不同含氮量煤层气氮膨胀液化流程优化与性能分析

　　煤层气(CBM)是一种以甲烷为主要成分的煤矿伴生气，对其加以利用对能源利用，煤矿安全及环境保护均具有重要意义^[1-3]。利用天然气的液化技术将煤层气液化，可使其体积减少为原来的大约1/600，极大地方便了从产地到用户的输送，是一种极有前景的开发形式^[4，5]。中国煤层气气源分散，且大多单井排放量较小，因此更倾向于使用小型液化装置。氮膨胀液化流程结构简单，造价较低，适应性强，易于操作和控制，是较适用于小型液化装置的方式^[6，7]。西安交通大学蒲亮等^[8，9]对 煤层气氮 甲烷膨胀液化流程做了深入的研究，指出甲烷摩尔分数为50%左右时耗功最小。他们还构建了3种不同的膨胀机液化方案，指出丙烷预冷的氮 甲烷单级膨胀液化循环方案要优于氮 甲烷串联双级膨胀液化循环和氮 甲烷并联双级膨胀液化循环。但是，目前对于煤层气液化流程方面的研究主要还是针对高甲烷浓度的煤层气。而受到目前瓦斯抽采技术的限制，中国大多为低浓度煤 层气，含氮、氧往往较多。针对低浓煤层气，一些研究学者提出了用低温精馏法提高甲烷浓度的方法^[10]。低温精馏法利用沸点差实现 氮与甲烷的分离，是一种高效的分离方式，其主要优点是甲烷纯度高，可达95%以上。笔者认为，精馏过程需要低温环境，适合在液化过程之后进行，但出于安全 性的考虑，氧应该在最开始就除去。因此对于低浓煤层气的液化 精馏工艺，氮含量的多少对液化流程的参数设置及系统性能有很大的影响。而以往的研究工作或者将氧引入了液化流程从而带来一定安全隐患，或者仅考察某一固定 煤层气组分下的液化方案性能^[10-12]。

　　笔者构建了氮膨胀液化流程，分别以一定的液化率和甲烷回收率作为限定条件，通过HYSYS软件模拟计算对不同氮含量下的煤层气液化流程进行优化，并以系统单位产品液化功为主要指标，比较各种条件下优化的液化流程的系统性能。

　　1　液化流程

　　煤层气的氮膨胀液化流程如图1所示。煤层气前期的脱水、脱酸等净化处理与普通天然气类似，笔者省去了这一步骤。图中的入口煤层气(101)假设 是已经过预处理后的气体，且仅由甲烷和氮组成。煤层气(CBM)首先经两级压缩至临界压力以上，并水冷至常温;然后连续进入3个换热器 (HEX1～HEX3)被循环冷氮气及天然气闪蒸回流冷气体逐级冷却并液化;最后通过节流阀(VLV-101)节流降压至接近常压，并在气液分离器(V- 101)中分离出LNG产品。分离出的冷气体则依次通入3个换热器利用它的冷量。

　　氮膨胀循环中，氮首先被两级压缩并水冷，接着在换热器HEX1中被预冷，然后一级膨胀至中间压力，并进入换热器HEX3被进一步冷却，之后经二级膨胀至低压并获得低温，最后依次通入3个换热器中提供冷量。