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。
技术实现要素：
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（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）组成，所述管道（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）与管道（4）相连，所述管道（4）与第二主换热器（e2）相连，所述第二主换热器（e2）与管道（5）相连，所述的管道（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管道（6）依次与脱氢塔塔顶冷凝器（e3）、第一塔顶分离器（d1）连通，所述脱氢塔塔顶冷凝器（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（d1）底部液体通过管道（8）返回脱氢塔作为回流液；所述脱氢塔（t1）底部液相经管道（12，13，14）、节流阀（v1）、第二主换热器（e2）与甲烷精馏塔（t2）中部入口连通。
作为优选：所述甲烷精馏塔（t2）塔顶部分离出的气相经管道（15）依次与甲烷精馏塔塔顶冷凝器（e4）、第二塔顶分离器（d2）连通，所述甲烷精馏塔塔顶冷凝器（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，在经管道（21）与从管道（11）来的富氢气混合后汇入管道（22），作为净化气产品（产品1）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管道（25～30）依次经节流阀（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（产品2）送出装置；另一部分液体通过管道（31、32、33）依次与第二主换热器（e2）、节流阀（v3）连通，作为lng产品（产品3）送出本装置，所述该甲烷精馏塔（t2）设置了甲烷精馏塔塔底再沸器（e5），为热虹吸再沸器，其热流流股管道与进冷箱的工艺气管道（3、4）连通，冷流流股管道与甲烷精馏塔底部液体管道（23、24）连通，由工艺气为甲烷精馏塔再沸器（e5）提供热量。
作为优选：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，通过管道（40）与第二冷剂分离器（d6）气相管道（44）连通；从混合冷剂压缩机（k1）来的高压液相混合冷剂通过管道（41、42）与第一主换热器（e1）连通后经节流阀（v5）节流降温并产生气液两相，气液两相物流通过管道（43）与第二冷剂分离器（d6）连通，第二冷剂分离器（d6）的气相在管道（44）中与管道（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，经管道（46）与混合冷剂压缩机（k1）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（k2）控制，所述氮气压缩机（k2）来的高压氮气通过管道（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，一部分通过管道（50、51）依次与节流阀（v6）、第一液氮分离器（d3）、脱氢塔塔顶冷凝器（e3）连通；另一部分通过管道（52、53）依次与节流阀（v7）、第二液氮分离器（d4）、甲烷精馏塔塔顶冷凝器（e4）连通；管道（51）和管道（53）的低压氮气物流通过管道（54）汇合，并经管道（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。
作为优选：所述根据以上权利要求所述的主换热器（e1、e2）、设置于脱氢塔的塔顶冷凝器（e3）和设置于甲烷精馏塔的塔顶冷凝器（e4）均为板翅式换热器。
作为优选：所述塔底再沸器（e5）为板翅式换热器。
作为优选：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。
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），通过管道（3）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）、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，通过管道（40）接至第二冷剂分离器（d6）气相出口管道（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，气相在管道（44）中与管道（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）、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。
技术特征：
1.一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）通过管道（1）连接，其特征在于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）组成，所述管道（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）与管道（4）相连，所述管道（4）与第二主换热器（e2）相连，所述第二主换热器（e2）与管道（5）相连，所述管道（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管道（6）依次与脱氢塔塔顶冷凝器（e3）、第一塔顶分离器（d1）连通，所述脱氢塔塔顶冷凝器（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（d1）底部液体通过管道（8）返回脱氢塔作为回流液；所述脱氢塔（t1）底部液相经管道（12，13，14）、节流阀（v1）、第二主换热器（e2）与甲烷精馏塔（t2）中部入口连通。
2.根据权利要求1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，其特征在于所述甲烷精馏塔（t2）塔顶部分离出的气相经管道（15）依次与甲烷精馏塔塔顶冷凝器（e4）、第二塔顶分离器（d2）连通，所述甲烷精馏塔塔顶冷凝器（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，在经管道（21）与从管道（11）来的富氢气混合后汇入管道（22），作为净化气产品（产品1）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管道（25～30）依次经节流阀（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（产品2）送出装置；另一部分液体通过管道（31、32、33）依次与第二主换热器（e2）、节流阀（v3）连通，作为lng产品（产品3）送出本装置，所述甲烷精馏塔（t2）设置了甲烷精馏塔塔底再沸器（e5），为热虹吸再沸器，其热流流股管道与进冷箱的工艺气管道（3、4）连通，冷流流股管道与甲烷精馏塔底部液体管道（23、24）连通，由工艺气为甲烷精馏塔再沸器（e5）提供热量。
3.根据权利要求1和2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，通过管道（40）与第二冷剂分离器（d6）气相管道（44）连通；从混合冷剂压缩机（k1）来的高压液相混合冷剂通过管道（41、42）与第一主换热器（e1）连通后经节流阀（v5）节流降温并产生气液两相，气液两相物流通过管道（43）与第二冷剂分离器（d6）连通，第二冷剂分离器（d6）的气相在管道（44）中与管道（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，经管道（46）与混合冷剂压缩机（k1）连通进行压缩循环。
4.根据权利要求3所述的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，一部分通过管道（50、51）依次与节流阀（v6）、第一液氮分离器（d3）、脱氢塔塔顶冷凝器（e3）连通；另一部分通过管道（52、53）依次与节流阀（v7）、第二液氮分离器（d4）、甲烷精馏塔塔顶冷凝器（e4）连通；管道（51）和管道（53）的低压氮气物流通过管道（54）汇合，并经管道（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。
5.根据权利要求5所述的的双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产lng和cng的装置，其特征在于所述主换热器（e1、e2）、设置于脱氢塔的塔顶冷凝器（e3）和设置于甲烷精馏塔的塔顶冷凝器（e4）均为板翅式换热器。
6.根据权利要求2所述的的双制冷循环分离煤制合成气中甲烷生产lng和cng的装置，其特征在于所述塔底再沸器（e5）为板翅式换热器。
7.根据权利要求1所述的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。
技术总结
本发明公开了采用双制冷循环方式用于分离含有一氧化碳、氢气、甲烷和少量氮气等的煤制合成气中甲烷生产LNG和CNG的深冷分离装置及方法，包括分子筛净化单元（Ⅰ）和深冷分离冷箱（Ⅱ），深冷分离冷箱包括用于换热的两个主板翅式换热器（E1、E2），用于脱除氢气的脱氢塔（浮阀塔）（T1）、设置的塔顶冷凝器（E3）及连接管道、用于分离甲烷的甲烷精馏塔（填料塔）（T2）、设置的塔顶冷凝器（E4）和塔底再沸器（E5）及连接管道，以及用于制取冷量的混合冷剂循环系统（34～46）和氮气循环系统（47～56）。本发明能够得到甲烷含量低于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，占地面积小，能耗低，投资小，适用于大型煤制合成气分离甲烷得到纯净合成和LNG、CNG的深冷分离装置。
技术研发人员：张宽;秦燕;曲涛;郑书东;曲莎莎;周寒秋;柯云龙;卫光普;苗小伟;吴嘉
受保护的技术使用者：杭州杭氧股份有限公司
技术研发日：.06.25
技术公布日：.02.07
