[发明专利]含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷方法

说明书

技术领域

本发明涉及清洁能源领域煤层气开发技术，特别是一种含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法。

背景技术

煤层中蕴藏的甲烷是优质的气态燃料，同时也是煤矿井下灾害和大气温室效应的重要源泉。若煤层气中的甲烷浓度达到80％以上，即可直接用作洁净燃料，但一般抽放煤层气中的甲烷浓度远低于80％。我国因煤炭开采而释放的煤层气甲烷每年高达60亿立方米，占全世界排放总量的30％，而其利用率仅为7-8％[张新民，煤层气甲烷——我国天然气的重压潜在领域，天然气化工：1991，13(3)：13-16；鲜学福，我国煤层瓦斯渗流力学的研究现状及进一步发展和应用的展望。重庆：重庆大学矿上工程物理研究所，1997]。资源的巨大浪费原因在于缺乏适宜的煤层气甲烷浓缩技术。

经过预净化处理除去了水等杂质的抽放煤层气，可看作是甲烷和空气的混合气体。浓缩甲烷技术的核心是氮气与甲烷的分离。氮气和甲烷的临界温度都很低，二者物理及化学性质相近，因此开发低成本的甲烷/氮气分离方法一直是一个难度很高的课题。低温方法浓缩煤层气甲烷[陶鹏万，王晓东，黄建彬，低温法浓缩煤层气中的甲烷，天然气化工：C1化学与化工，2005，30(4)43-46]需将所有的抽放气液化，若甲烷浓度低，则浓缩成本巨大。变压吸附方法在常温下操作，吸附压力也不高，比低温分离条件温和得多。但变压吸附方法浓缩煤层气甲烷业已研究多年，仍被视为吸附领域具有挑战性的课题[Ruthven，D.M.Past Progress and Future Challenges in Adsorption Research，Ind.Eng.Chem.Res.，39，2127-2131(2000)]。吸附分离的基本问题有两个，一是没有找到高效的分离吸附剂，即关键组分的分离系数低，使得吸附分离成本较高；二是甲烷作为塔底产品，其浓度、收率和压力均受限制。以高表面活性炭为吸附剂，大大增加了甲烷与氮气的吸附差异[周理，周亚平，高表面活性炭变压吸附分离甲烷/氮气混合物的方法，中国专利ZL02117916.6，2002]，但甲烷仍是强吸附组分，限制了产品气甲烷浓度和甲烷收率的提高。利用位阻效应和吸附动力学差异开发的吸附剂转变了甲烷与氮气对吸附剂的亲和顺序，使甲烷变为塔顶产品[Jayaraman A.，Yang R.T.Tailored Clinoptilolites forNitrogen/Methane Separation，Ind.Eng.Chem.Res.，2005，44，5184-5192]，但这种吸附剂的比表面积很低，吸附容量很小，吸附差异也非常有限，其工业应用前景不明朗。中国专利CN85103557公开了以活性炭为吸附剂，采用经典Skarstrom循环，甲烷浓度从30.4％提高到63.9％。若以产品气甲烷作为置换气体，可使其浓度从20％提高到93.7％，但需要采用高回流比，导致生产效率低，回收率低，分离成本提高。此外，产品气是通过抽真空等方式得到的，甲烷依然是塔底产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法，可以克服已有技术的缺陷。它是以活性炭为分离吸附剂，在变压吸附(PSA)工艺流程中增加了以二氧化碳置换被吸附甲烷的步骤，使甲烷成为塔顶产品，从而提高了产品气甲烷的浓度和收率。二氧化碳则为工质气体，循环使用。其特点是，即保持了较高的关键组分分离系数，又使甲烷作为塔顶产品并且达到很高的浓度和回收率。本发明适用于不同甲烷含量的煤层气，例如，从甲烷浓度为20％的煤层气得到的产品气，甲烷浓度可达90％以上，回收率高达90％。

本发明提供的含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法主要包括的步骤：原料气吸附、工质气体置换、床层再生、副产品气充压和工质气体回收等。所述的工质气体置换采用带压置换或常压置换操作方式，即在吸附压力下以二氧化碳置换吸附甲烷，或在常压下以二氧化碳置换吸附甲烷。

本发明提供的含二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法主要包括的步骤：原料气吸附、工质气体置换、床层再生、副产品气充压和工质气体回收等。工质气体置换采用带压置换和常压置换两种操作方式，即在吸附压力下以二氧化碳置换吸附甲烷，或在常压下以二氧化碳置换吸附甲烷。

带压置换吸附法浓缩煤层气中甲烷的工艺操作流程：

1.吸附