[发明专利]一种含氧煤层气的脱氧方法

说明书

技术领域

本发明属于煤矿区煤层气的开发与应用领域，具体涉及一种含氧煤层气的脱氧方法。

背景技术

煤层气是煤层中吸附的伴生气，其主要成分是甲烷，属于非常规天然气。全世界煤层气储量巨大，根据国际能源署（IEA）的统计资料结果，全球煤层气资源量可达270万亿Nm³，90%分布在12个主要产煤国，其中俄罗斯、加拿大、中国、美国和澳大利亚的煤层气资源量均超过10万亿Nm³。中国煤层气资源丰富，是第三大煤层气储量国。据2005年煤层气资源评价结果，全国埋深2000米以浅的煤层气总资源量为36.81万亿Nm³，与陆上常规天然气相当。

我国天然气产量远不能满足国内需求，供需缺口很大。预计到2020年，我国大中型城市燃气使用率可达85～90％，小城镇可达45％，天然气在我国一次能源消费中所占比例将由目前的2.7％增长到10％以上，年消费量达到1800～2100亿Nm³。煤层气是一种优质资源与能源，可作为城市民用燃料、车用燃气、发电燃料、工业燃料和化工原料。作为天然气的重要补充，煤层气的开发利用前景十分广阔。

目前我国抽排的煤层气主要是采煤过程中由动采区和采空区产生的混合煤层气，其中掺进了大量空气，甲烷浓度变化范围较大，集中在30～80%之间，俗称为“煤矿瓦斯”。我国每年因采煤向大气中排放的煤层气折合纯甲烷达到200亿Nm³以上，而目前的利用率不足10%，造成了极大的资源浪费。而且，甲烷的温室效应是二氧化碳的21～24倍，它对大气臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。我国煤矿排放的甲烷占全球采煤排放甲烷总量的35%以上，这使我国面临着巨大的温室气体减排压力。

常温常压下，甲烷在空气中的爆炸极限在5～15%之间，随着温度和压力的升高，爆炸极限将迅速降低。煤层气因混有空气，在管输或者分离浓缩过程中具有一定的危险性，大大制约其回收利用。目前国内煤层气仅有少量用于发电或就近作为民用燃料。要实现煤层气安全、有效的回收与利用，首要解决的技术瓶颈是煤层气脱氧问题。将中等甲烷浓度的含氧煤层气先进行脱氧净化处理，再经变压吸附或深冷法提纯，可制得压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG）。相对于煤层气发电，这条工艺路线具有更高的附加值，也是目前最具市场前景的煤层气高效利用方式。

现有技术中可应用于煤层气催化脱氧的方法主要有如下二种：

（1）使用贵金属催化剂或非贵金属催化剂，在一定的温度条件下使煤层气中的氧和甲烷催化燃烧，生成二氧化碳和水，从而达到脱氧的目的。

CN10664679A公开了一种用于煤层气脱氧的贵金属催化剂脱氧工艺，该催化剂以贵金属铂族元素为主要活性组分，主反应为：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

该发明中使用的催化剂具有起燃温度低、燃烧过程稳定、活性高、寿命长等特点，适合于以煤层气脱氧净化为目的甲烷催化燃烧过程。

CN101322942A公开了一种用于煤层气脱氧的非贵金属催化脱氧工艺，该催化剂以钴为主要活性组分，反应方程式与贵金属催化脱氧原理相同，主反应为：

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O

该脱氧方法的优点在于催化剂成本较低且具有较强的耐硫性能。

上述方法的共同缺点是：氧气与甲烷完全反应所需反应温度较高，其脱氧工艺操作温度一般控制在400～700℃；其脱氧过程以损失部分甲烷为代价并会伴有不同程度的副反应。

（2）利用氢气作为还原性气体，在催化剂的作用下使煤层气中的氧气与氢气发生氧化反应生成水，从而达到脱氧的目的。

CN102433184A公开了一种利用氢气直接脱除煤层气中氧的方法，主反应为：

2H₂+O₂→H₂O

利用氢气脱氧，不消耗甲烷且生成物为水，所需能量利用氢氧反应热提供，无需提供额外能量，具有环保和甲烷利用率较高的特点。

其不足之处在于：脱氧过程需全部使用贵金属催化剂，成本昂贵；利用氢气作为还原性气体，氢气的来源对于煤矿区而言相对比较困难，限制了该方法在煤层气脱氧中的实际应用。