CN108441273B - 含氧低浓度可燃气脱氧方法及脱氧系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含氧低浓度可燃气脱氧方法及脱氧系统。脱氧方法包括：将含氧低浓度可燃气通入脱氧床，含氧低浓度可燃气中的氧气与脱氧床中的固体脱氧剂发生化学反应生成含氧产物，含氧产物和形成的脱氧可燃气以气固混合物的形式一同进入气固分离装置进行分离；气固分离装置分离出的含氧产物进入再生床，含氧产物在高温下再次发生化学反应生成氧气和再生的固体脱氧剂，再生床中生成的氧气排出再生床，再生床中生成的固体脱氧剂送回至脱氧床。脱氧系统包括脱氧床、气固分离装置、再生床、气固物管路、含氧产物管路和脱氧剂管路。上述方法和系统能安全、高效地去除含氧低浓度可燃气中氧气。

Description

含氧低浓度可燃气脱氧方法及脱氧系统
技术领域
本发明涉及一种含氧低浓度可燃气脱氧方法及脱氧系统。
背景技术
煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，俗称瓦斯气，根据煤层资源的不同，煤层气分为地面抽采煤层气和井下抽采煤层气，其中地面抽采煤层气通常甲烷含量在90％以上，可直接加以利用，而井下抽采煤层气由于在抽采过程中会混入大量空气，甲烷浓度普遍偏低，一般低于30％。根据安全要求，甲烷浓度低于30％时，不能贮存和输送，同时当甲烷在空气中的体积浓度达到5％～16％时，存在爆炸危险。由于氧气的存在，低浓度煤层气在后续利用以及提纯、分离过程中存在较大安全隐患，目前这部分煤层气利用率较低，仅为＝10％左右，因此开发煤层气深度脱氧技术是解决煤层气安全、高效利用的关键问题。
诸如上述煤层气这种含氧低浓度可燃气(即可燃气中含有氧气且可燃部分的体积浓度较低)，也都存在因安全问题而导致利用率低的现象。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种安全、高效的含氧低浓度可燃气脱氧方法及脱氧系统。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供一种含氧低浓度可燃气脱氧方法，包括：氧化步骤，将含氧低浓度可燃气通入脱氧床，含氧低浓度可燃气中的氧气与脱氧床中的固体脱氧剂发生化学反应生成含氧产物，含氧产物和形成的脱氧可燃气以气固混合物的形式一同进入气固分离装置进行分离；再生步骤，气固分离装置分离出的含氧产物进入再生床，含氧产物在高温下再次发生化学反应生成氧气和再生的固体脱氧剂，再生床中生成的氧气排出再生床，再生床中生成的固体脱氧剂送回至脱氧床。
根据本发明，在氧化步骤中，固体脱氧剂为高温固体脱氧剂或低温固体脱氧剂，其中，高温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为400-600℃，低温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为200-400℃。
根据本发明，高温固体脱氧剂为铜基固体脱氧剂、钴基固体脱氧剂、锰基固体脱氧剂、铜锰复合固体脱氧剂和铜铁复合固体脱氧剂中的一种或多种；低温固体脱氧剂为铬基固体脱氧剂、铅基固体脱氧剂、钙钛矿固体脱氧剂和类钙钛矿固体脱氧剂中的一种或多种。
根据本发明，在再生步骤中：在氧化步骤中采用的是高温固体脱氧剂的情况下，含氧产物在800-1100℃下再次发生化学反应；在氧化步骤中采用的是低温固体脱氧剂的情况下，含氧产物在400-600℃下再次发生化学反应。
根据本发明，含氧低浓度可燃气中氧气的体积浓度为0.5％-30％，含氧低浓度可燃气中可燃气的体积浓度小于等于30％。
根据本发明，氧化步骤中，脱氧床的工作压力为0.1-0.5MPa；再生步骤中，再生床的工作压力为0.01-0.1MPa。
根据本发明，固体脱氧剂的形状为球形、圆柱形、环形或蜂窝形。
本发明另一方面提供一种用于上述任一项含氧低浓度可燃气脱氧方法的含氧低浓度可燃气脱氧系统，包括：脱氧床，脱氧床的顶部设有气固物出口，脱氧床的底部设有含氧低浓度可燃气入口和脱氧剂入口，脱氧剂入口高于含氧低浓度可燃气入口；气固分离装置，气固分离装置设有气固物入口、含氧产物出口和脱氧可燃气出口；再生床，再生床的顶部设有氧气出口和含氧产物入口，再生床的底部设有脱氧剂出口；气固物管路，气固物管路的入口与脱氧床的气固物出口连通，气固物管路的出口与气固分离装置的气固物入口连通；含氧产物管路，含氧产物管路的入口与气固分离装置的含氧产物出口连通，含氧产物管路的出口与再生床的含氧产物入口连通；脱氧剂管路，脱氧剂管路的入口与再生床的脱氧剂出口连通，脱氧剂管路的出口与脱氧床的脱氧剂入口连通。
根据本发明，脱氧床为流化床反应器，再生床为移动床反应器。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明的含氧低浓度可燃气脱氧系统和脱氧方法是利用化学链深度脱氧系统和脱氧方法，能够使得脱氧可燃气中的氧气的体积浓度降至0.1％以下，具有氧气脱除率高、无可燃成分损耗、安全可靠的优点，并且副产物为纯氧，经济效益提高。由此，含氧低浓度可燃气也可高效、安全的被利用。
附图说明
图1是如下具体实施方式提供的含氧低浓度可燃气脱氧系统的结构示意图。
【附图标记】
1：脱氧床；11：气固物出口；12：含氧低浓度可燃气入口；13：脱氧剂入口；2：气固分离装置；21：气固物入口；22：含氧产物出口；23：脱氧可燃气出口；3：再生床；31：氧气出口；32：含氧产物入口；33：脱氧剂出口；4：气固物管路；5：含氧产物管路；6：脱氧剂管路。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本实施例提供一种含氧低浓度可燃气脱氧系统以及应用该脱氧系统的含氧低浓度可燃气脱氧方法。本实施例中所指的含氧低浓度可燃气为：含氧低浓度可燃气中氧气的体积浓度为0.5％-30％，含氧低浓度可燃气中可燃气的体积浓度小于等于30％。例如，含氧低浓度可燃气可以是煤层气、液化石油气、石油伴生气、人工煤气、焦炉煤气、高炉煤气、和转炉煤气中的一种。
本实施例中，参照图1，含氧低浓度可燃气脱氧系统包括脱氧床1、气固分离装置2、再生床3、气固物管路4、含氧产物管路5和脱氧剂管路6。
其中，脱氧床1包括常规的加热装置，以使得脱氧床1在工作时达到工作温度。脱氧床1的底部设有含氧低浓度可燃气入口12和脱氧剂入口13，脱氧剂入口13高于含氧低浓度可燃气入口12，以供固体脱氧剂进入脱氧床1，含氧低浓度可燃气从脱氧床1的底部进入脱氧床1并随后在上升的过程中与固体脱氧剂发生化学反应，生成含氧产物和去除氧气后的脱氧可燃气。脱氧床1的顶部设有气固物出口11，供脱氧可燃气和含氧产物一起以气固混合物的形式排出脱氧床1。
其中，气固分离装置2设有气固物入口21，供脱氧床1排出的气固混合物进入气固分离装置2进行气固分离，分离成含氧产物和脱氧可燃气。气固分离装置2还包括含氧产物出口22和脱氧可燃气出口23，以分别供含氧产物和脱氧可燃气排出气固分离装置2。
其中，再生床3包括常规的加热装置，以使得再生床3在工作时达到工作温度。再生床3的顶部设有含氧产物入口32，供气固分离装置2分离出的含氧产物进入再生床3。含氧产物在再生床3中再次发生化学反应而生成氧气和再生的固体脱氧剂(与脱氧床1中使用的固体脱氧剂相同)。再生床3的顶部还设有氧气出口31，以供生成的氧气排出再生床3。再生床3的底部还设有脱氧剂出口33，以供再生的固体脱氧剂排出再生床3。
其中，气固物管路4的入口与脱氧床1的气固物出口11连通，气固物管路4的出口与气固分离装置2的气固物入口21连通，以实现气固混合物在脱氧床1和气固分离装置2之间的传送。含氧产物管路5的入口与气固分离装置2的含氧产物出口22连通，含氧产物管路5的出口与再生床3的含氧产物入口32连通，以实现含氧产物在气固分离装置2和再生床3之间的传送。脱氧剂管路6的入口与再生床3的脱氧剂出口33连通，脱氧剂管路6的出口与脱氧床1的脱氧剂入口13连通，以实现再生的固体脱氧剂从再生床3返回脱氧床1再利用。
由此，利用上述系统，含氧低浓度可燃气脱氧方法包括如下步骤：
氧化步骤，将含氧低浓度可燃气通入脱氧床1，含氧低浓度可燃气中的氧气与脱氧床1中的固体脱氧剂发生化学反应生成含氧产物(固体含氧产物)，其中，化学反应方程式为：MexOy-2+O2(g)＝MexOy；含氧产物和形成的脱氧可燃气以气固混合物的形式一同进入气固分离装置2进行分离。具体地，在本实施例中，参见图1，脱氧床1的加热装置将脱氧床1加热至能够使氧气和固体脱氧剂发生化学反应生成含氧产物的温度，含氧低浓度可燃气从脱氧床1的含氧低浓度可燃气入口12进入脱氧床1的底部，在含氧低浓度可燃气上升的过程中，其中的氧气与脱氧床1中的固体脱氧剂发生化学反应，生成含氧产物和脱除氧气后形成的脱氧可燃气，二者混合在一起形成气固混合物上升至脱氧床1的顶部，从脱氧床1的气固物出口11排出脱氧床1并进入气固物管路4，气固混合物沿气固物管路4经气固分离装置2的气固物入口21进入气固分离装置2，含氧产物和脱氧可燃气分离并分别从含氧产物出口22和脱氧可燃气出口23排出气固分离装置2。
再生步骤，气固分离装置2分离出的含氧产物进入再生床3，含氧产物在高温下再次发生化学反应生成氧气和再生的固体脱氧剂，再生床3中生成的氧气排出再生床3，再生床3中生成的固体脱氧剂送回至脱氧床1。具体地，在本实施例中，参照图1，再生床3的加热装置将再生床3加热至使含氧产物能够发生化学反应生成氧气和再生的固体脱氧剂的温度，含氧产物经含氧产物管路5、再生床3的含氧产物入口32进入再生床3顶部。含氧产物在再生床3中发生化学反应生成氧气和固体脱氧剂，氧气上升至再生床3的顶部从氧气出口31排出再生床3，可将氧气排出管路10与氧气储存设备连接，以收集纯氧，用于后续工艺；固体脱氧剂从再生床3的底部从脱氧剂出口33经脱氧剂管路6、脱氧床1的脱氧剂入口13进入脱氧床1内部再利用。
综上，本实施例的含氧低浓度可燃气脱氧系统和脱氧方法是利用化学链深度脱氧系统和脱氧方法，能够使得脱氧可燃气中的氧气的体积浓度降至0.1％以下，具有氧气脱除率高、无可燃成分损耗、安全可靠的优点，并且副产物为纯氧，经济效益提高(在含氧低浓度可燃气为煤层气时，纯氧可用于矿井用氧)。由此，含氧低浓度可燃气也可高效、安全的被利用。此外，固体脱氧剂在上述系统和方法中循环使用，节约成本。
进一步地，在本实施例的系统中，还包括与含氧低浓度可燃气入口13连接的鼓风机，在氧化步骤中，通过调节鼓风机可调整脱氧床1中的工作压力，脱氧床1的工作压力为0.1-0.5Mpa，即工作压力维持在0.1-0.5Mpa的范围内。
进一步地，在本实施例中，脱氧床1为流化床反应器，再生床3为移动床反应器。通过调节鼓风机来控制从含氧低浓度可燃气入口12进入的含氧低浓度可燃气的流量大于脱氧床1中的固体脱氧剂的流化速度，进而控制含氧产物和脱氧可燃气一起形成气固混合物从脱氧床1一起排出。
进一步地，在本实施例的系统中，还包括与再生床2的氧气出口连通的引风机，在再生步骤中，引风机将氧气抽出再生床2，在再生床2上部营造一种负压的环境，可通过引风机调整再生床2中的工作压力，再生床2的工作压力为0.01-0.1Mpa，即工作压力维持在0.01-0.1Mpa的范围内。
进一步地，在本实施例中，参照图1，气固分离装置2位于再生床3的上方，再生床3位于脱氧床1的上方，脱氧剂管路6为倾斜管路，沿朝向脱氧床1的方向降低。
进一步地，气固物管路4的入口低于气固物管路4的出口，气固混合物在气固物管路4中的运动包含上升运动。
进一步地，在本实施例的系统中，在含氧产物管路5、脱氧剂管路6和气固物管路4上设置阀门，以控制各管路的通断，脱氧系统还可包括控制器，控制器与上述各个阀门通讯连接，以控制各阀门的开关。控制器与上述引风机和鼓风机连接，以对二者进行控制。
进一步地，在本实施例中，在氧化步骤中，固体脱氧剂为高温固体脱氧剂或低温固体脱氧剂，其中，高温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为400-600℃，低温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为200-400℃。也就是说，在采用高温固体脱氧剂时，脱氧床1在氧化步骤中的工作温度为400-600℃，即维持脱氧床1的温度在400-600℃的范围内；而采用低温固体脱氧剂时，脱氧床1在氧化步骤中的工作温度为200-400℃，即维持脱氧床1的温度在200-400℃的范围内。
其中，高温固体脱氧剂为铜基固体脱氧剂、钴基固体脱氧剂、锰基固体脱氧剂、铜锰复合固体脱氧剂和铜铁复合固体脱氧剂中的一种或多种。具体地，铜基固体脱氧剂例如为Cu2O/MgAl2O4,钴基固体脱氧剂例如为CoO/ZrO2,锰基固体脱氧剂例如为Mn3O4/SiO2，铜锰复合固体脱氧剂例如为CuxMn3-xO4，铜铁复合固体脱氧剂例如为CuxFe3-xO4。
其中，低温固体脱氧剂为铬基固体脱氧剂、铅基固体脱氧剂、钙钛矿固体脱氧剂和类钙钛矿固体脱氧剂中的一种或多种。铬基固体脱氧剂例如为Cr2O3/ZrO2,铅基固体脱氧剂例如为PbO/ZrO2,钙钛矿固体脱氧剂例如为SrFexCo1-xO3,类钙钛矿固体脱氧剂例如为YBaCo4O7。
进一步，在本实施例中，在再生步骤中，在氧化步骤中采用的是高温固体脱氧剂的情况下，含氧产物在800-1100℃下再次发生化学反应，也就是说此时再生床3的工作温度为800-1100℃，即维持再生床2的工作温度在800-1100℃的范围内；在氧化步骤中采用的是低温固体脱氧剂的情况下，含氧产物在400-600℃下再次发生化学反应，也就是说此时再生床3的工作温度为400-600℃，即维持再生床2的工作温度在400-600℃的范围内。
进一步，在本实施例中，固体脱氧剂的形状为球形、圆柱形、环形或蜂窝形。固体脱氧剂制备方法选用常规催化剂制备方法，优选浸渍法和整体成型方式。
此外，在本实施例中，脱氧床1上还设有填料口，在系统开始第一次进行氧化步骤之前，通过填料口向脱氧床1中加入固体脱氧剂。以处理10000m3/h、氧气体积浓度为19％的煤层气为例，铜基固体脱氧剂的填充量为2.7t，钴基固体脱氧剂填充量为4.1t，锰基固体脱氧剂填充量为7.9t。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种含氧低浓度可燃气脱氧方法，其特征在于，应用含氧低浓度可燃气脱氧系统，所述含氧低浓度可燃气脱氧系统包括：脱氧床(1)，所述脱氧床(1)的顶部设有气固物出口(11)，所述脱氧床(1)的底部设有含氧低浓度可燃气入口(12)和脱氧剂入口(13)，所述脱氧剂入口(13)高于所述含氧低浓度可燃气入口(12)；
鼓风机，与所述含氧低浓度可燃气入口(12)连接；
气固分离装置(2)，所述气固分离装置(2)设有气固物入口(21)、含氧产物出口(22)和脱氧可燃气出口(23)；
再生床(3)，所述再生床(3)的顶部设有氧气出口(31)和含氧产物入口(32)，所述再生床(3)的底部设有脱氧剂出口(33)；
气固物管路(4)，所述气固物管路(4)的入口与所述脱氧床(1)的气固物出口(11)连通，所述气固物管路(4)的出口与所述气固分离装置(2)的气固物入口(21)连通；
含氧产物管路(5)，所述含氧产物管路(5)的入口与所述气固分离装置(2)的含氧产物出口(22)连通，所述含氧产物管路(5)的出口与所述再生床(3)的含氧产物入口(32)连通；
脱氧剂管路(6)，所述脱氧剂管路(6)的入口与再生床(3)的脱氧剂出口(33)连通，所述脱氧剂管路(6)的出口与所述脱氧床(1)的脱氧剂入口(13)连通；
引风机，所述引风机与所述再生床(2)的氧气出口连通；
所述含氧低浓度可燃气脱氧方法还包括：
氧化步骤，将含氧低浓度可燃气通入脱氧床(1)，所述含氧低浓度可燃气中的氧气与所述脱氧床(1)中的固体脱氧剂发生化学反应生成含氧产物，所述含氧产物和形成的脱氧可燃气以气固混合物的形式一同进入气固分离装置(2)进行分离；
再生步骤，所述气固分离装置(2)分离出的含氧产物进入再生床(3)，所述含氧产物在高温下再次发生化学反应生成氧气和再生的固体脱氧剂，所述再生床(3)中生成的氧气排出再生床(3)，所述再生床(3)中生成的固体脱氧剂送回至所述脱氧床(1)；
在所述氧化步骤中，通过调节所述鼓风机调整所述脱氧床(1)的工作压力为0.1-0.5Mpa，通过调节所述鼓风机来控制从所述含氧低浓度可燃气入口(12)进入的含氧低浓度可燃气的流量大于脱氧床(1)中的固体脱氧剂的流化速度，进而控制含氧产物和脱氧可燃气一起形成气固混合物从脱氧床(1)一起排出，所述固体脱氧剂为高温固体脱氧剂或低温固体脱氧剂，其中，所述高温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为400-600℃，所述低温固体脱氧剂与氧气发生化学反应的温度为200-400℃；
在所述再生步骤中，通过所述引风机调整所述再生床(3)的工作压力为0.01-0.1MPa，在所述氧化步骤中采用的是高温固体脱氧剂的情况下，所述含氧产物在800-1100℃下再次发生化学反应，在所述氧化步骤中采用的是低温固体脱氧剂的情况下，所述含氧产物在400-600℃下再次发生化学反应。
2.根据权利要求1所述的含氧低浓度可燃气脱氧方法，其特征在于，
所述高温固体脱氧剂为铜基固体脱氧剂、钴基固体脱氧剂、锰基固体脱氧剂、铜锰复合固体脱氧剂和铜铁复合固体脱氧剂中的一种或多种；
所述低温固体脱氧剂为铬基固体脱氧剂、铅基固体脱氧剂、钙钛矿固体脱氧剂和类钙钛矿固体脱氧剂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的含氧低浓度可燃气脱氧方法，其特征在于，
所述含氧低浓度可燃气中氧气的体积浓度为0.5％-30％，所述含氧低浓度可燃气中可燃气的体积浓度小于等于30％。
4.根据权利要求1所述的含氧低浓度可燃气脱氧方法，其特征在于，
所述固体脱氧剂的形状为球形、圆柱形、环形或蜂窝形。
5.根据权利要求1所述的含氧低浓度可燃气脱氧方法，其特征在于，
所述脱氧床(1)为流化床反应器，所述再生床(3)为移动床反应器。
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