一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法技术

本发明专利技术公开了一种地下煤制气分级提纯与液化的方法，将地下煤制气的气体分离与液化集成，提出了一种从地下煤制气中制取液氢和压缩液化天然气的方法，该方法包括以下步骤：(1)将地下煤制气预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；(2)由精馏塔底部排出的甲烷直接作为压缩液化天然气进行储存。由精馏塔顶部排出的氢气和一氧化碳，送入二级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入两相分离器中。(3)由两相分离器底部排出的一氧化碳对地下煤制气进行预冷。由两相分离器顶部排出的氢气，经三级氦循环膨胀制冷系统降温和正仲态转化后，送入液氢储罐中储存。本发明专利技术有效提高了地下煤制气的利用效率和经济效益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法


[0001]本专利技术属于地下煤制气综合利用
，涉及一种利用氦气膨胀制冷分离与液化地下煤制气的方法。

技术介绍

[0002]传统的煤炭开采方法，投资高、效率低、安全性差和污染大。因此，“煤炭地下气化”这一技术近年来吸引了广泛的关注。
[0003]煤炭地下气化是指将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，形成甲烷(CH4)、氢气(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气体的过程。该技术的成熟对我国能源利用有着众多优势。煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层。煤地下气化技术在地下作业，可有效避免煤矿开采带来的生态环境问题，提高资源利用效率。传统的开采方式仅能采出煤炭储量的15％左右，且伴随着地表沉降、工作环境危险、机械耗能高、透水、瓦斯气等不利因素，相反，煤地下气化能使闲置地下煤炭资源充分利用且安全性得到了提高。
[0004]煤炭地下气化产生的气体称为地下煤制气，地下煤气中一般含有H2、CO2、CO、CH4，另外还有少量C2H6、苯、甲苯以及对二甲苯等，含有的组分复杂，且有较多无用气体。目前地下煤制气主要是用于发电，这种利用方式效率低，经济效益差。地下煤制气也可以化工产品的原料气，用于制甲烷、制甲醇和制油等。但是化工产品的原料气一般对氢碳比有一定的要求，例如：制甲烷的原料气中氢碳比需控制在2.97～3.06之间。而煤炭地下气化不能很好的控制地下煤制气中的氢碳比，所以将地下煤制气作为化工产品的原料气不一定可行。因此为了有效利用地下煤制气，提高地下煤制气的利用效率和经济价值，可以对地下煤制气进行分级提纯，以得到纯组分进行利用。未来中深层煤炭地下富氧气化/富氧
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水蒸气气化是发展重点，它产生的地下煤制气以甲烷和氢气为主。因此，煤炭地下气化技术的成熟可以实现中国天然气和氢气产量的跨越式增长，具有较好的经济效益和环境效益。
[0005]地下煤制气从井口出来以后，通常要经过预处理、水洗和脱酸气等单元，这些单元可以有效脱除地下煤制气中的杂质。经过处理的地下煤制气通常只含有CH4、H2和CO等三种气体。利用氦膨胀制冷系统、精馏塔和两相分离器等可以将三种气体进行分离，得到液氢(LH2)、压缩液化天然气(PLNG)，这样便于储存和运输。而分离出来的CO可以作为燃料气。利用地下煤制气制取氢气具有能耗优势，同时得到的CH4和H2都是中国目前大力发展的清洁能源。

技术实现思路

[0006]针对现有的地下煤制气利用方式存在效率低，经济效益差，同时地下煤制气中的氢碳比难以控制等问题。本专利技术提供了一种利用氦气膨胀制冷分离和液化地下煤制气的方法，开发了一种从地下煤制气中分离氢气和甲烷并将它们液化的工艺流程。该流程适用于
经过净化处理的，只含有氢气、甲烷和一氧化碳三种组成的地下煤制气。该流程涉及一种带有精馏模块和两相分离模块的低温气体分离与液化的技术，用于对地下煤制气进行气体分离和液化，通过利用氦气作为低温工质，建立三级氦膨胀制冷低温循环为地下煤制气的液化提供冷量，其中每级氦膨胀制冷低温循环相对独立，系统中的精馏塔可以将甲烷从地下煤制气中有效分离，系统中的两相分离器可以将氢气和一氧化碳有效分离。地下煤制气经过预冷后进入到一级氦循环膨胀制冷系统降温后，进入精馏塔，从精馏塔底部可分别得到纯度在99.6％以上的加压液化天然气产品。此外一级氦循环膨胀制冷系统为精馏塔中的冷凝器提供冷量，为精馏塔中的再沸器提供热量。氢气和一氧化碳经过二级氦循环膨胀制冷系统冷却后，进入到两相分离器。分离器顶部可以得到纯度在99.99％以上的氢气产品。三级氦循环膨胀制冷系统为第一正仲态转化和第二正仲态转化提供冷能。制冷工质氦为闭式循环。整个系统实现了良好的能量整合，所有的膨胀功均被相应的循环膨胀制冷系统中的压缩机回收利用，精馏塔中的冷凝器和再沸器传递的能量均被系统整合。本专利技术首次实现了从地下煤制气中得到两种高纯度的液态产品，是地下煤制气利用方面工艺发展的突破。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008]一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，该方法包括以下步骤：
[0009]1)将地下煤制气预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经过进一步降温后进入到精馏塔中；
[0010]2)由精馏塔底部排出的液态甲烷，直接送入到储罐中，作为加压液化天然气(PLNG)进行储存。由精馏塔顶部排出的氢气和一氧化碳进入到二级氦循环膨胀制冷系统，经过进一步降温以后送入到两相分离器中。
[0011]3)由两相分离器底部排出的液态CO，对步骤1)中的地下煤制气进行预冷。由两相分离器顶部排出的氢气首先进入膨胀机进行降压降温，然后依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐进行储存。
[0012]步骤3)中，所述的第一正仲态转化和第二仲态转化都由三级氦膨胀制冷系统提供冷量。
[0013]步骤1)中，所述的地下煤制气由甲烷、氢气及一氧化碳组成。地下煤制气预先经过净化至只含有甲烷、氢气及一氧化碳。地下煤制气经过预冷后，经过进一步降温至
‑
120℃后，送入精馏塔中。
[0014]步骤2)中，所述的加压液化天然气压力为2000kPa。
[0015]步骤2)中，所述的氢气和一氧化碳经过进一步降温至
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228.8℃后，送入到两相分离器中。
[0016]步骤3)中，所述的氢气经过膨胀机降压至500kPa后，送入到三级氦循环膨胀制冷系统。氢气经过三级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，进行第一正仲态转化。第一正仲态转化完成后，氢气再次进入三级氦循环膨胀制冷系统。氢气再次经过三级氦循环膨胀制冷系统降温液化后，进行第二正仲态转化。
[0017]步骤3)中，所述的第一正仲态转化过程及第二正仲态转化过程均在催化转化器中进行。
[0018]所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统中的制冷剂均为氦气。本专利技术中为了生产液氢产品，需要提供极低的冷量，而传统的
氮膨胀液化流程无法提供氢气所需的低温，因此采用氦气作为低温工质。三级制冷系统均采用氦气作为制冷剂，可以大大降低系统复杂程度。
[0019]所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统相互独立，它们之间不会相互影响。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：
[0021](1)本专利技术充分利用了地下煤制气中富含氢气和甲烷的特点，利用氦气膨胀制冷系统可以从地下煤制气中制取液氢(LH2)和加压液化天然气(PLNG)。通过利用Aspen HYSYS软件模拟计算，证实本专利技术可实现甲烷和氢气的回收率分别高达99.6％和98.3％。产生的液氢(LH2)和加压液化天然气(PLNG)的纯度分别高达99.99％和99.6％。
[0022](2)本专利技术将地下煤制气分级提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)将地下煤制气预冷后，送入一级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入精馏塔中；2)由精馏塔底部排出的液态甲烷，直接作为加压液化天然气(PLNG)进行储存。而精馏塔顶部排出的氢气和一氧化碳，进入到二级氦循环膨胀制冷系统，经进一步降温后送入到两相分离器中；3)两相分离器底部排出的液态一氧化碳对步骤1)中的地下煤制气进行预冷。两相分离器顶部排出的氢气进入膨胀机进行降温降压，随后依次进行第一正仲态转化、第二正仲态转化后，送入液氢储罐中储存；步骤3)中，所述的第一正仲态转化和第二正仲态转化由三级氦循环膨胀制冷系统提供冷量；所述的一级氦循环膨胀制冷系统、二级氦循环膨胀制冷系统及三级氦循环膨胀制冷系统之间相互独立。2.根据权利要求1所述的一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的地下煤制气经过净化预处理，不含有二氧化碳和水，主要由甲烷、氢气和一氧化碳组成。3.根据权利要求1所述的一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，其特征在于，步骤1)中，所述的地下煤制气经进一步降温至
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120℃以下后，送入精馏塔中。4.根据权利要求1所述的一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，其特征在于，步骤2)中，所述的甲烷经精馏塔出来以后，压力为2000kPa，直接作为加压液化天然气(PLNG)进行储存。5.根据权利要求1所述的一种适用于地下煤制气分级提纯与液化的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩斌，鲁绪栋，郝天舒，李茜，周廉乐，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：