利用吸附余压的煤层气半开式氮膨胀液化流程

　　作为一种以甲烷为主要成分的煤矿伴生气,煤层气(CBM)是一种优质高效的清洁能源。同时,对其加以利用还可以减少因瓦斯爆炸引起的矿难及温室气体甲烷的排放,因此对能源利用、煤矿安全及环境保护均具有重要意义^[1-3]。我国的煤层气总储量约36万亿m³,与天然气相当,位居世界第3,且主要分布在经济发达或较发达的中东部地区,与常规天然气表现出很好的互补性,容易形成便利的市场条件,因此我国煤层气开发利用具有突出的优势和发展潜力^[4-5]。然而,我国煤层气产地一般远离天然气管网,且气质与常规天然气不同,不便或不宜进入现有管网。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]。我国煤层气气源分散,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,但其能耗较高^[6-7]。

　　受到目前瓦斯抽采技术的限制,我国的煤层气大多为矿井气,由于混入了空气而常含有较多的氮,不能通过常规的净化工艺脱除,影响了其作为能源加以利用。因此通过预处理工艺脱除固体杂质、酸性气体(CO₂、H₂S)、 水和重烃后,还必须在液化前进行变压吸附或液化后进行低温精馏,将氮从预净化后的煤层气中分离出去,从而提高甲烷的浓度。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。但由于需要将氮同时液化,增加了系统液化功耗。而变压吸附过程在常温和较低压 力下工作,能耗较低,且吸附法工艺简单,操作、维护费用低,有其独特的优势^[8-12]。

　　对于吸附-液化的方式,煤层气首先被引入吸附器,甲烷被吸附床吸附,而氮气则连续释放出去。之后提浓的甲烷在脱附床中释放出来,并引入液化流 程。废氮往往被直接排放到大气中。本文中,考虑到废氮还具有一定的吸附余压,笔者将其用于氮膨胀循环为煤层气液化提供冷量,形成吸附-液化一体化的新型流 程。若含氮量和吸附余压足够高(含氮量达90%,吸附余压达3MPa),则煤层气液化所需的冷量可完全由这部分废氮直接膨胀提供,从而完全省略氮压缩功。 但往往煤层气中的含氮量不足以满足使其液化所需的冷量,因此需要补充一部分常压氮气形成半开式循环,这仍然因为大大降低了氮压缩功而降低系统的整体功耗。

　　笔者使用HYSYS软件分别构建了吸附-液化一体化的半开式氮膨胀液化流程和不利用余压的普通氮膨胀液化流程,并以系统单位产品液化功作为主要指标,比较了2种流程的系统性能及其随含氮量和吸附余压的变化情况。