含氮氧煤層氣液化裝置中關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、提高資源利用率，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展是我國面臨的迫切任務(wù)。煤層氣，特別是含氮氧煤層氣的合理利用已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。
　　針對(duì)鶴崗南山煤礦煤層氣氣源條件，本文提出采用醇胺溶液化學(xué)吸收法深度脫除酸性氣體、4A分子篩吸附法深度脫水干燥、單級(jí)混合制冷劑制冷循環(huán)液化、低溫精餾分離方法處理含氮氧煤層氣，生產(chǎn)高熱值LNG產(chǎn)品，從而研制出LNG5含氮氧煤層氣液化裝置?；谏鲜龊趺簩託庖夯b置，本文進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)分析

2、，促進(jìn)含氮氧煤層氣液化裝置的國產(chǎn)化應(yīng)用。
　　根據(jù)燃燒爆炸學(xué)基本理論，基于Le Chatelier公式，采用全比例分配互相組合原則，推導(dǎo)出適用于含O2、N2、CO2等多元混合煤層氣的爆炸極限計(jì)算公式?；诔Ｒ?guī)的煤層氣液化系統(tǒng)，分析了在不同液化壓力下含氮氧煤層氣中CH4摩爾分?jǐn)?shù)的變化對(duì) CH4回收率、LNG中氮氧含量的影響，分析了在不同溫度下含氮氧煤層氣的爆炸極限與壓力的關(guān)系，提出了CH4摩爾分?jǐn)?shù)在30％~87%的含氮氧煤層氣液化系

3、統(tǒng)的工藝流程。分析了低溫精餾塔內(nèi)部不同理論塔板上氣相組分變化與爆炸極限的關(guān)系，提出了低溫精餾塔采用只有提餾段和再沸器，沒有精餾段和冷凝器的結(jié)構(gòu)。分析了含氮氧煤層氣液化裝置的經(jīng)濟(jì)性，提出了本文研究的LNG5含氮氧煤層氣液化裝置的工藝流程適合于CH4摩爾分?jǐn)?shù)在50%~87%的含氮氧煤層氣。
　　根據(jù)雙膜模型，建立酸性氣體在醇胺溶液中的擴(kuò)散-速率方程，推導(dǎo)出醇胺溶液與酸性氣體處于不同化學(xué)反應(yīng)類型時(shí)的增強(qiáng)因子簡化式，實(shí)現(xiàn)了物理吸收與化學(xué)吸

4、收之間的聯(lián)系?；谒嵝詺怏w在醇胺溶液中的不同離子平衡式，建立了酸性氣體在醇胺溶液中的溶解度模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出酸性氣體在醇胺溶液上的平衡分壓ps、pc顯式解析式，方便了工程應(yīng)用。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)醇胺溶液深度脫酸性氣體工藝流程進(jìn)行優(yōu)化分析和適應(yīng)性分析。對(duì)于日處理5000Nm3的LNG5含氮氧煤層氣脫酸性氣體系統(tǒng)，煤層氣中CO2摩爾含量為3%~0.129%時(shí)，MEA醇胺溶液循環(huán)量宜為30kmol/h~20kmol/h，再沸器熱負(fù)荷

5、宜為76kW~44kW。建立LNG5深度脫酸性氣體系統(tǒng)，進(jìn)行MEA醇胺溶液脫除煤層氣中CO2的實(shí)驗(yàn)研究。凈化后的煤層氣中CO2體積含量僅為20ppm，達(dá)到設(shè)計(jì)值CO2≤50ppm，單位CO2脫除能耗為14kW/(kg·h)。
　　基于氣-固擴(kuò)散理論，對(duì)吸附床層建立了傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，探討了分子篩吸附床層的穿透特性；根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，推導(dǎo)出分子篩吸附脫水工藝過程的計(jì)算方法。針對(duì)LNG5含氮氧煤層氣深度脫水干燥系統(tǒng)，分析了煤層氣入口溫度、流速

6、對(duì)分子篩吸附床層穿透時(shí)間的影響；分析了分子篩在非正常工況時(shí)，吸附周期、加熱時(shí)間對(duì)分子篩再生氣量的影響，探討了分子篩吸附干燥系統(tǒng)的適應(yīng)性。建立了 LNG5深度脫水干燥系統(tǒng)，進(jìn)行4A分子篩深度脫水干燥的實(shí)驗(yàn)研究。干燥后的煤層氣露點(diǎn)溫度為-75℃，即含水量小于1ppm，達(dá)到了 LNG5深度脫水干燥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
　　對(duì)LNG5含氮氧煤層氣液化系統(tǒng)的單級(jí)混合制冷劑液化循環(huán)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，數(shù)值比較了不同制冷劑組成對(duì)混合制

7、冷劑制冷功耗的影響，分析了不同混合制冷劑對(duì)換熱器內(nèi)部冷熱流體溫度分布及其溫差的影響，確定了LNG5含氮氧煤層氣液化系統(tǒng)的混合制冷劑組分。分析了混合制冷劑組分的變化對(duì)換熱器內(nèi)部最小溫差、關(guān)鍵點(diǎn)氣相分率的影響，確定了混合制冷劑的優(yōu)化配比。對(duì)關(guān)鍵設(shè)備建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析了LNG5含氮氧煤層氣液化系統(tǒng)在煤層氣壓力、溫度、流量及制冷劑循環(huán)量變化時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。建立了LNG5含氮氧煤層氣低溫液化系統(tǒng)，進(jìn)行液化冷箱降溫過程的實(shí)驗(yàn)研究。由CH4、C2H

8、4、C2H6、n-C4H10、N2組成混合制冷劑時(shí)，低溫液化系統(tǒng)的單位LNG制冷比功耗為0.508kW·h/Nm3，僅比理論值0.48kW·h/Nm3高出5.8%，這是因?yàn)榛旌现评鋭嚎s機(jī)出口壓力為2.16MPa，小于理論值2.5MPa，致使混合制冷劑循環(huán)量的增加，混合制冷劑壓縮機(jī)的軸功率增加。
　　基于等效塔板理論，建立了填料塔的動(dòng)態(tài)平衡級(jí)數(shù)學(xué)模型，引入貝恩-霍根公式和S-B-F模型推導(dǎo)出填料層的壓力降△P，實(shí)現(xiàn)了MESH方程組

9、的封閉可解。分析了低溫填料塔的理論塔板數(shù)、再沸比對(duì)LNG中氮氧、返流煤層氣中CH4濃度的影響；分析了精餾塔內(nèi)部溫度、壓力的變化趨勢；分析了再沸比對(duì)再沸器熱負(fù)荷、LNG產(chǎn)量的影響；分析煤層氣中CH4含量變化對(duì) LNG產(chǎn)量、LNG中甲烷、氮氧濃度的影響；分析了精餾塔壓力、塔釜液位及LNG產(chǎn)品中O2含量在液化煤層氣的壓力、溫度、組分、流量變化下的動(dòng)態(tài)特性，為低溫精餾塔的操作運(yùn)行提供了技術(shù)指導(dǎo)。建立LNG5含氮氧煤層氣低溫精餾分離系統(tǒng)，進(jìn)行低溫