CN102839028B - 用于煤层气脱氧的节能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于煤层气脱氧的节能方法，所述节能方法包括使用多个串联的脱氧反应器和一个中央废锅对新鲜煤层气进行脱氧，其中除了获得产品气的最后一个脱氧反应器之外，从其他脱氧反应器出来的反应气首先与所述新鲜煤层气混合，然后进入所述中央废锅进行换热处理，接着再进入下一个脱氧反应器。本发明的用于煤层气脱氧的节能方法可以减少废锅和管道的成本，提高热量回收和利用效率，并且使得工艺操作控制更容易，能够提高煤层气脱氧工艺的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤层气脱氧的节能工艺。
背景技术
煤层气是一种非常规能源，由于在采煤过程中经常会混有一定空气，难于储存或运输，严重制约煤层气的开发利用。甲烷与氧气的反应属于强放热反应。绝热温升的数值大致为：
CH4+2O2→CO2+2H2O，ΔH0 298＝-206.2kJ/mol
O2+4H2→2H2O，ΔH0 298＝-165.0kJ/mol
如何高效回收利用强放热反应放出的大量热能是影响煤层气脱氧工艺经济性的关键问题。
专利申请公开CN101508924A提供了一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，采用多级反应器进行多级催化脱氧反应，控制每一级反应器的入口气体温度及入口气体中O2含量，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均≤660℃。缺点是就出口气体温度660℃时，该文献对此部分的热量的利用较低。
专利申请公开CN101613627A提供了一种含氧煤层气催化脱氧工艺，含氧煤层气和以一定循环比返回的煤层气产品气混合进入固定床绝热催化反应器，煤层气中的甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水。缺点是最终煤层气中氧气体积百分数在0.2％，脱氧程度不够，不能满足不同工业用气需要。
专利申请公开CN101423783A提供了一种含可燃性气体的混合气体催化脱氧工艺，采用的催化反应器为多个串联绝热反应器或一个多层绝热反应器，最后一个反应器为主反应器。其缺点主要是设备投资比较大，材质要求高，操作较为复杂。
总体来说，目前的煤层气脱氧工艺虽然正在日趋成熟，但是它们存在能量回收效率较低、设备投资大、材质要求高和/或操作复杂等问题。因此，需要开发一种能耗低、易操作、回收热能效率高且管道设备投资少的煤层气脱氧的节能工艺。
发明内容
为此，本发明意在提供一种能耗低、易操作、回收热能效率高且管道设备投资少的煤层气脱氧的节能工艺。具体地，针对热量的利用率较低的问题，本发明提出了使用一个中央废锅，由此可以直接利用换热把这部分热量利用起来，减少热量的损失。另外，为了降低煤层气脱氧反应器与管道连接处的管材要求，提出了用新鲜气稀释反应气；此外，针对不同用气要求，提出了在串联的脱氧反应器中采用不同脱氧精度的催化剂，由此既可以将煤层气中氧气脱除至0.5％(除另有具体指明外，本文中提及的氧气含量均为体积百分含量)以下，也可以将煤层气中氧气脱除至0.1ppm以下，从而可以满足不同的工业用气需要。
本发明提供了一种用于煤层气脱氧的节能方法，所述节能方法包括使用多个串联的脱氧反应器和一个中央废锅对新鲜煤层气进行脱氧，其中除了获得产品气的最后一个脱氧反应器之外，从其他脱氧反应器出来的反应气首先与所述新鲜煤层气混合，然后进入所述中央废锅进行换热处理，接着再进入下一个脱氧反应器。
在一个优选实施方式中，使用2～4个所述脱氧反应器。
在一个优选实施方式中，使用3～4个所述脱氧反应器。
在一个优选实施方式中，进入所述中央废锅的混合气体的温度为200～800℃。
在一个优选实施方式中，进入所述中央废锅的混合气体的温度为500～700℃。
在一个优选实施方式中，从所述中央废锅出来的反应气的温度为200～600℃。
在一个优选实施方式中，从所述中央废锅出来的混合气体的温度为300～400℃。
在一个优选实施方式中，进一步包括将所述产品气的一部分用作循环气，并且所述新鲜煤层气在进入第一个脱氧反应器之前与所述循环气混合。
在一个优选实施方式中，进一步包括所述新鲜煤层气在进入第一个脱氧反应器之前与惰性气体混合。
在一个优选实施方式中，所述惰性气体选自水蒸气或氮气。
在一个优选实施方式中，使用的所述新鲜煤层气已经过脱硫处理。
在一个优选实施方式中，进入第一个脱氧反应器的气体预先经过换热器进行换热处理。
在一个优选实施方式中，在进入最后一个脱氧反应器之前，从所述中央废锅出来的混合气体经过换热器进行换热处理。
在一个优选实施方式中，还包括在所述最后一个脱氧反应器之后使用冷却系统，并且通过所述冷却系统获得所述产品气。
本发明的用于煤层气脱氧的节能方法可以减少中央废锅和连接管道的投资成本，提高热量回收和利用效率，并且使得工艺操作控制更容易，提高了煤层气脱氧工艺的经济效益。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的用于煤层气脱氧的工艺流程图，该图中，E1、E2表示换热器；R1、R2、R3、R4表示脱氧反应器。
图2为根据本发明另一个实施例的用于煤层气脱氧的工艺流程图，该图中，E1、E2表示换热器；R1、R2、R3、R4表示脱氧反应器；C表示循环机。
具体实施方式
本发明通过采用一个中央废锅以及用新鲜煤层气与经过脱氧的反应气混合，便于饱和蒸汽的收集和过热化的操作控制；同时从中央废锅出来的混合气体(反应气+新鲜煤层气)温度基本相同，有利于多级煤层气脱氧反应器的控制和操作；脱氧反应器出口的反应气温度较低，使得可以降低对脱氧反应器与中央废锅之间的连接管道的材质要求。
本发明提供了一种用于煤层气脱氧的节能工艺，所述节能工艺包括多个串联的脱氧反应器和一个中央废锅，其中除了最后一个脱氧反应器之外，利用新鲜煤层气等首先与经过脱氧反应器脱氧后的反应气例如在脱氧反应器的底部或下部混合，以控制从脱氧反应器出来的反应气的温度，然后再进入中央废锅，从而保证各股需要进入中央废锅的气体温度基本一致。针对使用多个煤层气脱氧反应器的工艺，本发明仅采用一个中央废锅，使得产生的饱和蒸汽规格例如温度稳定一致，有利于饱和蒸汽的收集和过热化的操作控制；同时从中央废锅出来的混合气体温度基本相同，有利于多级煤层气脱氧反应器的操作控制，可以更好地避免反应器内温度过高导致催化剂烧结和热失活的发生，减少由于进入煤层气脱氧反应器的反应气温度低于催化剂起活温度(320℃)使催化剂催化效果降低。由于除了最后一个脱氧反应器之外，将各个其他脱氧反应器出来的混合后气体控制在较低温度(低于550℃)，所以可以降低对脱氧反应器与中央废锅之间的连接管道的材质要求，减少废锅和管道的投资成本。
要说明的是，本发明的所述煤层气脱氧工艺可以有循环气或惰性气体，也可以没有循环气或惰性气体。为了清楚和充分公开的目的，这里以使用一部分产品气作为循环气的煤层气脱氧工艺为例，简述本发明的脱氧工艺如下：
新鲜煤层气(主要来源于地下采煤过程中产生的煤层气或经脱硫后的煤层气)在进入换热器之前，可选地与来自产品气中的一部分的循环气(或添加的其他惰性气体，如水蒸气或氮气等)混合，这样混合后可以使新鲜煤层气中的氧气含量降低，优选通过以一定比例进行混合，可以使新鲜煤层气中氧气含量降低到特定值以下。然后，该混合气体(新鲜煤层气+循环气或惰性气体)优选进入换热器进行换热，以便使经过换热后的气体温度达到催化剂反应的起活温度例如320℃后，进入脱氧工艺的第一个反应器进行脱氧反应，在该脱氧反应器中，通过该脱氧反应器中的催化剂反应后，将混合气体中的氧气通过反应而降低到一定值以下。这样反应后的反应气在该第一个脱氧反应器的底部或下部与新鲜煤层气再混合，以使从第一个脱氧反应器出来的反应气的温度降低，然后该混合气体(反应气+新鲜煤层气)进入中央废锅进行换热，例如在中央废锅中用常温水交换该混合气体的部分热量，可以起到同时回收和利用该混合气体的过量热能的作用。经过中央废锅换热后的气体接着进入下一个脱氧反应器以对其中的混合气体进行脱氧反应，并且与前述一样，从该脱氧反应器出来的反应气再次与新鲜煤层气混合，经降温后的混合气体再进入中央废锅进行换热；直到最后一个脱氧反应器。在进入最后一个脱氧反应器之前，经过中央废锅换热后的混合气体可选地经换热器再次换热后进入最后脱氧反应器，由于最后一个脱氧反应器内的催化剂为精脱氧催化剂，脱氧温度较低(180-220℃)有利于热量的回收利用。最后一个脱氧反应器的主要作用是深度脱氧，通过在该脱氧反应器中的催化反应，使进入的混合气体中的氧气含量降到0.01ppm以下。最后，可选地，从最后一个脱氧反应器出来的反应气经过冷却系统，最终得到产品气。
在本发明中，所述煤层气脱氧工艺可以采用多个脱氧反应器，脱氧反应器数量没有特别限制，但通常优选为2～4个，更优选为3～4个，例如4个。煤层气脱氧反应器是本领域已知的，例如可以为绝热式反应器或换热式反应器中的一种或两种。采用的冷却系统通常采用市售气液分离罐。采用的中央废锅是本领域已知的用于换热处理的废锅。采用的催化剂均为本领域已知的脱氧剂和精脱氧剂。
在本发明的方法中，优选地，可以将获得的产品气的一部分用作循环气，并且将该循环气例如通过循环机与所述新鲜煤层气在进入第一个脱氧反应器之前进行混合。替代地或另外地，可以用惰性气体与所述新鲜煤层气在进入所述第一个脱氧反应器之前进行混合。这里的惰性气体可以例如选自水蒸气或氮气等，更优选水蒸气。如前提及的，一方面，这样的混合例如可以稀释新鲜煤层气中的氧浓度；另一方面或特别地，使用循环气或惰性气体可以降低催化剂的使用量，原因在于，一般来说，脱氧催化剂具有一定的使用效率及使用寿命，添加循环气后，虽然降低了催化剂对单位体积的氧的处理量，但可以延长催化剂的催化寿命，并且甲烷与氧气的反应属于强放热反应，经稀释后的混合气体放热量明显降低，这对反应器的材质要求相应降低。
在本发明的节能方法中，在最后一个脱氧反应器之前的其他脱氧反应器使用的催化剂可以为粗脱氧催化剂，主要用于将气体中的氧气浓度降低到例如0.5％以下，其中使用的催化剂的实例为贵金属催化剂(含Pt、Pb)或分子筛催化剂等。最后一个脱氧反应器的主要作用是深度脱氧，其使用的催化剂主要为精脱氧催化剂，用于将气体中的氧气浓度降低到0.1ppm以下，其中使用的催化剂实例为钯触媒等。此外，根据最终产品气的规格要求，可适当调整最后一个脱氧反应器内的催化剂的组成。
在本发明的节能方法中，所述新鲜煤层气的温度为常温例如为25℃左右，经与可选的循环气混合再经过换热器后，混合气气体温度通常为250～450℃，优选为300～400℃，即达到催化剂反应的起活温度。混合气体经过第一个脱氧反应器的反应床层后，反应气的温度通常为700～900℃，该股反应气例如在该第一个脱氧反应器的底部或下部与新鲜煤层气混合降温后，得到的混合气体的温度通常为400～600℃，优选为450～600℃。在这样的温度范围的混合气体进入中央废锅。经过中央废锅换热后，从中央废锅出来的混合气体温度通常为250～450℃，优选为300～400℃，接着进入下一个脱氧反应器，直至最后一个脱氧反应器。由于最后一个煤层气脱氧反应器内所装催化剂为精脱氧催化剂，所以在进入最后一个脱氧反应器之前，从中央废锅出来的混合气体可选地首先经换热器换热，经换热后的气体温度通常为150～250℃，优选为180～220℃，以使其达到最后一个脱氧反应器中的精脱氧催化剂的起活温度。然后进入最后一个脱氧反应器，从最后一个脱氧反应器出来的反应气的温度为300-500℃，优选为350～450℃。可选地，该反应气经过冷却系统后，得到的产品气体的温度降到220℃以下。
这样，通过本发明的煤层气脱氧的新工艺，可以减少废锅和连接管道的投资，同时可以提高热量回收和利用效率，使得工艺操作控制更容易，最终增加煤层气脱氧工艺的经济效益。同时，还能够减少催化剂的使用量，并延长催化剂的使用寿命。
下面结合附图通过实施例的方式对本发明做进一步的描述，以下仅为本发明的优选实施例，用于举例说明本发明而不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
采用的煤层气为模拟煤层气，待进行脱氧处理的新鲜煤层气的组成为：CH4 35％，N2 53％，O2 12％。
图1为根据本发明实施例1的用于煤层气脱氧的工艺流程图，如图1所示，这里采用的脱氧工艺使用4个脱氧反应器R1～R4，其中前三个脱氧反应器R1、R2和R3分别为在脱氧反应器底部有一个新鲜煤层气与脱氧反应后的反应气混合的缓冲腔的绝热反应器，最后一个脱氧反应器R4为换热式反应器。脱氧反应器R1、R2和R3内装粗脱氧催化剂(例如铂系催化剂)；脱氧反应器R4内装精脱氧催化剂(例如钯触媒催化剂)。采用以新鲜煤层气为冷激气在脱氧反应器R1、R2和R3底部分别与各个反应器出来的反应气混合，之后经过中央废锅换热，最后经过脱氧反应器R4得到产品气。其中进入中央废锅的混合气体(反应气+新鲜煤层气)的温度为约500℃，从中央废锅出来的混合气体的温度为约320℃，并且从最后一个脱氧反应器R4产生约220℃的约2.4MPa的产品气，具体过程描述如下。
经过脱硫后的新鲜煤层气的总气量为3000kmol/h，此时的煤层气组成为CH4 35％，N2 53％，O2 12％。将该新鲜煤层气以气量为1200kmol/h经换热器E1换热到320℃后，进入煤层气脱氧工艺的第一个脱氧反应器R1，通过脱氧反应器R1脱氧后的反应气温度为947.7℃。该反应气在脱氧反应器R1底部与气量为1320kmol/h的新鲜煤层气混合，该混合气体(反应气+新鲜煤层气)的温度为513.6℃，此时的混合气体的组成为CO2 1.67％，H2O 3.33％，CH4 33.33％，N2 53％，O2 8.67％。然后该混合气体经过中央废锅进行换热而降温至320℃，控制(例如通过节流阀)进入煤层气脱氧反应器R2的气体流量为1260kmol/h，该气体进入到第二个脱氧反应器R2中，经过脱氧反应器R2反应后的反应气温度为872℃。从第二个脱氧反应器R2出来的反应气在脱氧反应器R2的底部处与气量为240kmol/h的新鲜煤层气再混合，此时得到的混合气体的温度为755.2℃，此时的混合气体的组成为CO2 3.95％，H2O 7.9％，CH4 31.05％，N2 53％，O2 4.1％。进入煤层气脱氧反应器R3的气体的流量为1260kmol/h，经该脱氧反应器R3反应后的反应气温度为872℃。该反应气在脱氧反应器R3底部处与气量为240kmol/h的新鲜煤层气混合，得到的混合气体的温度为755.2℃，该混合气体的组成为CO2 3.95％，H2O 7.9％，CH4 31.05％，N2 53％，O2 4.1％。然后进入最后一个脱氧反应器R4，该脱氧反应器R4是换热式反应器。这里，该混合气体先通过换热器E2以将进入脱氧反应器R4的混合气体温度再降至200℃，从脱氧反应器R4出来的反应气温度为315.6℃，此时得到的气体的体积百分含量组成为：CH4 29％，N2 53％，CO2 6％，H2O 12％。
实施例2
与实施例1基本类似，不同之处在于采用一部分的产品气作为循环气，经过循环机C，该循环气在脱氧反应器R1之前与新鲜煤层气混合，具体过程见图2，图2为根据本发明实施例2的用于煤层气脱氧的工艺流程图，具体描述如下。
新鲜煤层气经过脱硫后的总气量为3000kmol/h，此时的煤层气组成为CH4 35％、N2 53％、O2 12％。将气量为1200kmol/h的新鲜煤层气与气量为2400kmol/h的循环气(循环气主要为产品气，此气体组成为：CO2 6％，H2O 12％，CH4 29％，N2 53％)混合，此时的进入气体组成为：CO2 3.99％，H2O 7.97％，CH4 31.01％，N2 53％，O2 4.03％。经换热器E1换热到320℃后，进入煤层气脱氧工艺的第一个脱氧反应器R1，经过脱氧反应器R1的反应气温度为699.3℃。该反应气在脱氧反应器R1底部与气量为1320kmol/h的新鲜煤层气混合，得到的混合气体的温度降至538.8℃，此时的混合气体组成为：CO2 3.24％，H2O 8.76％，CH4 30.62％，N2 53％，O2 3.24％。然后经过中央废锅进行换热而降温至320℃，进入煤层气脱氧反应器R3。从中央废锅流出进入煤层气脱氧反应器R2的气体以流量为2460kmol/h，经脱氧反应器R2反应后的反应气温度为629.6℃。该反应气在脱氧反应器R2底部处与气量为240kmol/h的新鲜煤层气混合，得到的混合气体的温度为582.5℃，此时的气体组成为：CO2 5.46％，H2O 10.93％，CH4 29.54％，N253％，O2 1.07％。进入煤层气脱氧反应器R3的气体以气体流量为2460kmol/h通入到第三个脱氧反应器R3中，经脱氧反应器R3反应后的反应气温度为629.6℃。该反应气在R3底部处与气量为240kmol/h的新鲜煤层气混合，得到的混合气体的温度为582.5℃，此时的气体组成为：CO25.46％，H2O 10.93％，CH4 29.54％，N2 53％，O2 1.07％。从中央废锅出来的混合气体进入最后一个脱氧反应器R4，该脱氧反应器R4采用换热式反应器。这里，优选地，可先通过换热器E2将要进入R4的气体温度再降至200℃，脱氧反应器R4出来的反应气温度为315.6℃，得到的气体的体积百分含量组成为：CH4 29％，N2 53％，CO2 6％，H2O 12％。
根据以上实施例可知，在脱氧反应器底部加入新鲜煤层气不但可以起到冷激效果，而且通过与脱氧反应后的反应气混合，稀释了新鲜煤层气中氧气的含量，这样能够节约催化剂用量。同时由于新鲜煤层气冷激效果，降低了对连接脱氧反应器的管道的材质要求，从而能够节约成本。在本发明方法中，经脱氧反应器反应后的气体经中央废锅进行换热处理，可以回收和利用反应气的过量热量，这部分的热量可以例如用来产生热蒸汽，也可以用于换热器E1中用来加热气体等，提供了能量的回收和利用效率，达到了节能的效果，提供了经济效益。
以上已对本发明进行了详细描述，但本发明并不局限于本文所描述具体实施方式。本领域技术人员理解，在不背离本发明范围的情况下，可以作出其他更改和变形。本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (13)
1.一种用于煤层气脱氧的节能方法，所述节能方法包括使用多个串联的脱氧反应器和一个中央废锅对新鲜煤层气进行脱氧，其中除了获得产品气的最后一个脱氧反应器之外，从其他脱氧反应器出来的反应气首先与所述新鲜煤层气混合，然后进入所述中央废锅进行换热处理，接着再进入下一个脱氧反应器，其中所述获得产品气的最后一个脱氧反应器中使用的催化剂是精脱氧催化剂，而所述其他脱氧反应器中使用的催化剂是粗脱氧催化剂，并且所述产品气中的氧气含量为0.01ppm以下。
2.根据权利要求1所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，使用3～4个所述脱氧反应器。
3.根据权利要求1所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，进入所述中央废锅的混合气体的温度为200～800℃。
4.根据权利要求4所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，进入所述中央废锅的混合气体的温度为500～700℃。
5.根据权利要求1所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，从所述中央废锅出来的混合气体的温度为200～600℃。
6.根据权利要求5所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，从所述中央废锅出来的混合气体的温度为300～400℃。
7.根据权利要求1所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，进一步包括将所述产品气的一部分用作循环气，并且所述新鲜煤层气在进入第一个脱氧反应器之前与所述循环气混合。
8.根据权利要求1所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，进一步包括所述新鲜煤层气在进入第一个脱氧反应器之前与惰性气体混合。
9.根据权利要求8所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，所述惰性气体选自水蒸气或氮气。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，使用的所述新鲜煤层气已经过脱硫处理。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，进入第一个脱氧反应器的气体预先经过换热器进行换热处理。
12.根据权利要求1～9中任一项所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，在进入最后一个脱氧反应器之前，从所述中央废锅出来的混合气体经过换热器进行换热处理。
13.根据权利要求1～9中任一项所述的用于煤层气脱氧的节能方法，其特征在于，还包括在所述最后一个脱氧反应器之后使用冷却系统，并且通过所述冷却系统获得所述产品气。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |