利用氮?dú)饨档秃趺簩託獾蜏鼐s塔內(nèi)氧含量

朱 菁 杜 非

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯研究分院，重慶 400037;2.中國中煤能源集團(tuán)銷售公司，北京 100120)

利用氮?dú)饨档秃趺簩託獾蜏鼐s塔內(nèi)氧含量

朱 菁1杜 非2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院瓦斯研究分院，重慶 400037;2.中國中煤能源集團(tuán)銷售公司，北京 100120)

含氧煤層氣易燃易爆，對(duì)其直接深冷精餾分離時(shí)，精餾塔內(nèi)氣相組分必定進(jìn)入爆炸范圍內(nèi)，存在爆炸危險(xiǎn)。利用N2可降低精餾塔內(nèi)O2濃度確保精餾過程安全。通過對(duì)三種N2進(jìn)入精餾塔的方式進(jìn)行比較，得到結(jié)論從精餾塔底部通入N2能使整個(gè)精餾塔安全。

含氧煤層氣 精餾塔 氧濃度 安全

目前，利用深冷精餾技術(shù)回收含氧煤層氣中的CH4生產(chǎn)LNG成為煤層氣利用熱點(diǎn)，并有小型含氧煤層氣直接深冷精餾分離CH4的實(shí)驗(yàn)裝置獲得成功。楊克劍和李秋英等人也分別對(duì)含氧煤層氣直接深冷精餾工藝進(jìn)行了理論研究。但另有學(xué)者認(rèn)為在含氧煤層氣直接深冷精餾過程中，精餾塔內(nèi)CH4濃度必然穿過爆炸極限范圍，存在安全隱患。針對(duì)這一問題，吳劍峰、薛魯?shù)热颂岢鱿蚓s塔通入N2降低塔內(nèi)O2濃度的措施確保精餾過程的安全，但未涉及到具體細(xì)節(jié)。本文首先對(duì)含氧煤層氣直接深冷精餾過程中精餾塔內(nèi)氣相組分的爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，然后對(duì)三種N2進(jìn)入精餾塔降低O2濃度的方式進(jìn)行比較。

1 精餾塔內(nèi)氣相爆炸危險(xiǎn)性分析

筆者根據(jù)參考文獻(xiàn)7中的含氧煤層氣組分進(jìn)行深冷精餾計(jì)算。進(jìn)入精餾塔的煤層氣參數(shù)見表1，計(jì)算條件見表2，精餾流程及精餾塔內(nèi)塔板編號(hào)見圖1。

精餾塔內(nèi)各個(gè)塔板氣相組分變化見圖2。從圖2中發(fā)現(xiàn)，在塔板1～4范圍內(nèi)CH4濃度小于5%，氮氧比小于2，處于CH4不足O2過量的狀態(tài)。由于CH4在純氧中的爆炸下限為5.1%，所以塔板1-4沒有爆炸危險(xiǎn)。

表1 進(jìn)入精餾塔的煤層氣參數(shù)

表2 精餾計(jì)算條件表

圖1 含氧煤層氣精餾流程及塔板編號(hào)示意圖

圖2 精餾塔內(nèi)各塔板上氣相組成變化

在塔板4～15范圍內(nèi)，CH4濃度從5%增加到38.3%，O2濃度下降，其中5～7塊塔板的氮氧比小于3，處于富氧狀態(tài);8～15塔板的氮氧比大于3，但仍然小于空氣中的氮氧比，處于略微富氧狀態(tài)。由于CH4濃度大于爆炸下限，O2濃度充足，所以塔板4～15存在爆炸危險(xiǎn)。

在塔板15～18范圍內(nèi)，CH4濃度從38.3%增加到64%，O2濃度從14.6%增加到30.5%，N2濃度逐漸減小到5%以下，可以認(rèn)為該范圍內(nèi)的氣相主要由摻入少量N2的CH4和O2組成。CH4在純氧中的爆炸范圍為5.1% ～61%，所以塔板15～18存在爆炸危險(xiǎn)。

在塔板18～30范圍內(nèi)，CH4濃度從64%變化到93%，O2濃度從30.5%逐漸減小到6%，N2濃度逐漸減小到1%以下，由于CH4濃度大于純氧中的爆炸上限，所以塔板18～30范圍內(nèi)沒有爆炸危險(xiǎn)。

通過上述分析可知，精餾塔內(nèi)塔板4～18范圍內(nèi)存在爆炸危險(xiǎn)，其中塔板4～15范圍內(nèi)N2濃度大于40%，但氮氧比小于空氣中的氮氧比，其爆炸極限可按照空氣中CH4爆炸極限適當(dāng)放寬來考慮。塔板15～18范圍內(nèi)N2濃度急劇減小到5%以下，O2濃度上升，其爆炸極限應(yīng)參照CH4-O2體系的爆炸極限考慮。另一方面，塔板1～4和塔板18～30范圍內(nèi)由于CH4濃度在爆炸極限之外而處于安全狀態(tài)。由于精餾塔內(nèi)CH4濃度從塔頂?shù)?.01%連續(xù)增加為塔底的93%，所以總會(huì)穿過爆炸極限，特別是塔板15以下，氮氧比急劇下降，CH4爆炸上限有較大提高，更易進(jìn)入爆炸區(qū)域。

為了消除精餾塔內(nèi)的安全隱患，可向精餾塔內(nèi)通入N2將O2濃度降低到臨界濃度以下，則無論精餾塔內(nèi)氣相中CH4濃度如何變化都沒有爆炸危險(xiǎn)。利用N2稀釋CH4-空氣混合氣體的臨界氧濃度為9.5%，為確保安全可使O2濃度小于8%，在文獻(xiàn)13中也推薦安全含氧量為8%。本文以將精餾塔內(nèi)各處氣相中O2濃度降低到8%為目標(biāo)，比較分別從精餾塔進(jìn)料處、精餾塔底和精餾塔頂通入N2對(duì)O2濃度的影響。

2 從精餾塔進(jìn)料處通入N2

圖3是從精餾塔進(jìn)料處通入N2的流程圖。所通入的N2溫度壓力與原料氣相同，先與原料氣混合，然后一起進(jìn)入精餾塔。筆者分別計(jì)算了N2流量 為 1000Nm3/h， 2000Nm3/h， 3000Nm3/h，4000Nm3/h，5000Nm3/h時(shí)對(duì)精餾塔內(nèi)氣相氧濃度的影響，結(jié)果在圖4中。

圖3 精餾塔進(jìn)料處通入N2流程示意圖

圖4 塔板上氣相氧濃度隨N2流量的變化

從圖4中看到，隨著通入的N2流量增加，第1～15塊塔板范圍內(nèi)的O2濃度下降，但15～30塊塔板范圍內(nèi)的O2濃度反而提高。15～30塊塔板范圍內(nèi)的O2濃度峰值集中在19～20塊塔板之間，隨著通入的N2流量增加，O2濃度峰值位置下移。筆者通過計(jì)算得到，進(jìn)料口通入 N2流量為13500Nm3/h時(shí)，1～15塊塔板范圍內(nèi)各處氧濃度低于8%，15～30塊塔板范圍內(nèi)氧濃度峰值位于第20塊塔板處達(dá)到 39.5%，該處 CH4濃度為58.45%，N2濃度2%，處于爆炸范圍內(nèi)。

圖5 回流的液氮量隨N2流量變化

圖6 16-19塊塔板液相N2濃度隨N2流量變化

由于進(jìn)料處通入的N2為氣態(tài)，進(jìn)入精餾塔后向上流動(dòng)，直接降低1～15塊塔板范圍內(nèi)的O2濃度，所以隨著通入N2流量增加，1～15塊塔板范圍內(nèi)O2濃度下降。另一方面，由于1～15塊塔板范圍內(nèi)上升氣量增大，為了使流出精餾塔的氣體中CH4濃度為0.01%，需要有更多液體回流，回流的液體是液氮和液氧的混合物，其中液氮流量逐漸增大 (見圖5)，并影響到進(jìn)料口以下塔板上液相的組成。圖6是第16～19塊塔板范圍內(nèi)液相中氮組分隨N2流量的變化趨勢。第16塊塔板位于進(jìn)料口下，隨著通入N2流量增加，其液相中氮組分明顯增加，到了第19塊塔板處，液相中氮濃度變化不大。由于液體中的氮組分只能由塔頂回流液提供，所以當(dāng)回流液流量增大時(shí)，一部分液氮在1～15塊塔板范圍內(nèi)沒有氣化，影響到進(jìn)料口以下的塔板物料組分，通入的N2越多，回流液越多，對(duì)進(jìn)料口以下塔板物料組分越大。但在第19塊塔板處上述影響變小，即在16～19塊塔板之間，液體中的氮組分急速氣化，將冷量交換給CH4和O2，使16～19塔板之間的部分CH4和O2以液體的形式向下流動(dòng)。由于O2的沸點(diǎn)比CH4低，所以在19塊塔板以下液氧又被氣化，在19～20塊塔板范圍內(nèi)形成了氧濃度峰值。隨著通入的N2流量增大，塔頂回流液氮量增大，液氮對(duì)進(jìn)料口以下塔板物料組分的影響變大，氧濃度峰值位置也下移。

綜合上述分析，從進(jìn)料口通入N2可以將1～15塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度降低，但同時(shí)會(huì)使15～30塊塔板范圍內(nèi)O2濃度提高，無法解決15～30塊塔板范圍內(nèi)的安全問題。

3 從精餾塔底部通入氮?dú)?/h2>

圖7是從精餾塔第30塊塔板處通入N2的流程圖。所通入的N2狀態(tài)為-142.6℃，405Kpa A。筆者分別計(jì)算了N2流量為1000Nm3/h，2000Nm3/h，3000Nm3/h，4000Nm3/h，5000Nm3/h時(shí)對(duì)精餾塔內(nèi)氣相氧濃度的影響，結(jié)果在圖8中。

圖7 精餾塔底通入N2流程示意圖

圖8 塔板上氣相氧濃度隨N2流量的變化

從圖8中看到，隨著通入的N2量增加，整個(gè)精餾塔內(nèi)O2濃度都在下降，對(duì)15-30塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度稀釋效果明顯。在通入3000Nm3/h的N2時(shí)，第15塊塔板下的氣體中氧濃度小于8%。N2對(duì)1-15塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度也有稀釋作用，但效果一般。筆者計(jì)算需要通入35500Nm3/h的N2才能使整個(gè)精餾塔內(nèi)O2濃度低于8%。

由于N2從第30塊塔板處進(jìn)入精餾塔，對(duì)15～30塊塔板范圍內(nèi)氣體中的O2濃度有直接稀釋作用。第15塊塔板為進(jìn)料板，由于進(jìn)料的影響，使N2對(duì)1～15塊塔板范圍內(nèi)的O2稀釋作用降低。另一方面，由于精餾塔內(nèi)上升氣量增大，為了使流出精餾塔的氣體中CH4濃度為0.01%，需要有更多的液體回流，回流的液體是液氮和液氧的混合物，其中液氧流量逐漸增大 (見圖9)，這部分液氧在1～15塊塔板范圍內(nèi)重新氣化，不利于氣相中氧濃度的降低。綜合進(jìn)料和回流液中O2變多的影響，部分抵消了塔底通入的N2對(duì)1～15塊塔板內(nèi)O2濃度的稀釋作用。但從圖9中看出，當(dāng)通入的N2超過4000Nm3/h時(shí)，回流液中的液氧流量變化不大，這是由于O2來自于原料氣，其回流量有最大值。同時(shí)原料氣狀態(tài)穩(wěn)定，對(duì)N2稀釋O2濃度的不利影響有限，所以若繼續(xù)增加塔底進(jìn)入的N2量，最終能將精餾塔內(nèi)的氣相中氧濃度降低到8%以下。

綜合上述分析，從精餾塔塔底通入N2對(duì)15～30塊塔板范圍內(nèi)O2濃度降低作用明顯，對(duì)1～15塊塔板范圍內(nèi)的O2濃度有稀釋作用，但效果不明顯。通過增大N2通入量，最終可以將精餾塔內(nèi)的O2濃度降低到8%以下，此時(shí)通入的N2流量是原料氣流量的7.1倍。

圖9 回流的O2流量隨N2流量的變化

4 從精餾塔頂部通入氮?dú)?/h2>

圖10是從精餾塔第1塊塔板處通入N2的流程圖。由于從精餾塔頂部進(jìn)入，所以通入的N2狀態(tài)為液態(tài)，其參數(shù)為-182℃，395KPa A。筆者分別計(jì)算了 N2流量為 1000Nm3/h，2000Nm3/h，3000Nm3/h，4000Nm3/h，5000Nm3/h時(shí)對(duì)精餾塔內(nèi)氣相氧濃度的影響，結(jié)果在圖11中。

圖10 精餾塔頂通入N2流程示意圖

從圖11中看到，從精餾塔頂通入N2能降低1～15塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度峰值，但降低效果不明顯，對(duì)15～30塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度沒有影響。當(dāng)塔頂通入5000Nm3/h的N2時(shí)，無法保證表2中規(guī)定的精餾塔計(jì)算條件，故沒有計(jì)算結(jié)果。

由于N2從第1塊塔板以液態(tài)形式進(jìn)入精餾塔，對(duì)精餾塔內(nèi)的氣相組分沒有直接的稀釋作用。液氮在1～15塊塔板范圍內(nèi)被氣化，無法影響到進(jìn)料口以下的塔板，所以15～30塊塔板范圍內(nèi)O2濃度沒有變化。在1～15塊塔板內(nèi)，液氮?dú)饣髮?duì)氧濃度有稀釋作用，但不如直接通入氣態(tài)N2稀釋作用明顯，所以在1～15塊塔板內(nèi)仍然有O2峰值出現(xiàn)。

綜合上述分析，從塔頂通入N2對(duì)1～15塊塔板范圍內(nèi)的氧濃度降低有一定作用，但無法降低15～30塊塔板內(nèi)的氧濃度。無法使精餾塔進(jìn)入安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

綜合比較3種向精餾塔通入N2來降低精餾塔內(nèi)氧濃度的方式可以得出，從進(jìn)料口通入N2能使1～15塊塔板范圍內(nèi)安全，但無法使15～30塊塔板范圍內(nèi)安全。從塔底通入N2對(duì)15～30塊塔板范圍內(nèi)氧濃度降低作用明顯，對(duì)1～15塊塔板范圍內(nèi)氧濃度的稀釋效果不明顯，當(dāng)通入的N2量足夠大時(shí)可以使整個(gè)精餾塔內(nèi)氧濃度降低到臨界值以下。從塔頂通入N2對(duì)1～15塊塔板范圍內(nèi)氣相的氧濃度有一定影響，對(duì)15～30塊塔板范圍內(nèi)沒有影響，無法使精餾塔進(jìn)入安全狀態(tài)。

另外，向精餾塔內(nèi)通入氣態(tài)的N2對(duì)氧濃度的直接稀釋效果明顯，若通入液態(tài)的N2，則需要經(jīng)過精餾塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程后才能對(duì)氣相中的氧濃度產(chǎn)生影響。所以若不考慮能量的消耗，從精餾塔底通入N2是降低精餾塔內(nèi)氧濃度最直接有效的方式。

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Decreasing Oxygen Concentration by N2in the Cryogenic Coal Mine Methane Rectifying Column

ZHU Jing1，DU Fei2
(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group，Chongqing 400037;2.China National Coal Group Co.，Beijing 100120)

Coal mine methane is flammable and easy to explode，so it is dangerous to obtain methane from coal mine methane by directly using cryogenic rectifying column.N2can decrease the oxygen concentration in rectifying column and ensure the safety.By comparison three methods of N2entering the rectifying column，it is found that N2entering the rectifying column from the bottom is the best way.

Coal mine methane;rectifying column;oxygen concentration;safety

“十二五”國家科技重大專項(xiàng) (2011ZX05041-004-002)

朱菁，男，工程師，主要研究方向?yàn)樘烊粴庖夯⒚簩託夂跻夯夹g(shù)及工程。

(責(zé)任編輯 劉 馨)