一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法

摘要

本发明公开了一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，根据含氧煤层瓦斯气中甲烷浓度不同，采用不同的吸附剂，组织不同的流程：当瓦斯气中甲烷浓度低时，采用三段流程，第一段为低压甲烷富集，第二段为加压吸附脱氧，第三段为提浓甲烷；当甲烷浓度高时，采用两段流程，第一段为加压吸附脱氧，第二段为提浓甲烷，吸附过程由2~12个塔组成，通过上述工艺，能将含氧煤层瓦斯气中CH4提浓到＞90%、O2含量降到0.5%以下，本发明在提浓过程中采用相对应的分段提浓方式及相适应的吸附剂以解决现有PSA提浓含氧煤层瓦斯气中CH4的技术缺陷。

权利要求

1.一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，根据含氧煤层瓦斯气中甲烷浓度不同，采用不同的吸附剂，组织不同的流程，其特征在于：所述瓦斯气中甲烷浓度低时，采用三段流程，第一段为低压甲烷富集，第二段为加压吸附脱氧，第三段为提浓甲烷；所述甲烷浓度高时，采用两段流程，第一段为加压吸附脱氧，第二段为提浓甲烷，吸附过程由2-12个塔组成，通过上述工艺，能将含氧煤层瓦斯气中CH4提浓到＞90%、O2含量降到0.5%以下，具体为：所述瓦斯气中CH4浓度＜30%时，采用三段流程，第一段通过低压吸附富集甲烷，得到可保证压缩安全的中间产品，该中间产品升压至≤3.0MPa.G，进入脱O2、N2 的第二段吸附脱氧过程，从未吸附气相中得到甲烷含量更高的脱氧瓦斯气，直接进入第三段提浓甲烷过程，得到CH4浓度＞90%、O2＜0.5%的产品气；

所述瓦斯气中CH4浓度＞30%时，采用两段流程，第一段为吸附脱氧，吸附压力为≤3.0MPa.G，采用吸附O2、N2 的吸附剂，从未吸附气中得到O2＜1%的中间产品气，该中间产品气可直接进入第二段提浓甲烷过程，得到CH4浓度＞90%、O2＜0.5%的产品气。

2.根据权利要求1 所述的一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，其特征在于：所述吸附剂为活性炭类、分子筛类、硅胶类吸附剂。

3.根据权利要求1所述的一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，其特征在于：所述提浓甲烷段采用变压吸附法或深冷分离法。

说明书

一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法

技术领域

[0001] 本发明涉及气体分离技术领域，特别是涉及一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法。

背景技术

[0002] 对于煤层瓦斯气的提浓，文献中有多种情况的报导，认为诸多方法中以变压吸附法（PSA）最为实用，国内进行相关研究的有多家单位：

[0003] 其一，在重庆大学承担的教育部煤层气提浓重点科技项目任务中，主要以CH4/N2—活性炭为研究体系，进行吸附剂的选择，他们认为就煤层瓦斯气的PSA提浓工艺，无论从研究还是应用来看，目前都非常缺乏，应加大科研及工程化的力度；

[0004] 其二，在天津大学高压吸附实验室中，得出高表面活性炭，比表面积达到3000m²/g，CH4与N2的分离系数达到20.13，但由于其成型后的活性炭难保持原有的性能，用于工业上还存在较大困难；

[0005] 其三，在太原理工大学对CH4/N2的吸附分离试验中，采用的是炭分子筛（CMS），用此吸附剂分离CH4/N2，虽CH4/N2分离系数较活性炭要大些，但是仍不理想，而且CMS价格高，欲廉价得到高浓度CH4依然存在困难。

[0006] 在上述煤层瓦斯气的研究和开发中，国内大都是以活性炭作吸附剂，相关专利有：“CN85103557”、”CN101096907A“、”CN101096908“都提出了采用活性炭作吸附剂的PSA提浓CH4的工艺方法。因为CH4/N2的分离系数太小，作为强吸附组份的产品CH4是从解吸气中得到，CH4的提浓倍数不高，更重要的是过程中无有效脱氧，在实际生产中安全和产品质量得不到充分的保证，从而无法用于实际生产中。而国外在CH4/N2分离的吸附剂多为CMS，主要针对高浓度CH4的油田气（CH4＞70%），经浓缩CH4可高于90%；对于中等浓度CH4的垃圾填埋气（CH4在60%左右），也有较好的效果，并有商业化实例。但对于低浓度（＜30%）的含氧煤层瓦斯气PSA分离的相关报导则很少，而对于瓦斯气脱氧有人提出催化燃烧法脱氧法（CN02113628.9）、焦炭燃烧法（CN02113627.0），这些方法虽然能预先脱氧，但在燃烧过程中要消耗大量甲烷，并且生成一定数量的CO2，增加后续净化工序，由于上述方法造成投资大、甲烷产率低的弊端，用于现实会有很大困难。这从一个侧面反映出煤层瓦斯气，特别是低浓度煤层瓦斯气的CH4提浓，存在着较大的难度。

发明内容

[0007] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，以解决现有PSA提浓含氧煤层瓦斯气中CH4的技术缺陷，根据不同原料浓度及要求，采用适应的吸附剂，提供相适应的高效、低耗的PSA工艺技术。

[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种提浓含氧煤层瓦斯气中甲烷的新工艺方法，根据含氧煤层瓦斯气中甲烷浓度不同，采用不同的吸附剂，组织不同的流程，其特征在于：所述瓦斯气中甲烷浓度低时，采用三段流程，第一段为低压甲烷富集，第二段为加压吸附脱氧，第三段为提浓甲烷；所述甲烷浓度高时，采用两段流程，第一段为加压吸附脱氧，第二段为提浓甲烷，吸附过程由2~12个塔组成，通过上述工艺，能将含氧煤层瓦斯气中CH4提浓到＞90%、O2含量降到0.5%以下。

[0009] 作为优选，所述的吸附剂为活性炭类、分子筛类、硅胶类。

[0010] 作为优选，所述瓦斯气中CH4浓度＜30%时，采用三段流程，第一段通过低压吸附富集甲烷，得到可保证压缩安全的中间产品，该中间产品升压至≤3.0 M Pa.G，进入脱O2、N2的第二段吸附脱氧过程，从未吸附气相中得到甲烷含量更高的脱氧瓦斯气，直接进入第三段提浓甲烷过程，得到CH4浓度＞90%、O2＜0.5%的产品气。

[0011] 作为优选，所述瓦斯气中CH4浓度＞30%时，采用两段流程，第一段为吸附脱氧，吸附压力为≤3.0MPa.G，采用吸附O2、N2的吸附剂，从未吸附气中得到O2＜1%的中间产品气，该中间产品气可直接进入第二段提浓甲烷过程，得到CH4浓度＞90%、O2＜0.5%的产品气。

[0012] 作为优选，所述设施回收的产品或其它高浓度甲烷与甲烷浓度＜30%的原料气混合，使混合后原料气中CH4浓度＞30%，此时采用两段流程。

[0013] 作为优选，所述提浓甲烷段采用变压吸附法或深冷分离法。

[0014] 作为优选，所述PSA吸附过程中，吸附塔的程序安排是单塔吸附、单塔解吸，每个吸附塔在一个循环周期中仅分别进行一次吸附、均压降、顺放、逆放、冲洗、真空解吸、均压升、终升。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过采用分段式的提浓工艺，首先在能满足压缩安全的情况，加压脱氧，保证瓦斯气分离甲烷的安全；其次能对各种浓度的含O2煤层瓦斯气进行CH4提浓，提浓CH4的浓度＞90%。消耗低、安全可靠；然后实现高效脱除CH4中O2，使产品气中O2含量降至0.5%以下，能满足深度脱O2的要求（与催化燃烧脱O2法、焦炭燃烧脱O2法相比，本方法不额外消耗CH4，甲烷产率高也没有因燃烧产生的CO2、H2、CO，减少了净化流程，减化流程，降低投资及运行成本，提高甲烷收率）；最后本发明充分体现了PSA法优势：设备简单、自动化程度高、安全可靠、运行费用低、CH4的收率高。

附图说明

[0016] 图1为本发明的低浓度含氧瓦斯气富集或浓缩甲烷的变压吸附工艺流程图。

[0017] 图2为本发明的PSA脱氧提浓CH4工艺流程图。

[0018] 图3为本发明提及的两段流程式提浓工艺流程图。

[0019] 图4为本发明提及的三段流程式提浓工艺流程图。

[0020] 图中：1、2、3、4、5-缓冲罐，9-压缩机8-真空泵，11~56、110~117-程控阀，120~129-截止阀，181~185-吸附塔。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明进一步说明。

[0022] 实施例1，流程如图1所示，煤矿瓦斯气的甲烷含量为12%，吸附压力为0.02MPa.G，吸附温度40℃，吸附塔内装有吸附CH4的吸附剂，该变压吸附装置采用与本发明相关联的安全设施进行，吸附塔空余处装填了抑爆材料，管道装了占管道体积1%的抑爆材料。变压吸附工艺如图1所示，采用单塔吸附、两次均压的VPSA流程。经过压缩机压缩的瓦斯气进入由181～185五个吸附塔组成的变压吸附系统。下面以吸附塔181为例对CH4回收系统的工艺过程结合图1加以说明。

[0023] 1、吸附A：

[0024] 原料瓦斯气进入进气缓冲罐5，经程控阀11从吸附塔181的底部进气，吸附塔压力控制在～0.02MPa.G，瓦斯气中的甲烷被选择吸附于CH4吸附剂上，少量CH4及其他组分作为未吸附气从吸附塔顶经程控阀14、截止阀128排出，进入尾气缓冲罐4然后放空。该步骤完成甲烷和其他组分的完全分离。当吸附塔181排出气中甲烷浓度达到0.81%时，关闭程控阀14、11、吸附步骤A结束。

[0025] 2、均压降D1：

[0026] 吸附A步骤结束后，开启程控阀15、112、截止阀126，使181吸附塔与缓冲罐3进行均压至两塔罐压力平衡。均压结束后，关闭15、112程控阀

[0027] 3、均压降D2：

[0028] 均压降D1结束后，开启程控阀16、46，使181吸附塔与184吸附塔进行均压至两塔压力平衡。均压结束后，关闭16、46程控阀。

[0029] 4、顺放P：

[0030] 均压降D2结束后，开启程控阀16、110、截止阀124，将181吸附塔内气体顺着吸附方向降压，当塔内压力降至0.02 MPa.G时，关闭16、110程控阀。顺放气进入其回收系统，经加压后作为原料气回用。

[0031] 5、产品气置换Z：

[0032] 顺放P结束后，开启程控阀12、16、111、截止阀125，关闭程控阀117、13，置换气从程控阀12进入吸附塔181，顺着吸附方向进行置换，置换出口气经程控阀16、111、截止阀125流出吸附塔181。置换出口气中甲烷浓度较高，进入其回收系统，经加压后作为原料气回用。置换结束后，关闭程控阀12、16、111。

[0033] 6、抽真空V：

[0034] 产品气置换结束后，开启程控阀13、117、截止阀122，经缓冲罐2，由真空泵8抽出，抽真空结束后，关闭程控阀13、117。

[0035] 7、隔离I：

[0036] 抽真空结束后，吸附塔181的程控阀11～16全部处于关闭状态，等待执行下一步骤。

[0037] 8、均压升E2：

[0038] 隔离I结束后，开启程控阀16、36，利用吸附塔183均压降E2排出的气体对已完成抽真空的吸附塔进行升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀16、36。

[0039] 9、均压升E1：

[0040] 均压升E2结束后，开启程控阀15、112，利用缓冲罐3中的气体对吸附塔181进行升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀15、112。

[0041] 10、最终升压FR：

[0042] 均压升E1结束后，开启程控阀15、113、截止阀127、128，利用缓冲罐4中的气体对吸附塔181进行升压，当吸附塔181压力接近吸附压力时，关闭程控阀15、113。

[0043] 完成上述步骤后，吸附塔181完成了一个周期的循环操作。其它四个吸附塔182～185的循环步骤与吸附塔181完全相同，只是在时间上的相互错开，以保证在任何时候都有一个吸附塔在进行吸附A步骤操作，从而保证甲烷吸附装置的连续运行。

[0044] 至此，本实施例的工艺过程全部结束。本实施例可获得甲烷含量为40%甲烷气体，甲烷收率为95.2%，系统安全。

[0045] 实施例2，流程如图2所示，煤矿瓦斯气的甲烷含量为40%，吸附压力为0.7 MPa.G，吸附温度30℃，吸附塔内装有脱O2吸附剂。该变压吸附装置采用与本发明相关联的安全设施进行，吸附塔空余处装填了抑爆材料，管道装了占管道体积1%的抑爆材料。变压吸附工艺如图1所示，采用单塔吸附、两次均压的VPSA流程。经过压缩机压缩的瓦斯气进入由181～185五个吸附塔组成的变压吸附系统。下面以吸附塔181为例对瓦斯气脱O2、N2回收系统的工艺过程结合图2加以说明。

[0046] 1、吸附A：

[0047] 原料瓦斯气进入进气缓冲罐5，经程控阀11从吸附塔181的底部进气，吸附塔压力控制在～0.7MPa.G，瓦斯气中的O2、N2被选择吸附于吸附剂上，CH4及少量其他组分作为未吸附气从吸附塔顶经程控阀14、截止阀128排出，进入尾气缓冲罐4，再作为产品送出。该步骤实现了O2、N2的吸附，提高了甲烷的浓度，使甲烷和其他组分的完全分离。当吸附塔181排出气中O2浓度达到1.0V%时，关闭程控阀14、11，吸附步骤A结束。

[0048] 2、均压降D1：

[0049] 吸附A步骤结束后，开启程控阀15、112、截止阀126，吸附塔181与缓冲罐3进行均压至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀15、112。

[0050] 3、均压降D2：

[0051] 均压降D1结束后，开启程控阀16、46，吸附塔181与吸附塔184进行均压至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀16、46。

[0052] 4、顺放P：

[0053] 均压降D2结束后，开启程控阀16、110、截止阀124，将吸附塔181内气体顺着吸附方向降压，当塔内压力降至0.02 MPa.G时，关闭程控阀16、110。顺放气进入其回收系统，经加压后作为原料气回用。

[0054] 5、抽真空V：

[0055] 顺放P结束后，开启程控阀13、117、截止阀122，经缓冲罐2，由真空泵8抽出，抽真空结束后，关闭程控阀13、117。

[0056] 6、隔离I：

[0057] 抽真空结束后，吸附塔181的程控阀11～16全部处于关闭状态，等待执行下一步骤。

[0058] 7、均压升E2：

[0059] 隔离I结束后，开启程控阀16、36，利用183均压降E2排出的气体对已完成抽真空的吸附塔进行升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀16、36。

[0060] 8、均压升E1：

[0061] 均压升E2结束后，开启程控阀15、112，利用缓冲罐3中的气体对吸附塔181进行升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭程控阀15、112。

[0062] 9、最终升压FR：

[0063] 均压升E1结束后，开启程控阀15、113、截止阀127、 128，利用缓冲罐4中的气体对吸附塔181进行升压，当吸附塔压力接近吸附压力时，关闭程控阀15、113。

[0064] 完成上述步骤后，吸附塔181完成了一个周期的循环操作。其它四个吸附塔182～185的循环步骤与吸附塔181完全相同，只是在时间上的相互错开，以保证在任何时候都有一个吸附塔在进行吸附A步骤操作，从而保证甲烷吸附装置的连续运行。

[0065] 至此，本实施例的工艺过程全部结束。本实施例可获得甲烷含量为75%、O2为1%的产品甲烷气体，甲烷收率为95.3%，系统安全。

[0066] 实例3，流程如图1所示，煤层瓦斯气的甲烷含量为75%，吸附压力为1.0 MPa.G，吸附温度40℃，采用单塔吸附，吸附塔内装有吸附CH4的吸附剂。该PSA装置还采用与本发明相关联的安全设施进行，吸附塔空余处装填了抑爆材料，管道装了占管道体积1%的抑爆材料。PSA工艺过程的实施如实例1。

[0067] 本实例可获得CH4含量95 %、O2含量＜0.5%的产品，甲烷收率为99.5%。

[0068] 实例4，流程如图3所示，煤层瓦斯气的甲烷含量为45%，吸附压力为1.0 MPa.G，吸附温度30℃，采用两段流程，第一段装有吸附O2的吸附剂。第二段装有吸附CH4吸附剂。该PSA装置还采用与本发明相关联的安全设施进行，吸附塔空余处装填了抑爆材料，管道装了占管道体积1%的抑爆材料。变压吸附工艺如图3所示，PSA工艺过程的实施，第一段PSA如实例2，第二段PSA如实例1。

[0069] 本实例可获得CH4含量95.5%、O2含量0.4%的产品，甲烷收率为94.6%。

[0070] 实例5，流程如图4所示，煤层瓦斯气的甲烷含量为20%，吸附温度30℃，采用三段流程，第一段装有吸附CH4的吸附剂，吸附压力为0.1 MPa.G、第二段装有吸附O2的吸附剂，吸附压力为1.0 MPa.G、第三段装有吸附CH4的吸附剂，吸附压力为1.0 MPa.G。该PSA装置还采用与本发明相关联的安全设施进行，吸附塔空余处装填了抑爆材料，管道装了占管道体积1%的抑爆材料。变压吸附工艺如图4所示，PSA工艺过程的实施，第一段PSA如实例1，第二段PSA如实例2，第三段PSA如实例1。

[0071] 本实例可获得CH4含量95.2%、O2含量0.5%的产品，甲烷收率为91.1%。