[发明专利]一种二级流化床煤层气非催化脱氧工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层气脱氧方法，具体是涉及一种二级流化床煤层气非催化脱氧工艺。

背景技术

煤层气属于非常规天然气，即煤在形成和演化过程中生成的、没有经过运移、以吸附状态存在于煤层内的天然气。煤层气的主要成份为甲烷（CH₄）、氮气和氧气，是一种清洁和高热值的能源。由于煤层气通常不含硫、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，利用技术比较成熟；而CH₄浓度相对比较低且混入空气的煤层气-煤层气抽放气利用技术相对比较少，煤层气中的氧使得煤层气的利用存在爆炸危险，通常只能就地使用，或被燃烧放空。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，严重污染生态环境。因此，如果能将这种中、低浓度的含氧煤层气提纯，将具有重大的经济效益和环境效益。

煤层气抽放气（含氧煤层气）利用的关键是开发经济高效的脱氧技术，目前的脱氧技术主要有两种：一种是物理脱氧，包括低温深冷，变压吸附、膜分离以及气体磁力分离法等；一种是化学脱氧，包括催化法脱氧和焦炭燃烧法脱氧。

低温深冷技术的原理是双级精馏。其流程是：原料气首先进入制冷系统逐步降温直至部分组分变为液体，进入气液分离器分离为尾气和液态粗产品。根据需要，尾气进入下一级进行进一步的分离或返回制冷系统回收冷量，液态粗产品直接输出或适当增压后进入气提塔，进一步获得更纯的液态产品(塔顶气体则并入气液分离器尾气)。低温分离的特点是：通过适当流程，可以实现在气态物料中高沸点的被分离组分连续逐步减少，转变为含低沸点成份的液态，而更低沸点组份的总量则基本不变。公开号为CN101531560A公开了“一种以低温液化分离从含氧煤层气中提纯甲烷的方法”，其所述方法步骤是：首先对含氧煤层气的原料气进行降温，再将降温后的含氧煤层气进行精馏处理，即得分离提纯的甲烷。

变压吸附（PSA）技术是以吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸收为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加（吸附组分）、减压下吸附量减少（解析组分）的特性，将原料气在高压力下通过吸附剂床层，高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点组分不易吸附而通过吸附剂床层，达到杂质组分的分离，然后在减压下解吸被吸附的组分使吸附剂获得再生，再次进行吸附分离杂质。通常的变压吸附工艺由一系列装有吸附剂的塔组成，其中每个塔都必须经历吸附，压力均衡，顺向减压，逆向减压，冲洗，一次冲压，二次冲压等七个步骤。该工艺所用的吸附剂可以是硅胶、氧化铝，A型、X型分子筛、活性碳或碳分子筛。但其关键是吸附剂对甲烷的吸附能力必须高于瓦斯气中其他组分（除水外），还要求甲烷和氮有较大的分离系数，同时甲烷又能很容易地从吸附剂中脱附出来。此发明的主要问题是加压过程中存在爆炸的危险。

膜分离法脱氧具有不发生相态变化、设备简单、占地面积小等优点。公开号为CN1799679A公开了一种“变压吸附和膜分离技术”，是实现煤层气浓缩CH₄和回收N₂综合利用的方法。其膜分离工艺参数如下：膜孔径为＜0.01μm,高压与低压比为＞4，原料气压力＞200Pa,原料气温度＜25℃，通过膜吸附和变压吸附，获得CH₄的含量达到50-95%。该工艺的缺点是：气体各组分对薄膜的渗透能力不同，其渗透量与各组分渗透系数、渗透膜面积以及膜两侧的气体组分的分压差有关，在分离中会造成产品气的损失。而且甲烷爆炸极限随着压力增高急剧扩大，进一步凸显该技术的安全问题。

气体磁力分离法，该方法的原理是：煤层气中氧气具有顺磁性能被磁场吸引，而其中的甲烷、二氧化碳和氮气等具有抗磁性能被磁场排斥。通过利用交变梯度磁场把氧气从煤层气中脱除去。但是此技术目前仍然处于研究阶段，距离实际应用还有较长的距离。

催化燃烧法的原理是：甲烷在催化剂作用下与煤层气中的氧进行催化燃烧反应，达到脱氧的目的，其主要反应如下：