CN101531559B - 从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法，包括以下步骤：首先对含氧煤层气的原料气进行降温，接着对所述的含氧煤层气进行精馏处理，从精馏系统顶部流出尾气，纯甲烷从精馏系统底部流出，a)检测原料气中的甲烷的初始体积浓度y⁰；b)以甲烷的体积浓度Y为横坐标，氧的体积浓度X为纵坐标，用于建立针对分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域，并确定含氧煤层气在初始状态下对应坐标区域中的爆炸三角形；c)当y⁰位于该位置处的含氧煤层气的坐标区域的欠氧区时，脱除待降温的原料气中的氧气；d)维持甲烷的体积浓度，从原料气中分离甲烷。按照本发明的技术方案进行粗脱氧，可以在更精确保证不发生爆炸的前提下，降低原料气的预处理成本。

Description

从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法

技术领域

本发明涉及从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法，属于混合气体分离纯化技术领域。

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，是一种清洁和高热值的能源。我国煤层气资源非常丰富，基本储量与常规天然气相当。煤层气有两种抽采方式：一种是地面抽采，其煤层气中甲烷纯度高，可以达到98％左右。这种煤层气利用价值比较高，可以直接加压进行管网输运，也可以直接进行液化储运。但是更为广泛的煤层气抽采方式是在已经进行煤炭开采生产的矿井下抽采。这种方式抽采出来的煤层气当中甲烷含量较低，通常在30％～70％之间。在相当长的一段时期内，我国煤矿开采过程当中，一直依赖矿井下抽采，煤层气，即：通常所称的瓦斯气的抽放处理仅仅是处于煤矿安全生产的要求而进行的。

从矿井煤层气中分离提纯甲烷气体对于扩展和提高煤层气的有效利用率和经济价值具有重要意义。我国煤层气具有数量巨大，产地分散、单井规模小，且井下抽采气浓度低并含氧等特点，必须有安全、经济的分离储运技术才能充分合理利用。

目前可以应用于从煤层气中分离提纯甲烷的方法一般有低温液化分离、变压吸附及膜分离等工艺方案，每种技术方案均具有自己的特色且具有各自的应用范围。但是对于分离处理类似矿井煤层气这种含氧可燃混合物时，安全问题成为所有分离技术必须考虑的问题。甲烷是一种可燃气体，与空气混合存在一个爆炸浓度范围，在常温常压下为5％～15％。这个浓度范围会随着压力和温度的变化而改变，其中温度升高和压力升高均会使爆炸浓度范围扩大。从矿井煤层气，即空气和甲烷的混合物中分离提纯甲烷，无论起始混合物中甲烷浓度有多高，随着甲烷的分离减少，在系统内均会穿过爆炸浓度范围，这对于任何分离提纯系统均是非常危险的。

目前，对低温液化分离、变压吸附及膜分离等各种气体分离技术应用于从煤层气中提纯甲烷的技术报道较为少见。其中中国专利申请200610080889.4、200610103425.0公开了一种针对含氧煤层气液化分离的工艺流程，采用低温精馏和分馏措施可以实现从含氧煤层气中提纯甲烷，并且可以获得较高纯度的氮气，可补充到制冷系统当中。然而在实际操作过程中，由于在提纯的过程中，甲烷的浓度不断降低，氧气的浓度不断升高，可能存在含氧煤层气的温度达到甲烷的爆炸点，这就可能造成混合气体的爆炸，该专利申请并没有具体涉及到如何解决安全问题的技术方案，而且流程要对含甲烷尾气进一步分离制氮，会在系统中出现液态空气、富氧液态和气态氧，存在更多的危险性，也没有对此提出解决方案。中国专利申请200410040155.4也公开了一种采用低温液化分离煤层气提纯甲烷的方案，其中提及了要对原料煤层气进行深度脱氧处理后才可以进行低温液化分离。对于分离工艺中所采用的变压吸附和膜分离工艺来说，在分离工艺流程中需要对原料气进行加压，这显著扩大了煤层气的爆炸浓度范围，因此采取脱氧或者其他安全措施是必要的。对于煤层气中脱氧目前的技术手段有：催化氧化和化工转化等方法，但是深度脱氧具有成本高或者是技术经济性不好、技术成熟度不够等问题，对含较多氧的煤层气中、低浓度煤层气尚未见到工业规模的应用实例。

根据燃烧理论，甲烷等可燃气体-氧气-惰性气体混合物存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，其与可燃气体一氧气混合物的爆炸上、下限浓度点构成了一个爆炸三角形，只有当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统才有可能发生爆炸。在《煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册》2005年的第120页，公开了图1的甲烷-空气混合气体的坐标区域以及该坐标区域中的爆炸三角形的示意图，此图通常称为Coward三角形，图中将整个坐标区域的浓度范围划分为I、II、III和IV四个区域。实际上，此四个区域的划分与混合物浓度、压力及温度均有关系。结合图2典型的混合气体低温分离流程进一步说明。原料气首先进入制冷系统逐步降温直至部分组份变为液体，进入精馏系统分离为尾气和液态纯甲烷。根据需要，尾气也可返回制冷系统回收冷量后排出或进入下一级进行进一步的分离。此流程中的精馏系统可由一个气液分离器和气提塔所替代，见图3。液态产品直接以低温液态或通过制冷系统回收冷量后以气态输出。

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份连续逐步减少，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。当原料入口组份浓度处于以系统中最危险点温度、压力确定的坐标区域的II区时，深度低温分离过程总是要穿越I区。低温分离过程中所有点的产出物(液相和气相)的组份浓度可由混合物组份和浓度、当地压力和温度由相平衡计算结合物料平衡方法精确获得。当被分离组份与剩余组份沸点相差较大时，在系统压力确定后，系统中任何点气相的组份浓度可仅由当地温度较为准确地确定。利用低温分离的上述特点形成本发明技术方案的核心思想是：通过对原料气浓度状态点判断和控制液化分离最低温度将分离过程中所有点的气相中甲烷的浓度均控制在爆炸三角形，即：I区以外。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止含氧煤层气在分离过程中爆炸的工艺方法。该含氧煤层气的分离是低温分离方法，在该分离过程中，通过对含氧煤层气的浓度状态点判断和对原料气进行粗脱氧而至一定比例，使分离过程始终处于爆炸三角形以外，从而实现从含氧煤层气中安全分离提纯甲烷的工艺方法。

下文中的“分离系统”包括制冷系统、精馏系统和它们之间的连接管道构成的整个系统。

本发明提供了一种从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法，包括以下步骤：首先对含氧煤层气的原料气进行降温，接着对降温后的含氧煤层气进行精馏处理，即得经分离提纯的甲烷，其中，

a)检测原料气中的甲烷的初始体积浓度y⁰；

b)以甲烷的体积浓度Y为横坐标，氧的体积浓度X为纵坐标，用于建立针对分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域，并确定含氧煤层气在初始状态下对应坐标区域中的爆炸三角形；

c)当y⁰位于该位置处的含氧煤层气的坐标区域的欠氧区时，脱除待降温的原料气中的氧气，并使得氧气的脱除量满足以下关系： $X\≥[y_{O_2}^0(100-y^c)-y_{O_2}^c(100-y^0)]/[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^0{y}_{O_2}^c],$ 其中，X是脱除的氧气与原料气的摩尔比，y_O2 ⁰是原料气中氧气的初始体积浓度，y^c是分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点的甲烷体积浓度，y_O2 ^c是分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点的氧气体积浓度；

d)维持甲烷的体积浓度，从原料气中分离甲烷。

优选地，所述的含氧煤层气的坐标区域是通过以下方法建立的：

a)将坐标横轴与坐标纵轴的交点O(0，0)确定为坐标原点，甲烷的体积浓度为100％，氧体积浓度为0的点确定为B点，氧的体积浓度为100％，甲烷的体积浓度为0的点确定为A；

b)连接点A、O、B组成分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域。

优选地，所述的含氧煤层气在初始状态下对应的爆炸三角形是通过以下方法建立的：

a)甲烷和空气的混合气体在精馏处理中的直线方程 $Y=-4.785X_{O_2}+100$ 与坐标纵轴的交点为A₁，连接点A₁、B组成甲烷和空气的混合气体直线方程A₁B，X_O2表示氧气的体积浓度，Y表示甲烷的体积浓度；

b)将常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N相连接，组成常温常压下含氧煤层气的爆炸三角形LVN，LN为常温常压下含氧煤层气的爆炸下限线，VN为常温常压下含氧煤层气的爆炸上限线；

c)通过在非常温常压下，含氧煤层气在初始状下的爆炸下限点L₁、爆炸上限点V₁分别作LN和VN的平行线，两平行线相交于N₀点，则三角形L₁V₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸三角形，L₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸下限线，V₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸上限线；

d)将N₀L₁延长与AB相交于L₀，将N₀V₁延长与AB相交于V₀，连接点L₀、V₀和N₀，得到含氧煤层气在坐标区域中的爆炸三角形L₀V₀N₀。

优选地，所述的分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点是通过以下方法获得的：

a)甲烷和空气的混合气体在精馏处理中的直线方程 $Y=-4.785X_{O_2}+100$ 与坐标纵轴的交点为A₁，连接点A₁、B组成甲烷和空气的混合气体直线方程A₁B，X_O2表示氧气的体积浓度，Y表示甲烷的体积浓度；

b)将常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N相连接，组成常温常压下含氧煤层气的爆炸三角形LVN，LN为常温常压下含氧煤层气的爆炸下限线，VN为常温常压下含氧煤层气的爆炸上限线；

c)通过在非常温常压下，分离工艺流程中最易发生爆炸位置处的温度和压力下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L₂、爆炸上限点V₂分别作LN和VN的平行线，两平行线相交于N₀’点，该点为分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点。

优选地，所述的甲烷是通过以下方法从含氧煤层气中分离获得的：含氧煤层气的原料气首先进入制冷系统降温，接着所述的含氧煤层气进入精馏系统进行精馏处理，从精馏系统顶部流出尾气，纯甲烷从精馏系统底部流出。

优选地，所述的精馏系统为精馏塔。

优选地，所述的分离工艺流程中最易发生爆炸的位置处为接近精馏系统出口的位置处。

具体地，最易发生爆炸的位置处通过本领域的技术人员模拟精馏塔内的气体和液体的浓度分布，并且结合精馏塔内的各个塔板的温度和压力按照本文介绍的方法计算最低临界浓度值对应的分离工艺流程中的位置为该流程中最易发生爆炸的位置处。

优选地，从精馏系统顶部流出的尾气进入冷量回收系统中回收冷量，再从冷量回收系统的出口流出。

优选地，所述的制冷系统和所述的冷量回收系统设置于同一装置内。

优选地，所述的冷量回收系统为节流装置或者膨胀装置。

本发明的发明人惊奇地发现，含氧煤层气的爆炸三角形的爆炸上、下限值对本发明的实施至关重要，而含氧煤层气的爆炸三角形受组份、温度和压力等因素的影响。结合文献实测数据，本申请给出了常温常压下含氧煤层气的爆炸三角形的计算方法，结合图4进一步解释。

所述的爆炸三角形通过以下方法建立

(I)首先建立含氧煤层气的坐标区域

a)将坐标横轴与坐标纵轴的交点O(0，0)确定为坐标原点，甲烷的体积浓度为100％，氧体积浓度为0的点确定为B点，氧的体积浓度为100％，甲烷的体积浓度为0的点确定为A；

b)连接点A、O、B组成分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域。

(II)接着建立常温常压下的含氧煤层气的爆炸三角形

在常温常压条件下，甲烷-氧-氮气爆炸三角形图如图4所示。对于公知的甲烷气体与空气(氮氧混合物)形成的混合物在精馏系统中的浓度坐标点位于直线①上，该直线方程为Y＝-4.785·X_O2+100。Y表示混合气体中的甲烷的体积浓度，X_O2表示混合气体中的O₂的体积浓度。常温常压条件下，甲烷气体与空气形成的混合物的爆炸下限点L(5.0，19.88)，爆炸上限点V(15.0，17.79)，临界爆炸浓度点N(5.18，9.47)。常温常压条件下，含氧煤层气，即：任意比例的甲烷、氮气和氧气的爆炸三角形为LNV，LN为常温常压下含氧煤层气的爆炸下限线，VN为常温常压下含氧煤层气的爆炸上限线。见《煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册》2005年的第120页。

由于该气体中存在以下关系： $Y+Y_{N_2}+X_{O_2}=100,$ 其中Y表示混合气体中的甲烷的体积浓度，Y_N2表示该气体中的N₂的体积浓度，X_O2表示该气体中的O₂的体积浓度。由于空气中的N₂和O₂之间公知的比例关系，可以得到如下式中的氧气不同含量X_O2下的含氧煤层气的爆炸下限线的关系式：

L’LN： $Y=5.344-0.0173X_{O_2}---\left(1\right)$

图中氧气不同含量X_O2下的含氧煤层气的爆炸上限线的关系式如下：

V’VN： $Y=1.181X_{O_2}-6.0---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中的Y表示含氧煤层气中的甲烷的体积浓度，X_O2表示含氧煤层气中的O₂的体积浓度。

(III)含氧煤层气在初始状态下对应的坐标区域中的爆炸三角形的建立方法

本申请的发明人经过反复研究，给出了含氧煤层气的爆炸三角形的计算方法，结合图5进一步解释。不同温度和压力条件下，含氧煤层气的爆炸三角形会受到含氧煤层气混合物压力和温度的影响。在一定温度下，压力越高爆炸三角形面积越大；在一定压力下，温度越低爆炸三角形面积越小。爆炸三角形近似地由爆炸上限点、爆炸下限点和临界爆炸浓度点三点的连线确定。

下式(3)是含氧煤层气的爆炸下限方程，下式(4)是含氧煤层气的爆炸上限方程。从下式(3)可以看出，含氧煤层气的爆炸下限基本不受压力影响，受到温度的影响。从下式(4)可以看出，含氧煤层气的爆炸上限同时受温度和压力影响。对于不同温度和压力下含氧煤层气的混合气体的爆炸上限和下限分别可按式(3)和式(4)计算：

Y(vol％)＝5.0-0.0042(t-t₀)                        (3)

$Y(\mathrm{vol}\%)=V_{p0}[1+c\left(\frac{t-t_0}{100}\right)]---\left(4\right)$

其中：

V_p0＝0.325exp(0.23P/P₀)+15.35

c＝-0.104exp(-0.313P/P₀)+0.16

P₀＝0.1MPa，t₀＝25℃。

式(3)中的Y表示爆炸下限的含氧煤层气中的甲烷体积浓度，式(4)中的Y表示爆炸上限的含氧煤层气中的甲烷体积浓度。t表示该气体的温度，P表示该气体的压力。V_P0.c为中间参数。

由于甲烷气体与空气(氮氧混合物)形成的含氧煤层气混合物在精馏系统中的浓度坐标点位于直线①上： $Y=-4.785X_{O_2}+100$ 甲烷和空气的混合气体在精馏系统中的直线方程 $Y=-4.785X_{O_2}+100$ 与坐标纵轴的交点为A₁，由连接点A₁、B组成甲烷和空气的混合气体直线方程A₁B，X_O2表示氧气的体积浓度，Y表示甲烷的体积浓度；

对于分离系统中的某一个确定的温度和压力，在本发明中指含氧煤层气的初始状态，该状态下的含氧煤层气的温度和压力是确定的。通过公式(3)和直线①的方程，得出原料气的初始状态下的含氧煤层气的爆炸下限点L₁，再通过该状态下的温度、压力、公式(4)和直线①的方程，得出该状态下的爆炸上限点V₁。本申请发明人发现不同温度和压力下的含氧煤层气，即：任意比例的甲烷、氮气和氧气的爆炸下限线和爆炸上限线平行于常温常压下的含氧煤层气的爆炸下限线和爆炸上限线，分别通过L₁和V₁点作L’LN和V’VN的平行线，两平行线的交点N₀。将N₀L₁延长与AB相交于L₀，将N₀V₁延长与AB相交于V₀，连接点L₀、V₀和N₀，得到含氧煤层气在原料气的初始状态下的未添加不可燃物时对应的坐标区域中的爆炸三角形L₀V₀N₀，L₀N₀为该温度和压力条件下，含氧煤层气的爆炸下限线，V₀N₀为该温度和压力条件下，含氧煤层气的爆炸上限线。该爆炸三角形的建立方法同样也适用于精馏系统中的任一位置处的爆炸三角形的建立。

另外，对于非常温常压下的某一位置处甲烷和空气混合气体的爆炸下限点L₁、爆炸上限点V₁也可以通过爆炸界限实验获取，实验方法可以参照本领域公知的甲烷和空气的混合气体的爆炸实验。

(IV)分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点是通过以下方法获得：

已知分离工艺流程中最易发生爆炸位置处的温度和压力代入公式(3)和公式(4)和直线①的方程，得到分离工艺流程中最易发生爆炸位置处甲烷和空气混合气体的爆炸下限点L₂、爆炸上限点V₂，过L₂和V₂分别作LN和VN的平行线，两平行线相交于N₀’点，该点即为分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点，临界爆炸点的甲烷体积浓度y^c以及氧气体积浓度y_O2 ^c可以从坐标轴上对应的坐标获得。

本发明中的从含氧煤层气中安全提纯分离甲烷的工艺方法也可以扩展到从混合气体中分离提纯可燃气体。在分离提纯可燃气体时，需要根据被分离的可燃气体中的可燃物与甲烷体积当量浓度之间的关系对直线方程①进行换算，再按照上述的方法，确定在非常温常压下的任意一种混合气体的坐标区域，以及其中的爆炸三角形。

在这个分离系统中，所述的最易发生爆炸的位置处优选为接近精馏系统出口的位置处。具体地，最易发生爆炸的位置处通过本领域的技术人员模拟精馏塔内的气相和液相的浓度分布，并且结合精馏塔内的各个塔板的温度和压力，按照本文介绍的公式(3)和公式(4)计算得到的最低临界浓度值对应的位置为最易发生爆炸的位置处。

在本发明中，通过去除含氧煤层气原料气中的氧气而使分离过程始终处于爆炸三角形以外的工艺方法，在该工艺方法中，通过判断含氧煤层甲烷的初始体积浓度y⁰，通过上述的技术方案计算含氧煤层气在初始状态下的爆炸三角形，并将含氧煤层气的坐标区域划分I、II、III和IV四个区域。当含氧煤层气的初始体积浓度点处于爆炸三角形外的III区和IV区时，则可直接安全实现可燃物的深度分离，此时仅需控制制冷系统制冷能力或调节原料气流量使分离系统最低温度处于在分离流程中出现富氧液相以上。当原料气初始体积浓度点于爆炸三角形外的II区时，则首先通过计算确定分离系统中最易发生爆炸位置处的含氧煤层气的对应坐标区域中的临界爆炸点N₀’，以及该点处甲烷体积浓度y^c和氧气体积浓度y_O2 ^c，再根据公式 $X\≥[y_{O_2}^0(100-y^c)-y_{O_2}^c(100-y^0)]/[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^0{y}_{O_2}^c],$ 计算含氧煤层气原料气的氧气脱除比例，以确保不发生爆炸。X是脱除的氧气与原料气的摩尔比，y_O2 ⁰是原料气中氧气的体积初始浓度，y^c是当前该点处的临界爆炸点对应的甲烷体积浓度，y_O2 ^c是当前该点处的临界爆炸点对应的氧气的体积浓度，y⁰原料气中的甲烷的体积初始浓度。

本发明的有益效果在于：根据本发明提供的方法，可以在更精确保证不发生爆炸的前提下，仅按照本发明的技术方案进行粗脱氧，即可保证低温液化分离流程的安全进行，而不会出现爆炸的情况，无需使用现在常规使用的深度脱氧方法，从而降低原料气的预处理成本。

附图说明

图1表示爆炸三角形的示意图。

图2表示含氧煤层气的回收的分离系统，其中的精馏系统为精馏塔，虚线表示从精馏系统2中流出的尾气进入装置1中的制冷系统进行冷量的回收。

图3表示通过去除含氧煤层气中的氧气安全低温提纯甲烷的流程图。

图4表示常温常压下甲烷和空气的混合物的坐标区域及其中的爆炸三角形。

图5表示非常温常压下含氧煤层气的坐标区域及其中的爆炸三角形。

具体实施方式

实施例1

一种含氧煤层气混合物，所述的含氧煤层气首先进入装置1的制冷系统降温，接着进入精馏塔2分离为尾气和液态纯甲烷，从精馏塔顶部的尾气出口点2’流出尾气，液态纯甲烷从精馏塔底部流出。

首先确定分离系统中的最易爆炸的位置，该最易发生爆炸的位置通过在常规操作条件下，精馏塔的各个塔板已知的温度和压力分布，以及在各个塔板的液体和气体的浓度并通过公式(3)和公式(4)计算得到在各个塔板上的临界爆炸点，比较每个塔板的临界爆炸点，最低的临界爆炸点对应的分离系统中的位置为最易发生爆炸的位置。

建立含氧煤层气的坐标区域：a)将坐标横轴与坐标纵轴的交点O(0，0)确定为坐标原点，甲烷的体积浓度为100％，氧体积浓度为0的点确定为B点，氧的体积浓度为100％，甲烷的体积浓度为0的点确定为A；b)连接点A、O、B组成分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域。

建立含氧煤层气在初始状态下的爆炸三角形，由于原料气的初始状态是常温常压，所以得到该状态下的甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L₁、爆炸上限点V₁和临界浓度点N₀分别与常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N重合，所以L₁(5.0，19.88)、V₁(15.0，17.79)和N₀(5.18，9.47)。将N₀L₁延长与AB相交于L₀，将V₁N₀延长与AB相交于V₀，连接点L₀、V₀和N₀，得到含氧煤层气在初始状态下对应的坐标区域中的爆炸三角形L₀V₀N₀。

含氧煤层气的原料气混合物中甲烷、氧气和氮气的初始浓度分别为70％、10％和20％，所处状态为常温常压，刚好位于坐标区域中的爆炸三角形外的II区，即欠氧区。

由于低温流程中最易发生爆炸的位置的温度为-140℃，压力为0.3MPa，计算求得最易发生爆炸位置处对应的坐标区域临界爆炸点N₀’，该点对应的甲烷体积浓度为5.82％，氧的体积浓度为12.29％。

再根据公式 $X\≥[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^c(100-y^0)]/[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^0{y}_{O_2}^c]$ 计算得出对原料气进行粗脱氧的最小脱氧比例为0.700，从装置1的制冷系统的入口1’处对含氧煤层气的原料气进行脱氧，维持甲烷的体积浓度，从原料气中分离甲烷。

实施例2

一种含氧煤层气混合物，所述的含氧煤层气首先进入装置1的制冷系统降温，接着进入精馏塔2分离为尾气和液态纯甲烷，从精馏塔顶部的尾气出口点2’流出尾气，液态纯甲烷从精馏塔底部流出。

首先确定分离系统中的最易爆炸的位置，该最易发生爆炸的位置通过在常规操作条件下，精馏塔的各个塔板已知的温度和压力分布，以及在各个塔板的液体和气体的浓度并通过公式(3)和公式(4)计算得到在各个塔板上的临界爆炸点，比较每个塔板的临界爆炸点，最低的临界爆炸点对应的分离系统中的位置为最易发生爆炸的位置。

建立含氧煤层气的坐标区域：a)将坐标横轴与坐标纵轴的交点O(0，0)确定为坐标原点，甲烷的体积浓度为100％，氧体积浓度为0的点确定为B点，氧的体积浓度为100％，甲烷的体积浓度为0的点确定为A；b)连接点A、O、B组成分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域。

建立含氧煤层气在初始状态下的爆炸三角形，由于原料气的初始状态是常温常压，所以得到该状态下的甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L₁、爆炸上限点V₁和临界浓度点N₀分别与常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N重合，所以L₁(5.0，19.88)、V₁(15.0，17.79)和N₀(5.18，9.47)。将N₀L₁延长与AB相交于L₀，将V₁N₀延长与AB相交于V₀，连接点L₀、V₀和N₀，得到含氧煤层气在初始状态下对应的坐标区域中的爆炸三角形L₀V₀N₀。

氧煤层气的原料气混合物中甲烷、氧气和氮气的初始体积浓度分别为80％、4％和16％，所处状态为常温常压，刚好位于含氧煤层气的坐标区域爆炸三角形外的II区。

由于低温流程中最易发生爆炸的位置的温度为-140℃，压力为0.3MPa，计算求得最易发生爆炸位置处对应的坐标区域临界爆炸点N₀’，该点对应的甲烷体积浓度为5.82％，氧的体积浓度为12.29％。

再根据公式 $X\≥[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^c(100-y^0)]/[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^0{y}_{O_2}^c]$ 计算得出对原料气进行粗脱氧的最小脱氧比例，从装置1的制冷系统的入口1’处对含氧煤层气的原料气进行脱氧，维持甲烷的体积浓度，从原料气中分离甲烷。

实施例3

一种含氧煤层气混合物，所述的含氧煤层气首先进入装置1的制冷系统降温，接着进入精馏系统2分离为尾气和液态纯甲烷，从精馏系统顶部的尾气出口点2’流出尾气，尾气进入装置1的冷量回收系统回收尾气的冷量，液态纯甲烷从精馏系统底部流出，在本实施方式中的制冷系统和冷量回收系统均设置在装置1中。

计算过程如下：

含氧煤层气坐标区域的建立见实施例2。

含氧煤层气初始状态下爆炸三角形爆炸的建立方法参见实施例2，含氧煤层气的原料气混合物中的甲烷、氧气和氮气的初始浓度分别为8％、5％和87％，尾气出口初始状态为常温常压。

首先根据初始浓度判断含氧煤层气混合物原料气处于爆炸三角形外的IV区，在低温液化分离过程中不会发生爆炸，不用进行粗脱氧，最小脱氧比例为零。

实施例4

一种含氧煤层气混合物，所述的含氧煤层气首先进入装置1的制冷系统降温，接着进入精馏系统2分离为尾气和液态纯甲烷，从精馏系统顶部的尾气出口点2’流出尾气，液态纯甲烷从精馏系统底部流出。

含氧煤层气坐标区域的建立见实施例2。

含氧煤层气在初始状态下爆炸三角形的建立方法参见实施例2，含氧煤层气的原料气混合物中的甲烷、氧气和氮气的初始浓度分别为8％、18％和74％，尾气出口初始状态为常温常压。

首先根据初始浓度判断混合物处于爆炸三角形外的IV区，在低温液化分离循环过程中不会发生爆炸，不用进行粗脱氧，最小脱氧比例为零。

Claims (6)

1.一种从含氧煤层气中提纯分离甲烷的方法，所述方法包括以下步骤：首先对含氧煤层气的原料气进行降温，接着对降温后的含氧煤层气进行精馏处理，即得经分离提纯的甲烷，其特征在于，

a)检测原料气中的甲烷的初始体积浓度y⁰；

b)以甲烷的体积浓度Y为横坐标，氧的体积浓度X为纵坐标，用于建立针对分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域，并确定含氧煤层气在初始状态下对应坐标区域中的爆炸三角形；

c)当y⁰位于该位置处的含氧煤层气的坐标区域的欠氧区时，脱除待降温的原料气中的氧气，并使得氧气的脱除量满足以下关系： $X\≥[y_{O_2}^0(100-y^c)-y_{O_2}^c(100-y^0)]/[y_{O_2}^0(100-y_c)-y_{O_2}^0{y}_{O_2}^c],$ 其中，X是脱除的氧气与原料气的摩尔比，

是原料气中氧气的初始体积浓度，y^c是分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点的甲烷体积浓度，

是分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点的氧气体积浓度；

d)维持甲烷的体积浓度，从原料气中分离甲烷；

其中，所述的含氧煤层气的坐标区域是通过以下方法建立的：

a)将坐标横轴与坐标纵轴的交点O(0，0)确定为坐标原点，甲烷的体积浓度为100％，氧体积浓度为0的点确定为B点，氧的体积浓度为100％，甲烷的体积浓度为0的点确定为A；

b)连接点A、O、B组成分离工艺流程中的含氧煤层气的坐标区域；

所述的含氧煤层气在初始状态下对应的爆炸三角形是通过以下方法建立的：

a)甲烷和空气的混合气体在精馏处理中的直线方程

与坐标纵轴的交点为A₁，连接点A₁、B组成甲烷和空气的混合气体直线方程A₁B，

表示氧气的体积浓度，Y表示甲烷的体积浓度；

b)将常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N相连接，组成常温常压下含氧煤层气的爆炸三角形LVN，LN为常温常压下含氧煤层气的爆炸下限线，VN为常温常压下含氧煤层气的爆炸上限线；

c)通过在非常温常压下，含氧煤层气在初始状下的爆炸下限点L₁、爆炸上限点V₁分别作LN和VN的平行线，两平行线相交于N₀点，则三角形L₁V₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸三角形，L₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸下限线，V₁N₀为在初始状态下的含氧煤层气的爆炸上限线；

d)将N₀L₁延长与AB相交于L₀，将N₀V₁延长与AB相交于V₀，连接点L₀、V₀和N₀，得到含氧煤层气在坐标区域中的爆炸三角形L₀V₀N₀；

在所述的分离工艺流程中最易发生爆炸的位置处为接近精馏系统出口的位置处，所述的分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点是通过以下方法获得的：

a)甲烷和空气的混合气体在精馏处理中的直线方程

与坐标纵轴的交点为A₁，连接点A₁、B组成甲烷和空气的混合气体直线方程A₁B，

表示氧气的体积浓度，Y表示甲烷的体积浓度；

b)将常温常压下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L、爆炸上限点V和临界爆炸浓度点N相连接，组成常温常压下含氧煤层气的爆炸三角形LVN，LN为常温常压下含氧煤层气的爆炸下限线，VN为常温常压下含氧煤层气的爆炸上限线；

c)通过在非常温常压下，分离工艺流程中最易发生爆炸位置处的温度和压力下甲烷和空气的混合气体的爆炸下限点L₂、爆炸上限点V₂分别作LN和VN的平行线，两平行线相交于N₀’点，该点为分离工艺流程中最易发生爆炸位置处对应坐标区域中的临界爆炸点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的甲烷是通过以下方法从含氧煤层气中分离获得的：含氧煤层气的原料气首先进入制冷系统降温，接着所述的含氧煤层气进入精馏系统进行精馏处理，从精馏系统顶部流出尾气，纯甲烷从精馏系统底部流出。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的精馏系统为精馏塔。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使得所述的从精馏系统顶部流出的尾气进入冷量回收系统中回收冷量，再从冷量回收系统的出口流出。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述的制冷系统和所述的冷量回收系统设置于同一装置内。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述的冷量回收系统为节流装置或者膨胀装置。

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