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含氮氧煤层气液化装置中关键技术的研究

范庆虎  
【摘要】:提高资源利用率,优化能源结构,促进能源可持续发展是我国面临的迫切任务。煤层气,特别是含氮氧煤层气的合理利用已经成为当今研究的热点。 针对鹤岗南山煤矿煤层气气源条件,本文提出采用醇胺溶液化学吸收法深度脱除酸性气体、4A分子筛吸附法深度脱水干燥、单级混合制冷剂制冷循环液化、低温精馏分离方法处理含氮氧煤层气,生产高热值LNG产品,从而研制出LNG5含氮氧煤层气液化装置。基于上述含氮氧煤层气液化装置,本文进行了大量的基础研究和实验分析,促进含氮氧煤层气液化装置的国产化应用。 根据燃烧爆炸学基本理论,基于Le Chatelier公式,采用全比例分配互相组合原则,推导出适用于含O_2、N_2、CO_2等多元混合煤层气的爆炸极限计算公式。基于常规的煤层气液化系统,分析了在不同液化压力下含氮氧煤层气中CH_4摩尔分数的变化对CH_4回收率、LNG中氮氧含量的影响,分析了在不同温度下含氮氧煤层气的爆炸极限与压力的关系,提出了CH_4摩尔分数在30%~87%的含氮氧煤层气液化系统的工艺流程。分析了低温精馏塔内部不同理论塔板上气相组分变化与爆炸极限的关系,提出了低温精馏塔采用只有提馏段和再沸器,没有精馏段和冷凝器的结构。分析了含氮氧煤层气液化装置的经济性,提出了本文研究的LNG5含氮氧煤层气液化装置的工艺流程适合于CH_4摩尔分数在50%~87%的含氮氧煤层气。 根据双膜模型,建立酸性气体在醇胺溶液中的扩散-速率方程,推导出醇胺溶液与酸性气体处于不同化学反应类型时的增强因子简化式,实现了物理吸收与化学吸收之间的联系。基于酸性气体在醇胺溶液中的不同离子平衡式,建立了酸性气体在醇胺溶液中的溶解度模型,结合实验数据,推导出酸性气体在醇胺溶液上的平衡分压ps、pc显式解析式,方便了工程应用。采用数值模拟的方法对醇胺溶液深度脱酸性气体工艺流程进行优化分析和适应性分析。对于日处理5000Nm~3的LNG5含氮氧煤层气脱酸性气体系统,煤层气中CO_2摩尔含量为3%~0.129%时,MEA醇胺溶液循环量宜为30kmol/h~20kmol/h,再沸器热负荷宜为76kW~44kW。建立LNG5深度脱酸性气体系统,进行MEA醇胺溶液脱除煤层气中CO_2的实验研究。净化后的煤层气中CO_2体积含量仅为20ppm,达到设计值CO_2≤50ppm,单位CO_2脱除能耗为14kW/(kg·h)。 基于气-固扩散理论,对吸附床层建立了传质数学模型,探讨了分子筛吸附床层的穿透特性;根据工程经验,推导出分子筛吸附脱水工艺过程的计算方法。针对LNG5含氮氧煤层气深度脱水干燥系统,分析了煤层气入口温度、流速对分子筛吸附床层穿透时间的影响;分析了分子筛在非正常工况时,吸附周期、加热时间对分子筛再生气量的影响,探讨了分子筛吸附干燥系统的适应性。建立了LNG5深度脱水干燥系统,进行4A分子筛深度脱水干燥的实验研究。干燥后的煤层气露点温度为-75℃,即含水量小于1ppm,达到了LNG5深度脱水干燥系统的设计指标。 对LNG5含氮氧煤层气液化系统的单级混合制冷剂液化循环工艺中的关键设备建立稳态数学模型,数值比较了不同制冷剂组成对混合制冷剂制冷功耗的影响,分析了不同混合制冷剂对换热器内部冷热流体温度分布及其温差的影响,确定了LNG5含氮氧煤层气液化系统的混合制冷剂组分。分析了混合制冷剂组分的变化对换热器内部最小温差、关键点气相分率的影响,确定了混合制冷剂的优化配比。对关键设备建立动态数学模型,分析了LNG5含氮氧煤层气液化系统在煤层气压力、温度、流量及制冷剂循环量变化时的动态特性。建立了LNG5含氮氧煤层气低温液化系统,进行液化冷箱降温过程的实验研究。由CH_4、C_2H_4、C2H_6、n-C_4H_(10)、N_2组成混合制冷剂时,低温液化系统的单位LNG制冷比功耗为0.508 kW·h/Nm~3,仅比理论值0.48kW·h/Nm~3高出5.8%,这是因为混合制冷剂压缩机出口压力为2.16MPa,小于理论值2.5MPa,致使混合制冷剂循环量的增加,混合制冷剂压缩机的轴功率增加。 基于等效塔板理论,建立了填料塔的动态平衡级数学模型,引入贝恩-霍根公式和S-B-F模型推导出填料层的压力降△P,实现了MESH方程组的封闭可解。分析了低温填料塔的理论塔板数、再沸比对LNG中氮氧、返流煤层气中CH_4浓度的影响;分析了精馏塔内部温度、压力的变化趋势;分析了再沸比对再沸器热负荷、LNG产量的影响;分析煤层气中CH_4含量变化对LNG产量、LNG中甲烷、氮氧浓度的影响;分析了精馏塔压力、塔釜液位及LNG产品中O_2含量在液化煤层气的压力、温度、组分、流量变化下的动态特性,为低温精馏塔的操作运行提供了技术指导。建立LNG5含氮氧煤层气低温精馏分离系统,进行低温精馏脱除煤层气中氮氧的实验研究。采用只有提馏段的散堆填料塔,能够将煤层气中N_2摩尔含量由7.12%精馏到0.19%,优于理论值0.545%。 LNG5含氮氧煤层气液化装置的成功运行,验证了本文提出的适用于含氮氧煤层气液化装置的工艺流程和工艺计算的合理性,为含氮氧煤层气液化装置的国产化应用与推广提供了技术指导和实验经验。


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