用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统和方法

摘要

本发明提出了用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统和方法，其中，用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统包括：预冷器、气液分离器、冷却器和洗涤塔，气液分离器的分离器入口与预冷器的第一冷却天然气出口相连；冷却器的第一冷却天然气入口与气液分离器的分离器出口相连；洗涤塔的第二冷却天然气入口与冷却器的第二冷却天然气出口相连；其中，洗涤塔的甲醇洗涤液入口与净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置相连，洗涤塔的甲醇洗涤后液出口与净化合成气的系统中的低温甲醇吸收塔相连，以便利用低温甲醇洗装置生产的低温甲醇预先在洗涤塔内对第二冷却天然气进行干燥净化处理后返回净化合成气的系统用于净化合成气。

说明书

技术领域

本发明属于煤制天然气干燥净化处理领域，具体而言，本发明涉及用于煤制天然气的 预冷却和干燥净化的系统和方法。

背景技术

煤制天然气的主要成分为甲烷，因此也称为甲烷气。煤制天然气装置的甲烷化(甲烷 合成)的产品为40℃左右含饱和水的煤制天然气(甲烷气)，进入管道天然气长输管线或 甲烷气液化制取LNG前必须进行脱水干燥净化处理。常用方法有冷分离法、固体吸附法和 溶剂吸收法。

冷分离法是利用压力变化引起温度变动，使水蒸汽从气相中冷凝下来的方法。常用 有两种流程：节流膨胀冷却流程与加压后冷却流程，上述两种方法气体的干燥度即露点温 度，将受多种因素影响、且能量损失大，达不到很低的露点温度。

固体吸附法脱水工艺是用多孔性的固体吸咐剂处理气体混合物，使其中所含的一种 或数种组分吸附于固体表面上以达到分离的操作。吸附作用有两种情况：一是固体和气体 间的相互作用并不是很强，类似于凝缩，引起这种吸附所涉及的力同引起凝缩作用的范德 华分子凝聚力相同，称之为物理吸附；另一种是化学吸附，这一类咐附需要活化能。物理 吸附是一可逆过程，而化学吸附是不可逆的，被咐附的气体往往需要在很高的温度下才能 逐出，且所释出的气体往往已发生化学变化。

目前用于天然气脱水的多为固定床物理吸附。用吸附剂除去气体混合物的杂质，一般 都使吸附剂再生循环使用。升温脱吸是工业上常用的再生方法。这是基于所有干燥剂的湿 容量都随温度上升而降低这一特点来实现的。通常采用一种经过预热的解吸气体来加热床 层，使被吸附物质的分子脱吸，然后再用载气将它们带出吸附器，这样就可达到吸附，循 环再生。吸附剂再生所需的热量由载气带入吸附床，一般吸附剂的再生温度为175～260℃。

固体干燥剂脱水的操作过程是周期性的，用一个或多个干燥塔吸附脱水。应采用吸附 水能力比吸附烃类或吸附酸性气体能力强的干燥剂，用热气体通过吸过水的干燥剂将水分 带出使之再生。

常用的固体吸附脱水法有氯化钙法、硅胶法、活性氧化铝及活性铝矾土法，分子筛法 以及复式固定干燥剂法等。复式固定干燥剂是综合了多种干燥剂的优点。该法是根据不同 的气源，分别放置不同的脱水剂，以便有选择地脱除不同组分气体的水分。天然气脱水过 程使用的吸附剂通常有分子筛和硅胶。

固体吸附脱水工艺对于大流量气体投资和运行成本都比较高，此工艺只适合小流量的 低压天然气处理。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统和方法。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系 统，包括：

预冷器，所述预冷器具有天然气入口、第一冷却天然气出口、第一冷媒入口和第一冷 媒出口，所述预冷器适于对煤制天然气进行第一冷却处理并得到第一冷却天然气；

气液分离器，所述气液分离器具有分离器入口、分离器出口和冷凝液出口，所述分离 器入口与所述第一冷却天然气出口相连，所述气液分离器适于对所述第一冷却天然气进行 气液分离；

冷却器，所述冷却器具有第一冷却天然气入口、第二冷却天然气出口、第二冷媒入口 和第二冷媒出口，所述第一冷却天然气入口与所述分离器出口相连，所述冷却器适于对经 过所述气液分离的第一冷却天然气进行第二冷却处理并得到第二冷却天然气；

洗涤塔，所述洗涤塔具有第二冷却天然气入口、甲醇洗涤液入口、净化甲烷出口和甲 醇洗涤后液出口，所述第二冷却天然气入口与所述第二冷却天然气出口相连，所述洗涤塔 适于利用甲醇洗涤液对所述第二冷却天然气进行干燥和净化处理，以便得到富含甲烷的甲 醇洗涤后液和净化甲烷；

其中，所述甲醇洗涤液入口与净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置相连，所述甲醇 洗涤后液出口与所述净化合成气的系统中的低温甲醇吸收塔相连，以便利用所述低温甲醇 洗装置生产的低温甲醇预先在所述洗涤塔内对所述第二冷却天然气进行干燥净化处理后返 回所述净化合成气的系统用于净化合成气。

由此，本发明上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统与净化合成气 的系统结合，将净化合成气的系统中制备的低温甲醇预先对煤制天然气进行干燥净化处理 后，返回用于净化，得到净化合成气粗煤气，得到净化合成气。由此采用同一种溶剂甲醇 同时对粗煤气和甲烷气进行净化，具有甲烷气净化度高，甲烷气中甲醇夹带少，甲醇液中 夹带部分甲烷，甲醇洗涤后液可直接作为低温甲醇洗吸收塔塔顶的吸收液，进而省去了单 独为煤制天然气洗涤塔提供用于干燥净化的低温甲醇和再生系统，达到节能降耗的目的； 或省去了单独为煤制天然气干燥净化单独设置干燥净化系统，达到节省投资和降低消耗的 目的。

另外，根据本发明上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统还可以具 有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统 进一步包括：甲醇加压泵，所述甲醇加压泵设在所述甲醇洗涤后液出口与所述净化合成气 的系统中的低温甲醇吸收塔之间且适于将所述甲醇洗涤后液泵入所述低温甲醇吸收塔内。

在本发明的一些实施例中，上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统 进一步包括：脱气罐，所述脱气罐设在所述洗涤塔与所述甲醇加压泵之间，所述脱气罐适 于脱除所述甲醇洗涤后液中富含的甲烷并返回至所述洗涤塔内。

在本发明的一些实施例中，所述第二冷媒入口与所述净化合成气的系统中的低温甲醇 洗装置的再生系统相连，且所述第二冷媒出口与所述第一冷媒入口相连，以便利用所述净 化合成气的系统中的低温甲醇洗装置的再生系统排出的低温尾气和/或低温二氧化碳对所 述天然气进行第一冷却处理和第二冷却处理；

任选地，进一步包括：甲醇液喷入口，所述甲醇液喷入口设置连接所述气液分离器与 所述冷却器的管路上，以在进行所述第二冷却处理前，向所述第一冷却天然气中喷入甲醇 液。

在本发明的一些实施例中，所述第二冷媒入口与所述净化甲烷出口相连，且所述第二 冷媒出口与所述第一冷媒入口相连，以便利用所述净化甲烷对所述天然气进行第一冷却处 理和第二冷却处理。

在本发明的一些实施例中，所述用甲醇洗涤液的温度为-40～-70摄氏度，所述第一冷却 天然气的温度为3-8摄氏度，所述第二冷却天然气的温度为-20～-40摄氏度。

根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种利用前面所述的用于煤制天然气的预冷 却和干燥净化的系统对煤制天然气进行预冷却和干燥净化的方法，该方法包括：

在预冷器内对煤制天然气进行第一冷却处理，以便得到第一冷却天然气；

在气液分离器内对所述第一冷却天然气进行气液分离，以便分离水蒸汽冷凝液；

在冷却器内对经过所述气液分离的第一冷却天然气进行第二冷却处理并得到第二冷却 天然气；

在洗涤塔内对所述第二冷却天然气进行干燥和净化处理，以便得到净化甲烷；

其中，利用来自净化合成气系统中的低温甲醇洗装置生产的甲醇洗涤液对所述第二冷 却天然气进行干燥和净化处理，得到富含甲烷的甲醇洗涤后液，并将所述甲醇洗涤后液返 回所述净化合成气的系统中的低温甲醇吸收塔内对粗煤气进行净化处理，得到净化合成气。

在本发明的一些实施例中，上述对煤制天然气进行预冷却和干燥净化的方法进一步包 括：利用甲醇加压泵将所述甲醇洗涤后液泵入所述低温甲醇吸收塔内；

任选地，进一步包括：利用脱气罐脱除所述甲醇洗涤后液中富含的甲烷并返回至所述 洗涤塔内。

在本发明的一些实施例中，利用所述净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置的再生系 统排出的低温尾气和/或低温二氧化碳对所述天然气进行第一冷却处理和第二冷却处理；

任选地，进一步包括：在进行所述第二冷却处理前，向所述第一冷却天然气中喷入甲 醇液。

在本发明的一些实施例中，利用所述净化甲烷对所述天然气进行第一冷却处理和第二 冷却处理。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统的结构示 意图。

图2是根据本发明另一个实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统的结构 示意图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系 统。下面参考图1-2详细描述本发明具体实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的 系统，该系统包括：预冷器10、气液分离器20、冷却器30和洗涤塔40。

其中，预冷器10具有天然气入口11、第一冷却天然气出口12、第一冷媒入口13和第 一冷媒出口14。根据本发明的具体实施例，预冷器10适于对煤制天然气进行第一冷却处 理并得到第一冷却天然气。

气液分离器20具有分离器入口21、分离器出口22和冷凝液出口23，分离器入口21 与第一冷却天然气出口12相连。根据本发明的具体实施例，气液分离器20适于对第一冷 却天然气进行气液分离。

冷却器30具有第一冷却天然气入口31、第二冷却天然气出口32、第二冷媒入口33和 第二冷媒出口34，第一冷却天然气入口31与分离器出口22相连。根据本发明的具体实施 例，冷却器30适于对经过气液分离的第一冷却天然气进行第二冷却处理并得到第二冷却天 然气。

洗涤塔40具有第二冷却天然气入口41、甲醇洗涤液入口42、净化甲烷出口43和甲醇 洗涤后液出口44，第二冷却天然气入口41与第二冷却天然气出口32相连。根据本发明的 具体实施例，洗涤塔40适于利用甲醇洗涤液对第二冷却天然气进行干燥和净化处理，以便 得到富含甲烷的甲醇洗涤后液和净化甲烷。

根据本发明的具体实施例，甲醇洗涤液入口42与净化合成气的系统中的低温甲醇洗装 置再生系统相连(见附图)，甲醇洗涤后液出口与净化合成气的系统中的低温甲醇吸收塔相 连，以便利用低温甲醇洗装置再生系统生产的低温甲醇预先在洗涤塔内对第二冷却天然气 进行干燥净化处理后返回净化合成气的系统用于净化合成气。

由此，本发明上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统与净化合成气 的系统结合，将净化合成气的系统中制备的低温甲醇预先对煤制天然气进行干燥净化处理 后，返回用于净化粗煤气，得到净化合成气。由此采用同一种溶剂甲醇同时对粗煤气和甲 烷气进行净化，具有甲烷气净化度高，甲烷气中甲醇夹带少，甲醇液中夹带部分甲烷，甲 醇洗涤后液可直接作为低温甲醇洗吸收塔塔顶的吸收液，进而省去了单独为煤制天然气洗 涤塔提供用于干燥净化的低温甲醇和再生系统，达到节能降耗的目的；或省去了单独为煤 制天然气干燥净化单独设置干燥净化系统，达到节省投资和降低消耗的目的。

另外，本发明的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统与低温甲醇洗装置结合， 低温甲醇洗热再生后的全部低温甲醇贫液参与煤制天然气的洗涤干燥净化，甲烷气洗涤塔 塔底的甲醇液可全部返回去较高压力的低温甲醇洗吸收塔塔顶作为吸收洗涤液。全部低温 甲醇贫液参与甲烷气洗涤，一是尽可能降低净化甲烷气的温度，甲烷气的干燥净化更彻底， 净化甲烷气中甲醇含量更低，甲醇损失最少；二是全部甲醇贫液饱和了甲烷气，甲烷在甲 醇液中携带量最大，在低温甲醇洗的吸收塔中释放出来进入净化合成气，稀释了净化合成 气中氢气和一氧化碳的浓度，有利于降低后续煤制天然气的甲烷合成反应的放热强度，降 低甲烷化反应器的循环气量，从而降低循环压缩机的能耗；三是净化甲烷气的温度低，有 利于降低甲烷气液化制液化天然气LNG装置的冷冻能耗。

根据本发明的具体实施例，上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统， 还可以进一步包括：甲醇加压泵50，甲醇加压泵50设在甲醇洗涤后液出口44与净化合成 气的系统中的低温甲醇吸收塔之间。根据本发明的具体示例，利用该甲醇加压泵50可以将 甲醇洗涤后液泵入较高压力的低温甲醇洗吸收塔塔顶作为吸收洗涤液对进行净化，得到净 化合成气。

根据本发明的具体实施例，上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统， 还可以进一步包括：脱气罐60，脱气罐60设在洗涤塔40与甲醇加压泵60之间。由此， 利用该脱气罐适于脱除所述甲醇洗涤后液中富含的甲烷并返回至所述洗涤塔内。

根据本发明的具体实施例，上述实施例的用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统 中，第二冷媒入口33与所述净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置的再生系统相连，且第 二冷媒出口34与第一冷媒入口13相连。由此，可以利用所述净化合成气的系统中的低温 甲醇洗装置的再生系统排出的低温尾气和/或低温二氧化碳对天然气进行第一冷却处理和 第二冷却处理，回收冷物流冷量，减少冷冻剂消耗，进而降低能耗。

根据本发明的具体实施例，进一步包括：甲醇液喷入口24，所述甲醇液喷入口24设置 连接气液分离器20与冷却器30的管路上，以在进行所述第二冷却处理前，向第一冷却天 然气中喷入甲醇液。由此可以有效避免经过第一冷却处理后得到的第二冷却天然气在进行 第二降温时，其中含有的水蒸汽冷凝液结冰造成系统堵塞。

根据本发明的具体实施例，经过上述第一冷却处理后得到第一冷却天然气的温度为3-8 摄氏度，经过上述第二冷却处理后得到第二冷却天然气的温度为-20～-40摄氏度。由此通过 采用来自所述净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置的再生系统的低温尾气和/或低温二 氧化碳作为冷媒可以有效地对天然气进行预冷却。

根据本发明的具体实施例，将来自净化合成气的系统中制备的低温甲醇作为甲醇洗涤 液的温度为‐40～‐70摄氏度，由此可以有效地对经过预冷却处理后的温度为‐20～‐40摄氏度 天然气进行干燥净化处理。根据本发明的具体实施例，全部低温甲醇贫液参与甲烷气洗涤， 一是尽可能降低净化甲烷气的温度，甲烷气的干燥净化更彻底，净化甲烷气中甲醇含量更 低，甲醇损失最少；二是全部甲醇贫液饱和了甲烷气，甲烷在甲醇液中携带量最大，在低 温甲醇洗的吸收塔中释放出来进入净化合成气，稀释了净化合成气中氢气和一氧化碳的浓 度，有利于降低后续煤制天然气的甲烷合成反应的放热强度，降低甲烷化反应器的循环气 量，从而降低循环压缩机的能耗；三是净化甲烷气的温度低，有利于降低甲烷气液化制液 化天然气LNG装置的冷冻能耗。

根据本发明的具体实施例，用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统中冷却器30中 的第二冷媒入口33与净化甲烷出口43相连，且第二冷媒出口34与所述第一冷媒入口13 相连。由此可以有效利用所述净化甲烷的冷量对所述天然气进行第一冷却处理和第二冷却 处理，节省减少冷冻剂消耗，同时还可以对净化甲烷进行复热，便于得到常温的管道天然 气。

根据本发明的具体实施例，用于煤制天然气的预冷却和干燥净化的系统中具有预冷器 和冷却器，可以对煤制天然气进行分段预冷却。第一段(预冷段)冷却至3-8摄氏度左右， 冷凝分离其中的大部分水蒸汽的冷凝液；第二段(冷却段)在喷入防冻甲醇后继续冷却至 -20℃～-40℃左右进甲烷气洗涤塔。本发明大幅度减少水进入甲醇液，让甲醇液中的水分含 量最低，并分离出不含甲醇的水冷凝液。

根据本发明的第二方面，本发明还提出一种利用前面所述的用于煤制天然气的预冷却 和干燥净化的系统对煤制天然气进行预冷却和干燥净化的方法。根据本发明的具体实施例， 该方法包括：在预冷器内对煤制天然气进行第一冷却处理，以便得到第一冷却天然气；在 气液分离器内对所述第一冷却天然气进行气液分离，以便分离水蒸汽冷凝液；在冷却器内 对经过所述气液分离的第一冷却天然气进行第二冷却处理并得到第二冷却天然气；在洗涤 塔内对所述第二冷却天然气进行干燥和净化处理，以便得到净化甲烷；其中，利用来自净 化合成气系统中的低温甲醇洗装置生产的甲醇洗涤液对所述第二冷却天然气进行干燥和净 化处理，得到富含甲烷的甲醇洗涤后液，并将所述甲醇洗涤后液返回所述净化合成气的系 统中的低温甲醇吸收塔内对粗煤气进行净化处理，得到净化合成气。

由此，本发明上述实施例的预冷却和干燥净化的煤制天然气的方法与净化合成气的工 艺结合，将净化合成气的工艺中制备的低温甲醇预先对煤制天然气进行干燥净化处理后， 返回用于净化粗煤气，得到净化合成气。由此采用同一种溶剂甲醇同时对粗煤气和甲烷气 进行净化，具有甲烷气净化度高，甲烷气中甲醇夹带少，甲醇液中夹带部分甲烷，甲醇洗 涤后液可直接作为低温甲醇洗吸收塔塔顶的吸收液，进而省去了单独为煤制天然气洗涤塔 提供用于干燥净化的低温甲醇和再生系统，达到节能降耗的目的；或省去了单独为煤制天 然气干燥净化单独设置干燥净化系统，达到节省投资和降低消耗的目的。

根据本发明的具体实施例，上述方法进一步包括：利用甲醇加压泵将所述甲醇洗涤后 液泵入所述低温甲醇吸收塔内。由此可以将甲醇洗涤后液泵入较高压力的低温甲醇洗吸收 塔塔顶作为吸收洗涤液对粗煤气进行净化，得到净化合成气。

根据本发明的具体实施例，上述方法进一步包括：利用脱气罐脱除所述甲醇洗涤后液 中富含的甲烷并返回至所述洗涤塔内。由此，可以有效脱除甲醇洗涤后液中富含的部分甲 烷并将其返回至洗涤塔内。

根据本发明的具体实施例，可以利用所述净化合成气的系统中的低温甲醇洗装置的再 生系统排出的低温尾气和/或低温二氧化碳对所述天然气进行第一冷却处理和第二冷却处 理。由此，可以回收冷物流冷量，减少冷冻剂消耗，进而降低能耗。

根据本发明的具体实施例，在进行上述第二冷却处理前，进一步包括向第一冷却天然 气中喷入甲醇液。由此可以有效避免经过第一冷却处理后得到的第二冷却天然气在进行第 二降温时，其中含有的水蒸汽冷凝液结冰造成系统堵塞。

根据本发明的具体实施例，利用所述净化甲烷对所述天然气进行第一冷却处理和第二 冷却处理。由此可以有效利用所述净化甲烷的冷量对所述天然气进行第一冷却处理和第二 冷却处理，节省减少冷冻剂消耗，同时还可以对净化甲烷进行复热，便于得到常温的管道 天然气。

实施例

来自煤制天然气装置甲烷合成的常温甲烷气(煤制天然气)温度约为35～45℃，其中含 有压力下饱和的水蒸汽和较多的二氧化碳。典型组分组成如下：

煤制天然气组分组成：

上述常温的煤制天然气(甲烷气)首先进入预冷器，和冷物流换热至3-8摄氏度左右， 分离其中冷凝的水冷凝液；然后在冷却器前向甲烷气中喷入甲醇继续和冷物流换热，降低 温度至-20～-40摄氏度，进入甲烷气洗涤塔底部。

甲烷气在甲烷气洗涤塔中和低温甲醇贫液逆流接触，低温甲醇贫液从甲烷气洗涤塔顶 部进入。甲烷气中的二氧化碳、水分在甲烷气洗涤塔中被甲醇液洗涤吸收，被净化的甲烷 气从洗涤塔顶部出来被送出界区，温度约为-40～-60摄氏度，满足天然气液化冷箱对可凝组 分的含量要求；低温净化甲烷气也可以回收冷量复热，满足管道天然气对净化天然气的露 点要求。

甲烷气洗涤塔底部的甲醇液中含有少量水分和二氧化碳，经脱气槽脱除其中夹带的气 体后，经低温甲醇液泵加压后送至较高压力的低温甲醇洗吸收塔顶部作为甲醇吸收液，洗 涤吸收冷煤气中酸性气体例如硫化物、二氧化碳和其他有害毒物和杂质，吸收塔顶得到净 化合成气。

上述处理后的煤制天然气经过脱水干燥处理后，水露点的压力能够满足管道天然气标 准GB17820-2012。上述处理后的煤制天然气中：CO₂二氧化碳在50ppmv以下；H₂O水蒸 汽在1个ppmv以下；CH₃OH甲醇在50ppmv以下，因此，其中的二氧化碳和水蒸汽等可 凝组分含量满足液化冷箱可以接受的含量水平，避免冷箱堵塞，并降低天然气液化装置中 深度净化单元的负荷和能耗。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者 隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐 含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术 语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械 连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元 件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具 体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包 含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针 对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术 人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和 组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例 进行变化、修改、替换和变型。