CN114672354A - 一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，涉及低浓度煤层气高效清洁利用技术领域，主要解决煤矿低浓度煤层气难以利用和爆炸风险而造成的资源浪费及环境污染等问题。针对此问题，本发明提出一种变压吸附及固定床催化反应联合装置来将低浓度煤层气中氧气消耗殆尽，降低在利用低浓度瓦斯过程中而面临的爆炸风险。将低浓度煤层气通入变压吸附脱氧装置，经碳分子筛吸附脱附作用下，低浓度煤层气中的甲烷浓度被提高，而氧气浓度将初步降低，再通过固定床催化反应装置，经催化过程可以将低浓度煤层气中氧气完全消耗。本发明能提高低浓度煤层气的综合利用率，降低使用过程中的爆炸风险，有利于促进煤炭产业的进一步发展。
Description
技术领域
本发明涉及低浓度煤层气高效清洁利用技术领域，具体涉及一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法。
背景技术
煤层气又称煤矿瓦斯属于非常规天然气。根据煤矿瓦斯中甲烷浓度的不同，煤矿瓦斯又可以分为高浓度(>30％)及低浓度瓦斯，目前我国煤矿井下煤矿瓦斯抽采量可达129亿m3，其中60％以上的为低浓度瓦斯。由于低浓度瓦斯总量大、浓度低、浓度波动性大以及相关配套政策措施相对滞后等原因，整体利用率仅有40％左右，其余均直接排放至空气中，导致我国低浓度瓦斯利用产业的发展形势依然不佳以及严重的资源浪费问题。因此，对低浓度瓦斯进行综合利用，可达到节约资源、减少环境污染、促进煤矿安全生产，以及调整能源结构等多重目的。
目前国内外普遍采用包括变压吸附、低温液化等分离提纯技术对低浓度煤层气先进行分离提纯再利用的方式。而这种分离提纯技术工艺复杂，成本高，对低浓度煤层气脱氧效率低；在倡导绿色发展理念的新时代背景下，如何补齐低浓度煤层气利用的短板，促进低浓度煤层气产业快速良性发展，目前亟需研发一种新型的低浓度煤层气脱氧技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，操作简单、污染小，脱氧效率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，包括以下步骤：
步骤(1)，首先分别搭建变压吸附脱氧装置和固定床催化反应装置，再将变压吸附脱氧装置的出口与固定床催化反应装置的入口相连；
步骤(2)，将固定床催化反应装置中的催化剂预先还原；
步骤(3)，将配制好的低浓度煤层气通入变压吸附脱氧装置中，控制低浓度煤层气的流量为100mL/min～150mL/min，控制气体压力为120kPa，低浓度煤层气在吸附剂作用下预脱氧，随后通入固定床催化反应装置中，控制固定床催化反应装置逐渐升温，预脱氧的低浓度煤层气在催化剂作用下进行催化重整反应，即高效脱除氧气；吸附在吸附剂表面的氧气和氮气在减压作用下实现脱附，如此循环。
优选地，步骤(1)中所述变压吸附脱氧装置包括通过管路依次连接的储气罐、缓冲罐、吸附塔、干燥器和气体检测器，所述储气罐和缓冲罐之间设有流量控制器Ⅰ，所述干燥器和气体检测器之间设有流量控制器Ⅱ，所述缓冲罐的出气口依次连接压力计Ⅰ和控制阀Ⅰ后分为两路，一路通过控制阀Ⅱ连接吸附塔，另一路通过控制阀Ⅳ连接真空泵，所述吸附塔的出口气与干燥器之间也依次连接压力计Ⅱ和控制阀Ⅲ。
优选地，步骤(2)中所述固定床催化反应装置包括放置在加热炉中的反应器，反应器的进气口依次设置有控制阀Ⅴ和流量控制计Ⅲ，所述加热炉中设有热电偶，所述热电偶与温控系统相连。
优选地，步骤(2)中所述催化剂为Ni-Ce0.5Zr0.5O2-δ。
优选地，步骤(2)中所述还原温度为800℃，还原时间为2h。
优选地，步骤(3)中所述低浓度煤层气中甲烷含量为5～10％，氧气含量为15～25％。
优选地，步骤(3)中所述吸附剂为碳分子筛，平均孔径为0.5nm。
优选地，步骤(3)中，所述固定床催化反应装置的升温速率为10℃min-1，并升温至800℃。
进一步地，步骤(3)中，还包括向所述固定床催化反应加入额外的CO2气体，用于甲烷干重整反应，反应物尾气将有助于氧气的耗尽。
本发明利用变压吸附脱氧技术对低浓度煤层气进行预脱氧，将氧含量降低至安全范围值后，通过固定催化床催化重整反应，将低浓度煤层气内的氧气消耗殆尽，处理用的低浓度煤层气可用于内燃机发电及燃料电池发电领域，具有高效，安全及污染小的优点。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明中以低浓度煤层气为反应气，通过变压吸附技术结合固定床催化反应将氧气完全消耗，降低了后续低浓度瓦斯利用过程中的安全风险，减小了资源浪费与环境污染；
(2)本发明中通过再固定床催化反应过程中引入二氧化碳，促进甲烷与二氧化碳的干重整，转化为可间接利用的合成气，分离后可用于费托合成等反应。
附图说明
图1是本发明所提出的变压吸附结合固定床催化反应装置示意图；
图中：1、变压吸附脱氧装置；2、吸附剂；3、固定床催化反应装置；4、催化剂。
图2为变压吸附脱氧装置的连接示意图；
图中：5、储气罐；6、流量控制计Ⅰ；7、缓冲罐；8、压力计Ⅰ；9、控制阀Ⅰ；10、控制阀Ⅱ；11、吸附塔；12、压力计Ⅱ；13、控制阀Ⅲ；14、干燥器；15、流量控制计Ⅱ；16、气体检测器；17、控制阀Ⅳ；18、真空泵。
图3为固定床催化反应器装置的连接示意图；
图中：19、控制阀Ⅴ；20、流量控制计Ⅲ；21、反应器；22、加热炉；23、热电偶；24、温控系统。
图4为低浓度煤层气经过变压吸附前后的浓度变化结果；
图5为低浓度煤层气经固定床催化反应后气体中成分结果；
图6为不同二氧化碳添加量对低浓度煤层气催化反应结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
以5％甲烷含量及20％氧气含量的低浓度煤层气作为初始气体供给，涉及的脱氧过程包括以下步骤：
第一步，搭建变压吸附脱氧装置1，如图2所示，所述变压吸附脱氧装置1包括通过管路依次连接的储气罐5、缓冲罐7、吸附塔11、干燥器14和气体检测器16，所述储气罐5和缓冲罐7之间设有流量控制器Ⅰ6，所述干燥器14和气体检测器16之间设有流量控制器Ⅱ15，所述缓冲罐7的出气口依次连接压力计Ⅰ8和控制阀Ⅰ9后分为两路，一路通过控制阀Ⅱ10连接吸附塔11，另一路通过控制阀Ⅳ17连接真空泵18，所述吸附塔11的出口气与干燥器14之间也依次连接压力计Ⅱ12和控制阀Ⅲ13。
第二步，搭建固定床催化反应装置3，如图3所示，所述固定床催化反应装置3包括放置在加热炉22中的反应器21，反应器21的进气口依次设置有控制阀Ⅴ19和流量控制计Ⅲ20，所述加热炉22中设有热电偶23，所述热电偶23与温控系统24相连。
第三步，将气体检测器16与控制阀19用管路连接，即将变压吸附装置脱氧提浓后的瓦斯气体与固定床催化反应装置相连，如图1所示。
取125g商业碳分子筛吸附剂2置于长60cm、直径2cm的吸附塔11中。然后将配制好的低浓度煤层气通入储气罐5中，低浓度煤层气的总流量设定为100mLmin-1，通过控制气体压力，使缓冲罐7压力为120kPa；打开控制阀Ⅰ9、控制阀Ⅱ10、控制阀Ⅲ13，将缓冲罐7中气体通入吸附塔11中，通过控制压力计使系统真空维持在-0.1MPa，脱氧后的气体通过干燥器14通入气体检测器16中；在吸附1～2min后，关闭控制阀Ⅰ9、控制阀Ⅱ10、控制阀Ⅲ13，打开控制阀Ⅳ17，利用真空泵19将吸附在吸附剂2表面的N2和O2脱附。
取50g商业催化剂4(Ni-Ce0.5Zr0.5O2-δ)放置于长20cm、直径4cm的反应器21中，先将催化剂4在氢气气氛下800℃高温还原2h。通过加热炉22控制反应器21升温，升温速率为10℃min-1，升温至800℃，预脱氧后的低浓度煤层气在反应器中进行催化重整反应，用气相色谱分析尾气成分。
如图4所示为变压吸附预脱氧提浓过程结果图，经过变压吸附过程后，原始的5％的甲烷浓度提升至10％，而氧气含量也由20％降低至5％。
如图5所示为低浓度煤层气分别经过变压吸附预脱氧提浓和固定床催化反应装置后的气体结果，可以看出氧气的含量由5％进一步降低至2.1％。
实施例2
以5％甲烷含量及20％氧气含量的低浓度煤层气作为初始气体供给，所用的变压吸附脱氧装置和固定床催化反应装置同实施例1，不同的是：
在低浓度煤层气通入固定床催化反应装置的同时，再向固定床催化反应装置中通入不同浓度的二氧化碳(3.2％，5％，7.5％，10％)。
在固定床通入二氧化碳之后，甲烷与二氧化碳干重整反应产生大量的一氧化碳和氢气，促进与氧气的反应，从图4可以看出，氧气的含量由原来的2.1％迅速降低至0％，达到了完全除氧的效果。
本发明能将大量排空的低浓度煤层气经过变压吸附脱氧提浓以及固定床催化反应装置能够将氧气完全去除，减小了后续在利用和转化低浓度煤层气时的爆炸风险，有利于加速低浓度瓦斯利用行业的进程。
Claims (9)
1.一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，首先分别搭建变压吸附脱氧装置和固定床催化反应装置，再将变压吸附脱氧装置的出气口与固定床催化反应装置的入气口相连；
步骤(2)，将固定床催化反应装置中的催化剂预先还原；
步骤(3)，将配制好的低浓度煤层气通入变压吸附脱氧装置中，控制低浓度煤层气的流量为100mL/min～150mL/min，控制气体压力为120kPa，低浓度煤层气在吸附剂作用下预脱氧，随后通入固定床催化反应装置中，控制固定床催化反应装置逐渐升温，预脱氧的低浓度煤层气在催化剂作用下进行催化重整反应，即高效脱除氧气；吸附在吸附剂表面的氧气和氮气在减压作用下实现脱附，如此循环。
2.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，其特征在于，步骤(1)中所述变压吸附脱氧装置包括通过管路依次连接的储气罐、缓冲罐、吸附塔、干燥器和气体检测器，所述储气罐和缓冲罐之间设有流量控制器Ⅰ，所述干燥器和气体检测器之间设有流量控制器Ⅱ，所述缓冲罐的出气口依次连接压力计Ⅰ和控制阀Ⅰ后分为两路，一路通过控制阀Ⅱ连接吸附塔，另一路通过控制阀Ⅳ连接真空泵，所述吸附塔的出口气与干燥器之间也依次连接压力计Ⅱ和控制阀Ⅲ。
3.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(1)中所述固定床催化反应装置包括放置在加热炉中的反应器，反应器的进气口依次设置有控制阀Ⅴ和流量控制计Ⅲ，所述加热炉中设有热电偶，所述热电偶与温控系统相连。
4.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(2)中所述催化剂为Ni-Ce0.5Zr0.5O2-δ。
5.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(2)中所述还原温度为800℃，还原时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，其特征在于，步骤(3)中所述低浓度煤层气中甲烷含量为5～10％，氧气含量为15～25％。
7.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(3)中所述吸附剂为碳分子筛，平均孔径为0.5nm。
8.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(3)中，所述固定床催化反应装置的升温速率为10℃min-1，并升温至800℃。
9.根据权利要求1所述的一种高效脱除低浓度煤层气中氧气的方法，步骤(3)中，还包括向所述固定床催化反应加入额外的CO2气体。
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