[发明专利]一种含氧煤层气催化脱氧工艺

说明书

技术领域

本发明属于化学领域，具体涉及一种含氧(O₂)煤层气催化脱氧工艺。

背景技术

煤层气是一种吸附于煤层中的可燃气体，主要成份为高纯度甲烷 (CH₄)。煤层气的存在给煤矿安全生产带来了较大的安全隐患，因此，必 须在采煤过程前或采煤过程中将其抽采或稀释。由于煤层气通常不含硫， 也不含苯、汞、铅等可致癌的有毒物，所以煤层气可以替代常规天然气作 为一种高热值、无污染的优质清洁能源，用作发电燃料、工业燃料、车用 燃料、化工原料和居民生活燃料。目前，对于CH₄含量在60％以上的煤层 气，利用技术相对比较成熟；而CH₄浓度相对比较低且混入空气的煤层气 通常只能就地使用，绝大部分被燃烧放空。据统计每年我国从采煤行业排 放的CH₄达194亿m³，这样造成了极大的资源浪费。此外，CH₄的温室效 应是CO₂的21倍。因此，如能将这种中、低浓度的含氧煤层气加以加工提 纯、输运和利用，将具有重大的经济效益和环境效益。

煤层气提纯技术是指将N₂或空气与CH₄分离，使煤层气中甲烷含量相 应增加，从而可以提高煤层气的热值及降低输送成本。煤层气提纯技术主 要包括低温深冷分离、变压吸附和膜分离等三种。对于变压吸附法和膜分 离法，高压有利于气体的分离净化。但是，高的操作压力使得甲烷的爆炸 限变宽，对于这种中、低浓度的含氧煤层气提纯来说，操作危险性增大。 专利CN1952569A和CN1908559A公开了一种含空气煤层气的低温双级精 馏液化分离工艺，其液化和分离都在低温下进行，液化天然气的产品纯度 可以达到99％以上。然而该技术在分离过程中，随着甲烷浓度的提高，排 放废气的氧含量也被浓缩提高，不可避免地有一个阶段正好是属于甲烷的 燃烧和爆炸的范围，存在着很大的安全风险。

因此，一种较为安全的分离提纯方案是先脱除煤层气中的O₂再进行提 纯处理。有效的脱氧过程是煤层气加压液化分离等后序过程的安全保障。 目前可采用的煤层气脱氧方式主要包括催化脱氧(ZL02113628.9、 CN101139239A等)、焦炭燃烧法(ZL02113627.0、CN1919986A)等。煤 层气焦炭燃烧法脱氧工艺虽然能够有效脱除含氧煤层气中的O₂，但是该工 艺采用焦炭做燃料(如采用无烟煤代替焦炭则带来SO₂排放等问题)，能 耗较高；补焦和除尘工艺也相对比较复杂；较高的反应温度不仅对反应器 材质提出了更高的要求，同时可能导致CH₄高温裂解及重整等副反应发生， 使煤层气中CH₄回收率降低。这些都增加了焦炭燃烧法脱氧工艺的成本。

催化脱氧工艺的本质是富燃贫氧气氛下CH₄的催化燃烧，该过程发生 的主要反应为CH₄(g)+2O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂O(g)-802.32kJ/mol，为强放热反 应；同时由反应体系热力学分析可知，反应温度超过650℃时CH₄的水蒸汽 重整反应和裂解积碳反应发生的可能性较大。因此，如何移走反应过程中 放出的大量的热并控制催化剂床层温度在相对较低的水平(如650℃以内) 以减少副反应的发生，是该催化脱氧工艺的关键所在。采用具有内构件的 等温床反应器会使得反应器设备造价急剧升高；如采用绝热床反应器，则 循环反应器和部分产品气循环工艺是必然的选择。专利CN101139239A公 开了一种富含甲烷气体的耐硫催化脱氧工艺，通过循环部分脱氧冷却后的 气体来降低氧浓度控制反应温度。但是，该工艺采用锰系耐硫脱氧催化剂， 为维持催化剂活性以达到要求的脱氧深度，必然要采用较高的反应温度和 较低的反应空速。较高的反应温度会增加CH₄发生副反应的机会，降低了 CH₄回收率；较低的反应空速会使反应器设备体积庞大，增加煤层气脱氧成 本。此外，非贵金属催化剂的使用会使得催化脱氧反应的点火起动变得困 难；颗粒型催化剂则增加了床层的阻力降，不利于入口压力较低的煤层气 脱氧工艺。上述问题均使得该催化脱氧工艺技术方案的可行性降低。