CN105611991A - 从瓦斯中移除甲烷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从具有2摩尔％或小于2摩尔％的甲烷浓度的原料瓦斯中移除甲烷的方法，所述方法包括步骤：(a)任选地将原料瓦斯与补充甲烷或补充空气混合；(b)将原料瓦斯和任选的补充气体传送经过热交换器以将瓦斯的温度提高至氧化反应器的期望的入口温度T1；(c)将来自步骤(b)的加热的瓦斯流传送至包含氧化催化剂的氧化反应器，其中使甲烷氧化；(d)从反应器中移除包含氧化反应的产物的瓦斯流，所述瓦斯流处于高于入口温度T1的出口温度T2；(e)将在步骤(d)中移除的瓦斯流传送经过热交换器与来自步骤(b)的反应器气流相对，以允许从在步骤(d)中去除的气流中回收热量并利用其加热在步骤(b)中的反应器流；以及(f)测量出口温度T2并通过调整在步骤(a)中加入的补充甲烷和/或补充空气的相对量来控制入口温度T1，在所述方法中可以包括以下步骤来替代步骤(a)和(f)：(b2)用任选的补充空气任选地分流一部分原料以绕过热交换器；(f2)测量出口温度T2并通过调整绕过热交换器的原料的量来控制入口温度T1。

Description

从瓦斯中移除甲烷的方法
本发明涉及从瓦斯中移除甲烷的方法。更特别地，其涉及从低浓度的并且特别是约1摩尔％或小于1摩尔％的浓度的瓦斯中移除甲烷的方法。还更特别地，其涉及从煤矿乏风瓦斯中移除甲烷的方法。
通常地，煤床会包含大量的吸收于其中的甲烷。通常期望并可以通过抽放从未开采的床中移除这种甲烷。回收的瓦斯会具有相对高的甲烷浓度，其可以在约30摩尔％至约95摩尔％的范围。因此使用这种甲烷是相对容易且划算的。
从煤矿的通风系统排出的瓦斯中也发现甲烷。然而，与来自煤床的瓦斯不同，乏风瓦斯具有极低浓度的甲烷，其将通常地具有仅仅约0.1摩尔％至约1摩尔％的量级。因此，其常规地与组成乏风瓦斯排放物的其他气体一起被排放入大气中。
尽管甲烷的这种释放不是直接对人类有害的，但是据信其在大气中的存在可能促进全球变暖和/或气候变化。因此，期望作出替代方案以降低甲烷排放量。
同时，理论上，用于甲烷回收的一个选项会是浓缩煤矿乏风瓦斯以使得甲烷量较高，这样的过程将采取浓缩，但甲烷的爆炸极限通常为约5摩尔％至约15摩尔％的甲烷。因此存在与任何包括浓缩步骤的方法有关的重大安全隐患。
鉴于此，已经提出了多种替代方法，其或者将乏风瓦斯直接用于例如汽轮机，或者使该气体在合适的催化剂存在或不存在下经过氧化以便存在于气体中的甲烷在被排放之前氧化成二氧化碳和水。在CN102230393、CN102225321、CN102218286、CN102205207、CN101418702、CN101906986、CN201301726、CN201650343和CN101206027中描述了氧化系统的实例。
在氧化过程中，通常必须在气体与催化剂接触之前加热该气体。然而，这些过程可为较难操作的。一个问题是必须控制反应器中的温度，使得该温度足够高至会使反应发生，但使得该温度不过高，因为高温可以损坏催化剂甚至使催化剂失活。
鉴于从矿井回收的乏风瓦斯气流中甲烷气体的浓度波动的事实，在氧化过程期间控制温度的需求是复杂的。
在US2012/0189523中讨论了一个建议的方法，其用于处理利用在来自煤矿的乏风瓦斯中具有低的但是波动的甲烷浓度的瓦斯流。在第一布置方案中，所推荐的方法包括将瓦斯供给经过热交换器，该瓦斯在热交换器中被预热。随后将这种预热的瓦斯供给至反应器，在反应器中该瓦斯与氧化催化剂接触以使得氧化反应发生。随后将反应的瓦斯传送经过热交换器以使得热量通过与未反应的瓦斯的热交换被回收。该方法还包括改变被供给至氧化催化剂的瓦斯量，其取决于待被处理的瓦斯中的甲烷浓度，以使得当甲烷浓度高时气体流速增加并且当甲烷浓度低时气体流速减小。
在US2012/0189523中描述的第二布置方案中，将待被处理的瓦斯传送经过低温通道，到达热交换器以便该瓦斯被加热。随后将预热的瓦斯供给至反应器，在反应器中该瓦斯与氧化催化剂接触，其中发生所期望的氧化反应。随后将反应的气体传送经过热交换器以允许与原料瓦斯热交换。在这一布置方案中，可以将一些去向热交换器的低温侧或高温侧的流传送经过捷径通道，以使得一部分瓦斯可以绕过热交换器。经过捷径通道供给的原料瓦斯相对于被供给至热交换器的量的比率是允许改变的，以使得比率越低，原料瓦斯中甲烷的浓度越低，并且比率越高，原料气体中甲烷的浓度越高。
尽管这些过程提供了一些解决与利用瓦斯(例如，矿井乏气流)中低浓度甲烷有关的问题的手段，期望提供用于处理包含低于燃烧范围的甲烷量的瓦斯流(例如，来自煤矿的乏气流)的替代方法。
根据本发明的第一方面，提供用于从具有约2％或小于2％的甲烷浓度的原料瓦斯中移除甲烷的方法，所述方法包括步骤：
(a)任选地将原料瓦斯与补充甲烷或补充空气混合；
(b)将原料瓦斯和任选的补充气体传送经过热交换器以将瓦斯的温度提高至氧化反应器的期望的入口温度T1；
(c)将来自步骤(b)的加热的流传送至包含氧化催化剂的氧化反应器，在所述氧化反应器中甲烷被氧化；
(d)从反应器中移除包含氧化反应的产物的瓦斯流，所述瓦斯流处于高于入口温度T1的出口温度T2；
(e)将在步骤(d)中移除的瓦斯流传送经过热交换器与来自步骤(b)的反应器流相对，以允许从在步骤(d)中移除的气流中回收热量并利用其加热在步骤(b)中的反应器流；以及
(f)测量出口温度T2并通过调整在步骤(a)中加入的补充甲烷和/或补充空气的相对量来控制入口温度T1。
应理解，通过控制出口温度T2，控制入口温度T1。
在一布置方案中，将出口温度T2与预设的期望的温度进行比较并且调整原料中甲烷或空气的浓度，以使得入口温度T1得以调整，从而随之而来的由反应引起的温度升高导致T2接近所期望的温度。不会将T1调整至低于最低反应起始温度的温度。
因为可以控制温度以使得由温度引起的催化剂的降解最小化并且优选避免催化剂的降解，所以在本发明中催化剂的寿命被最大化。在本发明中，必须将T1固定在这样的操作范围内，该操作范围不允许T2放热至高于催化剂的最大操作温度。然而，来自矿井的甲烷的浓度的变化将会导致观察到的放热的波动并由此导致T2的变化。必须将这种变化控制在T2最大允许值之下，但是也必须经控制以产生期望的床入口温度T1。
因此，本发明利用这样的事实，即，随着甲烷浓度的增加，出口温度T2将增加。如果温度T2增加，补充空气可以与原料混合，以使得甲烷浓度降低。同样地，如果温度T1太低而不能实现催化剂的操作，则加入补充甲烷以增加甲烷浓度会增加T2，以使得将较热的流传送经过热交换器，这转而会导致原料流传送经过热交换器时原料流温度增加并由此增加T1。
在氧化反应器中可以使用任何合适的催化剂。在一布置方案中，催化剂可以是分散在载体(例如，氧化的载体)上的铱和铂。合适的载体的实例包括：二氧化锆、二氧化钛、三氧化二铝或其混合物。在一替代布置方案中，催化剂可以是在担体上的钯和/或铂。催化剂可以呈现为任何合适的构型，但是在一布置方案中，其可以如涂装的基材，例如金属的或陶瓷的蜂窝构型。
期望的温度将取决于使用的催化剂。在催化剂包含在担体上的钯和/或铂的情况下，T1优选地为至少350℃。通常地，将避免高于650℃的温度以使催化剂的寿命最大化并使反应器的成本最小化。
当加热的含甲烷的瓦斯经过催化剂时，甲烷被氧化成二氧化碳和水。
在一布置方案中，去向反应器的流速将保持不变。
应理解，在步骤(a)中任选地加入的补充甲烷可以是甲烷或包含甲烷的气流。在后面的布置方案中，富含甲烷的流是优选的。
因此，本发明允许该系统考虑到甲烷浓度的波动。该布置方案足够地灵活以快速地改变补充甲烷或补充空气的量，同时使去向催化剂床的整体流量保持固定。
根据本发明的第二方面，提供了用于从具有约2摩尔％或小于2摩尔％的甲烷浓度的原料瓦斯中移除甲烷的方法，所述方法包括步骤：
(a)将原料瓦斯传送经过热交换器以将瓦斯的温度提高至氧化反应器的期望的入口温度T1；
(b)用任选的补充空气任选地分流一部分原料以绕过热交换器；
(c)将来自步骤(a)的加热的流和来自步骤(b)的任何分流的原料传送至包含氧化催化剂的氧化反应器，其中使甲烷氧化；
(d)从反应器中移除包含氧化反应的产物的瓦斯流，所述瓦斯流处于高于入口温度T1的出口温度T2；
(e)将在步骤(d)中移除的瓦斯流传送经过热交换器与来自步骤(a)的反应器流相对，以允许从在步骤(d)中移除的瓦斯流中回收热量并利用其加热在步骤(a)中的反应器流；以及
(f)测量出口温度T2并通过调整绕过热交换器的原料的量来控制入口温度T1。
应理解，通过控制出口温度T2，控制入口温度T1。将冷的分流的流与加热的原料流混合使反应器的温度T1能够被控制。当甲烷浓度增加时，可以增加分流的气体量，否则其将会导致反应器中出口温度的增加。
如上讨论的催化剂和温度与以上本发明的第一方面有关。
在任一布置方案中，可以提供燃烧启动加热器(firedstart-upheater)或其他合适的加热方法以将反应器加热至操作条件。
如果催化剂失活，则反应器的出口瓦斯将会最终包含甲烷。出口瓦斯中甲烷的存在是可以检测到的。这些过程随后可以允许系统经操作以使得T1可以增加，直至从检测器去除的气流中不再有甲烷被察觉到。
从反应器获得的气流中的甲烷浓度可以通过任何合适的手段检测到。在一布置方案中，可以使用非色散红外吸收分析仪测量甲烷浓度，该非色散红外吸收分析仪利用对低至1ppm或更低的甲烷连续监控的固态检测器。
瓦斯原料流可以含有小于约1摩尔％的甲烷，或小于约0.5摩尔％，或小于约0.1摩尔％的甲烷。
可以使用任何合适的瓦斯流速。在一布置方案中，可以有约20,000L瓦斯/L催化剂/hr的气时空速，以及约小于20m/s的在催化剂的正面的线速度。
尽管已经参考对来自煤矿的乏风瓦斯中的甲烷的处理来描述本发明，但应理解，其同样地适用于其中存在低浓度甲烷的其他流。
现在将参考附图，以举例的方式描述本发明，其中：
图1是根据本发明的第一方面的流程图的示意图；和
图2是根据本发明的第二方面的流程图的示意图。
本领域技术人员应理解，附图是示意的并且在工业设备中可能需要其他设备项目，例如，回流罐、泵、真空泵、温度传感器、压力传感器、减压阀、控制阀、流量控制器、流量控制阻尼器、管道系统、阻火器、液位控制器、容纳槽、储存罐等。设备的此类辅助项目的提供不形成本发明的任何部分并且依据常规的化工实践。
如图1所说明的，使用风机2从在管线1中的矿井中移除瓦斯并在此与任选的补充甲烷(其通常为富含甲烷的气体3的形式)混合，或与由风机13提供的在管线4中的任选的补充空气混合，并随后被供给至热交换器5，在热交换器5中被加热至温度T1，并随后在管线6中被供给至反应器7。在反应器中，甲烷被转变成二氧化碳和水。随后在管线8中从反应器中去除瓦斯流，其在放热反应期间将已经被加热至温度T2，经过热交换器5与在管线1中进入的原料相对，以使得从反应器中去除的瓦斯流被冷却并使原料流被加热。随后在管线9中移除冷却的产物瓦斯。
控制器10监控检测器11和12测量的温度T1和T2并且随后视情况控制补充甲烷和补充空气。
在图2所说明的替代布置方案中，使用主风机22从矿井中移除原料21并随后将其传送至热交换器23，其在热交换器23中被加热。一部分原料可以在管线24中被分流而绕过热交换器，并随后与加热的原料混合。阀25控制旁路。补充空气可以在管线26中使用风机27加入旁路流中。在启动时，可以在管线38中加入甲烷，经过启动燃烧器31。在正常操作期间，可以经由管线38和绕过启动燃烧器的39加入甲烷。
随后将流在管线28中供给至反应器29，在反应器29中发生反应。随后将瓦斯流在管线32中从反应器29中移除，随后其被传送经过热交换器23，在热交换器23中从反应器29中移除的瓦斯流被冷却，同时加热原料瓦斯。随后在管线33中释放冷瓦斯。
控制器34监控检测器35和36测量的温度T1和T2以及出口甲烷分析仪37，并且随后使用阀25控制旁路的量并控制加入管线26中的补充空气的量。

Claims (9)

1.用于从具有2摩尔％或小于2摩尔％的甲烷浓度的进料瓦斯中移除甲烷的方法，所述方法包括步骤：
(a)任选地将原料瓦斯与补充甲烷或补充空气混合；
(b)将原料瓦斯和任选的补充气体传送经过热交换器以将所述瓦斯的温度提高至氧化反应器的期望的入口温度T1；
(c)将来自步骤(b)的加热的流传送至包含氧化催化剂的氧化反应器，其中使甲烷氧化；
(d)从所述反应器中移除包含氧化反应的产物的瓦斯流，所述瓦斯流处于高于入口温度T1的出口温度T2；
(e)将在步骤(d)中移除的所述瓦斯流传送经过热交换器与来自步骤(b)的反应器流相对，以允许从在步骤(d)中移除的所述瓦斯流中回收热量并利用其加热在步骤(b)中的所述反应器流；以及
(f)测量所述出口温度T2并通过调整在步骤(a)中加入的补充甲烷和/或补充空气的相对量来控制所述入口温度T1。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述出口温度T2与预设的期望的温度进行比较并且调整所述原料中甲烷或空气的浓度，以使得所述入口温度T1经调整，从而随之而来的由反应引起的温度升高导致T2接近期望的温度。
3.用于从具有2摩尔％或小于2摩尔％的甲烷浓度的原料瓦斯中移除甲烷的方法，所述方法包括步骤：
(a)将原料瓦斯传送经过热交换器以将所述瓦斯的温度提高至氧化反应器的期望的入口温度T1；
(b)用任选的补充空气任选地分流一部分所述原料以绕过所述热交换器；
(c)将来自步骤(a)的加热的流和来自步骤(b)的任何分流的原料传送至包含氧化催化剂的氧化反应器，其中使甲烷氧化；
(d)从所述反应器中移除包含氧化反应的产物的瓦斯流，所述瓦斯流处于高于入口温度T1的出口温度T2；
(e)将在步骤(d)中移除的所述瓦斯流传送经过所述热交换器与来自步骤(a)的所述反应器流相对，以允许从在步骤(d)中移除的所述瓦斯流中回收热量并利用其加热在步骤(a)中的所述反应器流；以及
(f)测量所述出口温度T2并通过调整绕过所述热交换器的原料的量来控制所述入口温度T1。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述催化剂包含在担体上的钯和/或铂。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述担体是氧化的担体。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述催化剂担体呈现为蜂窝构型。
7.如权利要求4或5所述的方法，其中所述温度T1优选为至少350℃。
8.如权利要求4所述的方法，其中所述温度T2为650℃或小于650℃。
9.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述瓦斯原料流含有小于1摩尔％的甲烷，或小于0.5摩尔％，或小于约0.1摩尔％的甲烷。
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