（热能工程专业论文）撬装式煤层气液化技术研究.pdf

中文摘要 随着国家对煤层气资源开发鼓励政策的出台，煤层气的有效开发利用对资源 合理利用、煤矿安全生产、环境保护及相关产业发展具有重要意义。针对我国煤 层气资源分布的特点，采用煤层气液化是一种有效地开发方式，液化煤层气具有 较高的容积效率，采用撬装化设计便于设备的迁移，可以对偏远分散的气源进行 采集。 本文主要对撬装式煤层气液化装置的技术进行进一步研究探讨。首先介绍我 国煤层气开发利用现状、国内外的天然气液化技术的研究进展，对目前国内外的 主要的液化流程的工作原理及其应用特点进行阐述和对比分析，选择新型双级混 合制冷剂液化流程作为本文的研究对象。 结合常规天然气的热物理性质，对煤层气的热力学性质分析。根据相平衡计 算方法，采用s r k 方程计算煤层气主要组分在某一压力工况下，相平衡随温度 变化的结果。对煤层气计算过程中涉及的主要热力参数计算和选取进行分析，最 后对用l k p 方程进行煤层气和混合制冷剂焓熵计算的方法进行分析。 本文主要采取a s p e np l u s 过程模拟软件进行计算分析，对流程中主要设 备模块进行分析和选型计算，为后续全流程的计算作准备。流程的设计是在新型 双级混合制冷剂液化流程的基础上，对流程针对煤层气特点进行优化设计，通过 对c 3 m r c 液化流程的计算结果与文献中的计算结果进行对比分析，显示计算 软件在流程计算的合理性。通过约束变尺度法以功耗为目标函数来合理选择八组 分混合制冷剂的配比。分析国内主要煤层气田气源的情况，并针对某一气田的气 源组分进行设计计算，对流程各节点的压力、温度、焓熵气液分率、液化率、 纯度进行计算和结果输出，根据计算结果对主要设备进行预选型。并以上述计算 为基础通过改变气源条件、混合制冷剂的条件变化、气液分离器的工况变化对液 化流程的影响，最后对液化流程的爆炸极限进行研究。 关键词： 液化煤层气双级混合制冷剂液化流程热力过程模拟爆炸极限 a b s t r a c t w i t ht h ep o l i c yo fd e v e l o p i n gc o a l b e dm e t h a n er e s o u r c ei n c e n t i v e d ，e x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o nc o a l b e dm e t h a n er e a s o n a b l yi ss i g n i f i c a n tf o rr e s o u r c e s u t i l i z a t i o n ， s a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dd e v e l o p m e n to fr e l a t e d i n d u s t r i e s t h ea d o p t i o no fl i q u e f i e dc o a l b e dm e t h a n em e t h o di sah i g h e rv o l u m e t r i c e f f i c i e n c ya n de f f e c t i v ew a y , w h i c hm a k e sc o l l e c t i n gr e m o t eg a ss o u r c ep o s s i b l e b e c a u s et h ee q u i p m e n to ft h es e tc a l lb ei n s t a l l e di ns k i d - m o u n tp a c k a g ew h i c hi s c o n v e n i e n to fr e l o c a t i n gw h e no n ec o a lm i n ei sd o n e t h i st h e s i sw i l lg i v ef u r t h e rs t u d yo nt h ec o a l b e dm e t h a n el i q u e f i e dt e c h n o l o g y i ns k i d m o u n tp a c k a g ee l a b o r a t e l y f i r s t l y , t h ed o m e s t i cu t i l i z a t i o ns t a t u so fc o a l - b e d m e t h a n e 、d o m e s t i ca n do v e r s e a sp r o g r e s so fn a t u r a lg a sl i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d t h e n , t h el i q u e f a c t i o np r o c e s s sp r i n c i p l ea n di t sa p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a th o m ea n da b r o a di ss u m m a r i z e da n dc o m p a r e d f i n a l l y , t h en e wt w o s t a g em i x e d r e f r i g e r a n tl i q u e f a c t i o np r o c e s si sa n a l y s e d t h ea n a l y s i sa b o u tt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e so fc o a l - b e dm e t h a n ei se s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h ec o n v e n t i o n a ln a t u r a lg a st h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e s a c c o r d i n gt o p h a s ee q u i l i b r i u mm e t h o d s ，i nac e r t a i np r e s s u r ec o n d i t i o n ，s r ke q u a t i o ni su s e dt o c a l c u l a t em a i nc o m p o n e n t s p h a s ee q u i l i b r i u m r e s u l t s c h a n g i n ga l o n g w i t h t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e c a l c u l a t i n ga n ds e l e c t i n gs o m ei n v o l v e dm a i nt h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r si sa n a l y s i s e d ，f i n a l l yt h em e t h o dw i t hl k pe q u a t i o no fc o a l - b e dm e t h a n e a n dm i x e dr e f r i g e r a n te n t h a l p y - e n t r o p yc a l c u l a t i o ni se v a l u a t e d t h i st h e s i se m b a r k sf r o ma s p e np l u st oa n a l y s ea n ds e l e c tm a j o re q u i p m e n t m o d u l e ，p r e p a r i n gf o rt h ef o l l o w u pc a l c u l a t i o n b a s i n go nt h en e wt w o s t a g em i x e d r e f r i g e r a n tl i q u e f a c t i o np r o c e s s ，p r o c e s sd e s i g ni se s t a b l i s h e da n di t so p t i m i z a t i o n d e s i g nw i t hr e s p e c tt ot h ec o a l b e dm e t h a n e sc h a r a c t e r i s t i c si sd o n e t h er e s u l to f c 3 - m r cl i q u e f a c t i o np r o c e s si sa n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h er e f r e n c ei nl i t e r a t u r e t h a tc a nv 丽f yt h em e r i to ft h ed e s i g ns o f t w a r e a d o p t i n gt h ec o n s t r a i n e dv a r i a b l e m e t r i cm e t h o d ，e i g h tc o m p o n e n t s b e s tr a t i oi sd e v o l a p e dw i t ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o n b e i n gp o w e r t h e na n a l y z i n gt h ed o m e s t i cm a j o rs o u r c eo fc o a l b e dm e t h a n eg a s f i e l d sa n da d v a c i n gr e l a t e dd e s i g na n dc a l c u l a t i o nf o rac e r t a i nc o m p o n e n t ，t h i ss t u d y a l s oc a l c u l a t ep a r a m e t e rv a l u e sf o re a c hn o d eo ft h ep r o c e s sa n de x p o r ti t sr e s u l t s ， i n c l u d i n gp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，e n t h a l p ，y - e n t r o p y ，t h er a t eo fg a s l i q u i d ，l i q u i dr a t e a n dt h ep u r i t y a c c o r d i n gt oc a l c u l a t i o n sc a r r i e do u tp r e s e l e c t i o no fm a j o re q u i p m e n t t y p e ，b a s i n g0 1 1t h ea b o v ec a l c u l a t i o n , r u l e si ss u m m a r i z e dt h a tl i q u e f a c t i o np r o c e s s c h a n g ea l o n gw i t ht h eg a ss o u r c e 、m i x e dr e f r i g e r a n ta n dg a s l i q u i ds e p a r a t o ro p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h ef m a lp o r t i o no ft h et h e s i s c o v e r st h ee x p l o s i o nl i m i t so ft h e l i q u e f a c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：l i q u e f i e dc o a l - b e d m e t h a n e ，t w o s t a g e m i x e dr e f r i g e r a n t l i q u e f a c t i o n p r o c e s s ，t h e r m a lp r o c e s ss i m u l a t i o n ，e x p l o s i o nl i m i t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：讳丁 签字日期：上护护9 年石月3e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：五c 研年 ， 弋 弓e l 付 n 、 彳月 岛了毽1 1 年 关岬 名 期 签 日 师 字 导 签弗“ 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 煤层气概述 第一章文献综述 煤层气俗称“瓦斯”，学术上，煤层气又被称为煤层甲烷气，非常规天然气， 英文缩写为c b m ，是煤矿的伴生气体。准确地讲，煤层气是一种附存于煤层的 烃类气体，是煤炭在形成的过程中，高压和厌氧的地质条件下，煤层在地质史中 漫长的煤化过程中所生成的以甲烷为主的天然气。它储集在煤层中，包括煤层基 质表面的吸附气，煤层裂缝与割理中的游离气，煤层水中的溶解气和煤层间常规 薄储层的游离气等四大组成部分。主要成份为甲烷( 化学式c i - h ) ，具有易燃易 爆的特征，其常温下的低发热值为3 4 3 3 7 i m j n m 3 ，其热值与天然气相当，是 一种高效、洁净的气体清洁能源。 煤层气是世界公认的优质的清洁能源，它是一种非致癌、无毒、无腐蚀的气 体。煤层气中不含常规天然气中必不可少的硫( h 2 s ) 等有害杂质，也不含苯、 汞、铅等可致癌的有毒物，所以说，煤层气是比天然气还要洁净的气体清洁燃料。 如果将煤层气作车用燃料，其燃烧尾气中c o 排放量比汽油减少9 7 、碳氢化合 物减少7 2 、n o x 氮氧化合物减少9 3 、c 0 2 减少2 4 、s 0 2 减少9 0 、噪音减 少4 0 ，环保效益比较显著。因此，煤层气是化工、汽车、发电等工业以及居民 生活燃料的优质且廉价的资源。 1 1 2 我国煤层气利用的意义 煤层气是近2 0 年来崛起的新型清洁能源，在发电、工业和民用燃料及化工 原料等方面有广泛的应用，对煤层气的合理利用可以缓解当前能源短缺的现状， 改善能源结构，降低温室气体排放，提高煤矿生产的安全性并带动相关产业的发 剧5 1 。 首先，煤层气的开发可以缓解我国能源尤其是天然气资源的需求瓶颈。 国家经济的快速发展对能源的要求与日俱增，国内石油天然气供应出现较大 的供需差距，已经从一个石油输出国变成一个油气进口大国，国家急需寻找新的 油气替代资源。据中国石油天然气集团公司预测，2 0 1 0 年，我国的常规天然气 生产只能满足市场需求的6 0 左右，缺口达到3 0 0 - 4 0 0 亿标立方。进口油气对我 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 国的能源成本和安全都产生较大的影响。而我国煤层气资源丰富，最新探明总储 量是3 6 7 万亿立方米，比六年前增加了5 万亿立方米，是仅次于俄罗斯、加拿 大的世界第三大煤层气储藏国。资源条件决定了煤层气在中国可以成为独立的产 业，成为石油天然气工业的重要补充。 第二，有利于煤矿企业的安全生产。 煤层气是种特殊的资源，合理开发利用会成为洁净优秀的能源来造福人 类；如不开发利用，除自然排放到大气中造成环境污染外，还会造成严重的安全 生产隐患，影响煤矿开采。在煤矿生产中，危及劳动者生命和身体健康的主要因 素是水、火、瓦斯、粉尘及顶板塌落等，其中以瓦斯的危害最大。这是因为瓦斯 灾害一旦发生，会给人民生命财产和煤矿造成巨大损失。我国煤层气的开发利用 程度不够，就是当前我国煤矿瓦斯灾害事故居高不下的主要原因。据有关部门统 计，2 0 0 4 年我国产煤1 9 5 亿吨，其中缺少瓦斯防治安全保障的煤炭产量高达7 5 亿吨。据统计，国内煤矿矿难7 0 8 0 都是由瓦斯爆炸引起。我国在煤矿开采 过程中，每年因为瓦斯爆炸死亡的矿工达6 0 0 0 人，是美国的1 0 0 倍。如果能够 合理利用，采取先抽后采，煤层气可以变害为利，变废为宝，不仅能够防治煤矿 瓦斯事故，减少矿井建设费用，有效地保障煤矿安全，还能达到资源综合利用的 目的【4 1 。 第三，减少环境污染。 大量的煤层气空排放到大气中又会对环境造成严重污染，其主要成分甲烷的 温室效应大约是二氧化碳的2 2 倍，对大气臭氧层的破坏是二氧化碳的7 倍【。 我国每年因采煤向大气中排放煤层气达1 9 4 亿m 3 ，占世界采煤排放煤层气量的 l 3 强，居世界第一，引起国际社会的广泛关注【2 】，因此研究煤层气的回收利用 对于保护大气环境，具有深远的意义。 与此同时，煤层气还是一种现实的气源，具有巨大的开发潜力。沿“西气东 输”管线分布的沁水、两淮等大型煤层气田，不仅资源丰富，而且是目前大规模 开发的煤矿区，优先开发这些地区的煤层气资源具有显著的现实性和经济性。 2 0 0 6 年中国将煤层气的开发列入“十一五 能源发展规划，煤层气产业化发展 迎来了利好发展的契机。2 0 0 6 - - 2 0 1 0 年的煤层气发展目标是：2 0 0 6 年有开采保护 层条件的矿井，开采保护层比例达到3 0 以上；煤矿瓦斯抽采率达到3 0 以上； 瓦斯抽采量达到4 0 亿标立方。到2 0 1 0 年，开采保护层比例达到9 0 以上，煤矿 瓦斯( 煤层气) 抽采率达到5 0 以上；瓦斯( 煤层气) 抽采量达到1 0 0 亿标立方。 2 0 1 0 年，利用总量5 0 亿立方以上，利用率5 0 以上。 国家也已制定鼓励开发利用的政策。除企业积极投资外，国家通过立法和制 定政策，在减免税收、财政支持、采矿权收费等方面提供了众多优惠，比如煤层 天津大学硕士学位论文第章文献综述 气价格按市场经济原则，由供需双方协商确定等。而超标空排煤层气的企业要受 到处罚，强制实施”先抽后采”。特别是国务院办公厅关于加强煤层气( 煤矿瓦 斯) 抽采利用的意见和全国煤层气( 煤矿瓦斯) 开发利用”十一五”规划的出台， 更为我国煤层气产业的发展起到至关重要的作用。 能源是经济发展不可缺少的动力，煤层气这种清洁能源渐渐被人们认识，并 且将会成为石油、天然气强大的补充力量，煤层气产业的形成与发展，将会给我 国的新能源战略带来深远的意义【5 】。 1 1 3 制约中国煤层气发展的一些因素 作为一种在我国大量储藏的高效优质清洁的能源，煤层气在我国开发水平较 低。2 0 0 5 年，我国煤矿抽采瓦斯仅2 3 亿立方米，利用1 0 亿多立方米，开发程 度远不及美国、加拿大、澳大利亚等煤层气产业已成功实行了商业化运作的国家。 美国虽然8 0 年代才真正大规模开发煤层气，但目前开发利用己超5 0 0 亿立方米， 已占到天然气总量的1 10 。 制约中国煤层气开发的因素是多方面的。首先，中国煤层气分布具有“偏、 散、小 的特剧3 】： 偏气源分布远离大型工业区，远离大城市居民区； 散气井分布多而散，大面积分布，不集中气源形不成规模； 小单井产量小，储量有限，可开采时间较短。 其次，近气田的大规模开发应用要求煤层气气源规模化。在气源周围建立化 工厂、发电厂等都要求气源分布集中，拥有长期大量的气源供应，以满足大量生 产的要求，目前，我国的煤层气田单井产气量少，附近的发电机组装机容量都较 小，且效率较低，仅用于气源周围的用电要求，不能实现上网远距离传输能源。 另外，输气管道的铺设成本较高，不适宜针对规模较小的气田；煤层气回收 技术合作及设备昂贵，限制中小煤气田的开发；我国很多地区的煤层气甲烷含量 偏低，氧含量超标，回收成本高等也是制约我国煤层气开发的关键因素。 1 1 4 撬装式煤层气液化技术在煤层气开发中的优势 由上述煤层气资源的特点，煤层气的利用中存在气源、气体储存、输送等问 题，煤层气液化技术的发展可以较好的解决这个问题。煤层气的主要成分是甲烷， 其临界温度是1 9 0 5 8 k ，故在常温下，无法仅靠加压将其液化。通常的液化多存 储在温度为1 1 2 k 、压力为0 1 m p a 左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷 的6 2 5 倍，体积能量密度为汽油的7 2 ，十分有利于输送和储存【6 】。从以下几个 方面对该技术的优势加以分析： 天津大学硬士学位论文第一章文献综述 ( 1 ) 液化装置采用撬装化设计可咀有效针对我国煤层气资源气源偏、单井含 气量小的情况，当一口井采集完毕后可以方便的转移，有效降低零散气源的排空 浪费，同时避免建厂带来的投资大、转移困难的的问题。 ( 2 ) 被抽采的煤层气液化后体积减为气态下的1 6 2 5 ，用专门的l n g 槽车、 液化天然气铁路等运输工具快速的转运到用户地，比管道输气投资小。适应性强。 ( 3 ) 煤层气液化后存储效率高可咀用于城市燃气负荷调峰有效缓解城市 用气不平衡对燃气管网的压力，以及满足化工厂用气，天然气发电厂调峰用气等。 ( 4 ) 煤层气作为液态状态存在时有利于其存储和运输，但最终被利用时的状 态是气态。液态煤层气在汽化过程中需要吸收大量的熟量。而这些高品质的冷量 可以被很多工艺过程有效地利用饲如空气分离、千冰制取、低温粉碎、冷库、 蓄冷装置等多种工艺工程中利用l n g 冷量 1 2 煤层气液化技术研究和利用现状 煤层气的主要成分和天然气相似煤层气的液化技术是在近三十年得到较快 的发展，煤层气的液化技术的发展很大程度上是在液化天然气技术上发展起来的 以下是对国内外液化煤层气和l n g 发展的概述： 1 2 1 国外煤层气液化技术研究利用的发展 世界上最早的天然气液化技术研究始于1 9 1 4 年，1 9 1 7 年，卡波特获得第一 个有关天然气液化、存储和运输的美国专利，同年在美国的西弗吉尼亚建成了世 匿1 - lg t i 撬装型天然气 直化单元简图 天律大学硕士学位论文第章文献综述 界上第一家液化甲烷工厂，进行甲烷液化工作。1 9 3 7 年，英国的埃吉汤工程师 提出用液化天然气调节城市供气中的高峰负荷，即将天然气液化并存储，供冬季 供气负荷和应急事故时的供应【i q 。1 9 4 1 年在美国的克利夫兰建成世界上第一座 工业规模的l n g 生产装置口心。】9 5 5 年美国的康斯托克国际甲烷公司致力于跨 海运输l n g 的规划和设计。1 9 5 7 年，英国气体公司和康斯托克公司合作，引进 液化天然气补充城市煤气供应不足，井在英国的坎威尔岛上建起世界上第一个 l n g 接受基地，用于储存引进的液化天然气供调峰使用。1 9 5 9 年第一艘l n g 船“甲烷先锋号”( m e t h a n ep i o n e e r ) 建成投入使用。1 9 6 4 年阿尔及利亚的第 一座l n g 工厂建成投产j 。1 9 6 9 年位于美国的阿拉斯加的肯奈l n g 装置投产， 并向e l 本出口l n g 。】9 7 2 年，文莱成为亚洲第一个l n g 生产国。从2 0 世纪7 0 年代开始，国外开始对l n g 液化流程进行设计、模拟与评价工作1 7 1 ，加快了液 化天然气技术的快速发展和设计优化。图1 1 是美国的g t i 公司生产的撬装式的 天然气液化装置的流程图。 美国从2 0 世纪7 0 年代开始回收煤层气，8 0 年代阻来，进行大规模的煤层 气开发利用科研和试验，取得了重要的突破。美国的煤层气开发首先是从煤矿安 全的角度出发的，煤矿公司发现单纯依靠通风的方式无法解决瓦斯隐患，开始抽 菜煤层气清理煤矿瓦斯，以降低煤矿安全事故。由于石油危机的影响，美国的油 气价格高涨，开始采用煤层气作为清洁能源加以开发利用。经过多年的研究实践， 美国拥有几乎世界上最先进的煤层气开发利用技术，同时美国还拥有完善的天 然气管网，把高纯度的煤层气井网 。 另外，国内煤层气主要采用煤矿瓦斯抽放的方法，通过井下向煤层或采空区 打钻孔或掘巷道抽放。为了加强煤层气的回收，美国和日本等国家研究通过注 图l - 2 洼二氧化碳强化煤层气回收示意 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 气驱替煤层气的方法，常用的注气是二氧化碳和氮气，通过与甲烷和煤层之间竞 争吸附与降低甲烷有效分压的办法提高煤层气的抽采率。图1 2 是注二氧化碳法 强化回收示意图，所用二氧化碳来自电厂尾气。 美国的快速发展引起了世界各产煤大国的广泛关注，英、德、澳、波兰、印 度等国都已制定相应的鼓励政策，鼓励本国对煤层气的发展。2 0 0 0 年以来，随 着低温深冷技术的发展和成熟，美国等西方国家针对煤层气的特点相继研发了小 型的液化系统，综合利用煤矿区的煤层气。美国近年来已经成功研制成功 1 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 加仑天的液化系统。一些美国和日本公司已经开始针对中国煤层气 利用问题，极力向中国推销其液化设备i l 引。 1 2 2 我国煤层气液化技术研究利用的发展 我国的液化天然气工业起步较晚，在建和计划建设的天然气液化装置还主要 靠技术引进。我国煤炭生产中煤层气( 瓦斯) 的开发利用长期处于从属地位，致 使针对煤层气的液化技术开发利用较晚。近年来国家逐渐重视煤层气作为清洁能 源及煤矿生产的隐患等诸多因素影响，国家开始大力开发我国丰富的煤层气资 源，并制定一系列针对煤层气及相关产业发展的政策。温家宝总理明确指出：“开 发和利用煤层气既可治理瓦斯，又可利用能源，一举两得，应加大科研、开发力 度。 2 0 0 6 年6 月1 5 日国务院办公厅颁发了国办发 2 0 0 6 1 第4 7 号关于加快煤 层气( 煤矿瓦斯) 抽采利用的若干意见，规定了一系列鼓励和加快煤层气开发 和利用的有力措施，为我国煤层气工业的发展起了巨大的推动作用1 14 j 。 在液化装置方面，1 9 9 2 年建成投产的四川液化天然气装置，由中科院北京 科阳气体液化联合公司与四川简阳低温设备公司共同研制用于调峰及气代油示 范工程的3 0 0 l h 的液化装置，该装置采用带膨胀机的液化流程，但只有1 0 左 右的液化率；1 9 9 6 年，由吉林油田、中石油、中科院低温中心研制的5 0 0 l h 的 氮膨胀机液化循环装置成功试车，该装置实现撬装化设计，且设备国产化，但设 备能耗偏高；1 9 9 9 年1 月陕北气田l n g 示范工程建成投产，日处理量2 0 0 0 0 标 立方，装置采用气波制冷和透平膨胀机联合制冷，燃气轮机驱动，为开采偏远煤 层气资源提供经验；2 0 0 3 年中原油田联合德国林德公司、法国索菲公司、中科 院低温中心、上海交大等国内外1 0 余家单位设计的级联式液化流程通过验证， 该装置的液化能力为1 0 0 0 0 0 m 3 d ，该装置设备投资较高，但充分利用气田高压 力，液化能耗相对较低。上海天然气液化装置，采用混合制冷剂液化流程，液化 能力1 0 0 0 0 0 m 3 d ，由法国索菲公司2 0 0 9 年3 月2 3 日设计。 在高校研究方面，哈工大低温与超导研究所设计制作一套日产5 m 3l n g 的 针对低浓度煤层气设计的液化装置，采用撬装式模块化设计【1 5 】；上海交通大学顾 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 安忠领导的课题组对天然气液化流程进行了系统的模拟，包括基本负荷型和调峰 型液化流程的热力学模拟、参数优化、优化分析等【6 1 ；天津大学设计的小型液化 装置采用单级混合制冷剂工艺，操作简便、效率高，适用小型l n g 装置 3 l 】。 在国家的大力推动下，煤层气液化技术得到快速的发展，但相对于中国的煤 层气的利用特点，及煤层气资源的的情况，我国煤层气液化技术的发展还有较大 的空间。 表1 1 国内外开发研制的小型天然气液化装置【3 7 1 无津大学硕士学位论文第章文献综述 1 3 液化装置流程分析 煤层气的主要成分及热物理性质和天然气相似，因此，煤层气的渡化流程和 天然气的液化流程相似，借鉴液化天然气发展中的典型液化流程，并在此基础上， 针对煤层气的液化特点对液化流程中的某些环节进行组合优化，目前，根据制冷 方式不同，主要有以下主要的液化流程： 3 1 级联式液化流程 级联式液化流程又称阶式( c a s c a d e ) 液化流程、复叠式液化流程，是最早 应用于天然气液化的流程，下图是级联式液化流程圈： 图1 3 纽联式液化流程 由上图所示级联式液化流程由三级独立的的制冷循环构成根据循环制冷剂 不同分为丙烷循环、己烯循环、甲烷循环，每一个循环由三个换热器、气液分离 器、节流阀、混台气组成九个换热器将煤层气的温度逐渐降低至液化温度，可 以减少各个换热器的换热温差，不可逆换热损失较少。 丙烷制冷循环主要是为天然气、乙烯循环、甲烷循环预冷，循环中制冷剂丙 烷经压缩机压缩，经冷却后经节流阀降温降压，通过气液分离器分离后气态制冷 剂和一部分液态丙烷经第一换热器吸收乙烯、甲烷、天然气的热量，后进人压缩 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 机；另一部分液态丙烷经节流、降温、降压后一部分进入第二换热器提供冷量， 汽化后进入压缩机；余下的液态丙烷经节流、降温、降压后为第三个换热器提供 冷量，汽化后进入压缩机压缩。 乙烯和甲烷循环与丙烷循环类似，乙烯循环制冷剂压缩后经过丙烷循环预冷 后节流，甲烷循环经丙烷循环和乙烯循环预冷节流。 级联式制冷循环各级的蒸发温度分别能达到2 3 5 k 、1 8 8 k 、1 1 3 k 对煤层气 进行三级冷却，煤层气经各个换热器后的出口温度一般为：第一个丙烷换热器出 口2 7 3 k ；第二个丙烷换热器出口2 5 3 k ；第三个丙烷换热器出口2 3 3 k ；第一个 乙烯换热器出口1 9 3 k ；第二个乙烯换热器出口1 9 3 k ：第三个乙烯换热器出口 1 7 3 k ；第一个甲烷换热器出口1 5 3 k ；第二个甲烷换热器出口1 3 3 k ：第三个甲 烷换热器出口1 1 3 k 1 6 ，每个换热器的温度降在2 0 k 左右。 级联式液化流程的优点： ( 1 ) 能耗低，各级各换热器之间温差小，可用能损失小，流程效率高： ( 2 )制冷剂为纯烃物质，较易获得，各级独立循环，无制冷剂配比问题； ( 3 )该技术发展时间最长，技术成熟且机组运行稳定 缺点： ( 1 )机组设备多，系统复杂，三个压缩机，冷箱内九个l n g 换热器； ( 2 )附属设备多，需要多种生产储存三种制冷剂的设备； ( 3 )系统庞大，不适合撬装化，且控制系统复杂，设备初投资高，管理 维护成本高。 由于液化流程设计的快速发展，单纯级联式的液化流程已经很少再被设计应 用，但是其他液化流程的设计经常借鉴级联式流程的的某些部分进行复合，设计 出更优化的流程。 1 3 2 混合制冷剂液化流程( m r c ) 混合制冷剂液化流程主要以n 2 及c 1 , - - c 5 的碳氢化合物等组分组合为混合制 冷剂，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步 冷却和液化煤层气的目的【6 】。混合制冷剂液化流程分为开式和闭式两种。开式混 合制冷剂液化流程主要用在液化天然气工艺中，天然气既是制冷剂又是被冷却对 象。闭式混合制冷剂液化流程的制冷循环和煤层气液化过程分开，自成一个独立 的制冷系统。煤层气液化流程中由于不同地区煤层气的组分波动较大，多采用闭 式混合制冷剂液化流程。 混合制冷剂常由n 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 3 h 8 、c 4 h l o 和c 5 h 1 2 组成，这些组分通 常可由天然气中提取。通过调节各组分制冷剂的温度和压力，为各换热器提供相 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 应的温度，以适应煤层气的组分变化。 下图是闭式混台制冷剂液化流程图 韫合制挣剂藏化流程( m r c r ：j ! 赢葡囊# 嘲_ 。 1 ：劳 凿霉萱懿q 醐” 目f 4 i 圉1 4 混台制冷剂液化流程 图1 4 中，混合制冷剂经过压缩机压缩后，先经过水冷却，产生气液两相进 入分离器，分离后气液两相分别进入换热器h e i ，液相经过h e i 过冷后经节流 阀降温降压后与后续流程的返流气混台共同为换热器h e l 提供冷量，冷却煤层 气和分离器出来的气相制冷剂；气相制冷剂经过h e l 冷却，进入第二换热器s e p 2 进行气液分离，液相经换热器h e 2 过冷后节流降温与后续流程的返流气混合共 同为换热器h e 2 提供冷量，冷却气相制冷剂并进一步冷却煤层气；气相制冷荆 经过换热器h e 3 降温，经v 3 节流后为换热器h e 3 提供冷量，为煤层气进行深 度冷却煤层气经过三个换热器冷却后进一步节流降温经分离器后分离出液化 煤层气和燃料气。 混台制冷剂液化流程中，混合制冷剂的组分、组份配比不同制冷剂在个换热 器中的蒸发温度也不相同通过合理选择和配比制冷剂可以使各个抉热器内部的 换热温差尽量小，从而提高流程的效率，制冷剂的选择和配比问题将在后续章节 做进一步研究。 混合制冷剂液化流程( m r c ) 是目前最具活力和生命力的制冷工艺，它的 最大特点是混台工质在换热器内的热交换过程是个变温过程，能与同样是混合组 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 分的天然气相匹配，因此可使冷热流体间的换热温差保持较低的水平，其实它等 价于级联式液化流程在无穷级数时的极限，但又避免了级联式系统复杂的缺点。 目前全球各大l n g 设备公司为争夺市场展开了激烈的竞争，如美国空气产品公 司开发的a p c i 和a p x 流程，法国燃气公司开发的c i i 流程，以及壳牌公司设 计的d m r 流程，它们都是m r c 的变种，代表了天然气液化技术的发展趋势【l 6 】。 混合制冷剂液化流程的优点： ( 1 ) 机组设备少，投资省。相比级联式流程，由于采用混合制冷剂，只需 要采用一组混合制冷剂压缩机，采用一台集成l n g 换热器，投资较级联式流程 节省1 5 一2 0 ； ( 2 ) 流程简单，适合撬装化。管线连接复杂程度及设备尺寸规模大幅改善； ( 3 ) 制冷剂成本低，可以部分或全部由从原料气中补充； 缺点： ( 1 ) 能耗较高。由于采用集成的l n g 换热器，各换热器中的温差较大，换 热效率效率相对级联式低； ( 2 ) 混合制冷剂的配比困难，系统运行中制冷剂在某一环节部分组分泄漏 后，容易导致制冷剂的配比变化； ( 3 ) 流程中制冷剂和煤层气都是多元混合物，且在流程中都发生相变及组 分的改变，为系统的模拟带来困难。 1 3 3 带预冷的混合制冷剂液化流程 带预冷的混合制冷剂液化流程液化流程是在混合制冷剂和级联式液化流程 的基础上发展起来的，通常采用丙烷预冷( c 3 僦) ，以下结合丙烷预冷对该 流程进行介绍。 该循环结合了两种液化流程的优点于一身，该液化流程的系统图如1 3 所示， 流程主要由三个循环组成，两个闭式循环：丙烷预冷循环和混合制冷剂循环，一 个开式循环：一煤层气液化循环。混合制冷剂经两级压缩压缩机压缩至高温高压， 首先用水冷却带走部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷，预冷后进入气液分离 器分离成气液两相，后续流程和混合制冷剂液化流程一致。煤层气液化的开式循 环中煤层气也要先经过丙烷预冷循环制冷。 在丙烷预冷循环中，丙烷经过三个温度级的换热器为煤层气和混合制冷剂预 冷，丙烷经过压缩机压缩至高压，经水冷器换热后节流，气相回压缩机，液相分 两份，一部分用于冷却高温级换热器，一部分节流后进入中温级换热器，液相部 分一部分用于中温级的冷却，最后一部分节流后进入低温级换热器。 天律大学硕士学位论文第一章文献综述 丙烷硬睁的程台制痔帑藏他矗程 一囊! j 嘲；苟毒嘉南吼 ：芦耸i 辜磷i 童耋毓f 订习i ；习| 筝j 蠢兰萱雨强 姆三1 眄卜j 叫呵| _ 蜥# 矗兰槛壁笪笋槛二_ 1 二_ ? 母一一! j 一一茸坳互 图l o 丙烷预狰的混合制冷剂 丧化流程图 带丙烷预玲的混台制冷剂是一种高效简单的流程，所阻2 0 世纪7 0 年代以来， 该流程广泛应用于基本负荷型液化天然气装置中，目前世界上8 0 以上的基本负 荷型天然气液化装置采用该流程，该液化流程的操作弹性很大，当生产能力降低 时，可以通过改变制冷剂组成及降低吸入压力来保持混合制冷剂的效率，当需液 化的原料气发生变化时，可以通过调整混合制冷剂组成及混合制冷剂压缩机吸 和排出压力，也可以保持较高的液化效率 6 。 13 4 带膨胀机的液化流程 带膨胀机的液化流程指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德 循环制冷实现天然气液化的流程_ 】。如果原料气与离开装置的商品气有足够高的 压差，可以利用透平膨胀机膨胀功驱动压缩机而不需要外加能量输入。 目前该液化流程主要有天然气膨胀液化流程，主要应用于城市天然气调峰 装置，利用输气管道的压力，但液化率不高：氮气膨胀液化流程，该流程简单紧 凄运行灵活，由于采用单组分氮气制冷剂，但是该流程换热温差大，功耗较高； 天津大学硬士学位论文第一章文献综述 氢甲烷膨胀液化流程，该流程用氪一甲烷混合制冷剂代替纯氮可以缩小冷端的 换热温差，降低约1 0 2 0 的功耗。 氨一甲烷膨胀液化流程如图l _ 4 所示： h 2c t t 4 膨胀机化流 一卜谭争口嗣勇司母 j 二i 二；裔譬鑫i 岔 。篡询“。* g j n 谩层*e 圈l ，6 氟一甲烷膨胀渡化流程 j 妒 一# 。 鞘加” 预处理后的煤层气经过前两个换热器进行重烃分离，后气相进入低温换热器 后节流_ ；壹化。该液化流程具有流程简单、容易控制、混台制冷剂的组合及捌定方 便等优点。但是能耗偏高。 l35 其他液化流程 ( 1 ) c 液化流程法国燃气公司研发的种新型的混合制冷剂液化流程， 即整体结合式级联型液化流程，简称c i i 液化流程，该流程具有流程简单设备少 等优点流程增加分馏塔，将混合制冷剂分为重、轻两种组分，重组分冷却节流 为煤层气和轻组分碗拎，轻组分在拎箱底部用于冷凝、过冷煤层气；冷箱才采用 高教钎捍铝板翅式换热器，体积小、便于安装旧。我国在上海建造的第一座调峰 型天然气液化装置就是采用c i i 液化流程。 ( 2 ) 双级混合制冷剂液化流程【1 7 1 该流程将气液分离器混合制冷剂中的重烃 分离出来节流后降温返流作为预拎换热器的冷源，供煤层气预冷，咀此代替丙 烷预冷循环，简化液化流程混合制冷剂中相应增加重烃的含量，由氢，甲烷、乙 一 。 州一_ 三j 璺。 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷组成，这些组分在不同温度区间凝 结蒸发，是煤层气逐步冷却液化。 此外，由上述流程的某个部分组合优化形成的液化流程还有很多，不再一一 赘述。 1 3 6 不同液化流程之间的对比分析 以下对主要液化流程进行对比分析【1 6 】【1 8 】【1 9 】： 表1 2 各液化流程对比分析 1 4 本论文研究的对象及主要内容 本文根据课题的要求，对撬装式煤层气的液化工艺流程进行研究，拟采用改 进的双级混合制冷剂液化流程，利用a s p e np l u s 过程模拟软件对双级混合制冷剂 煤层气液化流程进行优化设计和模拟，针对煤层气的液化特点，本文主要对以下 方面进行研究： ( 1 ) 分析我国煤层气资源的特点，及国内外煤层气液化技术的研究现状， 对小型液化装置在我国的应用优势进行分析，并对现有的液化流程进行分析对比 选择双级混合制冷剂液化流程作为本论文的研究重点； 天津大学硕士学位论文第一章文献综述 ( 2 ) 对煤层气和混合制冷剂的热物性进行研究计算，用p r 方程用于相平 衡计算，l k p 方程进行焓和熵的计算； ( 3 ) 对流程中的主要设备模块压缩机、换热器、气液分离器、节流阀、水 冷器、混合器等进行模拟分析，和设备选型； ( 4 ) 用a s p e np l u s 过程模拟软件对带丙烷预冷的混合制冷剂液化流程进行 模拟，并将模拟结果与前人的计算对比，分析软件模拟误差； ( 5 ) 对混合制冷剂液化流程进行设计改进，并用a s p e np l u s 软件进行模拟， 并对模拟结果进行分析，对煤层气的主要成分、混合制冷剂的配比以及气液分离 器工况变化对流程的影响做分析研究。针对煤层气的液化过程的爆炸极限进行计 算分析。 1 5 本章小结 本章对我国煤层气的资源特点及制约因素进行分析，阐述在我国矿区采用撬 装式煤层气液化装置的优势及研究意义。对国内外的液化技术的进展进行概括， 并对目前国内外的主要的液化流程：级联式、混合制冷剂、带预冷的混合制冷剂、 带膨胀机的液化流程以及ci i 和双级混合制冷剂液化流程的工作原理及其应用 特点进行阐述，并对各液化流程的装置复杂程度、能耗、投资成本的因素进行权 衡和评价，最后对本论文的研究内容进行概括总结。 天津大学硕士学位论文 第二章煤层气及混合制冷剂的热物性计算 第二章煤层气及混合制冷剂的热物性分析 2 1 煤层气的热力学性质参数 煤层气