双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置
技术领域
本发明涉及一种采用双制冷循环分离含有一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气等的煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置及方法，属于低温气体分离领域。
背景技术
从煤气化得到的合成气（CO和H2）重要的基础化工原料，可用于合成甲醇、汽油等，由于煤种和气化工艺的差异，有些煤气化经变换后会有部分甲烷存在，甲烷在甲醇合成过程中属于惰性气体，不参与反应，但是却会降低反应的分压，影响反应产率。而甲醇合成需要合成气不断循环，在此过程中甲烷浓度就会逐渐升高，严重阻碍反应的进行，所以需要定期采用深冷液化分离的方法在反应前就将甲烷从合成气中分离出来，这样甲醇合成过程中基本不需要排放弛放气，同时甲烷分离出来后在液化制成LNG，产生可观的附加经济效益。对于常规的天然气液化，通常采用的混合冷剂循环制冷或者氮气循环膨胀制冷来制取LNG。混合冷剂制冷具有能耗低、开车操作复杂的特点，而氮膨胀制冷能耗高，但操作简单，装置投资成本低。而从合成气中分离甲烷制LNG，由于原料气中大部分是H2和CO，所需要的分离温度比常规天然气的液化更低，此时混合冷剂由于重组分低温冻堵的原因不能适用于这一情况，所以往往都会采用氮膨胀制冷工艺来进行甲烷的分离和液化，从而导致分离能耗太高，特别是高甲烷含量、大气量的情况下这一问题更加严重。本分离装置采用混合冷剂制冷循环和氮气制冷循环的双制冷循环工艺，混合制冷循环为系统提供冷量，氮气制冷循环为精馏塔提供冷源，既有效的降低了系统能耗，又能够确保不出现重组分冻堵的问题，使系统能够安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种采用双制冷循环分离含有一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气等的煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的新型装置及方法，分离获得甲烷含量低于0.2%的合成气产品和一氧化碳含量小于0.15%的LNG和CNG产品。同时，优化冷量补充方案，节省能耗，降低了设备运行成本；同时，降低设备的运行风险，保证装置的连续稳定运行，为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：一种双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置，包括分子筛净化单元和深冷分离冷箱两部分，所述分子筛净化单元与深冷分离冷箱通过第一管道连接，其特征在于所述的深冷分离冷箱由第一主换热器、第二主换热器、脱氢塔及所设置的塔顶第一冷凝器、甲烷精馏塔及所设置的塔顶第二冷凝器和甲烷精馏塔底再沸器、混合冷剂循环系统和氮气循环系统组成，所述第一管道依次与第一主换热器、第二主换热器、甲烷精馏塔底再沸器设备连通，所述甲烷精馏塔底再沸器与第二管道相连，所述第二管道与第二主换热器相连，所述第二主换热器与第三管道相连，所述第三管道与脱氢塔底部入口相连，所述脱氢塔顶部分离出的气相经第四管道依次与脱氢塔塔顶第一冷凝器、第一塔顶分离器连通，所述脱氢塔塔顶第一冷凝器冷流流股管道与第一液氮分离器连通，由液氮为脱氢塔塔顶第一冷凝器提供冷量；所述第一塔顶分离器分离出的气相物流为富氢气，并通过第五管道经两个主换热器复热以回收冷量后出冷箱；第一塔顶分离器底部液体通过第六管道返回脱氢塔作为回流液；所述脱氢塔底部液相经第七管道、第一节流阀、第二主换热器与甲烷精馏塔中部入口连通。
作为优选：所述甲烷精馏塔塔顶部分离出的气相经第八管道依次与甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器、第二塔顶分离器连通，所述甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器冷流流股管道与第二液氮分离器连通，由液氮为甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器提供冷量；所述第二塔顶分离器分离出的气相物流为富CO气，并通过第九管道依次与两个主换热器、CO压缩机连通进行复热和压缩，在经第十管道与从第十一管道来的富氢气混合后汇入第十二管道，作为净化气产品送出本装置；所述甲烷精馏塔塔底出来的一部分液体通过第十三管道依次经第二节流阀、第二主换热器、第一主换热器后复热变成气相，并经甲烷气压缩机压缩作为CNG产品送出装置；另一部分液体通过第十四管道依次与第二主换热器、第三节流阀连通，作为LNG产品送出本装置，所述甲烷精馏塔设置了甲烷精馏塔底再沸器，为热虹吸再沸器，其热流流股管道与进冷箱的工艺气第十五管道连通，冷流流股管道与甲烷精馏塔底部液体第十七管道连通，由工艺气为甲烷精馏塔底再沸器提供热量。
作为优选：所述分离器均采用混合冷剂制冷循环和氮气制冷循环的双循环系统来提供分离所需要的冷量，所述混合冷剂制冷循环由混合冷剂压缩机来控制，所述混合冷剂压缩机来的高压气相混合冷剂通过第十八管道依次与第一主换热器、第二主换热器连通后经第四节流阀节流降温并产生气液两相，所述气液两相物流通过第十九管道与第一冷剂分离器连通，第一冷剂分离器的气相和液相分别通过第二十管道和与第二主换热器连通，在第二主换热器内部通过特殊的气液均布结构进行混合后复热，通过第二十一管道与第二冷剂分离器气相第二十二管道连通；从混合冷剂压缩机来的高压液相混合冷剂通过第二十三管道与第一主换热器连通后经第五节流阀节流降温并产生气液两相，气液两相物流通过第二十四管道与第二冷剂分离器连通，第二冷剂分离器的气相在第二十五管道中与第二十六管道的物流混合后与第一主换热器冷剂气相入口连通，第二冷剂分离器的液相通过第二十七管道与第一主换热器冷剂液相入口连通，冷剂气相和液相在第二主换热器内部通过特殊的气液均布结构进行混合后复热，经第二十八管道与混合冷剂压缩机连通进行压缩循环。
作为优选：所述氮气制冷循环由氮气压缩机控制，所述氮气压缩机来的高压氮气通过第二十九管道依次与第一主换热器、第二主换热器连通后分成两部分，一部分通过第三十管道依次与第六节流阀、第一液氮分离器、脱氢塔塔顶第一冷凝器连通；另一部分通过第三十一管道依次与第七节流阀、第二液氮分离器、甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器连通；第三十二管道和第三十三管道的低压氮气物流通过第三十四管道汇合，并经第三十五管道）依次与第二主换热器、第一主换热器连通后进入氮气压缩机进行压缩循环。
作为优选：所述主换热器、设置于脱氢塔的塔顶第一冷凝器和设置于甲烷精馏塔的塔顶第二冷凝器均为板翅式换热器。
作为优选：所述甲烷精馏塔底再沸器）为板翅式换热器。
作为优选：所述脱氢塔为浮阀板式精馏塔，甲烷精馏塔为填料精馏塔。
本发明的积极效果是：上述方案分离装置设置两个精馏塔，采用高低压两部精馏，分别为脱氢塔采用浮阀板式精馏塔、甲烷精馏塔采用填料精馏塔，浮阀板式塔操作弹性好，适合于气液相密度差小的工况下的精馏操作，填料塔分离效率高；脱氢塔采用高压精馏，降低了塔顶冷凝所需冷量要求；甲烷精馏塔采用低压精馏，有利于增大甲烷和一氧化碳的相对挥发度，分离效果和能耗更理想，分离得到甲烷含量低于0.2%的合成气产品和一氧化碳含量小于0.15%的LNG和CNG产品，合成气中的一氧化碳、LNG和CNG产品中的甲烷回收率都很高，满足合成装置对CH4含量的要求以及LNG产品对CO含量的要求。
本发明进一步的积极效果是：上述技术方案采用混合冷剂制冷循环和氮气制冷循环的双循环系统来提供分离所需要的冷量，相对能耗较高的氮气制冷循环专为精馏提供较低温位的冷量，缓和冷剂制冷循环为系统剩余其他所需要的冷量，冷量利用合理，既能避免混合冷剂太低温度下冻堵的问题，保证装置冷量的安全供应，又能最大限度的降低了装置运行能耗成本。
附图说明
图1是本发明的连接结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于采用双制冷循环分离含有一种双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置，包括分子筛净化单元Ⅰ和深冷分离冷箱Ⅱ两部分，所述分子筛净化单元Ⅰ与深冷分离冷箱Ⅱ通过第一管道1连接，所述的深冷分离冷箱Ⅱ由第一主换热器E1、第二主换热器E2、脱氢塔T1及所设置的塔顶第一冷凝器E3、甲烷精馏塔T2及所设置的塔顶第二冷凝器E4和甲烷精馏塔底再沸器E5、混合冷剂循环系统34～46和氮气循环系统47～56组成，所述第一管道1依次与第一主换热器E1、第二主换热器E2、甲烷精馏塔底再沸器E5设备连通，所述甲烷精馏塔底再沸器E5与第二管道4相连，所述第二管道4与第二主换热器E2相连，所述第二主换热器E2与第三管道5相连，所述第三管道5与脱氢塔T1底部入口相连，所述脱氢塔T1顶部分离出的气相经第四管道6依次与脱氢塔塔顶第一冷凝器E3、第一塔顶分离器D1连通，所述脱氢塔塔顶第一冷凝器E3冷流流股管道与第一液氮分离器D3连通，由液氮为脱氢塔塔顶第一冷凝器E3提供冷量；所述第一塔顶分离器D1分离出的气相物流为富氢气，并通过第五管道9、10、11经两个主换热器E2、E1复热以回收冷量后出冷箱；第一塔顶分离器D底部液体通过第六管道8返回脱氢塔作为回流液；所述脱氢塔T1底部液相经第七管道12，13，14、第一节流阀V1、第二主换热器E2与甲烷精馏塔T2中部入口连通，所述甲烷精馏塔T2塔顶部分离出的气相经第八管道15依次与甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器E4、第二塔顶分离器D2连通，所述甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器E4冷流流股管道与第二液氮分离器D4连通，由液氮为甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器E4提供冷量；所述第二塔顶分离器D2分离出的气相物流为富CO气，并通过第九管道18、19、20依次与两个主换热器E2、E1、CO压缩机K3连通进行复热和压缩，在经第十管道21与从第十一管道11来的富氢气混合后汇入第十二管道22，作为净化气产品送出本装置；所述甲烷精馏塔T2塔底出来的一部分液体通过第十三管道25～30依次经第二节流阀V2、第二主换热器E2、第一主换热器E1后复热变成气相，并经甲烷气压缩机K4压缩作为CNG产品2送出装置；另一部分液体通过第十四管道31、32、33依次与第二主换热器E2、第三节流阀V3连通，作为LNG产品3送出本装置，所述甲烷精馏塔T2设置了甲烷精馏塔底再沸器E5，为热虹吸再沸器，其热流流股管道与进冷箱的工艺气第十五管道3、4连通，冷流流股管道与甲烷精馏塔底部液体第十七管道23、24连通，由工艺气为甲烷精馏塔底再沸器E5提供热量，所述分离器D1、D2、D3、D4均采用混合冷剂制冷循环和氮气制冷循环的双循环系统来提供分离所需要的冷量，所述混合冷剂制冷循环由混合冷剂压缩机K1来控制，所述混合冷剂压缩机K1来的高压气相混合冷剂通过第十八管道34～36依次与第一主换热器E1、第二主换热器E2连通后经第四节流阀V4节流降温并产生气液两相，所述气液两相物流通过第十九管道37与第一冷剂分离器D5连通，第一冷剂分离器D5的气相和液相分别通过第二十管道38和39与第二主换热器E2连通，在第二主换热器E2内部通过特殊的气液均布结构进行混合后复热，通过第二十一管道40与第二冷剂分离器D6气相第二十二管道44连通；从混合冷剂压缩机K1来的高压液相混合冷剂通过第二十三管道41、42与第一主换热器E1连通后经第五节流阀V5节流降温并产生气液两相，气液两相物流通过第二十四管道43与第二冷剂分离器D6连通，第二冷剂分离器D6的气相在第二十二管道44中与第二十一管道40的物流混合后与第一主换热器E1冷剂气相入口连通，第二冷剂分离器D6的液相通过第二十七管道45与第一主换热器E1冷剂液相入口连通，冷剂气相和液相在第二主换热器E2内部通过特殊的气液均布结构进行混合后复热，经第二十八管道46与混合冷剂压缩机K1连通进行压缩循环，所述氮气制冷循环由氮气压缩机K2控制，所述氮气压缩机K2来的高压氮气通过第二十九管道47～49依次与第一主换热器E1、第二主换热器E2连通后分成两部分，一部分通过第三十管道50、51依次与第六节流阀V6、第一液氮分离器D3、脱氢塔塔顶第一冷凝器E3连通；另一部分通过第三十一管道52、53依次与第七节流阀V7、第二液氮分离器D4、甲烷精馏塔塔顶第二冷凝器E4连通；第三十二管道51和第三十三管道53的低压氮气物流通过第三十四管道54汇合，并经第三十五管道55、56依次与第二主换热器E2、第一主换热器E1连通后进入氮气压缩机K2进行压缩循环，所述主换热器E1、E2、设置于脱氢塔的塔顶第一冷凝器E3和设置于甲烷精馏塔的塔顶第二冷凝器E4均为板翅式换热器，所述甲烷精馏塔底再沸器E5为板翅式换热器，所述的双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置，其特征在于所述脱氢塔T1为浮阀板式精馏塔，甲烷精馏塔T2为填料精馏塔。
具体实施方式：
一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气等的煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的装置及方法，包括分子筛净化单元Ⅰ，深冷分离冷箱Ⅱ两部分，所述的深冷分离冷箱Ⅱ包括第一主换热器E1、第二主换热器E2、脱氢塔T1及所设置的塔顶冷凝器E3、甲烷精馏塔T2及所设置的塔顶冷凝器E4和塔底再沸器E5、混合冷剂循环系统34～46和氮气循环系统47～56。含有一氧化碳20%～60%、氢气70%～30%、甲烷4%～15%和少量氮气≤3%及微量CO2和甲醇的煤制合成气压力：2.0MPaG~6.0MPaG与分子筛净化单元Ⅰ入口连通，经分子筛净化单元Ⅰ脱除二氧化碳、甲醇和水等低温下易凝固的杂质后经第一管道1送至深冷分离冷箱Ⅱ。
经净化处理后的工艺气经第一主换热器E1、第二主换热器E2冷却至-110℃~-130℃（根据甲烷精馏塔操作压力和LNG产品纯度要求而定），通过第二管道4与甲烷精馏塔底再沸器E5连通，为甲烷精馏塔再沸器提供热量后，经第二管道4再次与第二主换热器E2连通进一步冷却、冷凝至-160℃~-172℃，然后经第三管道5进入脱氢塔T1底部入口，脱氢塔T1顶部分离出的气相经第四管道6进入脱氢塔塔顶冷凝器E3被部分冷凝后，经第一塔顶分离器D1进行气液分离，分离出的气相物流为富氢气，通过第五管道9、10、11经两个主换热器E2、E1复热以回收冷量后出冷箱；分离出的液体通过第六管道8返回脱氢塔作为回流液；脱氢塔T1底部液相经节流阀V1节流至0.6MPaG~1.0MPaG，再通过第二主换热器E2复热至-150℃~-160℃后，送入甲烷精馏塔T2中部。
甲烷精馏塔T2塔顶部分离出的气相经第八管道15进入甲烷精馏塔塔顶冷凝器E4被部分冷凝后，经第二塔顶分离器D2进行气液分离，分离出的气相物流为富CO气，通过两个主换热器E2、E1复热后送入CO压缩机K3压缩至2.0MPaG~6.0MPaG（根据合成气压力而定），然后与复热后的富氢气混合，作为净化气产品（产品1）送出本装置；甲烷精馏塔T2塔底出来的一部分液体经节流阀V2节流至0.05MPaG~0.5MPaG，然后通过第二主换热器E2、第一主换热器E1复热变成气相，并经甲烷气压缩机K4压缩至4.0MPaG~6.0MPaG，作为CNG产品（产品2）送出装置；另一部分液体通过第二主换热器E2进一步过冷后经节流阀V3节流至0.1MPaG~0.3MPaG，作为LNG产品（产品3）送出本装置；甲烷精馏塔T2设置了塔底再沸器E5，为外部热虹吸再沸器，由工艺气提供热量。
所述的混合冷剂制冷循环系统包括混合冷剂压缩机K1、第一冷剂分离器D5、第二冷剂分离器D6、节流阀V4、V5、第十八管道34～46，从混合冷剂压缩机K1来的高压2.5MPaG~3.0MPaG气相混合冷剂通过第一主换热器E1、第二主换热器E2冷凝至-150℃~-160℃后经节流阀V4节流至0.3MPaG~0.5MPaG，产生温降并形成气液两相，气液两相物流进入第一冷剂分离器D5进行气液分离，气相和液相分别进入第二主换热器E2，在第二主换热器E2内部通过特殊的气液均布结构进行混合并复热后，通过第二十一管道40接至第二冷剂分离器D6气相出口第二十二管道44；从混合冷剂压缩机K1来的高压2.5MPaG~3.0MPaG液相混合冷剂通过第一主换热器E1冷却至-60℃~-70℃后经节流阀V5节流至0.3MPaG~0.5MPaG，通过第二冷剂分离器D6进行气液分离，气相在第二十二管道44中与第二十一管道40的物流混合后进入第一主换热器E1冷剂气相入口，液相进入第一主换热器E1冷剂液相入口，气相和液相在第二主换热器E2内部通过特殊的气液均布结构进行混合后复热，再送至混合冷剂压缩机K1进行压缩循环。
所述的氮气制冷循环系统包括氮气压缩机K2、第一液氮分离器D3、第二液氮分离器D4、节流阀V6、V7、第二十九管道47～56，从氮气压缩机K2来的高压氮气3.0MPaG~4.0MPaG通过第一主换热器E1、第二主换热器E2冷却、冷凝至-160℃~-170℃后分成两部分，一部分经节流阀V6节流至0.4MPaG~0.6MPaG，送至第一液氮分离器D3，脱氢塔塔顶冷凝器E3冷流流股进、出管道与第一液氮分离器D3连通后，形成热虹吸流路；另一部分经节流阀V7节流至0.4MPaG~0.6MPaG，送至第二液氮分离器D4，甲烷精馏塔塔顶冷凝器E4冷流流股进、出管道与第二液氮分离器D4连通后，形成热虹吸流路；第一液氮分离器D3和第二液氮分离器D4的气相管路出来的低压氮气物流通过第三十四管道54汇合后，并通过第二主换热器E2、第一主换热器E1复热后进入氮气压缩机K2进行压缩循环。
上述实施例是本发明的具体实施方式。对于分离含有一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气的煤制合成气的深冷分离装置可以做出多种等同的组合或变化，均属于本发明的保护范围。
