CN103212273A

CN103212273A - 一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法

Info

Publication number: CN103212273A
Application number: CN2013101285526A
Authority: CN
Inventors: 陶鹏万; 古共伟; 石江; 郑珩; 陈耀壮; 马磊
Original assignee: Southwest Research and Desigin Institute of Chemical Industry
Current assignee: Southwest Research and Desigin Institute of Chemical Industry
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明涉及化工领域中的气体分离领域，具体为一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法。该方法为在煤层气中加入一定量的氮气，控制其甲烷浓度在爆炸极限下限以下，使变压吸附装置吸附过程一直在爆炸极限下限以下操作。该方法所需氮气则利用提浓甲烷的变压吸附装置未吸附气作为气源，采用变压吸附法制氮。采用该方法可使8%～20%甲烷含量的煤层气，将甲烷含量提高到30%以上。具有较好的环境效益及一定的经济效益。

Description

一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法

技术领域

本发明涉及化工领域中的气体分离领域，具体为一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法。

背景技术

矿井区煤层气（CMM）是含甲烷的气体，通常甲烷含量30%～45%。但是，还是有大量的甲烷含量低于30%的煤层气。这部分煤层气，特别是甲烷含量在爆炸范围内的气体，由于安全原因不能利用，只有排放大气。由于甲烷的温室效应是CO₂的20倍以上，大量排放这部分气体，不但污染了环境，加重了温室效应，还造成了资源浪费。

西南化工研究设计院发明了“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”的技术（专利号CN 85103557B），该方法工艺简单，维护费用较低。但该方法的实施存在安全隐患，压缩过程中要穿过甲烷的爆炸极限。同样在吸附过程中，随着甲烷被吸附也要穿过甲烷的爆炸极限5%～15%，因此至今未建立工业化装置。

“在可燃气体中加入惰性气体，则对爆炸极限产生较大影响；表现为爆炸范围缩小，下限上升，上限下降”（张增亮，蔡康旭；“可燃气体（液体蒸汽）的爆炸极限与最大允许含氧量的对比研究”；中国安全科学学报，2005，12（15））。

对于甲烷含量为8%～20%的煤层气，本发明是在煤层气中加入一定量的氮气，使其混合后的甲烷含量控制在爆炸极限下限以下。在采用变压吸附技术时无论是压缩，还是吸附过程，始终处于爆炸极限下限以下，也就是说在爆炸极限之外。因而可以安全地利用变压吸附技术将其甲烷浓缩到含量30%以上，这样可得到利用。

根据“化肥安全技术手册”（原化学工业部化肥司主持，吴泾化学联合公司，南京化学工业公司编，1983年第一版）图1.1─12，氢、一氧化碳、甲烷和氮、二氧化碳混合气的爆炸极限（空气中）提供的CH₄─N₂系统爆炸极限图，当加入的氮气量与甲烷量之比（即惰性气体量/可燃气体量）分别为1，2，3时，则爆炸下限由5%提高到10%，15%，20%，大大提高了爆炸下限。根据不同的加入氮量使整个操作气体中甲烷含量均小于爆炸极限下限，即在爆炸范围之外，大大提高了装置的安全性。

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供一种安全性高、控制煤层气中甲烷浓度在爆炸极限下限以下，使变压吸附装置吸附过程一直在爆炸极限下限以下操作，具有较好的环境效益及一定的经济效益，能将较低浓度的煤层气中甲烷含量提高到30%以上。

本发明的技术方案为：

一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法，首先，煤层气中甲烷的体积百分含量仅为8%～20%，然后向煤层气中加入一定量的氮气，使煤层气中甲烷含量降低到爆炸极限下限以下，然后加压到0.4 MPa～0.5 MPa（G），再采用变压吸附的方法，使气体进入变压吸附甲烷装置，脱除煤层气中的氮气和氧气，用抽真空方法从吸附相得到体积百分含量为30%以上富甲烷气。加入煤层气中的氮气，是利用变压吸附提浓甲烷装置中未吸附的气体作为气源，采用变压吸附法制取氮气。

氮气的加入量为煤层气中所含甲烷体积含量的2倍至3倍。

将煤层气与来自PSA─N₂装置得到的氮气混合，使混合气中的甲烷含量降低到爆炸极限下限以下，加压到0.4 MPa～0.5 MPa压力，进入变压吸附（PSA）甲烷装置。在PSA─CH₄装置中未吸附气送入PSA─N₂装置制取氮气。变压吸附甲烷装置顺放气放空，顺放后吸附塔进行抽真空，得到甲烷含量大于30%的富甲烷气。

在变压吸附的任一周期内，每个吸附塔都要经历吸附，均压，顺向减压，逆向减压，抽真空，一次充压，二次充压等步骤。关于变压吸附法的工艺流程及多塔操作步骤在专利CN 85103557B中已作了充分的介绍。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本专利技术与已有技术相比是保证了装置运行的安全性，使采用变压吸附技术分离提纯煤层气中甲烷得以实施。而氮气原料可采用变压吸附提浓甲烷装置未吸附气，省去加压步骤。本专利以10亿 Nm3/a含16%甲烷的煤层气计，回收的甲烷量相当于减排二氧化碳240万t/a，具有较好的环境效益。

附图说明

图1为本申请中实施例1中的变压吸附提浓CMM中甲烷工艺流程示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例并不限制本发明的范围，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

实施例1：

煤层气组成（vol%）：CH₄ 20，O₂ 16.8，N₂ 63.2，气量为1000Nm³。工艺流程示意图见图1。煤层气经管线1与来自管线8的500 Nm3氮气混合。混合后的气体组成（vol%）为：CH₄ 13.3% O₂ 11.4%，，N₂ 75.3%，由管线2进入压缩机，经两段压缩到0.4 MPa～0.5 MPa，由管线4进入变压吸附装置（PSA─CH₄），未吸附气由管线7进入变压吸附制氮装置（PSA─N₂），得到纯度99.5%的氮气，由管线8输出。顺放气由管线9排出。吸附气由管线5进入真空泵抽空，得到的富甲烷气由管线6排出。

该实施例，氮气量与甲烷气量的体积比为2.5，查得其爆炸极限下限为17.5%。混合气中的甲烷所占的体积百分含量为13.3%，小于其爆炸极限下限。

该实施例可得含甲烷体积百分含量为36.3%的富甲烷气548 Nm³。

实施例2：

煤层气组成（vol%）：CH₄ 16，O₂ 17.6，N₂ 66.4，气量1000Nm³。工艺流程示意图见图1。煤层气经管线1与来自管线8的400 Nm3氮气混合。混合后的气体组成（vol%）为：CH₄ 11.4% O₂ 12.7%，，N₂ 75.9%，由管线2进入压缩机，经两段压缩到0.4 MPa～0.5 MPa，由管线4进入变压吸附制甲烷装置（PSA─CH₄），未吸附气由管线7进入变压吸附制氮装置（PSA─N₂），得到纯度99.5%的氮气，由管线8输出。顺放气由管线9排出。吸附气由管线5进入真空泵抽空，得到的富甲烷气由管线6排出。

该实施例，氮气量/甲烷气量（N₂/CH₄）为2.5，查得其爆炸极限下限为17.5%。混合气中的甲烷的体积百分含量为11.4%，小于其爆炸极限下限。

该实施例可得含甲烷的体积百分含量为33.6%的富甲烷气467 Nm³。

实施例3：

煤层气组成（vol%）：CH₄ 12，O₂ 18.5，N₂ 79.5，气量1000Nm³。工艺流程示意图见图1。煤层气经管线1与来自管线8的360 Nm3氮气混合。混合后的气体组成（vol%）为：CH₄ 8.8% O₂ 13.7%，，N₂ 77.5%，由管线2进入压缩机，经两段压缩到0.4 MPa～0.5 MPa，由管线4进入变压吸附制甲烷装置（PSA─CH₄），未吸附气由管线7进入变压吸附制氮装置（PSA─N₂），得到纯度为99.5%的氮气，由管线8输出。顺放气由管线9排出。吸附气由管线5进入真空泵抽空，得到的富甲烷气由管线6排出。

该实施例，氮气量/甲烷气量（N₂/CH₄）为3，查得其爆炸极限下限为20%。混合气中的甲烷的体积百分含量为8.8%，小于其爆炸极限下限。

该实施例可得含甲烷体积百分含量为31.5%的富甲烷气362 Nm³。

实施例4：

煤层气组成（vol%）：CH₄ 8，O₂ 19.3，N₂ 72.7，气量1000Nm³。工艺流程示意图见图1。煤层气经管线1与来自管线8的160 Nm3氮气混合。混合后的气体组成（vol%）为：CH₄ 6.9% O₂ 16.7%，，N₂ 76.4%，由管线2进入压缩机，经两段压缩到0.4 MPa～0.5 MPa，由管线4进入变压吸附制甲烷装置（PSA─CH₄），未吸附气由管线7进入变压吸附制氮装置（PSA─N₂），得到纯度为99.5%的氮气，由管线8输出。顺放气由管线9排出。吸附气由管线5进入真空泵抽空，得到的富甲烷气由管线6排出。

该实施例，氮气量/甲烷气量（N₂/CH₄）为2，查得其爆炸极限下限为15.0%。混合气中的甲烷体积百分含量为6.9%，小于其爆炸极限下限。

该实施例可得含甲烷体积百分含量为30.8%的富甲烷气234 Nm³。

Claims

1.一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于：在煤层气中通入一定量的氮气，使煤层气中甲烷含量降低到爆炸极限下限以下，然后加压到0.4 MPa～0.5 MPa，再采用变压吸附的方法，脱除煤层气中的氮气和氧气，用抽真空方法从吸附相得到30%以上的富甲烷气。

2.根据权利要求1所述的利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于：所述的煤层气中甲烷所占的体积百分含量为8%～20%。

3.根据权利要求1所述的利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于：氮气的加入量为煤层气中所含甲烷体积含量的2倍至3倍。

4.根据权利要求1所述的利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于：所述的加入煤层气中的氮气，是利用变压吸附提浓甲烷装置中未吸附的气体作为气源，采用变压吸附法制取氮气。