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含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析

文档作者：付阳李自力崔淦文档来源：中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院		点击数：	更新时间： 2025年03月15日
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上一篇：含氧煤层气液化流程安全性分析与措施

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第6期 付 阳等：含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析 75
含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析
付 阳，李自力 ，崔淦
(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛266580)
摘要：设计了一种混合制冷剂和氮节流共同制冷的含氧煤层气液化精馏工艺，模拟结果显示，该工艺可以较为彻底地去除
氮气、氧气等，对 (CH4)为40％的煤层气进料，获得LNG产品纯度高达99．91％，甲烷回收率为97．12％，LNG生产能耗为
0．94kW·h／m3(sT)。对该工艺进行了爆炸安全性分析，表明煤层气仅在精馏塔顶部有爆炸可能性。采用往精馏塔通人氮气降低
塔内氧含量的方法来保证操作安全，并对通入氮气的流量和位置进行了优化。结果表明从精馏塔内气体中氧的物质的量分数
大于8％的最下层塔板处通入与煤层气同流量的氮气，对氧气稀释效果最好，在保证高纯度LNG产品和甲烷回收率的同时，生
产能耗升高3O％。
关键词：含氧煤层气；液化；精馏；爆炸极限；氮气稀释；模拟
中图分类号-TQ 028 文献标识码：B 文章编号：1001-9219(2015)06-75·05
我国煤层气资源储量丰富，常规开采过程中会
混入空气，导致煤层气中甲烷体积分数仅有20％-
75％左右，俗称含氧煤层气fI】。煤层气的开发利用难
点和重点是脱除其中的氧气。在目前的几种脱氧技
术中，低温分离法在较为彻底的脱除煤层气中氧气
的同时，还可以获得高纯度的LNG产品。对于低浓
度含氧煤层气，还需要增加精馏工艺对煤层气提
纯，深冷精馏制备高纯度LNG工艺已成为目前研
究的热点。煤层气液化过程中由于氧的存在而导致
气体可能具有爆炸危险性，因此采取措施保证液化
流程的操作安全性尤为重要。
1 煤层气液化流程及模拟
1．1 液化流程设计
针对某一典型的煤层气气源，设计了一种含氧
煤层气液化工艺。该含氧煤层气抽采出来后为微正
压0．11MPa，温度为4O℃ 。经过脱水、脱酸等处理
后，气体组分仅含有甲烷、氮气和氧气。
设计的含氧煤层气液化流程如图1所示I2]。该
流程包括含氧煤层气液化系统和制冷剂制冷系统。
在煤层气液化系统中，煤层气首先经过两级压缩机
收稿日期：2015-04．13；基金项目：国家科技重大专项大型油
气田及煤层气开发(2008ZX05017—04一叭)，中央高校基本科
研业务费专项资金资助(15CX06071A)；作者简介：付阳
(1990·)，男，硕士研究生，研究方向为油气储运腐蚀与安全，
电邮1197468325@qq．COIII； 联系人：李自力，男，博士生导
师，电邮lizili@upc．edu．CI1。
C—l和C一2压缩至高压，然后经过两级水冷器将温
度冷却至初始温度。煤层气通过换热器LNG．100降
温后，再通过水冷器E一3为精馏塔T-IO0底部再沸
器提供热量，从E一3出来的煤层气经过换热器
LNG-101再次降温后，进入精馏塔T-100精馏，初步
脱除杂质气体实现煤层气的液化。精馏塔底部再沸
器出来的液态煤层气首先返回换热器LNG一101过
冷，然后经过节流阀VLV一1节流至常压进入储罐
V-2储存，少量气态产品通过储罐呼吸阀排出；精馏
塔顶部流出的气态杂质首先经过冷凝器LNG．103
深度降温冷凝，然后进入分离器V-1，液态杂质通过
泵P一1循环进入精馏塔内实现二次精馏，气态杂质
则依次返回换热器LNG．102、LNG．101、LNG一10o冷
却其中的煤层气及制冷剂，达到回收冷量、节能降
耗的目的。
制冷剂制冷系统中，液化系统的冷量由氮节流
制冷和混合制冷剂节流制冷两种方式提供。氮节流
制冷循环系统中，氮气首先经过四级压缩机C一3、C．
4、C一5、C-6和水冷器压缩至高压常温，然后依次通
过换热器LNG-100、LNG一101、LNG一102降温冷却至
液氮状态，经过节流阀VLV．2节流降压降温，通过
LNG一103为精馏塔冷凝器提供冷量，然后依次通过
换热器LNG一102、LNG．101、LNG．100为其提供冷量
后恢复为常温流到压缩机增压，完成氮节流制冷循
环。
混合制冷剂制冷循环系统中，混合制冷剂首先
通过两级压缩机C-7、C一8和水冷器压缩至高压常
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第6期 付 阳等：含氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析 77
刻变化。煤层气中甲烷浓度可能穿过爆炸极限而导
致气体具有爆炸可能性，故应对液化流程进行安全
性分析翻。
2．1 爆炸极限计算公式
影响爆炸极限的因素有很多，如初始温度、压
力以及气体组分等。常温常压下，甲烷在空气中的
爆炸极限x(CH4)为5％-15％。当煤层气的成分是甲
烷与空气的混合物时，考虑温度和压力的影响，煤
层气的爆炸极限计算公式为 ：
u=[wcI~4+20．6(1gp+1)][1+8x 104(f．25)1 (1)
L=Lc~[1·8x 10 (t-25)】 (2)
式中： 特定温度和压力下的爆炸上限 ，％；UcH4- 常
温常压下的爆炸上限，％；￡．特定温度和压力下的爆
炸下限，％ ；Lc 一常温常压下的爆炸下限，％；p一压力，
MPa；￡．温度，℃。
煤层气液化过程中发生相变时，气体组分会发
生改变。当甲烷所处的气体环境中氮气和氧气比大
于空气中氮气和氧气比时，甲烷所处的气体环境为
缺氧状态，爆炸极限范围减小。混合气体可看作被
惰性气体稀释的燃气与空气的混合物嘲。根据
Extended Le Chatelier公式[63，考虑温度和压力的影
响，煤层气的爆炸极限计算公式如式(3)、(4)。
u = lOOxt一
。-001
(100 - U~
+0．
．,)x
ool
,
X
n~
+2o．6(1gJ口+1)l[1+8x10一 (f一25)] (3)
J
： ￡坐 ! 二 兰 ： 二 f41
Xl一0．00187xi LcH4 一
式中：计稀释煤层气中甲烷的物质的量分数，％ ；凡 一
与1tool甲烷发生燃烧反应所需的氧气的物质的
量，tool； ．m．稀释煤层气中其余气体(除甲烷外)的物
质的量分数， ．m=1一ct，％；其余符号的意义同式(1)、
(2)。
当甲烷所处的气体环境中氮气和氧气比小于
空气中氮气和氧气比时，甲烷所处的气体环境为富
氧状态，爆炸极限范围增大。此时，考虑温度和压力
的影响，煤层气爆炸极限计算公式为阴：
【，：l二 +2o．6(1gP+1)l×l+8~10-4(，一25)](5
L： 5．344x2+3．614x3
0 982 ×『l-8×10 【，-25)] (6) ． 7矗+X L 、 j ⋯
式中： ：．煤层气中氮气的物质的量分数，％； s一煤层
气中氧气的物质的量分数，％；其余符号的意义同式
(1)、(2)。
2．2 爆炸极限分析
2．2．1 压缩过程(物流1-5)
压缩过程中煤层气始终为气态，气体组分未发
生改变，x(CH4)保持40％不变。压缩机C一2出口处煤
层气的温度和压力达到最大，根据爆炸极限规律，
爆炸极限范围最广。计算得到甲烷理论爆炸极限范
围为x(CH4)=4．58％～34．11％。故在压缩过程中，煤层
气中甲烷浓度始终高于爆炸上限，不存在爆炸可能
性。
2．2．2 液化过程(物流5-8)
在换热器LNG一101中煤层气开始发生相变。根
据HYSYS模拟结果和爆炸极限理论计算公式，得
出了换热器中气体组分及爆炸极限与温度的变化
关系曲线，如图1所示。可以看出，虽然随着煤层气
的液化，气相组分中的甲烷浓度大幅度下降，但是
由于温度的降低爆炸上限也会大幅度下降。整个液
化过程气相中的甲烷浓度始终在爆炸上限以上，故
在换热器LNG-101中煤层气无爆炸可能性。
100
80．
6O
0 40
20
O
一162．0
。． 一爆炸上阻^
枷爆炸下限^
函≥未：二=== ===
． 158．0 ．154．0 ．150．0 -146．0
T ℃
图2 液化过程中爆炸极限与甲烷含量的关系
2．2．3 精馏过程(物流8~9)
换热器LNG一101液化后的煤层气直接进入精
馏塔T-100内进行精馏提纯，另外精馏塔内煤层气
来源还有出口杂质气体通过换热器LNG一103冷凝
后回流的部分液态煤层气。
精馏塔内不同塔板上，煤层气中的甲烷、氮气
和氧气组分之间相互换热，甲烷由于沸点较高逐渐
发生相变，最终变成液态产品流到塔底部，而杂质
氮气和氧气则从塔顶部流出。利用HYSYS对精馏
塔进行模拟，得到塔内不同塔板上气体组分含量的
变化如图3所示。从图3可以看出，不同塔板上，氮
气和氧气比始终小于空气中两者之比，故精馏塔内
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78 天然气化工(c1化学与化工) 2015年第40卷
始终处于富氧状态。利用甲烷爆炸极限理论计算公
式(5)、(6)，得到精馏塔内气体组分及爆炸极限与
不同塔板的变化关系曲线，如图4所示(塔板由上
到下编号)。第1l块塔板表示塔底再沸器。可以看
出，从塔底冷凝器到第6块塔板之间，气相中的甲
烷浓度远远大于爆炸上限，无爆炸可能性。从第6
块塔板开始，气相中的甲烷浓度大幅度降低，而爆
炸上限理论值也开始缓慢下降，到第2块塔板，气
相中的甲烷浓度仍稍大于爆炸上限。但是在第1块
塔板上，气相中的甲烷浓度降至最低，已经低于塔
顶工况下的甲烷爆炸下限，证明在第l块塔板和第
2块塔板中间，气体中的甲烷浓度已经穿过爆炸极
限区间，此处气体具有爆炸可能性。由此可见，精馏
塔内第1块和第2块塔板中间气体甲烷浓度在爆
炸极限范围内，导致精馏塔顶部存在爆炸危险。
100
80
60
＼
40
20
0
一～ CH
一N，
O，
0 2 4 6 8 l0 l2
塔板位置
图3 精馏塔内不同塔板上气相组分的变化
lOO：
80
60
、
I 40
2O
OO
一 ^
鼍炸下限
～ 1
的量分魏^
塔板位置
图4 精馏塔内不同塔板上气相中甲烷含量与爆炸极限的
变化
2．2．4 冷凝器回流过程(物流9-11)
精馏塔顶杂质气体流出后需要经过换热器
LNG．103冷凝回流以提高甲烷回收率。塔顶流出的
杂质气体甲烷含量小于塔顶工况下爆炸下限。经过
换热器LNG一103冷凝后，甲烷爆炸下限由于温度的
降低而增大。HYSYS模拟得到物流10气相组分(即
物流11)中x(ctt,)仅为0．86％ ，远低于爆炸下限，故
气体无爆炸可能性。
2．2．5 冷量回收过程(物流1 1-14)
分离器V一1出来的杂质气体依次通过换热器
LNG一102、LNG一101、LNG一100，将冷量传递给换热器
后降至常温状态。在这个过程中，杂质气体始终为
气态，气体组分未发生改变，x(CH4)保持为0．86％，
远低于爆炸下限，气体安全。
2．3 安全措施
2．3．1 安全措施
通过上述分析可知，煤层气液化流程中压缩、
液化及冷量回收等阶段，甲烷浓度始终在爆炸上限
以上或爆炸下限以下，没有爆炸危险性。只有在精
馏阶段精馏塔顶部气相中甲烷浓度会穿过爆炸极
限，导致气体具有爆炸可能性。因此要使含氧煤层
气在整个流程中没有爆炸危险性，就要采取安全措
施保证精馏塔顶部气相中甲烷浓度在爆炸极限范
围之外。
甲烷爆炸极限的影响因素主要有温度、压力和
气体组分等。在煤层气液化流程工艺参数基本确定
的情况下，温度和压力参数难以发生很大的变化，
所以要从气体组分人手，改变煤层气中的气体组分
含量。目前，针对煤层气液化工艺的安全方法是通
过控制煤层气中的氧气浓度低于爆炸所需最小氧
浓度或甲烷浓度在爆炸极限范围之外实现的，主要
有煤层气预脱氧、塔底产品产量控制和气体中添加
阻燃气体N 三种方式[gl。煤层气预脱氧需要单独的
脱氧装置，预算昂贵；塔底产品产量控制会从精馏
塔塔顶流出较多氮气，影响甲烷回收率和LNG产
量[91。甲烷发生爆炸需要足够多的氧气，Coward爆炸
三角形理论【1q认为甲烷在空气中发生爆炸所需的最
小x(o2)为10％左右，当 (O2)低于10％时，不论甲烷
浓度如何变化，始终不会发生爆炸，考虑到压力和
温度的变化，精馏塔顶气体爆炸最小x(02)可以取为
8％。气体中添加阻燃气体的安全工艺就是通过向精
馏塔内通入N 稀释煤层气，使得精馏塔顶气相中
x(02)降至8％以下，精馏塔处于安全状态【llI 。精馏
塔顶杂质气体中甲烷含量较高，冷量回收后可以送
回制氮装置实现氮循环利用。本文利用向精馏塔内
通入阻燃气体一Nz的方法来保障液化流程的安全操
作。
2．3．2 爆炸可能性分析
精馏塔内通入N 的量和通入N 对应的塔板位
置对于精馏塔内氧浓度的影响效果差别很大。该流
程模拟的煤层气流量为Q。 =40000mS／h，进入精馏塔
的煤层气温度为．150~C，压力为0．5MPa，精馏塔塔
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第6期 付 阳等：合氧煤层气液化HYSYS模拟及安全性分析 79
板数为1O，煤层气从精馏塔中部进料。假设通入的
N 温度、压力与精馏塔入口煤层气相同，为一150~C、
0．5MPa。
从精馏塔进料处(第5块塔板)通入N2，HYSYS
模拟得到未通入N：以及通入N 量分别为Q =
40000、50000、60000、80000、200000m3／h时精馏塔
内气相组分中氧气浓度随塔板数的变化情况，如图
5所示。从图中可以看出，未通入N 时，精馏塔内氧
气浓度从塔顶至塔底逐渐降低。其中，第7块塔板
至塔顶间x(o2)大于8％。从第5块塔板处通人N
后，塔顶至第5块塔板问氧气浓度下降很大，但第5
块塔板至塔底间氧气浓度下降缓慢。随着通入氮气
量逐渐增大，精馏塔内氧气浓度下降的趋势很缓
慢，特别是第6块塔板，x(o2)始终在10％以上。分析
可能原因，精馏塔第5块塔板处通入气态Nz后往
顶部流动，对于第5块塔板至塔顶间气体直接起到
稀释作用，故氧气浓度下降很快。第5块塔板至塔
底问气体无法靠N 直接稀释，只能依靠介质问传
热达到平衡，故氧气浓度下降很缓慢。模拟得到当
从精馏塔进料处通入N 的量达到Q =200000m3／h
时，整个精馏塔内气体组分中 (02)才全部降至8％
以下，此时通入的N 流量是原料气流量的5倍。
；
15
H 10
5
通过上面得出的结论，N 对于精馏塔通入处塔
板至塔顶间氧气稀释作用明显。故选择从第7块塔
板处通入N2，HYSYS模拟得到未通入N2以及通入
N2量分别为p =30000、40000、50000、80000m3]h时
精馏塔内气相组分中氧气含量随塔板数的变化情
况，如图6所示。从图中可以看出，通人N 量为
30000m3]h时，塔顶至第7块塔板间氧气浓度迅速
下降，除第1块塔板上x(O2)稍微大于8％以外，其余
均在8％以下；第7块塔板至塔底间氧气浓度下降
不明显，但由于本身氧气含量很低， (02)也均在8％
以下。为了确保精馏塔的安全性，设定第7块塔板
上通入的N2流量为40000m3／h，此时精馏塔内气体
组分中 (O2)均在8％以下，气体无爆炸可能性。冷量
回收阶段，杂质气体中x(CH4)为2．7％ ，x(O2)为7％ ，
甲烷浓度不在爆炸极限范围内，最小氧浓度也不
够，气体安全无爆炸可能性。
35
30
25
：
2O
15；
0 2 4 6 8 10 l2
塔板位置
图6 不同塔板上气相中氧气物质的量分数随N2流量的变化
2．3-3 流程性能
根据模拟计算结果，针对表l中的含氧煤层气
气源，采用从精馏塔第7块塔板通入Q =40000m3／h
的N 的方法，可以确保整个液化流程不存在爆炸
危险性，操作安全可靠。在此条件下，采取安全措施
后， 塔底产品纯度为99．89％ ， 甲烷回收率为
92．35％，LNG单位产品生产能耗为1．23kW·h／m 。与
采取安全措施前液化流程模拟结果相比，塔底产品
纯度基本保持不变；由于塔底LNG产量稍有下降，
甲烷回收率有所减小，但在可接受范围内；由于精
馏塔内通人跟原料气同流量的N2，塔顶冷凝器负荷
增大，总生产能耗增大了30％。虽然甲烷回收率降
低，生产能耗增大，但是能使液化流程工艺处于安
全状态。
3 结论
(1)针对某典型低浓度含氧煤层气气源设计了
一种混合制冷剂和氮气节流同时制冷的液化精馏
工艺流程，能在精馏塔进料为一150℃ 、0．5MPa的条
件下，较彻底地脱除氮氧等杂质气体，最终获得的
LNG产品纯度为99．91％，其中氧气体积分数仅为
0．09％，甲烷回收率高达97．12％。精馏塔再沸器和
冷凝器能量取自液化系统本身，杂质气体冷量回收
利用，降低整个装置能耗，LNG单位产品生产能耗
仅为0．94kW·h／f1．3。
(2)对设计的液化精馏流程进行了爆炸危险性
分析。结果表明，煤层气在压缩、液化、冷凝回流和
冷量回收阶段安全可靠，仅 (下转第82页)
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82 天然气化工(C 化学与化工) 2015年第40卷
【2] 吴华新．低位烟气余热深度回收利用状况评述Ⅱ[J]．热
能动力工程，2012，27(4)：399—404．
[3】 曾凡平，李军，杨家彬．天然气制甲醇装置蒸汽伴热改
造【J】．化学工程与装备，2013，40(1)：51—53．
W aste heat recovery from steain reforming furnace flue gas of a 600kt／a methanol plant
LI Jun，ZENG Fan-ping,YANG Jia-bin
(Qinghai Zhonghao Natural Gas Chemical Co．，Ltd．，Geermu 8 1 6000，China)
Abstract：By setting waste heat boiler on the high temperature chimney of the primary reforming furnace to generate saturated
medium pressure steam to replace the superheated medium pressure steam in the process system and optimizing the production
process，energy saving and emission reduction were achieved，which brought economic and environmental benefits to the plant．
Keywords：methanol plant；primary reform ing；flue gas；waste heat boiler
÷ }_{·}_{·}岫{·}．{·}_{·}_{·}_{·}_{·}-{·}_{·} ·}_{·}_{·}_{·}_{·} ·}-{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·}_{·} ·} ·}_{·}_弓·}_{·} ·}．{·}_{·}_{·}_{·}÷ }_{·}÷ }_暑·} ·}_{·}_{·} ·}_{·} ·}_
(上接第79页)
在精馏过程中在精馏塔顶部有爆炸可能性。可以采 [4] 严铭卿，廉明乐．天然气输配工程【M]．北京：中国建筑工
取精馏塔内通人阻燃气体N2的方法来确保流程的 业出版社，2005·
操作安全性。 [51 Kondo S，Takizawa K，Takahashi A，et al·Extended Le
(3)精馏塔内气体中 (O2)超过8％的最下层塔 ch 。1i。r’s f0册“l for rb。“di0xid。dilu i。“ c 。n
板处通入N 对氧含量的稀释 果最好。本文模拟 [6] fl
Kond
am m
0S'
abilit
Ta
y , 2006,
E
A
的液化流程，在精馏塔第7块塔板处通入跟进料煤 一 ch
t。li。 ， f0nn l itmg。 dil ti。 畦 t。 th。
层气相同温度、压力和流量Q =40000m3／h的N2，可 flammability limits Fire Safety J，
2006，41：406．417．
以保证精馏塔内气相组分中氧含量始终在爆炸所 f7] 邓骥，诸林，肖娅，等．含氧煤层气液化流程安全性分析
需最小 (O2)为8％以下，从而保证了整个液化流程 与措施[J]．石油与天然气化工'2014，43(5)：574．578．
的安全性。此时，甲烷回收率为92-35％，生产能耗增 【8] 朱菁，肖露，王长元．低浓度含氧煤层气深冷液化工艺安
大30％ 。 全方法研究[J]．矿业安全与环保，2013，40(6)：82—86．
． [9】 李秋英，王莉，巨永林．含氧煤层气的液化及杂质分离[J]．
参考文献 加工利用
，2011，31(4)：99．102．
[1】 钱伯章，朱建芳．世界非常规天然气资源和利用发展[J]． [10】吴剑峰，孙兆虎，公茂琼．从含氧煤层气中安全分离提纯
天然气与石油，2007，25(2)：28．32． 甲烷的工艺方法【J]．天然气工业，2009，29(2)：113—116．
【2] 朱菁．含氧煤层气直接深冷分离甲烷的安全工艺方法 [11】朱菁，杜非．利用氮气降低含氧煤层气低温冷凝塔内氧
【J]．天然气化工(C1化学与化工),2014，39(3)：57—62． 含量[J]．中国煤层气，2014，1I(1)：39-43．
[3 ] 李秋英，王莉，巨永林．含氧煤层气液化流程爆炸极限分 [12]马文华，孙恒，刘丰，等．含氧煤层气低温液化一分馏流程
析fJ]．化工学报，2011,62(5)：1471—1477． 的安全性分析[C 中国管道国际会议，2013．
HYsYS simulation and security analysis for liquefaction process of oxygen-contained coal-bed methane
FU Yang。LI Zi． CU／Gan
(CoHege of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)
Abstract：An oxygen·contained coal—bed methane(CBM)liquefaction rectification process using mixed refrigerant and nitrogenthrottle
refrigeration was designed and simulation computation ws made with HYSYS．Results showed that for CBM wi￡h methane
mole fraction of 40％ ，the nitrogen and oxygen could be completely removed by this process，and LNG purity could reach 99．91％
with a methane recovery of 97．1 2％，while LNG production energy consumption was 0．94 kW·h／m fSTP)．Explosion safety analysis of
this process indicated that the explosion probability exists only in the top of rectifying column．Introducing N2 into the rectifying
column to reduce the oxygen concentration was adopted to ensure safe operation，and N2 flow rate and entering plate position were
optimized．Results showed that it’s best to introduce N2 in the same quantity of CBM into the rectifying column from the bottom plate
in which oxygen mole fraction was over 8％．by which the energy consumption increased by 30％ to produce high pure LNG product
in high recovery of methane．
Keywords：oxygen·-contained coal··bed methane；liquefaction；rectification；explosion limit；nitrogen dilution；simulation

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