專利名稱：一種利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工領(lǐng)域中的氣體分離領(lǐng)域，具體為一種利用變壓吸附(PSA)法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法。
背景技術(shù)：
礦井區(qū)煤層氣(CMM)是含甲烷的氣體，通常甲烷含量30% 45%。但是，還是有大量的甲烷含量低于30%的煤層氣。一般可直接作為民用燃料和發(fā)電，若要作為化工應(yīng)用或壓縮天然氣(CNG)，必須把甲烷濃度提高到90%以上。由于民用燃料使用量有限，不少煤層氣未能得到很好的利用。不但造成大量資源浪費(fèi)，還造成環(huán)境污染，加重了溫室效應(yīng)。西南化工研究設(shè)計(jì)院發(fā)明了“用變壓吸附法富集礦井區(qū)瓦斯氣中甲烷”的技術(shù)(專利號(hào)CN 85103557 185103557B),該方法工藝簡單，維護(hù)費(fèi)用較低。但該方法的實(shí)施存在安全隱患，壓縮過程中要穿過甲烷的爆炸極限。同樣在吸附過程中，隨著甲烷被吸附也要穿過甲烷的爆炸極限5% 15%，因此至今未建立工業(yè)化裝置。燃燒爆炸不僅需要可燃?xì)夂脱鯕獾拇嬖?，還需要一個(gè)重要條件:可燃?xì)馀c氧氣適當(dāng)?shù)谋壤?。最大允許氧含量是指當(dāng)給以足夠的點(diǎn)燃能量使某一濃度的可燃?xì)怏w或液體蒸汽剛好不發(fā)生爆炸的臨界最高氧濃度，即爆炸與不爆炸的臨界點(diǎn)(萬成略，汪莉，“可燃性氣體含氧量安全限值的探討”;中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，9 (1)3)。若氧含量高于此濃度，便會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。換句話說，氧含量低于此濃度便不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸(張?jiān)隽?，蔡康旭；“可燃?xì)怏w(液體蒸汽)的爆炸極限與最大允許含氧量的對比研究”；中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，12(15))。因此在煤層氣中加入一定量的惰性氣體，以減少其氧濃度，使其氧濃度控制在最大允許氧含量之下，即控制在爆炸范圍之外。本發(fā)明是在煤層氣中加入氮?dú)?，控制煤層氣中的氧濃度，使其在壓縮過程和吸附過程中，氧濃度均小于最大允許氧含量。根據(jù)“化肥安全技術(shù)手冊”(原化學(xué)工業(yè)部化肥司主持，吳徑化學(xué)聯(lián)合公司，南京化學(xué)工業(yè)公司編，1983年第一版)圖1.1 一12,氫、一氧化碳、甲烷和氮、二氧化碳混合氣的爆炸極限(空氣中)提供的CH4 — N2系統(tǒng)爆炸范圍，其臨界點(diǎn)為氧含量12.3%?？刂艭MM中氧含量在12%以下，其氧含量小于最大允許氧含量，即在爆炸范圍之外。實(shí)際上，根據(jù)甲烷不同濃度的煤層氣可選擇不同的加氮量，一般以8% 12%氧濃度為宜。這樣大大提高了裝置的安全性。而制取氮?dú)饪衫米儔何教釢饧淄檠b置的未吸附氣作為氣源，配置一個(gè)變壓吸附制氮裝置即可得到。本專利技術(shù)與已有技術(shù)相比是提高了裝置運(yùn)行的安全性，使變壓吸附技術(shù)分離提純煤層氣中甲烷得以實(shí)施。而氮?dú)庠霞礊槠湮次綒?，省去加壓過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是基于以上技術(shù)問題，提供安全性高的利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，該方法中原始煤層氣中甲燒所占的體積百分含量僅為30% 45%,然后向煤層氣中加入一定量的氮?dú)?使煤層氣中氧含量保持在12%以下，然后加壓到0.4 MPa 0.7MPa (G)，再采用變壓吸附的方法，脫除煤層氣中的氮?dú)夂脱鯕?。用抽真空方法從吸附相得到產(chǎn)品氣。產(chǎn)品氣中甲烷所占的體積百分含量為90% 95%。加入煤層氣中的氮?dú)?，是利用變壓吸附提濃甲烷裝置中未吸附的氣體作為氣源，采用變壓吸附法制取得到的氮?dú)?。兩級變壓吸附裝置提濃甲烷，第一級使甲烷的體 積百分含量提濃到40% 50%，然后進(jìn)入第二級變壓吸附裝置，第二級使甲烷的體積百分含量提濃到90% 95%。煤層氣經(jīng)初步壓縮后，與來自變壓吸附制氮?dú)?PSA —N2)裝置中得到的氮?dú)饣旌?，使其氧的百分含量降低?2%以下，然后進(jìn)一步加壓到0.4 MPa 0.7 MPa，進(jìn)入變壓吸附裝置。在吸附劑的吸附分離作用下，從吸附相抽空得到含甲烷90%以上的產(chǎn)品氣。(PSA為 pressure swing adsorption)
本申請中的技術(shù)方案還可以為:
首先將煤層氣先經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮到0.15 MPa 0.18MPa，然后與氮?dú)饣旌?。混合后的氣體進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，壓縮到0.5 MPa 0.55 MPa，然后進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置-(PSA-CH4 I )，排出未吸附氣，進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA —N2),輸出純氮?dú)?。另一部分?jīng)真空泵抽空得到初步濃縮的 甲烷氣，送入富甲烷氣柜。富甲烷氣與置換氣混合，由管線9進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到0.65 MPa 0.7 MPa，由管線10進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置二(PSA—CH4II)。未吸附氣與順放氣被排出，吸附氣進(jìn)入真空泵抽空，然后由管線分為兩股，一股作為甲烷產(chǎn)品氣輸出，另一股進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，由管道送入變壓吸附裝置作為置換氣，從變壓吸附裝置中排出。在變壓吸附的任一周期內(nèi)，每個(gè)吸附塔都要經(jīng)歷吸附，均壓，順向減壓，置換，逆向減壓，抽真空，一次充壓，二次充壓等步驟。關(guān)于變壓吸附法的工藝流程及多塔操作步驟在專利CN 85103557B中已作了充分的介紹。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
本專利技術(shù)與已有技術(shù)相比是提高了整套裝置運(yùn)行的安全性，使變壓吸附技術(shù)分離提純煤層氣中甲烷得以實(shí)施。而取氮?dú)饪衫米儔何教釢饧淄檠b置的未吸附氣作為氣源，配置一個(gè)變壓吸附制氮裝置即可得到，省去加壓過程。


圖1為本申請中實(shí)施例1中的變壓吸附提濃CMM中甲烷工藝流程示意 圖2為本申請中實(shí)施例2中的變壓吸附提濃CMM中甲烷工藝流程示意 圖3為本申請中實(shí)施例3中的變壓吸附提濃CMM中甲烷工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，給出的實(shí)施例并不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。實(shí)施例1:
煤層氣組成(vol%):CH4 45.00, O2 11.55, N2 43.45，氣量IOOONm3。工藝流程示意圖見圖1。煤層氣由管線I進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮到0.18 MPa 0.2 MPa，由管線2輸出，并與來自管線13的430 Nm3氮?dú)饣旌??；旌虾蟮臍怏w組成為:CH4 31.5%，O2 8.2%，N2 60.3%，經(jīng)管線3進(jìn)一步壓縮到0.65 MPa 0.7 MPa，由管線4輸出，并與來自管線11的經(jīng)壓縮到0.65MPa 0.7 MPa的置換氣混合，經(jīng)管線5進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置(PSA — CH4),未吸附氣由管線12進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA —N2)，得到純度99.5%的氮?dú)?，由管線13輸出。順放氣由管線14排出。吸附氣由管線6進(jìn)入真空泵抽空。抽空氣由管線7排出，一部分作為產(chǎn)品氣由管線8輸出，另一部分作為置換氣由管線9進(jìn)入壓縮機(jī)再加壓，由管線10送入變壓吸附裝置置換已完成順放步驟的吸附塔吸附劑空間的氣體，由管線11經(jīng)壓縮到0.65MPa 0.7 MPa進(jìn)行回收。該實(shí)施例可得含甲烷95%的產(chǎn)品氣436 Nm3。實(shí)施例2
煤層氣組成(vol%):CH4 30.0，O2 14.7，N2 55.3，氣量lOOONm3。工藝流程示意圖見圖
2。煤層氣由管線I進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮到0.15 MPa 0.18MPa，由管線2輸出，并與來自管線19的548 Nm3氮?dú)饣旌稀；旌虾蟮臍怏w組成為:CH4 14.9%, O2 9.7%，N2 70.9%，經(jīng)管線3進(jìn)一步壓縮到0.5 MPa 0.55 MPa，由管線4進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置一(PSA — CH4 I )，由管線18排出未吸附氣，進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA — N2),由管線19輸出純度99.5%的氮?dú)狻ｍ樂艢庥晒芫€5排出。由管線6經(jīng)真空泵抽空得到初步濃縮的甲烷氣，其甲烷含量為47.1%，由管線7送入富甲烷氣柜。 富甲烷氣經(jīng)管線8與來自管線15的置換氣混合，由管線9進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到0.65 MPa 0.7 MPa，由管線10進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置二(PSA — CH4II)。未吸附氣與順放氣由管線16排出，吸附氣由管線11進(jìn)入真空泵抽空，由管線12分為兩股，一股作為產(chǎn)品氣由管線17輸出，另一股由管線13進(jìn)入壓縮機(jī)加壓，由管線14送入變壓吸附裝置作為置換氣，由管線15從變壓吸附裝置中排出。該實(shí)施例可得含甲烷95%的產(chǎn)品氣 300 Nm3。實(shí)施例3:
煤層氣組成(vol%):CH4 25，O2 15.8，N2 59.2，氣量lOOONm3。工藝流程示意圖見圖
3。煤層氣經(jīng)管線I與來自管線8的591Nm3氮?dú)饣旌?。混合后的氣體組成為=CH4 15.7%，O2 10.1%，，N2 74.2%，由管線2進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)兩段壓縮到0.4 MPa 0.5 MPa,由管線4進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置一(PSA -CH4 I),未吸附氣由管線7進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA —N2),得到純度99.5%的氮?dú)猓晒芫€8輸出。順放氣由管線9排出。吸附氣由管線5進(jìn)入真空泵抽空，得到含甲烷42.2%的富甲烷氣580.2 Nm3由管線6排出。該富甲烷氣(見工藝流程示意圖2中管線8以后部分)與來自管線15的置換氣混合，由管線9進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到0.65 MPa 0.7 MPa，由管線10進(jìn)入變壓吸附制甲烷裝置二(PSA — CH4 II)。未吸附氣與順放氣由管線16排出，吸附氣由管線11進(jìn)入真空泵抽空，由管線12分為兩股，一股作為產(chǎn)品氣由管線17輸出，另一股由管線13進(jìn)入壓縮機(jī)加壓，由管線14送入變壓吸附裝置作為置換氣，由管線15從變壓吸附裝置中排出。該實(shí)施例可得含甲烷90%的產(chǎn)品氣258Nm30
權(quán)利要求
1.一種利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:在煤層氣中加入一定量的氮?dú)?，以體積百分含量計(jì)，使煤層氣中氧含量保持在12%以下，然后加壓到0.4 MPa 0.7MPa，再采用變壓吸附的方法，脫除煤層氣中的氮?dú)夂脱鯕?，用抽真空方法從吸附相得到產(chǎn)品氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:所述的煤層氣中甲烷所占的體積百分含量為30% 45%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:所述的加入煤層氣中的氮?dú)猓抢米儔何教釢饧淄檠b置中未吸附的氣體作為氣源，采用變壓吸附法制取氮?dú)狻?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:所述的產(chǎn)品氣中甲烷所占的體積百分含量為90% 95%，采用兩級變壓吸附裝置提濃甲烷，第一級是甲烷所占的體積百分含量提濃到40% 50%，然后進(jìn)入第二級加壓裝置，第二級使甲烷所占的體積體積百分含量提弄到90% 95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法分離提純礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:采用該方法可使 在煤層氣中體積百分含量僅為20% 30%的甲烷進(jìn)行提濃，先將甲烷含量提高到30%以上，再加壓進(jìn)入第二級變壓吸附裝置，提濃到甲烷的體積百分含量至90%以上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種安全地利用變壓吸附法(PSA)分離提濃礦井區(qū)煤層氣(CMM)中甲烷的方法。該分離提濃礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法為先在煤層氣中加入一部分氮?dú)猓姑簩託庵醒鹾靠刂圃?2%以下。在吸附過程中氧含量始終保持小于爆炸最大允許氧含量。該方法所需氮?dú)鈩t利用變壓吸附吸附提濃甲烷裝置未吸附氣作為氣源，亦采用變壓吸附法制氮。采用該方法可使含甲烷20%～45%的CMM得到純度90%～95%的甲烷氣。
文檔編號(hào)C10L3/10GK103205297SQ201310128860
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者古共偉, 陶鵬萬, 石江, 鄭珩, 馬磊, 陳耀壯 申請人:西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司