低濃度煤層氣液化精餾塔運行工況分析

肖 露

(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，重慶 400037)

煤層氣是吸附于煤炭顆粒表面或游離于煤層孔隙中的伴生氣體，其主要成分是甲烷。在采煤過程中，煤層氣通常作為副產(chǎn)品，由水環(huán)真空泵預(yù)先抽出，根據(jù)其濃度及下游需求決定是否利用。據(jù)統(tǒng)計，全世界煤層氣的資源總量約為2.4×1014m3[1]，可作為常規(guī)燃氣資源的可靠補充，而天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比重正逐漸提高[2-5]。

我國煤層氣資源量巨大，居世界第3位，儲量達3.68×1013m3。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，2018年我國煤礦井下煤層氣產(chǎn)量130億m3，利用量53億m3，利用率較低，只有41%。主要原因是井下抽采管路布置復(fù)雜且距離較大，抽采過程處于負壓狀態(tài)，大量空氣會被吸入管路及其他管件，濃度低且含氧，利用困難且經(jīng)濟性差。另外，煤層氣中的甲烷屬溫室氣體，排空后對大氣中的臭氧造成較大的破壞[6]，溫室效應(yīng)比較嚴重[7-8]。若能將煤層氣提純并加以利用，則具有環(huán)保和節(jié)能的雙重價值[9]。

理論上，煤層氣的提純方法主要有膜法[10]、變壓吸附法[11]、低溫精餾法等[12-13]。低溫精餾法主要在精餾塔內(nèi)將煤層氣中的氧和氮同時除去，因工藝原理簡單，常應(yīng)用于深度除去氮、氧和其他無機成分等。該方法可將低濃度煤層氣液化并同時濃縮，制成液化天然氣(LNG)。由于甲烷液化后的體積將縮小為液化前的1/600[14]，方便將其運輸?shù)诫x煤礦較遠的城市，從而使燃料資源得到充分利用。

1 低濃度煤層氣深冷液化工藝流程

低濃度煤層氣深冷液化工藝主要包括原料氣壓縮與凈化、液化與分離過程[16]，其中液化與分離過程在冷箱內(nèi)同時完成。冷箱是本工藝的核心設(shè)備，內(nèi)部主要安裝有多股流板翅式[17]換熱器組、低溫節(jié)流裝置、氣液分離器和精餾塔等。

低濃度煤層氣液化裝置的工藝流程圖如圖1所示。凈化后的原料氣已被去除其中的水、CO2、H2S等雜質(zhì)，露點可達-70 ℃，可以看作是甲烷、氧、氮 3種 組分的混合氣體，依次進入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級板翅式換熱器降溫。板翅式換熱器有煤層氣與混合冷劑兩個介質(zhì)通道[18]，制冷劑通過板翅式換熱器與精餾塔頂冷凝器為原料氣提供冷量。換熱器的冷量用于將煤層氣預(yù)冷至-172 ℃以下，使之由氣相變成氣液兩相流體；冷凝器中的冷量主要用于組分的分離，盡可能使塔頂尾氣中的甲烷被冷凝。

圖1 低濃度煤層氣深冷液化裝置工藝流程圖

氣體精餾[19]的原理是：精餾塔底的液體在加熱過程中，飽和蒸氣壓高的組分被蒸發(fā)成氣體向上逸散；塔頂冷凝器內(nèi)的物質(zhì)在冷卻過程中，飽和蒸氣壓低的組分被冷凝并回流至精餾塔。低溫狀態(tài)下的煤層氣(氣液兩相)進入精餾塔，氣相自下而上流動，液相自上而下流動，兩相間進行物質(zhì)與能量的傳遞。向下流動的液相被向上流動的氣相加熱，飽和蒸氣壓高的組分(氧、氮)被蒸發(fā)后轉(zhuǎn)化為氣相；而向上流動的氣相被冷卻，其中飽和蒸氣壓低的組分(甲烷)被冷凝。于是，塔頂流出的氣體中含甲烷極少，而塔底可得到LNG，甲烷純度可達99.5%以上。

2 原料氣甲烷濃度對精餾塔負荷的影響

低濃度煤層氣深冷液化裝置的能耗主要包括原料氣壓縮過程中的電耗、凈化干燥過程中的再生能耗，以及冷箱液化與分離過程中的制冷功耗。其中液化與分離過程主要在板翅式換熱器和精餾塔中進行，精餾塔的負荷主要來自于塔頂冷凝器和塔底再沸器。

塔頂冷凝器一般也被做成2股流體的板翅式換熱器，熱流體側(cè)為含有痕量甲烷成分的氮氧尾氣，溫度比塔頂氣相的露點溫度略低，實驗中控制在約 -181.5 ℃，向冷劑放出熱量，自身中的甲烷被冷凝。冷流體側(cè)為混合冷劑，主要成分為氮和甲烷等輕組分(重組分已被前端氣液分離器分離)，溫度約為 -183 ℃。塔底再沸器的功能是塔底液體通過吸收熱量，將其中的痕量氮、氧成分蒸發(fā)，從而制取純度合格的LNG產(chǎn)品。塔底的溫度約為塔底混合液體在操作壓力下的泡點溫度，實驗中控制在約-146 ℃。再沸器的熱側(cè)流體為未充分冷卻的混合冷劑，入口溫度為-122 ℃。

根據(jù)原始實驗數(shù)據(jù)，利用SIMSCI軟件核算不同甲烷濃度的煤層氣對精餾塔負荷的影響，計算原料氣處理規(guī)模為30萬m3/d(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以下類同)。甲烷濃度(甲烷體積分數(shù)，下同)的變化范圍為 24%～60%，其余組分為氧氣、氮氣。其中氧氣、氮氣的組成按空氣的比例設(shè)定，精餾塔的理論塔板數(shù)設(shè)定為15，第5塊板為進料位置。通過計算得到不同甲烷濃度對精餾塔的影響，如圖2所示。

圖2 精餾塔負荷隨原料氣甲烷濃度的變化情況

由圖2可以發(fā)現(xiàn)：隨著原料氣甲烷濃度的增大，冷凝器負荷(絕對值)不斷減小，而再沸器負荷不斷增大。計算顯示，當(dāng)原料氣甲烷濃度增大時，氮氧尾氣中的甲烷濃度有微量的上升。

在原料氣流量、壓力和溫度等參數(shù)一定的情況下，原料氣甲烷濃度增大，上升到塔頂?shù)难酢⒌牧髁繙p小，相應(yīng)被冷凝的氮氧氣體也會減少，回流比減小，冷凝器負荷降低。同理，在原料氣流量、壓力和溫度穩(wěn)定的情況下，隨著原料氣甲烷濃度增大，精餾塔底再沸器需要被加熱的液體流量增加，造成再沸器的負荷變大。

ST-SNE主要有三個步驟：首先計算高維空間中數(shù)據(jù)點間的二階鄰近距離并將距離轉(zhuǎn)化為聯(lián)合概率矩陣P，接著隨機初始化低維空間中的數(shù)據(jù)分布并根據(jù)數(shù)據(jù)點間的歐氏距離生成聯(lián)合概率矩陣Q，最后使用梯度下降法最小化P與Q之間的差異。

由于塔底流體成分一定(甲烷和痕量氮、氧)，壓力確定后，達到平衡狀態(tài)時的溫度亦可確定。同理，塔頂流體成分為空氣及痕量甲烷，溫度亦可確定。實際操作中，如果溫度偏離，需要通過節(jié)流閥的開度進行調(diào)節(jié)，只有溫度達到要求，才能保證產(chǎn)品的純度和回收率。因此可通過塔頂、塔底溫度來控制產(chǎn)品的純度和尾氣甲烷濃度。

煤礦區(qū)提供的氣源，甲烷濃度一般不穩(wěn)定，因此在設(shè)計大型工業(yè)化裝置時，應(yīng)充分考慮設(shè)備在安裝好以后為不可動狀態(tài)，應(yīng)能根據(jù)原料氣甲烷濃度調(diào)節(jié)冷劑中輕、重組分的配比和流量，如設(shè)計流量調(diào)節(jié)閥，或者增加更方便的冷劑充裝臺，補充冷劑時在中央控制室用電腦控制，盡量減少系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)時間。

3 適宜回流比

由精餾原理可知，回流是精餾塔內(nèi)氣、液間傳質(zhì)過程得以連續(xù)穩(wěn)定進行的必要條件，回流比是精餾塔設(shè)計與操作中不可或缺的參數(shù)。精餾塔所需的理論塔板數(shù)，塔頂冷凝器和塔底再沸器的熱負荷都與回流比有關(guān)[20]。這意味著，精餾過程的投資費用和操作費用都與回流比的取值直接相關(guān)。因此對于一定的分離任務(wù)而言，選擇適宜的回流比非常重要。

圖3為本裝置精餾塔的物料平衡圖。圖中F、D、W分別表示原料氣液、塔頂?shù)跷矚?、塔底產(chǎn)品LNG的量，ZF、XD、XW表示各股流量相對應(yīng)的輕組分的體積分數(shù)，V、V′分別表示精餾段、提餾段內(nèi)上升氣體流量，L、L′分別表示精餾段、提餾段內(nèi)下降液體的流量。

圖3 精餾塔的物料平衡圖

對于連續(xù)操作的精餾塔，總的物料平衡式如下：

F=D+W

(1)

易揮發(fā)的輕組分物料平衡式如下：

FZF=DXD+WXW

(2)

塔頂再沸器的物料平衡式如下：

V=L+D

(3)

R=L/D，R即為回流比，表示經(jīng)塔頂冷凝器冷凝后回到塔內(nèi)的液體與塔頂采出量之比。

理論上，回流比越小，能耗越低，但需要的理論塔板數(shù)越多。當(dāng)回流比減小到一定程度時，無論精餾塔有多少理論塔板，都不可能完成所設(shè)定的分離任務(wù)，也就是說塔底、塔頂產(chǎn)品純度永遠不會合格，這時的臨界回流比即為最小回流比。最小回流比在精餾塔的設(shè)計中是十分重要的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗乘以一定的系數(shù)可以得到正常操作時的回流比。通過計算，本裝置精餾塔的最小回流比Rmin=0.269 2，最適宜回流比一般取Ropt=(1.2～2.0)Rmin。

根據(jù)本裝置的實驗數(shù)據(jù)，通過計算得出不同回流比對精餾塔理論塔板數(shù)和負荷的影響(以30萬m3/d的規(guī)模計算，甲烷濃度40%)，結(jié)果見表1。

表1 回流比對精餾塔理論塔板數(shù)及負荷的影響

從表1可以看出，隨著回流比的增大，理論塔板數(shù)不斷減少，塔高降低，冷凝器、再沸器的負荷增大。增大回流比，既提高了精餾段的液氣比，也提高了提餾段的氣液比，均有利于精餾過程的傳質(zhì)。但是，增大回流比是以增大能耗為代價的，故回流比的選擇又是一個經(jīng)濟問題(如圖4所示)，即應(yīng)在操作費用(能耗)和設(shè)備費用(塔板數(shù)及塔底傳熱面、冷凝器的傳熱面等)之間作出權(quán)衡。

(a)理論塔板數(shù)—回流比 (b)費用—回流比

最小回流比對應(yīng)于無窮多塔板數(shù)，此時的設(shè)備費用無疑過大、不經(jīng)濟。適當(dāng)增大回流比可顯著降低塔板數(shù)，即降低設(shè)備費用。設(shè)備費用的明顯下降能補償能耗(操作費)的增加量。但當(dāng)回流比增大過多，所需理論塔板數(shù)下降緩慢，此時塔板費用的減少將不足以補償能耗的增長。此外，回流比的增大也將增大塔頂冷凝器和塔底再沸器的傳熱面積，設(shè)備費用反而隨回流比的增大而有所上升。因此，存在一個總費用的最低點，與此對應(yīng)的即為最適宜的回流比Ropt。一般最適宜回流比的數(shù)值范圍是：Ropt=(1.2～2.0)Rmin。

4 結(jié)論

1)隨著低濃度煤層氣甲烷濃度的增高，精餾塔頂冷凝器負荷(絕對值)減小，塔底再沸器負荷增大，氮氧尾氣中的甲烷濃度有微量的上升，需要向冷凝器補充足夠的冷量，使塔頂?shù)跷矚庵械募淄槌浞直焕淠⒒亓鳎蕴岣呒淄榛厥章省?/p>

2)回流比的選擇是否合理直接影響低濃度煤層氣精餾過程的投資費用和操作費用?；亓鞅仍酱螅碚撍鍞?shù)越少，冷凝器和再沸器的負荷越大。存在一個最經(jīng)濟的回流比，實際設(shè)計時一般取最小回流比的1.2～2.0倍。