CN104449924A

CN104449924A - 一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法

Info

Publication number: CN104449924A
Application number: CN201410705836.1A
Authority: CN
Inventors: 李雪飞; 董卫果; 车永芳; 郭昊乾; 刘畅; 张进华; 李小亮; 韩璐; 李兰廷
Original assignee: China Coal Research Institute CCRI
Current assignee: China Coal Research Institute CCRI
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开了一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法。该浓缩分离方法包括如下步骤：低浓度煤层气依次经压缩和净化后，依次进行一级变压吸附脱氧处理和二级变压吸附脱氮浓缩处理，即实现对所述低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离。本发明低浓度煤层气中甲烷的变压吸附浓缩分离方法，以低浓度煤层气为原料，先进行压缩和净化，再根据气源浓度采用两级变压吸附方法对煤层气中的甲烷进行分离浓缩，从而使煤层气中甲烷的浓度由原料气中的20～40％提高到80～90％。本发明浓缩分离方法只选用一种碳分子筛(BM-1型碳分子筛)，即可达到浓缩CH₄和脱氧的目的，浓缩分离效率显著提高，在煤层气的工业化推广方面具有重要的意义和应用价值。

Description

一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法

技术领域

本发明涉及一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法，属于气体分离领域。

背景技术

煤层气是指赋存于地下煤层中的天然可燃气，主要成分是CH₄(含有CH₄、N₂、O₂和CO₂)。我国煤层气资源丰富，探明2000m以上的浅层储量为(30～35)×10¹²m³，和天然气储量相当。煤层气根据抽采方式可分为地面抽采和井下抽采，地面抽采的煤层气中CH₄浓度可达90％以上，而井下抽采煤层气由于抽采过程中渗入大量空气，CH₄浓度变化从20％～40％。目前低浓度煤层气利用的措施主要是发电或作为民用燃料，其余则直接排空。国内天然气用量逐渐增加，缺口越来越大。若将低浓度煤层气中甲烷加以利用作为补充或替代燃料，必须将其浓度提高至90％以上。

目前变压吸附分离浓缩煤层气大都是先将煤层气中的氧气去除再进行浓缩分离，而直接变压吸附浓缩分离低浓度煤层气的工艺并未有成功报导，一次浓缩无法完全分离且CH₄提浓得效果不佳，无法实现工业化的推广应用，同时一种合适的吸附剂能同时将多组分气体分离也是一大难点，众多学者均在致力于该方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法，本发明方法能够将甲烷由煤层气中的体积百分含量20～40％提浓至80～90％。

本发明所提供的低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法，包括如下步骤：

低浓度煤层气依次经压缩和净化后，依次进行一级变压吸附脱氧处理和二级变压吸附脱氮浓缩处理，即实现对所述低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离。

所述的浓缩分离方法中，所述低浓度煤层气中，甲烷的体积百分含量为20～40％，具体可为20～30％、30～40％、27.25％或35.67％。

所述的浓缩分离方法中，经所述压缩后的煤层气的压力可为0.2～1.0MPa，如0.7MPa。

所述的浓缩分离方法中，所述净化步骤通过依次连接的过滤器、冷干机和活性炭罐进行，，用于除去气体中含有的尘、水和油；

所述活性炭罐内装填的活性炭的堆比重为400～500g/L，如500g/L。

所述的浓缩分离方法中，所述一级变压吸附脱氧处理和所述二级变压吸附脱氮浓缩处理所采用的吸附剂均为BM-1型碳分子筛，购自煤炭科学技术研究院有限公司；

所述BM-1型碳分子筛的分离系数为3.5，堆比重可为650～700g/L。

所述的浓缩分离方法中，所述一级变压吸附脱氧处理的温度可为5～35℃，如25℃，时间为120～240s，如180s，压力为0.2～1.0MPa，如0.6MPa；该步骤中排放的废气排空；

所述的浓缩分离方法中，所述二级变压吸附脱氮浓缩处理的温度可为5～35℃，如25℃，时间可为120～240s，如210s，压力可为0.2～1.0MPa，如0.5MPa，该步骤中排放废气返回原料气补充原料，以提高产品回收率。

所述的浓缩分离方法中，所述一级变压吸附脱氧处理与所述二级变压吸附脱氮浓缩处理均在常规六塔真空吸附塔中进行。

本发明低浓度煤层气中甲烷的变压吸附浓缩分离方法，流程图如图1所示，该方法以低浓度煤层气为原料，先进行压缩和净化，再根据气源浓度采用两级变压吸附方法对煤层气中的甲烷进行分离浓缩，从而使煤层气中甲烷的浓度由原料气中的20～40％提高到80～90％。本发明浓缩分离方法只选用一种碳分子筛(BM-1型碳分子筛)，即可达到浓缩CH₄和脱氧的目的，浓缩分离效率显著提高，在煤层气的工业化推广方面具有重要的意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明低浓度煤层气中甲烷浓缩分离方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例1和2中从低浓度煤层气中浓缩分离甲烷的工艺流程图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所述装置或设备如无特别说明，均为常规装置或设备。

下述实施例中所述含量如无特别说明，均为体积百分含量。

其中，测定甲烷含量采用红外分析方法测量，甲烷的回收率(指的是经过变压吸附浓缩分离后得到产品中纯甲烷的量占浓缩原料气中纯甲烷的量)按照如下公式进行计算：

甲烷回收率＝(回收的甲烷量/原料气中甲烷的量)×100％

下述实施例中所用碳分子筛BM-1购自煤炭科学技术研究院有限公司，BM-1型碳分子筛的理化参数如下：吸附剂直径(mm)为1.8～2.1，吸附剂粒度(目)为4～12，吸附剂抗压强度(N/颗粒)≥100，吸附剂堆积重(g/cc)为0.65～0.7，分离系数≥3.5。

实施例1、对CH₄含量为20～30％的低浓度煤层气进行浓缩分离

本实施例浓缩分离的工艺流程如图2所示，其中，1为原料气的低浓度煤层气，2为压缩步骤，3为净化步骤，4为一级PSA(变压吸附)脱氧步骤，5为二级PSA(变压吸附)脱氮浓缩步骤，6为产品气，7为脱氧处理中产生的废气，8为脱氮浓缩处理中产生的废气。

具体过程如下：

1)将作为原料气的低浓度煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气，该压缩后的煤层气的压力为0.7MPa；

其中，原料气各组分的名称及体积百分含量分别如下所示：CH₄：27.25％、O₂：12.0％、N₂：60.75％，甲烷的气压为3～5kPa；

2)将步骤1)所得压缩后的煤层气经过滤器除尘，冷干机除水，最后经活性炭罐除油，得到净化后的煤层气；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重为500g/L；

3)对步骤2)得到的净化后的煤层气进行两级浓缩分离，得到浓缩后的煤层气，完成低浓度煤层气变压吸附浓缩分离，得到产品气。

该步骤中，所用两级PSA吸附塔为六塔真空吸附塔，吸附塔的内径为542mm，一级PSA脱氧处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-1，吸附温度为25℃，吸附时间为180s，吸附压力为0.6MPa。二级PSA脱氮浓缩处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-1，吸附温度为25℃，吸附时间为210s，吸附压力为0.5MPa。

该步骤中脱氧处理中产生的废气放空，脱氮浓缩处理中产生的废气返回原料气中按照前述步骤1)-步骤3)继续进行浓缩分离。

利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分含量分别为：CH₄：88％、O₂：0.2％、N₂：11.8％，甲烷回收率为82％。

实施例2、对CH₄含量为30～40％的低浓度煤层气进行浓缩分离

本实施例浓缩分离的工艺流程如图2所示，其中，1为作为原料气的低浓度煤层气，2为压缩步骤，3为净化步骤，4为一级PSA脱氧步骤，5为二级PSA脱氮浓缩步骤，6为产品气，7为脱氧处理中产生的废气，8为脱氮浓缩处理中产生的废气。

具体过程如下：

其中，原料气各组分的名称及体积百分含量分别如下所示：CH₄：35.67％、O₂：12.3％、N₂：52.03％，甲烷的气压为3～5kPa；

该步骤中，所用两级PSA吸附塔为六塔真空吸附塔，吸附塔的内径为542mm，一级PSA脱氧处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-1，吸附温度为25℃，吸附时间为180s，吸附压力为0.6MPa；二级PSA脱氮浓缩处理中所用吸附剂碳分子筛为BM-1，吸附温度为25℃，吸附时间为210s，吸附压力为0.5MPa。

利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分含量分别为：CH₄：90.3％、O₂：0％、N₂：9.7％，甲烷回收率为80％。

Claims

1.一种低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的浓缩分离方法，其特征在于：所述低浓度煤层气中，甲烷的体积百分含量为20～40％。

3.根据权利要求1或2所述的浓缩分离方法，其特征在于：经所述压缩后的煤层气的压力为0.2～1.0MPa。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的浓缩分离方法，其特征在于：所述净化步骤通过依次连接的过滤器、冷干机和活性炭罐进行；

所述活性炭罐内装填的活性炭的堆比重为400～500g/L。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的浓缩分离方法，其特征在于：所述一级变压吸附脱氧处理和所述二级变压吸附脱氮浓缩处理所采用的吸附剂均为BM-1型碳分子筛；

所述BM-1型碳分子筛的分离系数为3.5，堆比重为650～700g/L。

6.根据权利要求5所述的浓缩分离方法，其特征在于：所述一级变压吸附脱氧处理的温度为5～35℃，时间为120～240s，压力为0.2～1.0MPa。

7.根据权利要求5或6所述的浓缩分离方法，其特征在于：所述二级变压吸附脱氮浓缩处理的温度为5～35℃，时间为120～240s，压力为0.2～1.0MPa。

8.BM-1型碳分子筛在浓缩分离低浓度煤层气中甲烷中的应用。