肖 露

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)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(guò)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(jì)，全世界煤層氣的資源總量約為2.4×1014m3[1]，可作為常規(guī)燃?xì)赓Y源的可靠補(bǔ)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(guó)煤層氣資源量巨大，居世界第3位，儲(chǔ)量達(dá)3.68×1013m3。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)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(guò)程處于負(fù)壓狀態(tài)，大量空氣會(huì)被吸入管路及其他管件，濃度低且含氧，利用困難且經(jīng)濟(jì)性差。另外，煤層氣中的甲烷屬溫室氣體，排空后對(duì)大氣中的臭氧造成較大的破壞[6]，溫室效應(yīng)比較嚴(yán)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(jià)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(shí)除去，因工藝原理簡(jiǎn)單，常應(yīng)用于深度除去氮、氧和其他無(wú)機(jī)成分等。該方法可將低濃度煤層氣液化并同時(shí)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(yùn)輸?shù)诫x煤礦較遠(yuǎn)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(guò)程[16]，其中液化與分離過(guò)程在冷箱內(nèi)同時(shí)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(diǎn)可達(dá)-70 ℃，可以看作是甲烷、氧、氮 3種 組分的混合氣體，依次進(jìn)入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)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(gè)介質(zhì)通道[18]，制冷劑通過(guò)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(guò)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(guò)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(jìn)入精餾塔，氣相自下而上流動(dòng)，液相自上而下流動(dòng)，兩相間進(jìn)行物質(zhì)與能量的傳遞。向下流動(dòng)的液相被向上流動(dòng)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(dòng)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(dá)99.5%以上。

2 原料氣甲烷濃度對(duì)精餾塔負(fù)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(guò)程中的電耗、凈化干燥過(guò)程中的再生能耗，以及冷箱液化與分離過(guò)程中的制冷功耗。其中液化與分離過(guò)程主要在板翅式換熱器和精餾塔中進(jìn)行，精餾塔的負(fù)荷主要來(lái)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(diǎn)溫度略低，實(shí)驗(yàn)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(guò)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(diǎn)溫度，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用SIMSCI軟件核算不同甲烷濃度的煤層氣對(duì)精餾塔負(fù)荷的影響，計(jì)算原料氣處理規(guī)模為30萬(wàn)m3/d(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以下類(lèi)同)。甲烷濃度(甲烷體積分?jǐn)?shù)，下同)的變化范圍為 24%～60%，其余組分為氧氣、氮?dú)?。其中氧氣、氮?dú)獾慕M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(jìn)料位置。通過(guò)計(jì)算得到不同甲烷濃度對(duì)精餾塔的影響，如圖2所示。

圖2 精餾塔負(fù)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(fù)荷(絕對(duì)值)不斷減小，而再沸器負(fù)荷不斷增大。計(jì)算顯示，當(dāng)原料氣甲烷濃度增大時(shí)，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(huì)減少，回流比減小，冷凝器負(fù)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(fù)荷變大。

ST-SNE主要有三個(gè)步驟：首先計(jì)算高維空間中數(shù)據(jù)點(diǎn)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(jī)初始化低維空間中的數(shù)據(jù)分布并根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)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(shí)際操作中，如果溫度偏離，需要通過(guò)節(jié)流閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有溫度達(dá)到要求，才能保證產(chǎn)品的純度和回收率。因此可通過(guò)塔頂、塔底溫度來(lái)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(jì)大型工業(yè)化裝置時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)備在安裝好以后為不可動(dòng)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(jì)流量調(diào)節(jié)閥，或者增加更方便的冷劑充裝臺(tái)，補(bǔ)充冷劑時(shí)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(shí)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(guò)程得以連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行的必要條件，回流比是精餾塔設(shè)計(jì)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(fù)荷都與回流比有關(guān)[20]。這意味著，精餾過(guò)程的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用都與回流比的取值直接相關(guān)。因此對(duì)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(duì)應(yīng)的輕組分的體積分?jǐn)?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(duì)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(shí)，無(wú)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(shuō)塔底、塔頂產(chǎn)品純度永遠(yuǎn)不會(huì)合格，這時(shí)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(jì)中是十分重要的參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)乘以一定的系數(shù)可以得到正常操作時(shí)的回流比。通過(guò)計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得出不同回流比對(duì)精餾塔理論塔板數(shù)和負(fù)荷的影響(以30萬(wàn)m3/d的規(guī)模計(jì)算，甲烷濃度40%)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 回流比對(duì)精餾塔理論塔板數(shù)及負(fù)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(fù)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(guò)程的傳質(zhì)。但是，增大回流比是以增大能耗為代價(jià)的，故回流比的選擇又是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題(如圖4所示)，即應(yīng)在操作費(fèi)用(能耗)和設(shè)備費(fèi)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(fèi)用—回流比

最小回流比對(duì)應(yīng)于無(wú)窮多塔板數(shù)，此時(shí)的設(shè)備費(fèi)用無(wú)疑過(guò)大、不經(jīng)濟(jì)。適當(dāng)增大回流比可顯著降低塔板數(shù)，即降低設(shè)備費(fèi)用。設(shè)備費(fèi)用的明顯下降能補(bǔ)償能耗(操作費(fèi))的增加量。但當(dāng)回流比增大過(guò)多，所需理論塔板數(shù)下降緩慢，此時(shí)塔板費(fèi)用的減少將不足以補(bǔ)償能耗的增長(zhǎng)。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(fèi)用反而隨回流比的增大而有所上升。因此，存在一個(gè)總費(fèi)用的最低點(diǎn)，與此對(duì)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(fù)荷(絕對(duì)值)減小，塔底再沸器負(fù)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(bǔ)充足夠的冷量，使塔頂?shù)跷矚庵械募淄槌浞直焕淠⒒亓?，以提高甲烷回收率?/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(guò)程的投資費(fèi)用和操作費(fèi)用?；亓鞅仍酱螅碚撍鍞?shù)越少，冷凝器和再沸器的負(fù)荷越大。存在一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的回流比，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般取最小回流比的1.2～2.0倍。