[发明专利]煤层气直接富集甲烷的变压吸附方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层气浓缩方法，属于气体分离技术领域。

背景技术

随着人们对煤矿安全、环境保护意识的提高，近年来国内外十分重视煤层气的开发利用。煤层气的有效成分是CH₄，CH₄是一种高效洁净的能源和化工原料，但同时也是一种温室效应气体。我国是煤炭资源大国，煤层气储量丰富，为35万亿立方米，居世界第三位。埋深2000米以内的煤层气资源量达31.46万亿立方米，其中埋深1500米以内的约占总资源量的60％。而目前我国每年因采煤排放的煤层气在130亿立方米以上，占世界煤层气排放总量的1/3，居世界第一。在当前我国天然气能源不足的情况下，人们在广泛注重常规天然气开发的同时，不断地将目光投向非常规天然气——煤层气的开发与利用。如果能有效利用这些煤层气资源，对改善和优化能源结构、保障煤矿安全生产、减少大气污染有重要的意义。

煤层气作为一种高效清洁能源，主要成分是CH₄，其次是N₂和O₂，另外还有少量或微量的烃类气体以及CO₂、H₂、He、H₂S等，热均值为35800kJ/m³(相当于1.22kg标准煤)，燃烧过程中基本无烟尘。CH₄的热值为33500～33700kJ/m³，按热值计算，大致1000m³CH₄相当于1t标准煤。目前我国的煤层气利用基本上是CH₄浓度在35％以上的用于民用，低浓度CH₄则直接排放到大气当中。CH₄是一种温室气体，会对环境造成了严重的破坏，它的温室效应比CO₂要大20倍，将其排入大气层，不仅因为会温室效应引起气候异常，还会消耗大气平流层中的臭氧，对臭氧层破坏能力是CO₂的7倍。

煤层气中除空气外杂质含量相对较少，经过脱硫、干燥等预处理的煤层气成份为CH₄、N₂及O₂，以CH₄/空气或CH₄/N₂表示，也就是说，预净化后煤层气的分离实质上是CH₄与N₂之间的分离。

目前，国内外主要的浓缩煤层气技术有：

(1)膜分离：膜分离技术是以膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解、扩散、脱附等步骤产生组分间传递速率的差异来实现分离。膜分离用于煤层气中CH₄/N₂分离有设备简单、过程无相态变化、占地少、可连续运行等优点；但膜分离过程中产品气的损失不可避免，给煤层气生产带来一定的安全隐患；另外膜分离的效果对制膜技术依赖性强，技术上还有较大的完善空间。

(2)低温精馏技术：低温精馏技术的分离原理是利用N₂与CH₄的沸点差实现二者的分离。低温精馏法分离N₂和CH₄混合气技术成熟、产品气浓度高、目的产物收率高，但装置复杂，设备投资大，能耗高，适用于处理量大的煤层气。

(3)Mehra工艺：利用碳氢溶剂物理吸收CH₄，实现N₂和CH₄混合物的分离。该工艺对同时回收天然气凝液和提浓含氮天然气有一定经济价值，但单独用来分离CH₄和N₂时，CH₄在碳氢溶剂中溶解度低、需要吸收剂的量大，是否可行未见报道。

(4)Bend研究机构采用金属基液体吸收剂去除N₂：该机构制备了一种选择性化学吸收N₂的金属有机络合物。当气体混合物通过溶有这种络合物的溶液时，N₂与络合物反应生成新的物质而被选择性截留下来。该工艺理论可行，但溶液吸收再生速度慢，效率低，仅适合少量N₂吸收，目前尚未进行工业现场试验。