含氧煤層氣液化流程安全性分析與措施

鄧 驥 諸 林 肖 婭 趙啟龍

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

含氧煤層氣液化流程安全性分析與措施

鄧 驥 諸 林 肖 婭 趙啟龍

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院)

礦下抽采的煤層氣由于混有空氣而在液化中存在爆炸危險(xiǎn)。通過(guò)將HYSYS對(duì)常規(guī)液化分離流程的模擬結(jié)果與爆炸極限理論相結(jié)合進(jìn)行分析計(jì)算得出:爆炸危險(xiǎn)主要集中在冷凝終了處和精餾塔頂部。進(jìn)而提出降低壓縮機(jī)出口壓力或提高最終冷凝溫度;嚴(yán)格控制精餾塔塔頂氣相CH4含量在爆炸上限之上,塔頂氣用N2惰化后再與液氮逆流接觸以進(jìn)一步回收CH4。計(jì)算表明,當(dāng)N2注入比達(dá)0.6(摩爾比),氣相CH4含量曲線將繞過(guò)臨界點(diǎn)進(jìn)入安全區(qū)。采取措施后CH4有較高收率且液化流程安全性得以提高。

含氧煤層氣 液化 模擬 爆炸極限 惰化

目前,煤層氣開(kāi)采主要有地面抽采和礦下抽采兩種方式,后者在實(shí)際開(kāi)發(fā)中采用較普遍。地面抽采的煤層氣CH4體積分?jǐn)?shù)可達(dá)98%,能直接利用;礦下抽采的煤層氣CH4體積分?jǐn)?shù)一般只有30%～ 70%[1-2],其余主要是空氣。含氧煤層氣脫氧是礦下煤層氣利用的技術(shù)瓶頸,目前主要的脫氧方法有低溫液化分離、變壓吸附、燃燒脫氧和膜分離等[1,3-4]。其中,低溫液化分離法通過(guò)液化來(lái)實(shí)現(xiàn)脫氧,同時(shí)得到液態(tài)產(chǎn)品,由于其脫除雜質(zhì)徹底、產(chǎn)品純度高而成為常用方法[1,4]。含氧煤層氣在液化過(guò)程中由于氧的存在而面臨爆炸危險(xiǎn)[2,3,5]。因此,保證流程安全極其重要。

1 液化流程模擬

采用的原料氣組成如表1所列[1,3,6]。圖1為典型含氧煤層氣液化分離流程[1,3-4,6],該流程主要由煤層氣液化分離和冷劑制冷系統(tǒng)組成。在液化分離系統(tǒng)中,煤層氣分別經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓縮機(jī)和冷卻器升壓及初步冷卻后,依次進(jìn)入各冷箱逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降溫并液化。液化了的煤層氣經(jīng)節(jié)流閥降溫降壓后在精餾塔中完成脫氧脫氮。其中,N2和O2從塔頂排出并返回冷箱回收冷量,高純度的液態(tài)產(chǎn)品從塔底采出。在N2-CH4制冷循環(huán)中,制冷劑經(jīng)兩級(jí)壓縮升至高壓,又經(jīng)兩級(jí)冷卻降至常溫。制冷劑先后進(jìn)入冷箱1、2降溫,然后再進(jìn)入膨脹機(jī)降溫降壓后進(jìn)入冷箱3進(jìn)一步降低溫度,最后通過(guò)膨脹機(jī)以獲得盡量低的溫度和盡量多的冷量。低溫低壓的氣體為精餾塔塔頂提供冷量后返回各冷箱,冷卻原料氣和制冷劑自身。在丙烷循環(huán)中,丙烷先后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)、冷卻器和節(jié)流閥后通過(guò)冷箱1,為制冷劑和煤層氣提供冷量。

表1 原料氣組成Table 1 Volume fraction of raw gas component

設(shè)定原料氣溫度30℃、壓力150 k Pa、流量取1 kmol/h[6]。利用HYSYS建立典型含氧煤層氣液化分離模型,采用在低溫領(lǐng)域應(yīng)用較多的P-R方程計(jì)算相平衡特性[5-6]。壓縮機(jī)絕熱效率為85%、膨脹機(jī)等熵效率為80%,換熱器壓降為10 k Pa,液態(tài)產(chǎn)品壓力為200 k Pa[1,3],CH4純度設(shè)定為99%(摩爾分?jǐn)?shù))[7]。液化分離中主要物流點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 流程主要物流點(diǎn)參數(shù)Table 2 Parameters of main material flow points in process

2 安全性分析

溫度、壓力和組成的變化都會(huì)影響爆炸極限,流程中某些位置有可能因此進(jìn)入爆炸范圍[3,5]。因此,基于流程模擬數(shù)據(jù),通過(guò)考察氣相CH4含量與CH4的爆炸極限間關(guān)系來(lái)分析流程安全性。

2.1 爆炸極限

Coward爆炸三角形如圖2所示,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)區(qū),分別為欠CH4區(qū)、爆炸區(qū)、欠氧區(qū)和安全區(qū)[2]。除爆炸區(qū)以外,其他區(qū)都會(huì)因?yàn)槿鄙貱H4或O2而不具有爆炸性。C為臨界點(diǎn),O2含量低于C點(diǎn),CH4就失去爆炸性。LC為爆炸下限,UC為爆炸上限[2,8-10]。

常溫常壓下,CH4在空氣中的爆炸范圍為5%～15%(體積分?jǐn)?shù))[2]。吳劍鋒將CH4、N2、O2的比例擴(kuò)展到全濃度范圍,CH4的爆炸下限和上限計(jì)算分別如式(1)和式(2)[2]。式中,XCH4為CH4體積分?jǐn)?shù),%;XO2為O2體積分?jǐn)?shù),%。

根據(jù)爆炸理論,壓力升高,爆炸下限略有下降,爆炸上限則有較大上升;溫度上升,爆炸上限上升,爆炸下限下降,不同的溫度壓力下爆炸三角形也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[11-12]。具體計(jì)算如式(3)、式(4)。

式中,Umix為特定溫度壓力下CH4的爆炸上限,% (體積分?jǐn)?shù),下同);Lmix為特定溫度壓力下CH4的爆炸下限,%;UCH4為常溫常壓下CH4的爆炸上限, %;LCH4為常溫常壓下CH4的爆炸下限,%;p為壓力,MPa;t為溫度,℃。

在含氧煤層氣液化過(guò)程中,氣相N2含量增加。煤層氣可視為貧氧空氣和CH4的混合物,其在不同溫度、壓力和組成條件下,CH4的爆炸極限可以采用式(5)和式(6)計(jì)算[3,5-6,13]。

式中,c1為無(wú)空氣基CH4摩爾分?jǐn)?shù)(cin=1-c1),%;n1為1 mol CH4完全燃燒所需要的O2量, mol。

在精餾分離中,氣相CH4、O2和N2含量都有較大變化,可能出現(xiàn)CH4與富氧空氣混合的情況。結(jié)合式(1)至式(4),可以推導(dǎo)出在此情況下的爆炸極限公式,如式(7)和式(8)。

式中,XN2為混合氣體中N2的體積分?jǐn)?shù),%。

2.2 壓縮、冷凝和節(jié)流過(guò)程

煤層氣精餾之前,首先要經(jīng)過(guò)加壓、冷凝和節(jié)流過(guò)程。加壓過(guò)程中溫度和壓力同時(shí)上升,爆炸范圍變寬,爆炸上下限分別在壓縮機(jī)出口達(dá)到極值。模擬結(jié)果表明,壓縮1和壓縮2中原料氣均未發(fā)生相變,CH4體積分?jǐn)?shù)保持60%不變。由式(3)計(jì)算得到CH4的爆炸上限分別為34.81%和45.71%(體積分?jǐn)?shù),下同),這始終低于CH4含量。因此,在壓縮過(guò)程中不存在爆炸危險(xiǎn)。

圖3顯示了煤層氣在30℃到-140℃降溫過(guò)程中氣相CH4含量、爆炸極限和氣相分率的變化情況。30～-120℃范圍內(nèi),煤層氣氣相分率保持100%,組成不變,爆炸上下限圍成的爆炸范圍受溫度降低影響略有減小。溫度進(jìn)一步降低,相變發(fā)生,氣相CH4含量和氣相分率迅速下降,爆炸范圍也進(jìn)一步減小。在-140℃左右,氣相全部液化,但在-135℃左右,氣相CH4含量曲線與爆炸上限相交進(jìn)入爆炸范圍。因此,當(dāng)冷凝終了溫度低于-135℃時(shí),流程將存在安全隱患。有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,該進(jìn)入爆炸范圍的溫度隨壓力的降低而降低[5]。

CH4的爆炸極限和氣相CH4含量隨節(jié)流壓力的變化如圖4所示。在節(jié)流中,壓力和溫度同時(shí)降低,液相部分氣化,隨著節(jié)流閥出口壓力降低,受氣相CH4含量上升以及溫度和壓力降低影響,CH4的爆炸上限明顯下降,爆炸下限略有上升。在整個(gè)過(guò)程中,氣相CH4含量都在爆炸范圍之外,所以節(jié)流過(guò)程的安全性較高。

2.3 精餾過(guò)程

CH4和空氣的分離主要在精餾塔內(nèi)進(jìn)行,O2、N2從塔頂排出,塔底流出液態(tài)產(chǎn)品。定義當(dāng)量O2含量(X'O2)為混合氣體中由N2含量按空氣比例計(jì)算得到的O2含量(即X'O2=21XN2/79)。當(dāng)量O2含量大于實(shí)際O2含量時(shí),混合氣體可視為CH4和貧氧空氣的混合物,反之則視為CH4與富氧空氣的混合物。精餾塔內(nèi)氣相各組分及當(dāng)量O2含量的分布見(jiàn)表3(塔板由上向下編號(hào),0為冷凝器,下同)。顯然,塔內(nèi)氣相CH4從塔底到第一塊塔板都處于富氧環(huán)境,且當(dāng)量O2含量超出實(shí)際O2含量程度逐漸增大,從第一塊塔板到塔頂冷凝器,CH4則處于貧氧環(huán)境。

結(jié)合模擬數(shù)據(jù)和式(5)至式(8)得到精餾塔上部CH4的爆炸極限和氣相CH4含量隨塔板變化情況如圖5所示。從第5塊塔板到塔頂冷凝器,CH4的爆炸上限略有上升,此后逐漸下降。分析認(rèn)為,這主要是因?yàn)殚_(kāi)始時(shí),混合氣體富氧程度逐漸上升而后來(lái)又出現(xiàn)貧氧情況。CH4的爆炸下限在整個(gè)過(guò)程中略有上升,氣相CH4含量在塔頂則有明顯的下降。在第一塊塔板左右,氣相CH4含量曲線穿過(guò)爆炸上限進(jìn)入爆炸范圍,這表明在精餾塔頂部存在爆炸危險(xiǎn)。

表3 精餾塔內(nèi)氣相組成分布 (φ/%)Table 3 Composition distribution of gas in distillation column

3 安全措施

對(duì)典型含氧煤層氣液化分離流程的分析表明,在冷凝終了處和精餾塔頂部都存在爆炸的危險(xiǎn),為保證流程安全必須采取相應(yīng)措施。

保證流程中任何點(diǎn)的氣相CH4含量均處于爆炸范圍外即可實(shí)現(xiàn)流程安全。在一定的設(shè)計(jì)壓力下,冷凝終了處都會(huì)存在氣相CH4含量與爆炸上限相交的溫度[5]?？梢酝ㄟ^(guò)升高冷凝終了處溫度或降低壓縮機(jī)出口壓力來(lái)保證冷凝終了處的氣相CH4含量高于爆炸上限,但無(wú)論采用哪種方法都會(huì)造成其液化率降低,精餾的冷凝負(fù)荷增大,所以這需要綜合考慮。

針對(duì)精餾塔頂部存在的爆炸隱患,文獻(xiàn)[3]指出,可以控制精餾塔塔頂氣中的CH4含量高于爆炸上限以保證流程安全。但是,這會(huì)導(dǎo)致精餾塔塔頂氣中CH4含量較高、CH4收率較低,造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。吳劍峰等研究得出,向含氧煤層氣內(nèi)添加不可燃?xì)怏w可以抑制爆炸[2],在液化流程適當(dāng)位置增加惰性氣體含量,氣體就會(huì)失去爆炸性[7,14-15]。所以,可將精餾塔塔頂氣中CH4含量控制在爆炸上限之上,通過(guò)注入N2使精餾塔塔頂氣失去爆炸性,之后再通過(guò)吸收,回收其中的CH4,以提高CH4收率。經(jīng)過(guò)HYSYS初步模擬得到,這樣的改進(jìn)可使CH4的收率達(dá)99.99%,經(jīng)過(guò)吸收后的貧氣由于CH4含量極低而失去爆炸性,可以進(jìn)行全程冷量回收。

對(duì)精餾塔爆炸隱患采取的安全措施的核心在于注入N2過(guò)程安全,同時(shí)實(shí)現(xiàn)尾氣惰化。定義N2注入比為N2加注量與總量的比。圖6顯示了在N2的加注過(guò)程中氣相CH4含量和CH4的爆炸極限的變化。隨著N2注入比增加,氣相CH4含量和爆炸上限不斷下降,爆炸下限逐漸上升。爆炸上下限在N2注入比為0.6(摩爾比)左右時(shí)交叉,該交點(diǎn)即為爆炸三角性的爆炸臨界點(diǎn)C,繞過(guò)臨界點(diǎn)混合氣體即可失去爆炸性[13-15]。圖6中CH4含量曲線從臨界點(diǎn)上方經(jīng)過(guò),這表明在N2加注過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)爆炸危險(xiǎn),同時(shí)完成尾氣惰化。整個(gè)流程的安全性得以提高。

4 結(jié)論

本文基于HYSYS以CH4體積分?jǐn)?shù)為60%的煤層氣為原料,對(duì)含氧煤層氣脫氧中使用較多的液化分離流程進(jìn)行模擬,得到全流程的物料信息,發(fā)現(xiàn)精餾塔內(nèi)氣相從塔底到塔頂由富氧過(guò)渡到貧氧情況。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合爆炸極限理論進(jìn)行分析得出:壓縮和節(jié)流過(guò)程中的氣相CH4含量都高于CH4的爆炸上限,安全性較高,但冷凝終了處和精餾塔頂部由于氣相CH4含量會(huì)穿過(guò)爆炸上限而存在安全隱患。由此,為實(shí)現(xiàn)冷凝過(guò)程安全,提出減小壓縮機(jī)出口壓力或提高冷凝終了溫度;針對(duì)精餾塔塔頂?shù)碾[患提出嚴(yán)格控制精餾塔塔頂氣相CH4含量高于爆炸上限,并用N2將其惰化后與液氮逆流接觸回收其中的CH4,以提高CH4的收率。模擬表明,CH4收率可達(dá)99.99%,吸收之后的貧氣CH4含量極低,不存在爆炸危險(xiǎn),可實(shí)現(xiàn)冷量全程回收。對(duì)N2加注過(guò)程爆炸極限分析得出:N2注入比大于0.6 (摩爾比)后,氣相CH4含量繞過(guò)爆炸臨界點(diǎn)進(jìn)入安全區(qū),進(jìn)而失去爆炸性。研究結(jié)果將為含氧煤層氣液化分離流程的安全設(shè)計(jì)和操作提供參考。

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Security analysis and measures for the liquefaction process of oxygen-bearing coal-bed methane

Deng Ji,Zhu Lin,Xiao Ya,Zhao Qilong
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,Sichuan,China)

There is a risk of explosion during purifying the coal-bed methane coming from underground drainage,for the reason that the gas contains oxygen.In this paper,the results of simulation with HYSYS and the flammability limit theory were combined together to analyze the security of whole process.The results showed that the explosion hazard concentrated at the end of the condensation and on the top of rectification tower.The measure to reduce the compressor outlet pressure or raise the final condensation temperature was proposed.What′s more,the security measure was proposed to control the methane content of rectification tower gas above the upper limit of the explosion strictly,and then the inerting gas with nitrogen contacts with liquid nitrogen upstream for further recovery of CH4.The results indicate that when the value of nitrogen injection ratio is greater than 0.6(mole ratio),there is no danger of explosion liquefaction process,and both methane yield and process safety are improved greatly in this way.

oxygen-bearing coal-bed methane,liquefaction,simulation,flammability limits, inerting

TE687

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.05.023

2013-11-20;修改日期:2013-12-27;編輯:鐘國(guó)利

鄧驥(1990-),男,四川樂(lè)至人,西南石油大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事天然氣處理的科研工作。地址: (610500)四川省成都市西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。E-mail:djswpu@sina.cn