[发明专利]一种低浓度瓦斯安全吸附富集的方法

说明书

技术领域

本发明属于变压吸附气体分离技术领域，尤其是涉及一种低浓度瓦斯安 全富集的方法，用于煤矿抽排瓦斯的安全富集与利用。

背景技术

煤层气中甲烷的含量一般为20～45％，我国2000米以内的浅层煤层气资 源量大约为30万～35万亿立方米，与天然气的资源总量差不多，居世界第三 位。目前，我国每年因采煤排放的煤层气在130亿立方米以上，占世界采煤排 放煤层气总量的1/3，居世界第一。我国《煤矿安全规程》规定，煤层气利用 时甲烷体积分数不得低于30％，体积分数低于25％的煤层气不得利用。目前工 业上往往采用焚烧销毁或者放散的办法处理甲烷体积分数低于25％的煤层 气，不仅浪费了大量的优质能源，而且造成了温室气体的排放。因此，如何将 低浓度的瓦斯气体分离提浓，已成为煤层气开发的重要问题。

瓦斯爆炸是煤矿的主要灾害之一。甲烷与氧气的体积分数在一定的范围 内具有爆炸性，国际上一般采用Coward三角形对可燃气体的爆炸范围进行判 别。专利200810101910.3、200810101907.1、200810101908.6公开了图1所示 的扩展后的甲烷爆炸三角形示意图，图中将整个浓度范围划分为可爆炸区和不 爆炸区。其中三角形L’NV’内的区域为可以发生爆炸的区域，其中点V为临 界爆炸点，其坐标为(5.18，9.47)。直线NVV’为不同氧气体积分数下甲烷 的爆炸上限，对应的甲烷和氧气体积分数关系为：Y＝1.181X_O2-6.0。直线L’LN 为不同氧气体积分数下甲烷的爆炸下限，对应的甲烷和氧气体积分数关系为： Y＝5.344-0.0713X_O2。

用深冷法分离煤层气可以获得体积分数为95％以上的甲烷气体。但深冷 过程中需要对气体加高压，而甲烷在空气中的爆炸上限随着压力的增加而增 加，当煤层气压力达2.5Mpa时甲烷的爆炸上限提高到了42.5％。为了保证分 离过程的安全，深冷法分离瓦斯时需要预先进行脱氧处理，而低浓度瓦斯中氧 气的含量很高，氧气体积分数大于14.7％，对低浓度瓦斯气脱氧则需要增加大 量的投资。中国专利200810101910.3、200810101907.1、200810101908.6公开 了一种针对含氧煤层气深冷分离的方法，该分离方法控制甲烷、氧气、氮气三 元气体的体积分数和以及操作过程中的温度保证分离过程中始终位于爆炸三 角形之外。深冷分离法操作过程比较复杂，设备投资和能耗都比较大，只有规 模达到相当大的程度后才适合使用。目前，深冷法在低浓度瓦斯分离方面尚未 见到工业规模的应用实例。膜分离工艺简单、操作方便、成本低廉、无二次污 染，但膜分离的效果对制膜技术依赖性强，膜本身可能存在易淤塞、易损坏、 使用寿命短等问题，技术上还有较大的完善空间。在膜分离方面，混合气体中 涉及甲烷的大规模的膜分离工艺仍处于开发阶段，特别是CH4/N2体系在膜分 离方面还没有成功的报道。

变压吸附由于投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛 的关注。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤矿瓦斯的技术，以活 性炭为吸附剂，在吸附压力为0.5-1.0MPa的条件下可以将甲烷提浓到95％以 上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1.2万 m³/天的浓缩工业试验装置，成功地将煤层气中的CH₄体积分数从30.4％提高 到63.9％，增加置换步骤后，可进一步提高到99.4％。由于吸附压力大，且在 吸附过程中存在安全隐患，该技术没有得到推广。低浓度瓦斯氧含量高，变压 吸附分离过程中使用单一吸附剂吸附瓦斯气体中任何一种气体都无法保证操 作过程中避开爆炸三角形，国内外对于低浓度瓦斯的富集都缺乏研究。本发明 通过吸附剂混合的方法，按比例的吸附混合气体，保证变压吸附分离过程的安 全运行。

发明内容

为了解决变压吸附富集瓦斯过程中容易进入瓦斯爆炸极限的不足，本发 明提供一种低浓度瓦斯(甲烷体积分数小于30％)安全吸附富集的方法。该 方法可以安全的将体积分数为20％以上的低浓度瓦斯气体提浓到30％以上， 且回收率超过80％。