[发明专利]一种低浓度含氧煤层气的脱氧方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种低浓度含氧煤层气的脱氧方法及设备。

背景技术

天然气作为一种清洁、高效、低碳资源，在未来中国的能源消费结构中将大幅上升，但我国天然气的产量和储量远不能满足社会经济发展的需要。因此，非常规天然气(煤层气、页岩气)的开发利用，对增加能源供应，减小环境污染，保证社会经济、资源、环境的可持续发展具有重要意义。

煤层气是与煤炭伴生的甲烷气体，我国是煤炭生产和消费大国，煤炭开采过程中，排放大量的煤层气，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。

煤层气的开采方式可分为煤炭采前区的开采、采动区的开采和采空区的开采。随着煤炭开采程度的加深，老矿区的采空区逐渐增多，采空区煤层气中一般混合一定浓度的空气，氧气含量可达2％以上，而且随着开采程度的加深，氧气含量还可能继续增加。为克服安全隐患，含氧煤层气需脱除氧气，才能送入后系统，经压缩、分离、低温液化，生产压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，作为汽车或民用燃料。

目前，脱除煤层气中氧气的方法主要有低温催化燃烧法、焦炭燃烧脱氧法等。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工艺包括绝热固定床工艺、等温固定床工艺和流化床工艺。含氧煤层气的催化脱氧反应是甲烷在贫氧条件下的低温完全燃烧过程，甲烷的燃烧热为890.3kJ/mol，脱氧过程放出大量的反应热。为了保证反应的活性和选择性，防止催化剂烧结，必须控制催化剂床层在合适的反应温度，移出反应热。专利CN101139239A、CN101613627A公开了采用绝热固定床反应器，循环部分脱氧冷却后的富甲烷气体的方法，以控制催化剂床层的反应温度、防爆，完成脱氧过程。专利CN102921355A、CN102430367提出了采用水或熔盐换热的等温固定床反应器，该工艺的换热系统复杂，但可有效保护催化剂，防止床层飞温。专利CN102517109A公开了一种含氧煤层气的流化床脱氧方法和设备，处理能力大、操作简便，适合处理含氧量5-15％的含氧煤层气。

煤矿采空区抽采的矿井煤层气含氧量较低(1-4％)，而且单井产量小，交通不便，需要一种简单、经济的脱氧方法。

发明内容

本发明的目的在于开发一种安全性好、脱氧效果好、投资少、结构简单、操作方便、运行费用低的低浓度含氧煤层气的脱氧方法及设备。

本发明提出的一种低浓度含氧煤层气的脱氧方法是由列管式固定床脱氧反应器、脱氧后的热气体与冷的含氧煤层气进行换热的预热器、脱氧煤层气冷却器组成。在列管式固定床催化脱氧反应器内填充粒径2-6mm的脱氧催化剂，控制操作压力0-0.4MPa、脱氧反应温度300-650℃、气体体积空速2000-20000h^-1，催化煤层气中的甲烷和氧进行低温燃烧反应，生成二氧化碳和水，降低煤层气中的氧含量至0.2％(vol)以下,脱氧后的热气体进入预热器与冷的含氧气体换热，回收热量并初步预热煤层气至150-450℃，最后进入冷却器冷却至50℃以下，脱水后，进入煤层气输送管路。

本发明提出的一种用于低浓度含氧煤层气脱氧的固定床催化脱氧反应器，在进行催化脱氧反应的同时具有换热器的作用。含氧煤层气在催化剂列管内脱氧反应放出的热量导致催化剂床层温度升高，高温床层与管间的低温未反应气体进行热交换，一方面维持催化剂剂床层在合适的温度范围内，避免催化剂的高温烧结失活，另一方面进一步预热管间气体至脱氧反应的起燃温度以上，从列管下部进入催化剂床层。固定床反应器的管间布置多块折流挡板起到强化床层和管间气体热交换的作用。

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：首先利用煤层气或电加热烘炉，预热固定床脱氧反应器至300-500℃，即甲烷催化氧化的起燃温度以上；

(2)含氧煤层气经阻火器、预热器和预热器旁路，从固定床脱氧反应器上部的含氧煤层气进口进入反应器，沿挡板向下折流流动，从列管下部列管气体进口进入含有脱氧催化剂的列管中进行脱氧反应，控制反应温度350-650℃，操作压力0-0.4MPa，气体体积空速2000-20000h^-1，热的脱氧煤层气从固定床脱氧反应器顶部的脱氧煤层气出口流出反应器；