CN103131491B - 一种用煤矸石处理含氧煤层气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用煤矸石处理含氧煤层气的方法，是以含氧煤层气为原料，以煤矸石为催化脱氧剂，在微波加热炉内进行热化学处理，经煤矸石与含氧煤层气作用，以及脱硫净化、变压吸附分离并压缩制成脱氧脱硫甲烷液化气体、液化二氧化碳和液化氮，同时煤矸石脱碳得到硅铝酸盐混合物，液化甲烷和尾气可做燃烧能源，液化二氧化碳可做化工原料，液化氮为惰性保护气体使用，硅铝酸盐混合物可做化工原料，此处理方法工艺先进，数据翔实准确，即利用了煤矸石废料，又处理了含氧煤层气，即治理了煤矸石、煤层气的污染，又制得了新的产物，是一举两得的工艺方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用煤矸石处理含氧煤层气的方法，属于煤层气脱氧及煤矸石处理方法的技术领域。
背景技术
煤炭既是一种能源，又是一种化工原料，伴随煤炭开采，会产生煤层气及煤矸石。
煤层气的主要成分是CH4，储存于煤层之间，是与煤共生的资源，在目前的煤层气开采方式中，有一部分煤层气采取井下抽放的方式开采，井下抽放煤层气的CH4体积含量约为50％，其余为空气，由于含有一定量的氧气，使直接利用具有安全隐患，故必须除氧后再进行后续操作；全世界每年因煤炭开采直接向大气排放的煤层气达315-540亿m3，中国为煤层气排放大国，占排放量的30％，由于CH4的温室效应是CO2的21倍，煤层气的直接排放使得环境污染极为严重，是目前亟待解决的问题。
目前含氧煤层气的处理方法主要有催化脱氧法，例如CN02113627专利，焦炭燃烧法，例如CN1919986A专利等；催化脱氧法需要外加催化剂，焦炭燃烧法需要使用焦炭，以上两种方法在实际操作中耗能较大，使煤层气脱氧成本升高、不利于实际生产应用。
煤矸石是采煤和洗煤过程中排放出的固体废料，是一种在地质成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比煤坚硬的黑灰色岩石，煤矸石随着采煤和洗煤的进展，造成了大量的堆积，不仅占用了大量土地，其有害元素还会污染环境和土壤，露天堆放的煤矸石易自燃和排出一氧化碳、二氧化硫等有害气体和烟尘，严重污染环境。
微波是波长在1米到0.1毫米之间的电磁波，微波加热具有很强的穿透性，具有被加热物质选择性吸热的特性，使得微波加热比传统加热方式具有更快速、便捷、节能的优点；煤矸石是一种强吸微波的物质，采用微波加热方式对煤矸石加热具有很大的优越性。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对煤层气和煤矸石污染的实际情况，用煤矸石做原料，在微波加热炉内对含氧煤层气进行脱氧处理，对煤矸石进行脱碳处理，生成硅铝酸盐混合物，含氧煤层气脱氧后经除尘、冷却、变压吸附分离提纯，成液化CH4、CO2、N2，既治理煤层气、煤矸石的污染，又对含氧煤层气与煤矸石进行回收利用，达到治理、利用的双重目的。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：含氧煤层气、煤矸石，其组合准备用量如下：以千克、米3为计量单位
含氧煤层气：以含氧体积分数12.6％计 25m3±0.05m3
煤矸石：以含碳质量分数15％计 10kg±0.01kg
用煤矸石处理含氧煤层气方法如下：
(1)粉碎处理煤矸石
将煤矸石置于粉碎机内，进行粉碎，然后用100目筛网过筛；
粉碎、过筛重复进行，成粉粒，粉粒直径≤0.15mm；
(2)收集储存含氧煤层气
将煤矿井下的含氧煤层气通过管路收集于储气罐内储存；
(3)煤矸石处理含氧煤层气
煤矸石处理含氧煤层气是在微波加热炉内进行的，是在加热、输入含氧煤层气、排出脱氧煤层气、提取硅铝酸盐混合物的过程中完成的，脱氧煤层气经除尘冷却、脱硫净化、变压吸附分离，制成液化甲烷、液化二氧化碳、液化氮；
①打开微波加热炉密封盖，将煤矸石加入微波加热炉内，然后关闭微波加热炉密封盖；
②开启微波发生器，加热炉内煤矸石，加热温度500℃±2℃；
③打开含氧煤层气储气罐进气管，向微波加热炉内输入含氧煤层气，含氧煤层气输入速度0.5m3/min，炉内压强为0.1MPa，煤矸石中混合的碳与含氧煤层气中混合的氧气将进行化学反应，煤矸石中的碳反应后分离出硅铝酸盐混合物，反应式如下：
式中：C——煤矸石中的碳
O2——含氧煤层气中的氧气
CO2——二氧化碳气体
④打开微波加热炉内电动卸料板并处于半开状态，使微波加热炉内反应后分离出的硅铝酸盐缓慢落入出料仓，待产物硅铝酸盐混合物产物卸完后关闭电动卸料板，然后打开出料仓密封盖，硅铝酸盐混合物进入产物箱；
⑤经微波加热炉反应后的脱氧煤层气由气体管进入除尘冷却箱进行除尘和换热冷却，然后进入脱硫净化箱进行脱硫净化，最后进入变压吸附分离箱进行气体变压吸附分离；
⑥经变压吸附分离后的气体为甲烷、二氧化碳、氮气和尾气，将不同气体分别压缩装入压力气瓶中储存，甲烷为无氧脱硫液化甲烷，二氧化碳气体为液化二氧化碳，氮气为液化氮，尾气为液化尾气，尾气中含一氧化碳气体和氢气；
(4)化验、分析、表征
对制备的产物硅铝酸盐混合物、液化甲烷、液化二氧化碳、液化氮的形貌、色泽、化学成分、化学物理性能进行化验、分析、表征；
用气相色谱仪对气体进行分析；
结论：硅铝酸盐混合物为灰白色固态粉末，可做化工原料，液化甲烷为液化气体，可做燃料，液化二氧化碳可做化工原料，液化氮为惰性气体，可做保护性气体使用，尾气可做燃料。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进行，是针对煤层气、煤矸石储存、污染的实际情况，以煤矸石做原料，以煤矸石中的碳作为脱氧物质，在微波加热炉内对含氧煤层气进行脱氧反应，煤矸石脱碳后提纯为硅铝酸盐混合物，煤层气经脱氧、脱硫净化、冷却、变压吸附分离，提取为液化甲烷、液化二氧化碳、液化氮和尾气，此处理方法工艺先进，数据翔实准确，即利用了煤矸石废料，又处理了含氧煤层气，既治理了煤矸石、煤层气的污染，又提取了新的产物，是一举两得的工艺方法，产物硅铝酸盐混合物为灰白色粉末，可做化学药剂，液化甲烷可做燃烧能源，液化尾气也可做燃料，液化二氧化碳可做化工原料，液化氮为惰性气体，可做保护性气体使用，是十分理想的用煤矸石处理含氧煤层气的方法。
附图说明
图1为煤矸石处理含氧煤层气状态图
图中所示，附图标记清单如下：
1、微波加热炉，2、进料斗，3、进料斗盖，4、密封盖，5、微波发生器，6、电动卸料网，7、网架，8电动卸料板，9、产物箱，10、电缆，11、含氧煤层气，12、脱氧煤层气，13、煤矸石，14、硅铝酸盐混合物，15、煤层气管，16、煤层气储气罐，17、进气管，18、进气阀，19、抽气泵，20、出气阀，21、除尘冷却箱，22、气体阀，23、脱硫净化箱，24、气体阀，25、变压吸附分离箱，26、气体阀，27、甲烷管，28、气体阀，29、二氧化碳管，30、气体阀，31、氮气管，32、电控箱，33.显示屏，34、指示灯，35、微波控制器，36、温度调控器，37、电源开关，38、电动卸料网开关，39、电动卸料板开关，40、甲烷气瓶，41、二氧化碳气瓶，42、氮气瓶，43、产物箱门，44、安全出气阀，45、气体腔，46、气体阀，47、尾气管，48、尾气瓶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为煤矸石处理含氧煤层气状态图，各部位置、联接关系要正确，按量配比，按序操作。
处理中使用的化学物质的量值，是按预先设置的范围确定的，以千克、米3为计量单位。
煤矸石处理含氧煤层气是在微波加热炉内进行的，是在加热、输入含氧煤层气、排出脱氧煤层气、提取硅铝酸盐混合物、除尘冷却、脱硫净化、变压吸附分离状态下完成的；微波加热炉1为矩形，微波加热炉1上部为进料斗2，微波加热炉1与进料斗2之间设有密封盖4，进料斗2上部由进料斗盖3盖住；微波加热炉1内下部设有网架7，在网架7上设有电动卸料网6，在微波加热炉1内、网架7上部为煤矸石13，在网架7下部为气体腔45，在气体腔45下部联接产物箱9，气体腔45与产物箱9之间设有电动卸料板8；产物箱9右侧部为产物箱门43，产物箱9内为硅铝酸盐混合物14；在微波加热炉1的左上部设置煤层气储气罐16，煤层气储气罐16左端联接煤层气管15，右端由进气管17与微波加热炉1的气体腔45联通，进气管17由进气阀18控制；微波加热炉1内的煤矸石13在加热、输入含氧煤层气11反应后，由气体阀20、抽气泵19把脱氧煤层气12排入除尘冷却箱21内，除尘冷却后经气体阀22控制排入脱硫净化箱23，脱硫后经气体阀24控制排入变压吸附分离箱25，分离后一路由气体阀26控制进入甲烷管27、甲烷气瓶40，一路由气体阀28控制进入二氧化碳管29、二氧化碳气瓶41，一路由气体阀30控制进入氮气管31、氮气瓶42，一路由气体阀46控制进入尾气管47、尾气瓶48；在微波加热炉1的左部设有电控箱32，在电控箱32上设有显示屏33、指示灯34、电源开关37、微波控制器35、温度调控器36、电动卸料网开关38、电动卸料板开关39，并由电缆10与微波加热炉1连接。
此制备方法也可进行连续作业，处理煤矸石、含氧煤层气，进行工业化生产。
实施例1
用煤矸石处理含氧煤层气的检测方法如下：
以煤矿井下抽出的煤层气进行配置，成含氧煤层气，然后进行分析检测，采用技术方案中的步骤进行反应，对含氧煤层气和脱氧煤层气用气相色谱仪进行分析；
各成分体积分数为，CH4：42.3％，O2：12.2％，N2：45.5％，CO：0％，CO2：0％；
反应后脱氧煤层气的各成分体积分数为：CH4：43.8％，O2：0％，N2：45.5％，CO：3.8％，CO2：6.8％，H2：0.1％，同时在气体出口会有部分水生成；
煤矸石选用煤矿口煤矸石，对煤矸石反应后分离出的硅铝酸盐进行热重分析，结果表明煤矸石脱碳后分离的硅铝酸盐含碳质量分数≤0.02％；
用煤矸石处理含氧煤层气时，会有副反应发生：
以上副反应会有少量发生，随着进气流量增大，副反应产物会相应减少；
通过以上检测，说明本技术方案能有效处理含氧煤层气中的氧气，使反应后气体内氧气含量≤100ppm，煤矸石中碳的质量含量≤0.02％。
Claims (1)
1.一种用煤矸石处理含氧煤层气的方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：含氧煤层气、煤矸石，其组合准备用量如下：以千克、米3为计量单位
含氧煤层气：以含氧体积分数12.6%计 25m3±0.05m3
煤矸石：以含碳质量分数15%计 10kg±0.01kg
用煤矸石处理含氧煤层气方法如下：
（1）粉碎处理煤矸石
将煤矸石置于粉碎机内，进行粉碎，然后用100目筛网过筛；
粉碎、过筛重复进行，成粉粒，粉粒直径≤0.15mm；
（2）收集储存含氧煤层气
将煤矿井下的含氧煤层气通过管路收集于储气罐内储存；
（3）煤矸石处理含氧煤层气
煤矸石处理含氧煤层气是在微波加热炉内进行的，是在加热、输入含氧煤层气、排出脱氧煤层气、提取硅铝酸盐混合物的过程中完成的，脱氧煤层气经除尘冷却、脱硫净化、变压吸附分离，制成液化甲烷、液化二氧化碳、液化氮；
①打开微波加热炉密封盖，将煤矸石加入微波加热炉内，然后关闭微波加热炉密封盖；
②开启微波发生器，加热炉内煤矸石，加热温度500℃±2℃；
③打开含氧煤层气储气罐进气管，向微波加热炉内输入含氧煤层气，含氧煤层气输入速度0.5m3/min，炉内为0.1MPa，煤矸石中混合的碳与含氧煤层气中混合的氧气将进行化学反应，煤矸石中的碳反应后分离出的硅铝酸盐混合物，反应式如下：
式中：C——煤矸石中的碳
O2——含氧煤层气中的氧气
CO2——二氧化碳气体
④打开微波加热炉内电动卸料网并处于半开状态，使微波加热炉内反应后分离出的硅铝酸盐混合物缓慢落入气体腔，待产物硅铝酸盐混合物产物卸完之后关闭电动卸料网，然后打开电动卸料板，硅铝酸盐混合物进入产物箱；
⑤经微波加热炉反应后的脱氧煤层气由气体管进入除尘冷却箱进行除尘和换热冷却，然后进入脱硫净化箱进行脱硫净化，最后进入变压吸附分离箱进行气体变压吸附分离；
⑥经变压吸附分离后的气体为甲烷、二氧化碳、氮气和尾气，将不同气体分别装入压力气瓶中储存，甲烷为无氧脱硫液化甲烷，二氧化碳气体为液化二氧化碳，氮气为液化氮，尾气为液化尾气，尾气中含一氧化碳气体和氢气；
（4）化验、分析、表征
对制备的产物硅铝酸盐混合物、液化甲烷、液化二氧化碳、液化氮的形貌、色泽、化学成分、化学物理性能进行化验、分析、表征；
用气相色谱仪对气体进行分析；
结论：硅铝酸盐混合物为灰白色固态粉末，做化学药剂，液化甲烷为液化气体，做燃料，液化二氧化碳，做化工原料，液化氮为惰性气体，做保护性气体使用，尾气做燃料；
所述的煤矸石处理含氧煤层气是在微波加热炉内进行的，是在加热、输入含氧煤层气、排出脱氧煤层气、提取硅铝酸盐混合物、除尘冷却、脱硫净化、变压吸附分离状态下完成的；微波加热炉（1）为矩形，微波加热炉（1）上部为进料斗（2），微波加热炉（1）与进料斗（2）之间设有密封盖（4），进料斗（2）上部由进料斗盖（3）盖住；微波加热炉（1）内下部设有网架（7），在网架（7）上设有电动卸料网（6），在微波加热炉（1）内、网架（7）上部为煤矸石（13），在网架（7）下部为气体腔（45），在气体腔（45）下部联接产物箱（9），气体腔（45）与产物箱（9）之间设有电动卸料板（8），打开电动卸料网（6）、电动卸料板（8）即可卸料；产物箱（9）右侧部为产物箱门（43），产物箱（9）内为硅铝酸盐混合物（14）；在微波加热炉（1）的左上部设置煤层气储气罐（16），煤层气储气罐（16）左端联接煤层气管（15），右端由进气管（17）与微波加热炉（1）的气体腔（45）联通，进气管（17）由进气阀（18）控制；微波加热炉（1）内的煤矸石（13）在加热、输入含氧煤层气（11）反应后由气体阀（20）、抽气泵（19）把脱氧煤层气（12）排入除尘冷却箱（21）内，除尘冷却后经气体阀（22）控制排入脱硫净化箱（23），脱硫后经气体阀（24）排入变压吸附分离箱（25），分离后一路由气体阀（26）控制进入甲烷管（27）、甲烷气瓶（40），一路由气体阀（28）控制进入二氧化碳管（29）、二氧化碳气瓶（41），一路由气体阀（30）控制进入氮气管（31）、氮气瓶（42），一路由气体阀（46）控制进入尾气管（47）、尾气瓶（48）；在微波加热炉（1）的左部设有电控箱（32），在电控箱（32）上设有显示屏（33）、指示灯（34）、电源开关（37）、微波控制器（35）、温度调控器（36）、电动卸料网开关（38）、电动卸料板开关（39），并由电缆（10）与微波加热炉（1）联接。
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