[发明专利]一种含氧煤层气的流化床催化脱氧方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氧煤层气的流化床催化脱氧方法及设备。

背景技术

我国是煤炭消费大国，煤炭开采过程中，为保证矿井安全生产，抽放大量的低浓度混空煤层气，其主要成分是甲烷(CH₄)和空气。据统计，我国每年采煤排放的煤层气数十亿立方米，绝大部分直接放空燃烧，不仅浪费了资源，同时也加重了大气的温室效应，造成环境污染。

低浓度含氧煤层气中甲烷含量30-70％、氧含量5-15％，易燃、易爆，当前的主要利用方式是直接燃烧和发电，其经济价值未能充分体现。我国目前天然气供给量严重不足，若能将其提纯、浓缩利用，作为汽车或民用燃料，必将是天然气资源的有效补充，可以提高资源价值和经济效益。

煤层气分离提纯技术主要包括变压吸附、膜分离和低温深冷分离技术等。变压吸附和膜分离需要在高压条件下进行，但高压导致甲烷爆炸极限变宽，而且分离过程中必然会产生爆炸性气体，操作危险大，是目前限制煤层气分离提级利用的主要技术因素。专利ZL85103557公开了一种变压吸附法分离煤层气中甲烷的方法，但甲烷浓缩过程中，也导致排气中氧浓度的增大，排放废气的管路中存在爆炸的危险。专利CN101531559A，CN101531560A，CN101531561A公开了一种采用低温精馏的方法分离煤层气中甲烷的方法，采用严格控制分离曲线的方法，控制气体的爆炸极限，但安全性还有待评价，系统风险较大。因此，为了防止气体爆炸，提高工艺的安全性和可行性，有必要首先脱除煤层气中混合的氧气，然后再进行加压分离或低温液化分离操作。

目前，煤层气脱氧的方法主要有催化氧化法、焦炭脱氧法等。专利ZL02113627.0公布了一种含氧煤层气通过高温焦炭层脱除氧气的方法，具有甲烷损失小、费用低的优点，但工艺复杂、操作强度大、气体后处理成本高。专利ZL02113628.9、CN101250449A、CN101139239A、CN101613627A公开了采用催化脱氧的方法，分别采用Pt、Pd、Mn系列脱氧催化剂，在350-700℃范围内脱除煤层气中的氧，脱氧程度可达到1％以下。从各种方法的比较看，催化氧化脱氧方法利用了气体中固有的甲烷和氧气，不需添加其它物料，而且可以回收废热副产蒸汽，具有工艺简单、脱氧程度高、条件温和、气体后处理简单的特点，具有一定的技术优势。

含氧煤层气的催化脱氧过程是甲烷的催化氧化燃烧过程，反应放热量大，如何减少和移出反应热是关键的技术问题。专利CN101139239A、CN101613627A公开了绝热固定床煤层气脱氧反应器，采用循环部分脱氧的富甲烷气体的方法，减少煤层气中相对的氧含量，从而减少相对放热量，以控制催化剂床层的反应温度在合适的范围内，防止局部过热超温，引起的催化剂失活和烧结，但这也造成过程的能耗高和生产强度小。

流化床反应器广泛应用于煤的燃烧、气化、石油催化裂化等领域。流化床反应器内，固体颗粒在气体曳力作用下，呈流化状态，气固接触效果好，传热、传质速率高。而且，流化床反应器易于通过内置换热器控制温度，非常适合强放热的煤层气脱氧反应过程。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种安全性好，能耗低，脱氧效率高，催化剂寿命长，处理能力大的流化床反应器进行含氧煤层气的催化氧化脱氧方法。

本发明另一个目的是提供一种传热系数大、换热效率高、安全性好、结构简单的含氧煤层气脱氧反应装置。

本发明的一种含氧煤层气的流化床脱氧方法是由流化床脱氧反应器、内置换热器、汽包、旋风分离器、立管、固体颗粒回料控制阀、催化剂粉尘高温过滤器组成。在流化床反应器内，利用球形非贵金属脱氧催化剂，控制操作压力0-0.4MPa(表)、温度350-650℃、含氧煤层气中的甲烷和氧进行低温催化燃烧反应，生成二氧化碳和水，从而将气体含氧量降低到0.5％以下。低温燃烧放出的热量经换热器和汽包，副产低压或中压蒸汽。脱氧后的煤层气经旋风分离器、过滤除尘器回收催化剂后，送后系统处理。

流化床脱氧反应器采用气固流态化原理，内置换热器，通过调整换热器传热介质的流速和温度，可以保证反应器处于合理的操作温度，同时利用反应热生成低压或中压蒸汽，回收热能，提高系统热利用率。流化床反应器的气体分布，采用了多喷嘴的进气方式，喷嘴气速高于预混火焰的传播速度，防止回火和爆燃。

本发明的目的可以通过以下技术措施来实现：

(1)系统低温启动：首先汽包注水，控制汽包液位在安全范围；然后利用煤层气烘炉，预热流化床脱氧反应器至300-400℃，即催化剂的最低引燃温度以上；