合成气的净化分离装置和方法技术领域
本发明涉及化工领域，具体地，涉及合成气的净化分离装置和方法。
背景技术
HYGAS气化技术是一种先进的粉煤流化床气化技术，具有能够处理劣质煤、联产轻质
芳烃和联产甲烷产量大的特点。HYGAS气化生产的合成气因富含甲烷的特点，是作为煤制
天然气气化技术的最佳选择。而其煤种适应性强、联产芳烃的特点又使其具有广泛地域应用
优势。为满足不同地区产业布局及不同用户企业的发展方向，将HYGAS气化合成气中的甲
烷分离，提高合成气(氢气+氮气混合气或氢气+一氧化碳混合气)纯度，降低其中的甲烷含
量，使之成为化学合成反应的原料气，生产合成化学品，使之拥有更多的用途迫在眉睫。实
践证明，如果合成气压力较高，通过变压吸附等干法净化方法来去除甲烷等惰性气体并非上
佳选择。
因此，高压的含甲烷的合成气的净化分离方法有待研究。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提
出一种利用深冷法净化煤气化的含甲烷合成气的装置和方法，在制得合格合成气的同时，也
获得了高纯度甲烷产品。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种合成气的净化分离装置。根据本发明的实施
例，包括：换热器组，用于对所述合成气进行第一换热处理，以便得到冷却的第一合成气；
甲烷塔再沸器，所述甲烷塔再沸器与所述换热器组相连，用于将所述第一合成气进行降温处
理，以便得到第二合成气和热量；第二合成气返回管路，所述第二合成气返回管路与所述换
热器组和所述甲烷塔再沸器相连，用于将所述第二合成气输送至所述换热器组，利用所述换
热器组进行第二换热处理，以便使所述第二合成气中的甲烷液化，得到气液混合物；气液分
离器，所述气液分离器与所述换热器组相连，用于将所述气液混合物进行分离处理，以便得
到气相和液相；洗涤塔，所述洗涤塔与所述气液分离器和所述换热器组相连，用于对所述气
相进行洗涤处理，以便得到净化后的气相；第一气相管路，所述第一气相管路与所述洗涤塔
和所述换热器组相连，用于将所述净化后的气相输送至所述换热器组，利用所述换热器组进
行第三换热处理，以便得到复热的气相；甲烷塔，所述甲烷塔与所述气液分离器、所述甲烷
塔再沸器、所述洗涤塔和所述换热器组相连，用于对所述液相进行第一精馏处理，以便得到
精馏后的液相和精馏后的气相；液相管路，所述液相管路与所述甲烷塔和所述甲烷塔再沸器
相连，用于将所述精馏后的液相输送至所述甲烷塔再沸器，利用所述热量进行加热蒸发和第
二精馏处理，以便得到富甲烷液体；富甲烷液体管路，所述富甲烷液体复热管路与所述甲烷
塔再沸器和所述换热器组相连，用于将所述富甲烷液体输送至所述换热器组，利用所述换热
器组进行第四换热处理，以便获得甲烷气；第二气相管路，所述第二气相管路与所述甲烷塔
和所述换热器组相连，用于将所述精馏后的气相输送至所述换热器组，利用所述换热器组进
行第五换热处理，以便获得燃料气。
根据本发明实施例的装置，无需外部提供冷源，就可实现含甲烷合成气的精制，同时最
大限度的回收其中的甲烷，得到高纯度甲烷产品，并且，装置的结构简单、投资和运行成本
低，稳定性好，处理效率高。
另外，根据本发明上述实施例的合成气的净化分离装置还可以具有如下附加的技术特
征：
根据本发明的实施例，该装置进一步包括：预处理单元，用于对所述合成气进行预处理，
去除所述合成气中的杂质，以便得到净化后的合成气。
根据本发明的实施例，所述换热器组包括第一换热器和第二换热器。
根据本发明的实施例，第一换热器和第二换热器均为板翅式换热器。
根据本发明的实施例，所述洗涤塔和甲烷塔为板式塔或填料塔。
根据本发明的实施例，所述甲烷塔再沸器为内置式热虹吸再沸器或外置式热虹吸再沸
器。
根据本发明的实施例，所述甲烷塔进一步包括：冷凝器，所述冷凝器设置在所述甲烷塔
的上部，用于对所述精馏后的气相进行冷凝处理，使所述精馏后的气相中的甲烷冷凝液化，
并回流与所述富甲烷液体混合。根据本发明的实施例，所述气液分离器与所述甲烷塔通过节
流减压阀进行连接。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述的装置净化分离合成气的方法，所
述合成气含有甲烷。根据本发明的实施例，该方法包括：利用换热器组对所述合成气进行第
一换热处理，以便得到冷却的第一合成气；利用甲烷塔再沸器将所述第一合成气进行降温处
理，以便得到降温后的第二合成气和热量，其中，所述热量为甲烷塔供热；利用换热器组将
所述第二合成气进行第二换热处理，使所述第二合成气中的甲烷液化，以便得到气液混合物；
利用气液分离器将所述气液混合物进行分离处理，以便得到气相和液相；利用洗涤塔对所述
气相进行洗涤处理，以便得到净化后的气相；利用所述换热器组对所述净化后的气相进行第
三换热处理，以便得到复热的气相；利用甲烷塔对所述液相进行第一精馏处理，以便得到精
馏后的液相和精馏后的气相；利用甲烷再沸塔将所述精馏后的液相进行加热蒸发和第二精馏
处理，以便得到富甲烷液体；利用所述换热器组将所述富甲烷液体进行第四换热处理，以便
获得所述甲烷气；以及利用所述换热器组将所述精馏后的气相进行第五换热处理，以便获得
燃料气。
根据本发明实施例的方法，无需外部提供冷源，就可实现含甲烷合成气的精制，同时最
大限度的回收其中的甲烷，得到高纯度甲烷产品，并且，该方法的操作简单、投资和运行成
本低，安全性好，处理效率高。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：对所述合成气进行预处理，去除所述合成气
中的杂质，以便得到净化后的合成气。
根据本发明的实施例，所述第一合成气的温度为-100～-140℃；所述第二合成气的温度
为-110～-150℃；所述气液混合物的温度为-170～-190℃。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明
显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和
容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的合成气的净化分离装置的结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的净化分离合成气的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或
类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的
实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、
“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理
解为对本发明的限制。
需要说明的是，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。进一步地，在本发明的描述中，除非另有说明，
“多个”的含义是两个或两个以上。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种合成气的净化分离装置。参考图1，根据本
发明的实施例，对本发明的合成气的净化分离装置进行解释说明，图中箭头的方向为物体流
动的方向，该装置包括：换热器组100、甲烷塔再沸器200、第二合成气返回管路800、气
液分离器300、洗涤塔400、第一气相管路900、甲烷塔500、液相管路1100、富甲烷液体
管路1200和第二气相管路1300，其中，换热器组100用于对合成气进行第一换热处理，得
到冷却的第一合成气；甲烷塔再沸器200与换热器组100相连，用于将第一合成气进行降温
处理，得到第二合成气和热量；第二合成气返回管路800与换热器组100和甲烷塔再沸器
200相连，用于将第二合成气输送至换热器组100，利用换热器组进行第二换热处理，使第
二合成气中的甲烷液化，得到气液混合物；气液分离器300与换热器组100相连，用于将气
液混合物进行分离处理，得到气相和液相；洗涤塔400与气液分离器300和换热器组100相
连，用于对气相进行洗涤处理，得到净化后的气相；第一气相管路900与洗涤塔400和换热
器组100相连，用于将净化后的气相输送至换热器组100，利用换热器组100进行第三换热
处理，以便得到复热的气相；甲烷塔500与气液分离器300、甲烷塔再沸器200和换热器组
100相连，用于对液相进行第一精馏处理，得到精馏后的液相和精馏后的气相；液相管路1100
与甲烷塔500和甲烷塔再沸器200相连，用于将精馏后的液相输送至甲烷塔再沸器200，利
用第一合成气进行降温处理产生的热量进行加热蒸发和第二精馏处理，得到富甲烷液体，再
将富甲烷液体返回甲烷塔500；富甲烷液体管路1200与甲烷塔500和换热器组100相连，
用于将富甲烷液体输送至换热器组100，利用换热器组100进行第四换热处理，获得甲烷气，
该甲烷气为复热的甲烷气；第二气相管路1300与甲烷塔500和换热器组100相连，用于将
精馏后的气相输送至换热器组100，利用换热器组100进行第五换热处理，获得燃料气，该
燃料气为复热的燃料气。
其中，需要说明的是，本发明的换热器组100中含有多条换热通道，保证不同产品在不
同的换热通道中进行换热，不仅换热效率高，而且避免不同产品间的污染。
根据本发明实施例的装置，无需外部提供冷源，利用换热处理，对合成气进行深冷分离，
实现能源的合理利用，并且可以对含甲烷合成气进行精制，同时最大限度的回收其中的甲烷，
得到高纯度甲烷产品，并且，本发明的装置的结构简单、投资和运行成本低，稳定性好，处
理效率高。
在本发明中使用术语"深冷性分离"、“深冷分离”表示混合物通过使用低于在操作压力
下从该混合物冷凝至少一种组分所要求的温度的最低温度下进行运行的分离方法(例如冷
凝、蒸馏和/或分馏)进行分离。通常，所述最低温度将低于-60℉(-50℃)，优选地低于
-150℉(-100℃)。
根据本发明的实施例，合成气是由粉煤气化得到的。由此，合成气中甲烷含量高。
根据本发明的实施例，该装置进一步包括：预处理单元600，用于对所述合成气进行预
处理，去除所述合成气中的杂质，以便得到净化后的合成气。由此，通过预处理，去除合成
气中的水份、二氧化碳和甲醇等杂质，进而，得到的燃料气和甲烷气的纯度更高，适合冷箱
处理，避免冷箱中设备堵塞或损坏。
根据本发明的一些实施例，预处理单元600包括吸附器和粉尘过滤器。根据本发明的一
些实施例，吸附器为分子筛吸附器。根据本发明的具体实施例，预处理单元包括两台分子筛，
当一台运行时，合成气进入在线的分子筛器床层，水分、二氧化碳、甲醇等通过床层时被吸
入床体，另一台则处于再生循环，冷却和待用，由来自界外的氮气通过蒸汽加热器加热后进
行再生。其中，再生使用低压氮气或其他气体进行的，经过再生气蒸汽加热器加热，加热后
的低压氮气经过分子筛，去除饱和床的水分、CO2及其它吸附的杂质，然后，再生气体在安
全位置放空，同时，经分子筛干燥的合成气离开在线分子筛，经过粉尘过滤器，然后进入冷
箱进行深冷净化分离处理。
根据本发明的实施例，利用换热器组100对高压氮气进行换热降温处理，得到液氮，该
液氮分为三股，一股作为洗涤塔顶400的洗涤液对合成气进行洗涤精制；一股经换热器组进
入合成气管线，对气相进行配氮，气相中氮气和氢气的体积比为(2.8～3.2)：1，优选地，为
3:1；一股(少量)进入冷凝器900对甲烷塔500出口气相进行冷却降温，产生回流液，增
加甲烷气回收率。由此，利用高压氮气液化作为冷源，基本不用装置外部提供冷源，就可实
现含甲烷合成气的精制，同时最大限度的回收了其中的甲烷，得到高纯度甲烷产品。
根据本发明的实施例，换热器组100包括第一换热器110和第二换热器120。由此，换
热效率高，效果好，尤其是，对合成气进行换热冷却降温的温度低，深冷分离的效果好。
根据本发明的实施例，第一换热器110和第二换热器120均为板翅式换热器。由此，换
热效率更高，效果更佳，尤其是，对合成气进行换热冷却降温处理的温度低，占地少，造价
低，深冷分离的效果好，甲烷的回收率高，得到的燃料气和甲烷气的纯度高。
根据本发明的实施例，洗涤塔400和甲烷塔500为板式塔或填料塔。由此，在满足洗涤、
精馏效果的同时，根据处理气量的大小，操作弹性、阻力降等的要求，实现洗涤塔400和甲
烷塔500采用相应塔型的最佳组合。
根据本发明的实施例，甲烷塔再沸器200为内置式热虹吸再沸器或外置式热虹吸再沸
器。由此，合成气的分离效果好，设备布置紧凑难度低，有利于大规格的装置的安装布置。
根据本发明的实施例，甲烷塔500进一步包括：冷凝器510，所述冷凝器设置在所述甲
烷塔的上部，用于对所述精馏后的气相进行冷凝处理，使所述精馏后的气相中的甲烷冷凝液
化，并回流与所述富甲烷液体混合。由此，对为深冷液化的甲烷进一步进行冷凝处理，得到
液化的甲烷，从而，甲烷的回收率高，燃料气中的甲烷含量低。此外，也可以将洗涤塔400
塔底的部分液体回流至甲烷塔500内，并与富甲烷液体混合。由此，将洗涤塔中液化的甲烷
返回甲烷塔，从而，甲烷的回收率高，燃料气中的甲烷含量低。
根据本发明的实施例，气液分离器300为气液分离器或闪蒸罐。由此，充分将液相从气
液混合物中分离，避免液相损失。
根据本发明的实施例，所述气液分离器与所述甲烷塔通过节流减压阀700进行连接。由
此，通过减压节流，在获得更低温度物流的同时，原溶解在液态甲烷中的氮气、氩气、一氧
化碳、氢气等解析出来，提高了富甲烷气的纯度。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种利用前述的装置净化分离合成气的方法，所
述合成气含有甲烷。参考图2，根据本发明的实施例，对该法进行解释说明，该方法包括：
S100第一换热处理
根据本发明的实施例，利用换热器组对所述合成气进行第一换热处理，得到冷却的第一
合成气。由此，将待冷却的合成气与净化分离净化处理的待复热的气体进行换热处理，对合
成气进行冷却，无需外部冷源，实现了能量的合理、高效利用。根据本发明的一些实施例，
第一合成气的温度为-100～-140℃。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在第一换热处理前，对所述合成气进行预处
理，去除所述合成气中的杂质，以便得到净化后的合成气，该合成气适合冷箱处理。由此，
通过预处理，去除合成气中的水份、二氧化碳和甲醇等杂质，进而，避免了上述介质在冷箱
内积累、凝结和堵塞设备或损坏设备。
根据本发明的实施例，利用换热器组对高压氮气进行换热降温处理，得到液氮，该液氮
分为三股，一股作为洗涤塔顶400的洗涤液对合成气进行洗涤精制；一股经换热器组进入合
成气管线，对气相进行配氮，气相中氮气和氢气的体积比为(2.8～3.2)：1，优选地，为3:1；
一股(少量)进入冷凝器510对甲烷塔500出口冷凝液冷却降温，产生回流液，增加甲烷气
回收率。由此，利用高压氮气液化作为冷源，基本不用装置外部提供冷源，就可实现含甲烷
合成气的精制，同时最大限度的回收了其中的甲烷，得到高纯度甲烷产品。
S200降温处理
根据本发明的实施例，利用甲烷塔再沸器将第一合成气进行降温处理。得到降温后的第
二合成气和热量，其中，该热量为甲烷塔供热。由此，利用第一合成气在降温处理释放的热
量，为甲烷塔供热，实现了能量的合理、高效利用。根据本发明的一些实施例，所述第二合
成气的温度为-110～-150℃。
S300第二换热处理
根据本发明的实施例，利用换热器组将第二合成气进行第二换热处理，使第二合成气中
的甲烷液化，得到气液混合物。由此，再次利用换热器组进行换热降温处理，利用甲烷与其
它气体的液化温度差，使第二合成气中的甲烷液化。根据本发明的一些实施例，气液混合物
的温度为-170～-190℃。
S400分离处理
根据本发明的实施例，利用气液分离器将气液混合物进行分离处理，以便得到气相和液
相。由此，从气液混合物分离得到液相，该液相为甲烷。
S500洗涤处理
根据本发明的实施例，利用洗涤塔对所述气相进行洗涤处理，以便得到净化后的气相。
由此，气相的纯度高。
根据本发明的一些实施例，气相含有氮气和氢气，且氢气：氮气的体积比大于3:1。
根据本发明的一些实施例，利用液氮进行洗涤处理。由此，气相的纯度高，且不引入杂
质，并向气相中添加了氮气，使气相中氮气和氢气的体积比接近1：3。
S600第三换热处理
根据本发明的实施例，利用换热器组对净化后的气相进行第三换热处理，得到复热的气
相。由此，利用常温的待冷却合成气对气相通过换热对气相进行复热，实现了能量的合理、
高效利用。
根据本发明的一些实施例，在利用换热器组对净化后的气相进行第三换热处理时，可以
利用该换热器组内其他通道的氮气对该气相进行配气，使氮气和氢气的体积比为(2.8～3.2)：
1，优选地，为3:1。
S700第一精馏处理
根据本发明的实施例，利用甲烷塔对液相进行第一精馏处理，得到精馏后的液相和精馏
后的气相。由此，液相和气相的纯度更高，进而甲烷气和燃料气的纯度更高。
S800加热蒸发和第二精馏处理
根据本发明的实施例，利用甲烷再沸器将所述精馏后的液相进行加热蒸发和第二精馏处
理，以便得到富甲烷液体。由此，对液相进一步纯化，得到的富甲烷液体中甲烷含量更高。
根据本发明的一些实施例，富甲烷液体中甲烷含量不低于96％。
S900第四换热处理
根据本发明的实施例，利用换热器组将富甲烷液体进行第四换热处理，以便获得甲烷气，
该甲烷气为复热的甲烷气。由此，利用常温的待冷却合成气对富甲烷液体通过换热器组进行
复热，得到常温的甲烷气，实现了能量的合理、高效利用。
S1000第五换热处理
根据本发明的实施例，利用所述换热器组将所述精馏后的气相进行第五换热处理，以便
获得燃料气，该燃料气为复热的燃料气。由此，利用常温的待冷却合成气对气相通过换热器
组进行复热，得到常温的燃料气，实现了能量的合理、高效利用。
根据本发明的一些实施例，精馏后的气相包括氮气、甲烷、氢气和一氧化碳。
根据本发明实施例的方法，无需外部提供冷源，就可实现含甲烷合成气的精制，同时最
大限度的回收其中的甲烷，得到高纯度甲烷产品，并且，该方法的操作简单、投资和运行成
本低，安全性好，处理效率高。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：对所述合成气进行预处理，去除所述合成气
中的杂质，以便得到净化后的合成气，该合成气适合冷箱处理。
根据本发明的实施例，所述第一合成气的温度为-100～-140℃；所述第二合成气的温度
为-110～-150℃；所述气液混合物的温度为-170～-190℃。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，
而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
利用合成气的净化分离装置对煤气化的合成气进行净化分离处理，并利用分离得到的氢
氮合成气合成氨，其中，该煤气化的合成气的组分为：氢气78％、甲烷19％、氮气0.1％、
一氧化碳2％、氩气0.1％和乙烷1％。同时，通过深冷和液氮洗涤的方法对煤气化的合成气
进行精制并获得高纯度甲烷产品，其中，净化分离装置的结构如图1所示，利用该装置对合
成气进行净化分离处理的步骤如下：
(1)利用预处理单元对合成气进行预处理，去除合成气中的水分、二氧化碳、甲醇和
灰尘等杂质，得到干燥的适合冷箱处理的合成气。
(2)干燥的合成气进入换热器110通道B3，温度降至-110～-140℃。同时，高压氮气(压
力高于进口煤气化合成气压力)依次通过换热器120通道A5、换热器110通道B6，温度降
至-170～-190℃，氮气液化为液氮，其中，小部分液氮作为洗涤塔塔顶洗涤液进入洗涤塔400，
大部分液氮在合成气经过换热器110时通过通道B8配入一定量的氮，成为合格的氢氮合成
气送出，少部分液氮作为冷媒进入甲烷塔500顶冷凝器510，给塔顶冷凝器510提供冷量后，
经过换热器110通道B1、换热器120通道A1复热成常温后，排入大气。
(3)步骤(2)得到的合成气入甲烷塔再沸器200，给甲烷塔500提供蒸发热量，自身
被冷却为-120～-150℃，随后进入换热器110的通道B7，温度降至-170～-190℃，此时气化合
成气中绝大部分的甲烷液化，得到气液混合介质。
(4)气液混合介质进入气液分离罐300中部入口，气液分离罐300的上端出口与洗涤
塔400下部入口连通，气液分离罐300分离出的气相进入洗涤塔400，经过液氮洗涤得到精
制净化气(H2：N2体积比大于3:1)，精制气经过换热器110通道B5、换热器120通道A4
复热为常温，在合成气经过换热器110时，通过通道B8配入一定量的氮，成为合格的氢氮
合成气(12)送出，其中，氢氮合成气中H2：N2体积比＝3:1。
(5)气液分离罐300的下端出口经过节流减压阀700与甲烷塔500中部连通，气液分
离罐300中的液体经过节流，进入甲烷塔500，经过甲烷塔再沸器200的加热蒸发及精馏分
离，在甲烷塔500底部得到纯度很高的富甲烷液体，该富甲烷液体中CH4％＞96％。
(6)甲烷塔500底部液态甲烷经过节流阀700减压节流膨胀后，经过换热器110通道
B4、换热器120通道A3复热至常温后后作为甲烷气产品外送，甲烷气产品中，甲烷+乙烷
≥98％。
(7)甲烷塔500顶部的气相经塔顶冷凝器510换热，部分气相液化，作为回流液流回
甲烷塔500塔顶。甲烷塔500顶部不凝气经换热器110通道B2、换热器120通道A2复热成
常温后作为燃料气外送，该燃料气组份中甲烷含量小于1％。
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一定指
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何的一个
或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本
发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的
范围由权利要求及其等同物限定。