[发明专利]一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法及装置

说明书

本发明涉及的是变压吸附气体分离技术领域，特别涉及一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法及装置；本发明包括以下两级过程：第一级为脱氧过程，第二级为脱氮过程；通过上述浓缩方法得到的最终产品气中氧气浓度在0.3％以下，甲烷的浓度在90％以上，达到煤层气提纯目的；本发明实现低浓度煤层气提纯制取高浓度甲烷的目的；分离过程采用甲烷置换将吸附塔内部分氮气置换出来，提高甲烷浓度；使用第二级分离过程产生的氮气作为第一级吸附塔再生时吹扫气使用，降低第一级再生出口的甲烷和氧气浓度，排除了再生气进入爆炸极限的危险，确保吸附过程的安全。

技术领域

本发明涉及的是变压吸附气体分离技术领域，特别涉及一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法及装置。

背景技术

煤层气是热值高、无污染的优质能源。我国煤层气资源丰富，但低浓度煤层气占比较高。我国每年因采煤和其他活动排放超过12亿立方米低浓度煤层气。目前我国对这部分气体的利用率仅占总排放量的5％～7％，绝大部分排放到大气中，不仅浪费资源，而且会引起大气污染。

制约低浓度煤层气利用的一个重要因素是甲烷提纯技术不够成熟，工艺流程研究不够深入。如果将其所含甲烷纯度提高到90％以上，就能作为高能燃料和化工原料适用，降低能源浪费。

煤层气利用率低的另一个主要原因是在抽采过程中混入了大量的空气致使煤层气中含有大量的氧气，给煤层气的利用带来了一些安全隐患，也进一步制约了煤层气的综合开发利用。如果将其所含氧气浓度降低到1％以下，将有助于提高煤矿安全、降低环境污染。

变压吸附由于投资小、运行成本低等优势在气体分离领域应用广泛。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤层气的技术，以活性炭为吸附剂，在压力为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/天的工业实验装置，成功地将煤层气中的甲烷体积分数由30.4％提高至63.9％,增加置换步骤后可进一步提高至99.4％。由于在吸附过程中存在安全隐患，该技术很难得到大范围推广。其他专利也都提出了类似的工艺方法，但均无法避免甲烷和氧气混合物处于爆炸极限范围内的情况，存有较大的安全隐患。专利CN105879577A提供了一种基于氮气置换的煤层气脱氧浓缩方法及装置，通过氮气置换的方法，在吸附剂吸附结束后采用氮气从吸附塔进气端注入吸附塔，将吸附塔内的甲烷装置置换出吸附塔，降低解析气中的甲烷浓度，可将产品气中的氧气浓度控制在0.3％以下，解析出的甲烷浓度在5％以下，避免进入甲烷爆炸极限，从而安全实现煤层气的脱氧浓缩。但未提及该方法对甲烷的提浓效果以及进一步降低氧气浓度的可能性。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供了一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法及装置。通过两级变压吸附过程，其中包括：第一级脱氧过程，甲烷和氮气由塔顶进入缓冲罐并带有一定压力并作为第二级过程的原料气，第一级可以采用吹扫再生或抽真空加吹扫再生；第二级脱氮过程，期间采用部分塔底甲烷置换的方法将吸附塔内的氮气置换出来，最终的甲烷产品由塔底抽空得到，氮气由塔顶流出进入缓冲罐。通过上述浓缩方法得到的最终产品气中氧气浓度在0.3％以下，甲烷的浓度在90％以上，不仅避免进入甲烷爆炸极限范围，确保吸附过程安全，而且达到煤层气中甲烷的高浓度富集目的。根据本发明的第一方面，提供一种基于产品气甲烷置换的煤层气脱氧除氮浓缩方法，包括以下两级过程：

第一级：脱除煤层气中的氧气；

第二级：脱除煤层气中的氮气；

所述上述浓缩分离方法富集后的产品气中氧气浓度在0.3％以下；经过甲烷置换后的解析气中甲烷的浓度在90％以上。

进一步地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括吸附、均压、逆放、抽空四个步骤。具体地，所述第一级脱除煤层气中的氧气包括以下步骤：