带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层气吸附净化系统

摘要

本发明涉及的带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层气吸附净化系统，其包括吸附塔系统和导热介质加热循环及冷却循环系统；吸附塔系统由三个并联且切换开启的吸附塔组成，一塔吸附，一塔加热解吸，一塔冷却：加热解吸过程中，利用来自外部循环的高温导热介质加热吸附剂，使其迅速升温解吸，同时通过少量净化后工艺气体作再生气，将解吸的杂质带出；冷却过程中，利用来自外部循环的低温导热介质冷却吸附剂，使其温度迅速下降，完成再生过程；可缩短吸附剂再生时间、减少再生气耗量，同时缩短吸附周期、降低吸附塔高度，吸附净化系统小型化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于天然气/煤层气吸附净化系统，主要涉及一种带外部介质换 热的移动撬装式天然/煤层气吸附净化系统，应用于天然/煤层气液化前的深度净化。

背景技术

天然气/煤层气在液化前须经过脱酸、脱水处理。在天然气/煤层气净化领域广 泛应用的主要有分子筛吸附法、醇胺法、改良热钾法、砜胺法等。目前大型煤层气 液化工厂中一般采用醇胺法脱酸+分子筛深度脱水的方式，而醇胺法中涉及到吸收塔 和再生塔等塔器，吸收塔和再生塔都比较高，一般都要超过15米，有的甚至达到30 米，这种高度的塔器很不利于净化装置的车载运输。

分子筛变温变压吸附技术是以吸附剂表面对气体分子的吸附为基础，利用吸附 剂对不同气体组分选择性吸附的特点，在过程的较低温度和较高压力下吸附混合气 中的某些组分，在过程的较高温度和较低压力下解吸这些被吸附的组分，以进行下 一次吸附步骤，多是采用多个吸附塔轮流操作。近些年，分子筛吸附酸性气体取得 了较大进步，新型高效的产品不断发现并应用；使分子筛吸附技术可满足车载可移 动式天然气/煤层气净化装置。

在原料气中CO₂含量小于0.5%时，传统的采用净化气加热再生的方式可以满足结 构紧凑及耗气量小的要求，实现撬装车载运输。但如果CO₂含量大于1%，在吸附周期 不变的条件下，则需要分子筛吸附剂装填量大大增加，致使吸附塔的高度超过4米， 不能满足撬装车载的要求；如缩小吸附周期，则可减少吸附剂的装填量和吸附塔高 度，但采用净化气作为再生气时耗气量将大大增加，甚至当吸附周期缩小到一定时 间内时，采用净化气作为再生气时在吸附周期内无法完成再生或冷吹。

如何既使吸附塔高度符合车载可移动要求，又尽量减少再生气的耗气量损失， 是可移动撬装式天然气/煤层气净化装置的需要解决的关键问题。

吸附剂的再生过程需要加热解吸，解吸完成后还要进行吸附剂的冷却，冷却至常 温才算完成吸附剂的再生，才可以循环使用。再生气一般可使用净化气，或使用外 部气源，但无论如何再生气必须是洁净、干燥的气体，能将分子筛中的水和酸性气 体吹除掉，而且不会给分子筛带来其它杂质。

目前，常规的天然气液化脱酸脱水装置有两塔流程和三塔流程（图1所示），在 两塔流程中，一塔进行吸附操作，另一塔进行吸附剂的加热解吸和冷却，然后切换 操作。在三塔或多塔流程中，切换的程序有所不同，通常三塔流程采用一塔吸附、 一塔加热解吸、一塔冷吹同时进行；在三塔方案中，冷吹气可再通入加热解吸塔起 到加热吹扫作用，大大减少了再生气的耗气量，也节约了加热能耗。常规的天然气 液化脱酸脱水装置示意图（3塔流程）如图1所示。

图1所示的三塔方案包括第一吸附塔100、第二吸附塔200、第三吸附塔300、 加热器400、调节阀900及程控阀等。

其工艺过程为：工艺气体经过程控阀101、第一吸附塔100和程控阀106，被净 化后流出。从净化后的工艺气体中引出部分气体作为再生气使用。通过调节阀900 调节再生气流量，再生气经程控阀203，进入第二吸附塔200，对其吸附剂进行冷却， 接着经程控阀204进入加热器400被加热，然后通过程控阀305流入第三吸附塔300 对其中的吸附剂进行加热解吸，然后通过程控阀302放空或用于别的用途。总的来 说，三个塔同时处于吸附，冷却和加热解吸的状态，当第一吸附塔100吸附结束后， 进入加热解吸过程，第二吸附塔200完成了冷却再生，进入吸附净化过程，第三吸 附塔300完成加热解吸，进入冷却过程。图1所示的三塔方案的缺陷：三塔方案虽 然能完成吸附剂的再生，但使用净化气作为再生气时，主要靠气体将吸附剂和塔体 加热至解吸温度，因此再生气耗气量比较大。且在一定的管径条件下，将吸附剂加 热至所需温度需要的时间会比较长，这也使得吸附装置切换周期较长，吸附装置难 以做到小型化。

发明内容：

本发明目的在于解决已有技术再生气耗气量大，吸附周期长，装置难以做到小型 化中的技术问题，而提供一种结构紧凑的带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层气 吸附净化系统，通过外加导热介质循环使吸附塔快速解吸和冷却，既缩短了分子筛 再生时间，又降低了再生气耗量。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层气吸附净化系统，其包括 吸附塔系统和导热介质加热循环及冷却循环系统，其中：

所述吸附塔系统包括：

并联且切换开启的第一吸附塔100、第二吸附塔200与第三吸附塔300；所述第 一吸附塔100、第二吸附塔200与第三吸附塔300顶端连接管道分别分为两路，该两 路中的一路分别通过程控阀连至工艺气体入口，该两路中的另一路分别通过程控阀 连至再生气体出口；所述第一吸附塔100、第二吸附塔200与第三吸附塔300底端连 接管道同样分为两路，该两路中的一路分别通过程控阀连至再生气体入口，该两路 中的另一路分别通过程控阀连至净化后工艺气体出口；

所述导热介质加热循环及冷却循环系统包括：

导热介质加热器400，第一导热介质泵500，第一导热介质换热管110、第二导 热介质换热管210、第三导热介质换热管310、导热介质冷却器600和第二导热介质 泵700；

所述导热介质加热器400出口管路连接导热介质泵500入口，导热介质泵500出 口分为三路：第一路通过程控阀连接第一导热介质换热管110入口，第一导热介质 换热管110出口通过程控阀连接导热介质加热器400入口形成第一循环回路；第二 路通过程控阀连接第二导热介质换热管210入口，第二导热介质换热管210出口通 过程控阀连接导热介质加热器400入口形成第二循环回路；第三路通过程控阀连接 第三导热介质换热管310入口，第三导热介质换热管310出口通过程控阀连接导热 介质加热器400入口形成第三循环回路；

第一导热介质换热管110入口、第二导热介质换热管210入口及第三导热介质换 热管310入口各自连接程控阀，然后并联通过第二导热介质泵700与导热介质冷却 器600出口相连；第一导热介质换热管110出口、第二导热介质换热管210出口及 第三导热介质换热管310出口各自连接程控阀，然后并联与导热介质冷却器600入 口相连；所述第一导热介质换热管110、第二导热介质换热管210及第三导热介质换 热管310分别位于吸附塔系统的第一吸附塔100、第二吸附塔200与第三吸附塔300 中，与塔中吸附剂紧密充分接触。

所述第二再生气体入口与所述净化后工艺气体出口通过调节阀800相连通。

所述第一导热介质换热管110、第二导热介质换热管210和第三导热介质换热管 310为螺旋管型换热器，蛇形管形换热器或竖直翅片管型换热器。

所述的导热介质加热器400为电加热加热器、燃烧加热加热器或热流体加热的 加热器。

所述的导热介质冷却器600为风冷冷却器、水冷冷却器或制冷机冷却冷却器。

所使用的导热介质为在10℃至300℃温区范围内性质稳定的无挥发性液体介质。

所述第一吸附塔100、第二吸附塔200和第三吸附塔300中的吸附剂为硅胶、三 氧化二铝、分子筛或其中两种或三种的组合。

所述工艺气体为富含甲烷的天然气、煤层气或页岩气。

本发明提供的带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层气吸附净化系统，其优点 如下：现有技术中吸附器再生过程需要的气体量大，再生耗气量也比较大；并且通 尺寸下吸附剂升温需要的时间比较长，这也使得吸附装置切换周期较长，吸附装置 难以做到小型化。本发明提供的结构紧凑的带外部介质换热的移动撬装式天然/煤层 气吸附净化系统，通过外加导热介质循环使吸附塔快速解吸和冷却，既缩短了分子 筛再生时间，又降低了再生气耗量，解决了吸附设备小型化的问题。

附图说明

图1为现有技术中常规的天然气液化脱酸脱水装置的三塔流程示意图；

图2为本发明提供的带外部介质强制换热的天然气/煤层气的吸附净化装置的结 构示意图。

具体实施方式

下面结合图2，对本发明的技术特征作和优点作更详细的说明。

如图2所示，本发明的装置包括吸附塔系统和导热介质加热循环及冷却循环系 统；吸附塔系统包括并联且切换开启的第一吸附塔100、第二吸附塔200与第三吸附 塔300及与之相连的工艺气管路及程控阀门等；第一吸附塔100、第二吸附塔200与 第三吸附塔300顶端连接管道分别分为两路，该两路中的一路分别通过程控阀 （101,201,301）连至工艺气体入口，该两路中的另一路分别通过程控阀 （102,202,302）连至再生气体出口；所述第一吸附塔100、第二吸附塔200与第三 吸附塔300底端连接管道同样分为两路，该两路中的一路分别通过程控阀 （103,203,303）连至再生气体入口，该两路中的另一路分别通过程控阀 （104,204,304）连至净化后工艺气体出口；

所述导热介质加热循环及冷却循环系统包括：导热介质加热器400，第一导热介 质泵500，第一导热介质换热管110、第二导热介质换热管210、第三导热介质换热 管310、导热介质冷却器600和第二导热介质泵700及相应导热介质管路、程控阀门 等；导热介质加热器400出口管路连接导热介质泵500入口，导热介质泵500出口 分为三路：第一路通过程控阀113连接第一导热介质换热管110入口，第一导热介 质换热管110出口通过程控阀112连接导热介质加热器400入口形成第一循环回路； 第二路通过程控阀213连接第二导热介质换热管210入口，第二导热介质换热管210 出口通过程控阀212连接导热介质加热器400入口形成第二循环回路；第三路通过 程控阀313连接第三导热介质换热管310入口，第三导热介质换热管310出口通过 程控阀312连接导热介质加热器400入口形成第三循环回路；第一导热介质换热管 110入口连接程控阀114、第二导热介质换热管210入口连接程控阀214，,第三导热 介质换热管310入口连接程控阀314，之后并联后通过第二导热介质泵700与导热介 质冷却器600出口相连，第一导热介质换热管110出口连接程控阀111、第二导热介 质换热管210出口连接程控阀211，第三导热介质换热管310出口连接程控阀311， 之后并联与导热介质冷却器600入口相连；第一导热介质换热管110、第二导热介质 换热管210及第三导热介质换热管310分别位于吸附塔系统的第一吸附塔100、第二 吸附塔200与第三吸附塔300中，与塔中吸附剂紧密充分接触。

本装置的吸附净化工艺流程，可分为吸附过程和再生过程，再生过程又分为加热 解吸过程和冷却过程；由于净化过程是三塔切换流程，所以吸附过程、加热解吸过 程和冷却过程分别在三塔内同步进行，一塔吸附完毕后，一塔已冷却完毕，另一塔 也已加热解吸完毕，以供切换使用；下面仅以第一吸附塔100进行吸附，第二吸附 塔200进行冷却，第三吸附塔300进行加热解吸做详细说明：

吸附过程：含杂质的工艺气体依次经过程控阀101、第一吸附塔100和程控阀 104，被净化后流出。

冷却过程：导热介质在导热介质冷却器600中得到冷却后，经导热介质泵700、 程控阀211、导热介质第二换热管210、程控阀214回到导热介质冷却器600的入口， 形成冷却循环，对第二吸附塔200进行冷却，将第二吸附塔200中的吸附剂冷却至 10℃-30℃（根据不同流程需要及吸附剂性质，温度不同）；同时，再生净化气经调 节阀800、程控阀203、第二吸附塔200、程控阀202向外界排出；由于此时再生净 化气不是常规流程中对吸附剂冷吹的介质，所以再生气流量可以保持微小流量，只 保持第二吸附塔200内压力保持稳定即可。

加热解吸过程：导热介质经导热介质加热器400、导热介质泵500、程控阀313、 第三导热介质换热管310、程控阀312形成循环，对第三吸附塔300进行加热，将其 中吸附剂加热至温度200℃-300℃之间（根据不同流程需要及吸附剂性质，再生温度 会有不同）。导热介质被加热的温度也不超过300℃。同时，吸收塔系统中再生净化 气经调节阀800、程控阀303、第二吸附塔300、程控阀302向外界排出。由于此时 再生净化气不是常规流程中对吸附剂加热的介质，所以再生气流量可以保持微小流 量，只起到保持第三吸附塔300压力稳定，并将吸附剂中解吸杂质吹扫携带出吸附 塔外的功能。

实施例1

本实施例结构示意图如图2所示；

本实施例的净化系统是三塔切换流程，吸附过程、冷却过程和加热解吸过程分别 在三塔内进行，一塔吸附完毕后，一塔冷却完毕，另一塔也加热解吸完毕，以供切 换使用。第一吸附塔100进行吸附，第二吸附塔200进行冷却，第三吸附塔300进 行加热解吸，流程具体步骤如下：

吸附过程：含杂质的工艺气体，各组分含量为：CO2 0.7%，H2S 0.2%，H2O 0.2%， CH495%，0.5%N2，乙烷及以上烃类3.4%，含杂质的工艺气体依次经过程控阀101、 第一吸附塔100和程控阀104，被净化后流出。吸附塔内填充的吸附剂为13X型分子 筛，净化后工艺气体各组分含量为：CO2 50ppm，H2S 3ppm，H2O 0.1ppm，CH496.05%， 0.51%N2，乙烷及以上烃类3.44%。

冷却过程：导热介质选用矿物型导热油，经导热介质泵700，导热介质冷却 器600、、程控阀211、导热介质第二换热管210、程控阀214形成冷却循环。导热介 质冷却器600采用水冷方式，将导热油冷却至25℃，通过第二导热介质换热管210 对第二吸附塔200进行冷却，将吸附剂冷却至30℃。同时，吸附塔系统再生净化气 经调节阀800、程控阀203、第二吸附塔200、程控阀202向外界排出。由于此时再 生净化气不是常规流程中对吸附剂冷吹的介质，所以再生气流量可以保持微小流量， 抵消塔内冷却降温带来的压力下降，保持第二吸附塔200内压力保持稳定即可。

加热解吸过程：导热介质经导热介质加热器400、导热介质泵500、程控阀313、 第三导热介质换热管310、程控阀312形成循环，导热介质加热器203采用电加热， 将导热油加热至280℃，通过在第二吸附塔102中螺旋形布置的第二导热介质换热管 202对塔内吸附剂进行加热，将吸附剂加热至280℃。同时，吸收塔系统中再生净化 气经调节阀800、程控阀303、第二吸附塔300、程控阀302向外界排出。由于此时 再生净化气不是常规流程中对吸附剂加热的介质，所以再生气流量可以保持微小流 量，只起到保持第三吸附塔300压力稳定，并将吸附剂中解吸杂质吹扫携带出吸附 塔外的功能。

本实施例系统再生气耗气量小，同时由于增加强制换热管，可大大缩短加热解吸 及冷却时间，显著减小吸附切换周期，进而降低吸附塔高度。

以上所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进 行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术 方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。