天然氣中CO2的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣因清潔無污染、安全性高以及能量密度大而逐漸被廣泛使用，在能源的利用領(lǐng)域越來越被各個國家所重視。天然氣易于管線運輸，因此可通過管網(wǎng)將邊遠地區(qū)油氣田中的天然氣運輸?shù)饺丝诿芗拇蟪鞘校鉀Q城市中的燃料問題。對于更遠距離的輸送，最近一些年傾向于先將天然氣液化處理后，再通過LNG (液化天然氣)船及低溫槽車輸送到工廠或者氣化站。
[0003]當然，無論是何種輸送，都涉及到對開采出的天然氣進行凈化處理的問題。油氣田中的天然氣往往含有一些酸性氣體，含量較高的為CO2氣體，由于CO2不能燃燒，降低了天然氣的能量密度，并增加了天然氣的存儲與運輸成本。在有水存在的情況下，CO2對管道有強烈的腐蝕作用，極易造成管道泄露，因此0)2的存在具有極大的安全隱患。同時，天然氣中的CO2在運輸管網(wǎng)經(jīng)過寒冷地區(qū)時，會析出干冰，造成管道堵塞，給天然氣的運輸帶來極大的不便。
[0004]因此，脫除天然氣中的CO2是一項有著重要經(jīng)濟價值與現(xiàn)實意義的研究。天然氣脫除CO2技術(shù)的發(fā)展，將對天然氣的大范圍利用做出推動作用。
[0005]天然氣中的主要有效成分為CH4,因此，對天然氣中CO2的脫除工藝過程主要考慮的是014與CO2的分離工藝。目前，國內(nèi)外分離CH4/C02主要工藝有:膜分離法、溶液吸收法、深冷分離法及吸附法等，分述如下:
[0006](I)膜分離法，是利用不同氣體分子的大小不同而具備不同的滲透率的特點來實現(xiàn)氣體的分離。當膜的兩側(cè)存在壓強差時，具有高滲透率的氣體分子優(yōu)先透過膜，而具有低滲透率的分子被截留在進氣的一側(cè)成為截留氣體，正是利用此原理實現(xiàn)對混合氣體的分離。利用膜分離法實現(xiàn)對CO2的分離正是使CO2氣體成為滲透氣體，透過膜然后達到富集。用于014/0)2的膜分離法具有分離設(shè)備簡單、占地面積小、過程無相變、無污染等優(yōu)點，但膜分離法產(chǎn)品氣的損失以及膜的使用壽命問題使其還需更進一步的研究。
[0007](2)溶液吸收法，是利用不同氣體在溶液中溶解度不同或是否與溶液反應(yīng)來實現(xiàn)氣體混合物的分離的一種方法。利用溶液對0)2吸收而對CH 4不吸收或者少吸附的特性來實現(xiàn)014與0)2的分離。該方法具有適用范圍廣泛、能耗低、處理量大等優(yōu)點，但其工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大、且吸收效率不高。
[0008](3)深冷分離法，是根據(jù)氣體組分不同的液化溫度，使氣體的溫度降低到露點以下，使氣體液化。然后通過精餾將各組分進行分離的方法。運用該方法對CH4/C02進行分離，是利用014與CO2的沸點差來實現(xiàn)的。該方法具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品濃度高的優(yōu)點，但設(shè)備復(fù)雜、裝置龐大、能耗較大。
[0009](4)吸附法，是利用固體吸附劑對混合氣體各組分的吸附能力不同來實現(xiàn)對混合氣體的分離。一般的固體吸附劑對0)2的吸附容量比較大而對CH 4幾乎不吸附，根據(jù)此特性來實現(xiàn)對0!4與CO 2混合氣體的分離。其中變壓吸附法與變溫吸附法是較為成熟的吸附分離法，已廣泛應(yīng)用與石油化工、鋼鐵、冶金等領(lǐng)域，但用于天然氣凈化領(lǐng)域的研究還較少。
[0010]低溫變壓吸附工藝是一種結(jié)合了低溫吸附和變壓吸附這兩種吸附工藝的深度凈化天然氣的新型工藝。該工藝特別適合于液化天然氣的前期凈化處理，由于液化天然氣在儲存前需要多級降溫以達到低溫存儲的目的(-162Γ的低溫存儲)，如，預(yù)冷到-30°c，然后再由-30°C冷卻到_80°C，再進一步冷卻到所需要的低溫。因此，常規(guī)的天然氣變壓吸附凈化脫除CO2工藝可與天然氣液化工藝相結(jié)合，將降低了溫度的干燥天然氣直接通入低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)，由于固體吸附劑低溫下對0)2的吸附量遠遠大于常溫下的吸附量，實驗研究表明，低溫下單位質(zhì)量吸附劑吸附的CO2量是常溫下的2?5倍，且CH4/C02的分離系數(shù)可達8左右，因此，與常規(guī)變壓吸附相比，新工藝所要求的吸附柱體積可縮小一半以上。
[0011]該新工藝充分利用了低溫天然氣的冷能，從而有效實現(xiàn)CHjP CO 2混合氣的分離，并大量節(jié)約了能源、提高了凈化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種使用低溫變壓吸附工藝吸附脫除0)2凈化天然氣的方法。該工藝將液化天然氣工藝與低溫環(huán)境下固體吸附劑對0)2吸附量大的特點相結(jié)合，通過改變溫度及壓力的方式來實現(xiàn)天然氣的凈化以及吸附劑的再生。該工藝可以實現(xiàn)天然氣的高度凈化與能量的充分利用。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0014]一種低溫變壓吸附工藝凈化天然氣中CO2的方法，通過利用液化天然氣時的冷量，制造低溫環(huán)境，使溫度控制在-70?25°C的范圍內(nèi)，同時通過在O?1MPa范圍內(nèi)改變壓力實現(xiàn)固體吸附劑在低溫下對CO2的吸附過程；升高低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)的溫度、降低壓力可使固體吸附劑中的0)2發(fā)生解吸，吸附劑得到再生，最終達到連續(xù)不斷的進行天然氣凈化與吸附劑的再生利用目的。
[0015]低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)包括C02/CH4混氣瓶1、He氣瓶2、第一壓力表5、第二壓力表6、C02/CH4氣體干燥器7、He氣體干燥器8、CO 2/CH4流量控制器9、He流量控制器10、混氣室12、壓力變送器14、吸附柱16、低溫恒溫槽17、背壓閥18、放空閥19、多組分紅外氣體分析儀22、真空壓力表23、真空栗24。
[0016]將預(yù)冷到一定溫度的0)2與CH 4的混合氣經(jīng)過第一節(jié)流閥3、第一壓力表5通入C02/CH4氣體干燥器7，經(jīng)過CO 2/CH4氣體干燥器7干燥；干燥后的CO 2與CH 4的混合氣經(jīng)過C02/CH4流量控制器9和第三節(jié)流閥11通入混氣室12 ；He氣通過第二節(jié)流閥4、第二壓力表6通入He氣體干燥器8進行干燥，干燥的He氣經(jīng)過He氣流量控制器10和第三節(jié)流閥11通入混氣室12 ;通過第一節(jié)流閥3和C02/CH4流量控制器9實現(xiàn)0)2與CH 4的混合氣的流量控制，通過第二節(jié)流閥4和He氣流量控制器10控制He氣的流量；由混氣室12出來的氣體依次經(jīng)由第四節(jié)流閥13和壓力變送器14后通入吸附柱16 ;低溫恒溫槽17通過管路與吸附柱16的外殼相連，吸附柱16的外殼是一種夾套結(jié)構(gòu)，通過通入不同溫度的載冷劑實現(xiàn)對吸附柱的升溫和降溫，低溫恒溫槽17給吸附柱16提供不同的吸附溫度；經(jīng)吸附柱16吸附凈化的0)2與014的混合氣流經(jīng)背壓閥18后與三條管路相連，第一條管路是連接真空栗24，對吸附柱進行再生，第二條管路是連接多組分紅外氣體分析儀22，對凈化后的0)2與014的混合氣成分進行測試分析，第三條管路是經(jīng)過截止閥19和0)2與CH4的混合氣制冷裝置相連接，使凈化后的0)2與CH4的混合氣送入后續(xù)制冷裝置進一步降溫；為有利于吸附柱調(diào)壓和故障處理，在混氣室12出口給吸附柱16同時并聯(lián)了一條管路，管路出口與背壓閥18出口相連，通過第五節(jié)流閥15實現(xiàn)管路的開閉；當吸附柱16內(nèi)的吸附劑吸附飽和時，關(guān)閉第一節(jié)流閥3切斷0)2與CH 4的混合氣，關(guān)閉第二節(jié)流閥4切斷He氣體；低溫恒溫槽17對吸附柱16進行升溫，使之達到設(shè)定的解吸溫度；打開第七節(jié)流閥21，利用真空栗24對系統(tǒng)抽真空，對吸附柱16內(nèi)的固體吸附劑進行再生；真空壓力表23達到要求的真空度后關(guān)閉真空栗24，完成吸附劑再生。以0)2與CH 4的混合氣模擬天然氣，吸附凈化工藝開始前，關(guān)閉第一節(jié)流閥3、第五節(jié)流閥15，第六節(jié)流閥20、第七節(jié)流閥21，打開第二節(jié)流閥4、第三節(jié)流閥11、第四節(jié)流閥13、截止閥19，利用He氣瓶2中的He氣對整個低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)進行吹掃以排出系統(tǒng)中的殘余氣體。吸附凈化C02，同時要打開第一節(jié)流閥3、第六節(jié)流閥
20 ο
[0017]其工藝過程如下:
[0018](I)對低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)使用He氣吹掃，持續(xù)4?6min，然后用真空栗對整個系統(tǒng)抽真空處理，并同時將低溫恒溫槽調(diào)節(jié)到工藝所需的溫度-70?25°C，為吸附柱持續(xù)供冷，保持25?30min。
[0019](2)再次使用He氣，使之為吸附柱充壓，通過調(diào)節(jié)第二節(jié)流閥與背壓閥使吸附柱內(nèi)壓力控制在吸附壓力O?lOMPa。
[0020](3)將0)2與CH 4體積百分比為I?20%的天然氣，干燥并預(yù)冷至-70?25°C，通入低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)中，通過氣瓶上的減壓閥使天然氣進入系統(tǒng)的壓力略高于吸附壓力，然后通過第一節(jié)流閥和背壓閥調(diào)節(jié)壓力，最終使整個系統(tǒng)壓力設(shè)定為吸附壓力O?lOMPa。低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)處于低溫高壓狀態(tài)，此時固體吸附劑對天然氣中0)2進行吸附，而不吸附或很少吸附CH 4;對系統(tǒng)連續(xù)不斷地通入天然氣；多組分氣體分析儀對氣體出口成分實時監(jiān)控。
[0021](4)當多組分氣體分析儀監(jiān)測到出口氣體0)2成分超過工藝要求時，停止通入天然氣，對吸附柱進行升溫、整個系統(tǒng)抽真空，使固體吸附劑再生，同時也可對0)2進行富集；再生完成后，按(I)過程繼續(xù)進行天然氣凈化CO2操作。
[0022]低溫狀態(tài)的天然氣連續(xù)通過低溫變壓吸附凈化天然氣系統(tǒng)，固體吸附劑連續(xù)地對天然氣中的0)2進行吸附，達到凈化天然氣的目的。低溫高壓下的固體吸附劑對CO2的吸附量高于常溫常壓或常溫高壓下的固體吸附劑對CO2的吸附量，因此，低溫高壓時固體吸附劑具有很好的凈化天然氣效果。在低溫高壓吸附系統(tǒng)的出口通過多組分紅外氣體分析儀實時監(jiān)控天然氣中0)2的含量；吸附一定時間后，當0)2的含量超過工藝規(guī)定的數(shù)值時，表明固體吸附劑吸附CO2已達到飽和，吸附過程結(jié)束，然后進行下一個工序的操作，對整個系統(tǒng)進行抽真空處理，以達到吸附劑的再生。
[0023]本發(fā)明中，吸附裝置的吸附柱內(nèi)主要采用的固體吸附劑為炭基吸附材料、沸石分子篩和介孔材料。這些材料在低溫高壓的環(huán)境下對0)2表現(xiàn)出較大的吸附量，而對CH 4的吸附量則較少，因此，可通過014/0)2的吸附動力學差異對其進行分離，直接在吸附裝置的出口得到純度較高的凈化后的CH4氣體。在低溫環(huán)境下，吸附劑對CO 2的吸附容量增大，更有利于氣體的分離；壓力的改變使0)2脫附，吸附劑得