一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法

摘要

本发明公开了一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法。它包括如下步骤：将低浓度煤层气进行至少一次如下处理，实现对所述低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离；所述处理为依次进行压缩处理、净化处理、变压吸附浓缩处理。本发明方法简单、分离时间快，能够将低浓度煤层气中甲烷的体积百分含量由10～30％浓缩至92％以上。

权利要求

1.一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法，为如下步骤：将低浓度煤层气进行2次如下处理，实现对所述低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离；

所述处理为依次进行压缩处理、净化处理、变压吸附浓缩处理；

所述低浓度煤层气中甲烷的体积百分含量为10～30％；

所述低浓度煤层气经压缩处理后的压力为0.1～0.5MPa；

所述净化处理的步骤如下：将经过所述压缩处理后的所述低浓度煤层气依次进行除尘、除水、除油；

所述除尘、除水、除油分别通过依次连接的旋风除雾器、溶盐式脱水装置和活性炭罐进行处理；

所述活性炭罐内装填的活性炭的堆比重为400～500g/L；

所述变压吸附浓缩处理采用的吸附剂为BM-3型碳分子筛；

所述变压吸附浓缩处理的温度为5～35℃，时间为90s，以升压速率为0.001～0.01MPa/s升压至压力为0.1～0.5MPa；

所述变压吸附浓缩处理在常规六塔真空吸附塔中进行；

所述BM-3型碳分子筛的分离系数 为4.0，堆比重为600～650g/L；

当所述处理为二次之后所述处理中所述变压吸附浓缩处理后排放的废气返回所述低浓度煤层气中补充原料。

说明书

一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法，属于气体分离领域。

背景技术

[0002] 低浓度煤层气是指甲烷浓度低于30％的煤层气。按照国家《煤矿安全规程》规定，对煤层气进行利用时，甲烷浓度不得低于30％。对于这一部分煤层气，目前的做法是在煤矿附近做民用燃料或直接排放。我国2005年已研发出低浓度煤层气发电技术，且在全国得到普遍推广应用，但由于该发电技术对含氧煤层气的输送技术要求高，且与电网并网困难，因此资源利用率不高。随着国内对环保要求的不断提高，天然气作为一种清洁能源需求量逐渐增加，低浓度煤层气快速变压吸附浓缩分离制压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)可有效的提高低浓度煤层气利用率。变压吸附法作为低浓度煤层气浓缩分离的主要方法，具有工艺简单、能耗低、投资小的特点

[0003] 目前低浓度煤层气变压吸附浓缩分离制压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)大都将单塔吸附时间控制在120s以上，且采用多级变压吸附分离的方式，而单塔吸附时间在120s以下的低浓度煤层气变压吸附浓缩分离工艺并未有成功报导。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法，本发明方法简单、分离时间快，能够将低浓度煤层气中甲烷的体积百分含量由10～30％浓缩至92％以上。

[0005] 本发明提供的一种低浓度煤层气中甲烷浓缩分离的方法，包括如下步骤：将低浓度煤层气进行至少一次如下处理，实现对所述低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离；

[0006] 所述处理为依次进行压缩处理、净化处理、变压吸附浓缩处理。

[0007] 上述的方法中，所述低浓度煤层气中甲烷的体积百分含量可为10～30％，具体可为10～15％、10～20％、15～20％、14.79％或19.77％。

[0008] 上述的方法中，所述处理的次数为1～5次，优选2次。

[0009] 上述的方法中，所述低浓度煤层气经压缩处理后的压力可为0.1～0.5MPa，具体可为0.15MPa、0.17MPa、0.2MPa或0.3MPa。

[0010] 上述的方法中，所述净化处理的步骤如下：将经过所述压缩处理后的所述低浓度煤层气一次进行除尘、除水、除油。

[0011] 上述的方法中，所述除尘、除水、除油分别通过依次连接的旋风除雾器、溶盐式脱水装置和活性炭罐进行处理。

[0012] 上述的方法中，所述活性炭罐内装填的活性炭的堆比重可为400～500g/L，具体可为500g/L。

[0013] 上述的方法中，所述变压吸附浓缩处理采用的吸附剂为BM-3型碳分子筛；

[0014] 所述变压吸附浓缩处理的温度可为5～35℃，具体可为25℃，时间可为60～120s，具体可为90s，以升压速率为0.001～0.1MPa/s升压至压力可为0.1～0.5MPa，具体可为0.01MPa/s升压至0.17MPa；

[0015] 所述变压吸附浓缩处理在常规六塔真空吸附塔中进行。

[0016] 上述的方法中，所述BM-3型碳分子筛的分离系数aCH4/N2可为4.0，堆比重可为600～650g/L，具体可为购自煤炭科学技术研究院有限公司。

[0017] 上述的方法中，当所述处理为一次以上，第二次及之后所述处理中所述变压吸附浓缩处理后排放的废气返回所述低浓度煤层气中补充原料，以提高产品回收率。

[0018] 本发明具有以下优点：

[0019] 本发明以低浓度煤层气为原料，先进行压缩和净化，再采用变压吸附方法对煤层气中的甲烷进行分离浓缩，随后将第一级变压吸附浓缩后的气体进行二次压缩和净化，对压缩净化后煤层气进行第二级变压吸附浓缩，从而使煤层气中甲烷的浓度由原料气中的10～30％提高到92％以上。本发明浓缩分离方法只选用一种碳分子筛(BM-3型碳分子筛)，即可达到浓缩CH4和脱氧的目的，并且本发明变压浓缩的时间缩短，浓缩分离效率显著提高，在煤层气的工业化推广方面具有重要的意义和应用价值。

附图说明

[0020] 图1为本发明低浓度煤层气中甲烷浓缩分离方法的工艺流程图，及实施例1和2中从低浓度煤层气中浓缩分离甲烷的工艺流程图。

具体实施方式

[0021] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

[0022] 下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

[0023] 下述实施例中所述装置或设备如无特别说明，均为常规装置或设备。

[0024] 下述实施例中所述含量如无特别说明，均为体积百分含量。

[0025] 其中，测定甲烷含量采用红外分析方法测量，甲烷的回收率(指的是经过变压吸附浓缩分离后得到产品中纯甲烷的量占浓缩原料气中纯甲烷的量)按照如下公式进行计算：

[0026] 甲烷回收率＝(回收的甲烷量/原料气中甲烷的量)×100％

[0027] 下述实施例中所用碳分子筛BM-3购自煤炭科学技术研究院有限公司，BM-3型碳分子筛的理化参数如下：吸附剂直径(mm)为2.5～3.2，吸附剂粒度(目)为4～12，吸附剂抗压强度(N/颗粒)≥100，吸附剂堆积重(g/cc)为0.6～0.65，分离系数≥4。

[0028] 实施例1、对CH4含量为10～15％的低浓度煤层气进行快速浓缩分离[0029] 本实施例快速浓缩分离的工艺流程如图1所示，其中，1为原料气的低浓度煤层气，2为压缩步骤，3为净化步骤，4为第一级变压吸附浓缩步骤，5为第一级变压吸附浓缩排空尾气，6为压缩步骤，7为净化步骤，8为第二级变压吸附浓缩，9为第二级变压吸附浓缩返回气，
10为最终产品气。

[0030] 具体过程如下：

[0031] 1)将作为原料气的低浓度煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，该压缩后的煤层气的压力为0.15MPa；

[0032] 其中，原料气各组分的名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：14.79％、O2：17.89％、N2：67.32％，原料气压力为3～5kPa；

[0033] 2)将步骤1)所得压缩后的煤层气经过滤器除尘，旋风除雾器除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0034] 3)对步骤2)得到的净化后的煤层气进行第一级变压吸附浓缩分离，得到浓缩后的煤层气，同时第一级变压吸附浓缩尾气排空处理；

[0035] 4)对步骤3)得到浓缩后煤层气进行压缩，得到压缩后煤层气，该煤层气的压力为0.17MPa；

[0036] 其中第一级变压吸附浓缩后煤层气各组分名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：39.16％、O2：12.77％、N2：48.07％；

[0037] 5)将步骤4)所得压缩后的煤层气经旋风除雾器除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0038] 6)对步骤5)得到的净化后的煤层气进行第二级变压吸附浓缩分离，得到产品气，同时第二级变压吸附浓缩尾气作为返回气，与新鲜原料气进行混合。

[0039] 实例中，所用两级变压吸附塔为六塔真空吸附塔，吸附塔的内径为542mm，第一级变压吸附浓缩中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为90s，吸附压力为0.15MPa。第二级变压吸附浓缩处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为90s，吸附压力为0.17MPa。

[0040] 该步骤中第一级变压吸附浓缩产生的尾气放空，第二级变压吸附浓缩产生的尾气返回原料气中按照前述步骤2)-步骤6)继续进行浓缩分离。

[0041] 利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分含量分别为：CH4：93.06％、O2：0.82％、N2：3.12％，甲烷回收率为91.23％。

[0042] 实施例2、对CH4含量为15～20％的低浓度煤层气进行快速浓缩分离[0043] 本实施例快速浓缩分离的工艺流程如图1所示，其中，1为原料气的低浓度煤层气，2为压缩步骤，3为净化步骤，4为第一级变压吸附浓缩步骤，5为第一级变压吸附浓缩排空废气，6为压缩步骤，7为净化步骤，8为第二级变压吸附浓缩，9为第二级变压吸附浓缩返回气，
10为最终产品气。

[0044] 具体过程如下：

[0045] 1)将作为原料气的低浓度煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气，该压缩后的煤层气的压力为0.15MPa；

[0046] 其中，原料气各组分的名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：19.77％、O2：16.84％、N2：63.39％，原料气压力为3～5kPa；

[0047] 2)将步骤1)所得压缩后的煤层气经过滤器除尘，旋风除雾器除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0048] 3)对步骤2)得到的净化后的煤层气进行第一级变压吸附浓缩分离，得到浓缩后的煤层气，同时第一级变压吸附浓缩尾气排空处理。

[0049] 4)对步骤3)得到浓缩后煤层气进行压缩，得到压缩后煤层气，该煤层气的压力为0.17MPa；

[0050] 其中第一级变压吸附浓缩后煤层气各组分名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：54.70％、O2：9.51％、N2：35.79％；

[0051] 5)将步骤4)所得压缩后的煤层气经旋风除雾器除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0052] 6)对步骤5)得到的净化后的煤层气进行第二级变压吸附浓缩分离，得到产品气，同时第二级变压吸附浓缩尾气作为返回气，与新鲜原料气进行混合。

[0053] 实例中，所用两级变压吸附塔为六塔真空吸附塔，吸附塔的内径为542mm，第一级变压吸附浓缩中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为90s，吸附压力为0.15MPa。第二级变压吸附浓缩处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为90s，吸附压力为0.17MPa。

[0054] 该步骤中第一级变压吸附浓缩产生的尾气放空，第二级变压吸附浓缩产生的尾气返回原料气中按照前述步骤2)-步骤6)继续进行浓缩分离。

[0055] 利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分含量分别为：CH4：96.02％、O2：0.8％、N2：3.2％，甲烷回收率为90.83％。

[0056] 对比例、

[0057] 具体过程如下：

[0058] 1)将作为原料气的甲烷浓度为20.10％的低浓度煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，该压缩后的煤层气的压力为0.6MPa；

[0059] 其中，原料气各组分的名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：20.10％、O2：16.84％、N2：63.06％，原料气压力为3～5kPa；

[0060] 2)将步骤1)所得压缩后的煤层气经过滤器除尘除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0061] 3)对步骤2)得到的净化后的煤层气进行第一级变压吸附浓缩分离，得到浓缩后的煤层气，同时第一级变压吸附浓缩尾气排空处理；

[0062] 4)对步骤3)得到浓缩后煤层气进行压缩，得到压缩后煤层气，该煤层气的压力为0.5MPa；

[0063] 其中第一级变压吸附浓缩后煤层气各组分名称及体积百分含量分别如下所示：CH4：55.70％、O2：8.51％、N2：35.79％；

[0064] 5)将步骤4)所得压缩后的煤层气经过滤器除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

[0065] 6)对步骤5)得到的净化后的煤层气进行第二级变压吸附浓缩分离，得到产品气，同时第二级变压吸附浓缩尾气排空处理。

[0066] 对比例中，所用两级变压吸附塔为六塔真空吸附塔，吸附塔的内径为542mm，第一级变压吸附浓缩中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为210s，吸附压力为0.6MPa。第二级变压吸附浓缩处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-3，吸附温度为25℃，吸附时间为270s，吸附压力为0.5MPa。

[0067] 该步骤中第一级变压吸附浓缩产生的尾气放空，第二级变压吸附浓缩产生的尾气排空。

[0068] 利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分含量分别为：CH4：96.32％、O2：0.5％、N2：3.2％，甲烷回收率为64.31％。