基于AspenPlus的低浓度含氧煤层气低温精馏的模拟研究

矿业安全与环保

MININGSAFETY＆ENVIＲONMENTALPＲOTECTION

第43卷第1期2016年2月

J］．矿业安全与环保，2016，43（1）：38－40．马代辉．基于AspenPlus的低浓度含氧煤层气低温精馏的模拟研究［文章编号：1008－4495（2016）01－0038－03

基于AspenPlus的低浓度含氧煤层气

低温精馏的模拟研究

马代辉

1，2

（1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400039）重庆400037；2．中煤科工集团重庆研究院有限公司，

对低温精馏过程进行摘要：针对低浓度煤层气深冷液化工艺，使用化工流程模拟软件AspenPlus，

了模拟研究，发现当原料气入口流量为552kmol/h，精馏塔压力为0.34MPa时，塔底液态甲烷的纯度为99%。分析了抽采煤层气流量波动对低温精馏效果的影响，发现当煤层气流量降低时，塔顶氮氧尾气中的甲烷含量增加，并且处于爆炸界限内；随着煤层气流量增加，塔底甲烷的纯度和回收率均降低。

关键词：低浓度煤层气；液化；精馏塔；甲烷纯度；回收率

+

中图分类号：TD712.67；TE644文献标志码：A网络出版时间：2016－02－0219：23

网络出版地址：http：//www．cnki．net/kcms/detail/50．1062．TD．20160202．1923．020．html

SimulationStudyonCryogenicDistillationProcessofLow－concentration

Oxygen－containingCoal－bedMethaneBasedonAspenPlus

2

MADaihui1，

（1．StateKeyLaboratoryofGasDisasterMonitoringandEmergencyTechnology，Chongqing400037，China；2．ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupChongqingＲesearchInstitute，Chongqing400039，China）

Abstract：Toaimatthecryogenicliquefactiontechnologyoflow－concentrationcoal－bedmethane，simulationstudywasmadeonthecryogenicdistillationprocesswithAspenPlussoftware．Itwasfoundfromthestudythatwhentheinletflowrateofthefeedgaswas552kmol/handthepressureofthedistillationcolumnwas0.34MPa，thepurityoftheliquidmethaneatthecolumnbottomwas99%．Analysiswascarriedoutontheinfluenceofthecoal－bedmethaneflowratefluctuationsonthecryogenicdistillation．Whentheflowrateofcoal－bedmethanedecreased，themethanecontentinnitrogenoxidegasesatthetopofthecolumnincreasedandwaswithintheexplosionlimit；withtheincreaseoftheflowrateofcoal－bedmethane，thepurityandrecoveryofthemethaneatthecolumnbottomdecreased．

Keywords：low－concentrationcoal－bedmethane；liquefaction；distillationcolumn；purityofmethane；recovery

随着人类对能源需求的不断增加，煤炭消耗激增带来的环境污染问题日益严峻。2010年，中国成为世界最大的能源消耗国家，占到全球能源消耗总

［1］

量的20%，且主要的能源消耗来自于煤炭。大气污染问题迫使中国开始调整国家的能源结构。由于天然气燃烧热值高、环境污染程度低，储量丰富，被液化后体积将缩小至原来的1/625，适应在偏远地区

收稿日期：2015－04－26；2015－07－02修订

基金项目：“十二五”国家科技重大专项（2011ZX05041－004－002）

作者简介：马代辉（1971—），男，四川什邡人，高级工程师，主要从事煤矿瓦斯灾害防治技术研究、科研技术管理工作。

大量、便捷、低成本运输，因此得到越来越多的青睐和重视。虽然以甲烷为主要成分的煤层气在中国的储量位居世界第三，但其利用率不容乐观，尤其是低浓度含氧煤层气的工业化利用在国内几乎为零

［2－7］

。

因此，笔者运用大型的化工模拟软件AspenPlus对低浓度含氧煤层气的精馏过程进行模拟研究，重点研究了当甲烷体积分数（浓度）为35%时，精馏塔对氮、氧的分离效果。针对煤层气抽采的不稳定性

［8－10］

，还分析了在精馏塔入口原料气流量波动的情

况下，对精馏效果的影响，为工业化应用提供参考。

1低温精馏流程

经过脱煤层气整个低温精馏流程如图1所示，

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Vol.43No.1Feb.2016

在再沸酸、除水、冷却后的原料煤层气进入精馏塔，

器的作用下，塔内受热后的气体由下而上流动，与自上而下的液体进行热量交换，最终在塔底留下纯度

部分液体在再沸器中为99%的液态天然气（LNG），

被蒸发成气相，返回到精馏塔中。轻组分氮氧尾气

则从塔顶流出，通过塔顶冷凝器冷却后，气相经气液分离器顶部排出，液相作为回流液返回到塔顶。

图2

精馏塔内压力和温度随塔板编号变化的关系曲线

液相组分随塔板编号变化的关精馏塔内气相、

系曲线见图3～4，可以看出，随着塔板编号的增加，甲烷所占比例在不断增加，在精馏塔塔底的纯度达到并稳定于99%，并且氮、氧含量小于1%，塔底流出液为高纯度的液态天然气；随着塔板编号的减小，氮、氧含量则持续增加，在塔顶的氮气、氧气含量分别达到81%和18%。这是因为在同样压力下，由于氮气的沸点较低，其次是氧气，甲烷沸点相对最高，因此，随着来自塔底气体的热量交换，在合适的温度下，氮、氧被蒸发出来，剩下高沸点甲烷，达到高度分

图1

低温精馏流程示意图

［11－13］

离、提纯的目的，相对于其他分离方法，具有流程简单、产品纯度高等特点。

精馏模拟流程采用P—Ｒ方法进行计算，

塔采用ＲadFrac模型，选取合适的蒸发率和回流比。塔顶冷凝器的冷量来自液氮，塔底再沸器的热量由另外两股物流提供。入口原料气的具体参数如表1所示。

表1

原料气各组分摩尔分数/%CH435

N253

O212

原料气参数

摩尔流量/（kmol/h）552

压力/MPa0.34

温度/℃－160

图3精馏塔内气相组分随塔板编号变化的关系曲线

2

2.1

结果与分析

低温精馏结果与分析

当原料气入口通过AspenPlus软件模拟发现，

流量为552kmol/h，入口温度为－160℃时，精馏塔内的压力、温度随着塔板编号的增加呈现出增加的趋势，如图2所示。由图2可知，原料气从第9块塔板进入精馏塔，随着塔板编号的增加，在不断受到塔底气体传热后，温度迅速增加，随后达到并稳定在－143℃，得到高纯度液态甲烷；在第9块塔板之前，温度持续降低并最终降到－179℃。塔内压力则随塔板编号的增加而持续增加，从塔顶的0.327MPa增加到塔底的0.357MPa。

图4

精馏塔内液相组分随塔板编号变化的关系曲线

2.2

原料气流量变化对精馏效果的影响由于我国的煤层气抽采率较低，抽采出来的煤

层气流量的波动性较大，因此，本节将探讨在原料气流量出现一定变化后，对低温精馏效果的影响。如图5所示，随着原料气流量降低，精馏出的液态甲烷

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在原料气流量仅为设计的回收率有小幅度的降低，

值的68%时，回收率仍能保持在95%以上；当原料气流量比设计值大时，甲烷的回收率开始出现明显的下降，在原料气流量增加到设计值的114%时，回收率仅为83%。说明原料气流量的减小对产品的回收率影响较小，原料气流量的增加却使得回收率出现明显降低，这主要是由于原料气流量增加后，原来供应的冷量不足造成的。

3结论

运用大型化工流程模拟软件AspenPlus，模拟了低浓度含氧煤层气的低温精馏过程，当原料气流量为552kmol/h，精馏塔压力为0.34MPa时，得到塔底精馏出的纯度达到99%液态甲烷；分析了当原料气流量出现波动情况下，低温精馏塔的分离效果，即流量的降低会导致塔顶甲烷含量增大，并且处于其爆炸界限内，流量的增大则会导致塔底甲烷回收率和纯度的降低。

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图5

回收率随原料气流量变化的关系曲线

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图6

精馏塔塔顶气相组分随原料气流量变化的关系曲线

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精馏塔塔顶气相组分随原料气流量变化的关系

曲线见图6，在原料气流量降低的同时，塔顶的甲烷气体则开始出现增加，氮、氧的含量则相应下降，表明当流量减小后，在轻组分受热完全蒸发后，沸点较高的重组分甲烷开始蒸发，导致塔顶尾气中带有大量的甲烷气体，并且含量处在其爆炸界限内，存在一定的安全隐患。从图7精馏塔塔底液相组分随原料气流量变化的关系曲线可以看出，当原料气流量增大时，塔底的氮、氧含量开始出现增大。

（责任编辑：陈玉涛）

图7精馏塔塔底液相组分随原料气流量变化的关系曲线

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