一種濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法
2023-11-05 16:40:27
專利名稱：一種濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法
技術領域：
本發明涉及氣體分離領域，特別是涉及煤層氣領域，尤其涉及一種濃縮分離除氧 煤層氣中甲烷的方法。
背景技術：
煤層氣是指儲存於煤層中的自生自儲式非常規天然氣，主要成分是CH4。其濃度變 化從20%-80%，目前利用的措施主要是發電或作為民用燃料，其餘則直接排空。國內天然 氣用量逐漸增加，缺口越來越大。若將煤層氣中甲烷加以利用作為補充或替代燃料，必須將 其濃度提高至90%以上。因甲烷是易燃易爆氣體，在分離過程前先將O2脫除排除其幹擾， 再進行分離濃縮，保證安全。除氧煤層氣主要含有CH4、CO2, CO、N2, H2和殘餘02。利用變壓吸附(簡稱為PSA) 方法(公開號為CN85103557A的中國專利申請)選擇適合吸附劑可以實現煤層氣中CH4的 濃縮分離。目前變壓吸附分離濃縮除氧煤層氣工藝因組分多，一次濃縮無法完全分離且CH4 提濃得效果不佳，而無法實現工業化的推廣也應用，同時一種合適的吸附劑能同時將多組 分氣體分離也是一大難點，眾多學者均在致力於該方面的研究。
發明內容
本發明的目的是提供一種濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法。本發明提供的濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法，包括如下步驟1)將氧氣體積百分含量不大於的原料煤層氣進行壓縮，得到壓縮後的煤層 氣；2)將所述壓縮後的煤層氣用碳分子篩進行吸附，得到吸附後的煤層氣；3)對所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行至少兩級的濃縮分離，得到濃縮分 離後的煤層氣，完成所述除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離。該方法的步驟1)中，所述氧氣體積百分含量不大於的煤層氣中，甲烷的體積 百分含量為20 80%，所述壓縮後的煤層氣的壓力為0. 3 1. 5MPa，優選0. 8-1. OMPa0該 煤層氣中，氧氣體積百分含量可為0。所述步驟2)中，所述碳分子篩的分離係數3. 5，所述碳分子篩的堆比重為 600 700g/L，優選656g/L，所述碳分子篩的型號為BM-I，該型號為BM-I的吸附劑均可從 公開商業途徑購買得到，如可購自煤炭科學研究總院煤化工分院，該碳分子篩的處理氣體 量可根據實際的氣體處理量進行選擇。所述吸附步驟中，時間為120 240秒，優選180秒； 溫度為5-35°C。該步驟是為了除去氣體中含有的塵、水和油，以達到淨化煤層氣的目的。在實際操作所述步驟3)時，可根據氣源濃度組成選擇相應的多級變壓吸附流程 進行組合。所述濃縮分離的級數優選為兩級或三級。如所述兩級的濃縮分離的步驟為先 將所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行脫碳處理，再進行脫氮和濃縮處理；其中，所述
4脫碳處理步驟中，吸附劑為所述步驟2)所用碳分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s， 優選180s，壓力為0. 3 1. 5MPa，優選0. SMPa ；所述脫氮處理步驟中，吸附劑為所述步驟 2)所用碳分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s，優選180s，壓力為0. 3 1. 5MPa，優 選0. 7-0. SMPa ；所述濃縮處理步驟為用吸附劑進行吸附；所述吸附劑為BM-1，吸附時間為 180s，吸附壓力為0. 5 0. 7MPa，溫度為5_35°C。該濃縮分離步驟是在常規四塔真空吸附 塔中進行。該步驟中排放的順減氣體(氣體壓力減至一定值使得氣體剛好達到穿透邊界時 的氣體)可返回原料氣以補充原料，提高產品回收率，排放的廢氣可根據情況放空或者返 回原料氣補充原料。所述三級的濃縮分離的步驟為先將所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行脫 碳處理，再分別進行脫氮和濃縮處理；其中，所述脫碳處理步驟中，吸附劑為步驟2)所用碳 分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s，優選180s，壓力為0. 3 1. 5MPa，優選0. 8MPa ； 所述脫氮處理步驟中，吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s， 優選180s，壓力為0. 3 1. 5MPa，優選0. 7-0. 8MPa ；所述濃縮處理步驟為用吸附劑進行吸 附；所述吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，吸附時間為180s，吸附壓力為0. 5 0. 7MPa,溫度 為5-35°C，該濃縮分離步驟是在常規四塔真空吸附塔中進行。該濃縮分離步驟是在常規四 塔真空吸附塔中進行。該步驟中排放的順減氣體可返回原料氣以補充原料，提高產品回收 率，排放的廢氣可根據情況放空或者返回原料氣補充原料。本發明提供的濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法，其工藝流程圖如圖1所示，該 方法以除氧後的煤層氣為原料，先進行壓縮和吸附淨化，再根據氣源濃度採用組合式多級 變壓吸附方法對煤層氣中的甲烷進行分離濃縮，從而使煤層氣中甲烷的濃度由原料氣中的 20-80%提高到80-90%。該方法只選用一種碳分子篩，即可達到濃縮CH4、脫碳和脫氮的目 的，濃縮分離效率顯著提高，在煤層氣的工業化推廣方面具有重要的意義和應用價值。
圖1為本發明提供的濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的工藝流程圖。圖2為本發明實施例1-3提供的濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的工藝流程圖。圖3為本發明實施例4提供的濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明做進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。下 述方法如無特別說明，均為常規方法。所述裝置或設備如無特別說明，均為常規裝置或設 備。所述含量如無特別說明，均為體積百分含量。其中，測定甲烷含量採用紅外分析方法測 量，甲烷的回收率按照如下公式進行計算甲烷回收率=(回收的甲烷量/原料氣中甲烷的量)X100%下述實施例步驟2)中所用碳分子篩均為按照下述方法製備而得將IOOg灰分 質量百分含量低於2%的無煙煤、質量百分濃度為40%的NaOH水溶液20g、45g糖蜜(工 業級)和6g水混合，捏合攪拌，壓條，所得壓條的直徑φ為1.8mm，然後在80°C條件下乾燥 12h，得到乾料條。將所述乾料條截為20mm長，在500°C下炭化45min，再用水蒸氣在850°C 下活化90min，用甲苯在750°C下調孔5min，得到所述碳分子篩。該碳分子篩的分離係數 ch4/n2 =3.5，堆比重為 656g/L。下述實施例中所用碳分子篩BM-I均購自煤炭科學研究總院煤化工分院。實施例1、對CH4含量為20-40%的除氧煤層氣進行濃縮分離該濃縮分離的工藝流程如圖2所示，其中，1為作為原料氣的除氧煤層氣，2為壓縮 步驟，3為吸附步驟，4為一級PSA脫碳步驟，5為二級PSA脫氮濃縮步驟，6為產品氣，7為 脫碳處理中產生的順減氣，8為脫碳處理中產生的廢氣，7為脫氮及濃縮處理中產生的順減 氣，10為脫氮及濃縮處理中產生的廢氣。該濃縮分離方法的具體步驟為1)將作為原料氣的除氧煤層氣1進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣，該壓縮後的煤 層氣的壓力為l.OMPa;其中，原料氣中，各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示=CH4 34. 24%, CO2 5. 55%, CO 8. 15%, H2 :1· 76%, N2 :50· 3%,甲烷的氣壓為 4 5kPa ；2)將步驟1)所得壓縮後的煤層氣用分離係數《CH4/n2 =3.5、堆比重為656g/L、處理 氣體量為2Nm3/h的碳分子篩(型號為BM-1)進行吸附，得到吸附後的煤層氣；其中，吸附溫 度為室溫，吸附時間為180秒；該步驟所用吸附裝置為型號為GC-I的四塔真空吸附塔；3)對步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行兩級分離濃縮，得到濃縮後的煤層氣，完 成除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離，得到產品氣。該步驟中，所用兩級PSA吸附塔為四塔真空吸附塔，吸附塔的內徑為125mm，脫碳 處理中所用吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度為20°C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 8MPa，脫氮及濃縮處理中所用吸附劑均為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度均為20°C， 吸附時間均為180s，吸附壓力均為0. 7MPa。該步驟中排放的順減氣返回原料氣中按照前述步驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分 離，脫碳處理中產生的廢氣放空，脫氮及濃縮處理中產生的廢氣返回原料氣中按照前述步 驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分離。利用紅外分析方法對產品氣中的甲烷含量進行測定，其中各組分名稱及體積百分 含量分別為=CH4 80. 2%,H2 :4.8%,N2 15%,甲烷回收率為90. 3%0實施例2、對CH4含量為40-60%的除氧煤層氣進行濃縮分離該濃縮分離的工藝流程如圖2所示。該濃縮分離方法的具體步驟為1)將作為原料氣的除氧煤層氣1進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣；其中，原料氣中各組分的名稱及體積百分含量分別為CH4:50%、C0:4%, H2 15%, N2 31%,甲烷的氣壓為4 5kPa，該壓縮後的煤層氣的壓力為1. OMPa ；2)將步驟1)所得壓縮後的煤層氣用分離係數《CH4/n2 =3.5、堆比重為656g/L、處理 氣體量為2Nm3/h的碳分子篩(型號為BM-1)進行吸附，得到吸附後的煤層氣；其中，吸附溫 度為室溫，吸附時間為180秒；該步驟所用吸附裝置為型號為GC-I的四塔真空吸附塔；3)對步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行兩級分離濃縮，得到濃縮後的煤層氣，完 成除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離，得到產品氣。該步驟中，所用兩級PSA吸附塔為四塔真空吸附塔，吸附塔的內徑為125mm，脫碳 處理中所用吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度為20°C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 8MPa，脫氮及濃縮處理中所用吸附劑均為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度均為20°C，吸附時間均為180s，吸附壓力均為0. 7MPa。該步驟中排放的順減氣返回原料氣中按照前述步驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分 離，脫碳處理中產生的廢氣放空，脫氮及濃縮處理中產生的廢氣返回原料氣中按照前述步 驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分離。利用紅外分析方法對產品氣中的甲烷含量進行測定，其中各組分名稱及體積百分 含量分別為=CH4 90. 8%, H2 -J. 7%, N2 1. 5%,甲烷回收率為83. 4%0實施例3、對CH4含量為60-80%的除氧煤層氣進行濃縮分離該濃縮分離的工藝流程如圖2所示。該濃縮分離方法的具體步驟為1)將作為原料氣的除氧煤層氣1進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣；其中，原料氣中各組分的名稱及體積百分含量分別為CH4 :70%, H2 :3.6%,N2 26.4%,甲烷的氣壓為4 5kPa，該壓縮後的煤層氣的壓力為1. OMPa ；2)將步驟1)所得壓縮後的煤層氣用分離係數《bv^=3.5、堆比重為656g/L、處理 氣體量為2Nm3/h的碳分子篩(型號為BM-1)進行吸附，得到吸附後的煤層氣；其中，吸附溫 度為室溫，吸附時間為180秒；該步驟所用吸附裝置為型號為GC-I的四塔真空吸附塔；3)對步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行兩級分離濃縮，得到濃縮後的煤層氣，完 成除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離，得到產品氣。該步驟中，所用兩級PSA吸附塔為四塔真空吸附塔，吸附塔的內徑為125mm，脫碳 處理中所用吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度為20°C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 8MPa，脫氮及濃縮處理中所用吸附劑均為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度均為20°C， 吸附時間均為180s，吸附壓力均為0. 7MPa。該步驟中排放的順減氣返回原料氣中按照前述步驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分 離，脫碳處理中產生的廢氣放空，脫氮及濃縮處理中產生的廢氣返回原料氣中按照前述步 驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分離。利用紅外分析方法對產品氣中的甲烷含量進行測定，其中各組分的名稱及體積百 分含量分別為=CH4 90. 8%,H2 7. 7%,N2 1. 5%,甲烷回收率為89. 2%0實施例4、對CH4含量為20-40%的除氧煤層氣進行濃縮分離該濃縮分離的工藝流程如圖3所示，其中，1為作為原料氣的除氧煤層氣，2為壓縮 步驟，3為吸附步驟，4為一級PSA脫碳步驟，5為二級PSA脫氮濃縮步驟，6為三級PSA分離 濃縮步驟，7為產品氣，8為脫碳處理中產生的順減氣，9為脫碳處理中產生的廢氣，10、12分 別為脫氮及濃縮處理中產生的順減氣，11為脫氮及濃縮處理中產生的廢氣。該濃縮分離方法的具體步驟為1)將作為原料氣的除氧煤層氣1進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣；其中，原料氣中，各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示=CH4 34. 24%, CO2 5. 55%, CO 8. 15%, H2 :1· 76%, N2 :50· 3% ；甲烷的氣壓為4 5kPa，該壓縮後的煤層氣的 壓力為1. OMPa ；2)將步驟1)所得壓縮後的煤層氣用分離係數aCH4/N2 =3.5、堆比重為656g/L、處理 氣體量為2Nm3/h的碳分子篩(型號為BM-1)進行吸附，得到吸附後的煤層氣；其中，吸附溫 度為室溫，吸附時間為180秒；該步驟所用吸附裝置為型號為GC-I的四塔真空吸附塔；3)對步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行三級分離濃縮，得到濃縮後的煤層氣，完成除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離，得到產品氣。該步驟中，所用三級PSA吸附塔為四塔真空吸附塔，吸附塔的內徑為125mm，脫碳 處理中所用吸附劑為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度為20°C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 8MPa，脫氮及濃縮處理中所用吸附劑均為步驟2)所用碳分子篩，吸附溫度均為20°C， 吸附時間均為180s，吸附壓力均為0. 7MPa。該步驟中排放的順減氣返回原料氣中按照前述步驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分 離，脫碳處理中產生的廢氣放空，脫氮及濃縮處理中產生的廢氣返回原料氣中按照前述步 驟1)-步驟3)繼續進行濃縮分離。利用紅外分析方法對產品氣中的甲烷含量進行測定，其中各組分的名稱及體積百 分含量分別如下所示=CH4 90. 8%,H2 :7.7%,N2 1.5%,甲烷回收率為90%。
權利要求
一種濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法，包括如下步驟1)將氧氣體積百分含量不大於1％的煤層氣進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣；2)將所述壓縮後的煤層氣用碳分子篩進行吸附，得到吸附後的煤層氣；3)對所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行至少兩級的濃縮分離，得到濃縮分離後的煤層氣，完成所述除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述步驟1)中，所述氧氣體積百分含量 不大於的煤層氣中，甲烷的體積百分含量為20 80%，所述壓縮後的煤層氣的壓力為 0. 3 1. 5MPa,優選 0. 8-1. OMPa0
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述步驟2)中，所述碳分子篩的分 離係數《0!4/&為3. 5，所述碳分子篩的堆比重為600 700g/L，優選656g/L。
4.根據權利要求1-3任一所述的方法，其特徵在於所述步驟2)吸附步驟中，時間為 120 240秒，優選180秒，溫度為5-35°C。
5.根據權利要求1-4任一所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，所述濃縮分離為 兩級或三級。
6.根據權利要求1-5任一所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，所述兩級的濃縮 分離的步驟為先將所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行脫碳處理，再進行脫氮和濃縮 處理；其中，所述脫碳處理步驟中，吸附劑為所述碳分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s，壓力為 0. 3 1. 5MPa ；所述脫氮處理步驟中，吸附劑為BM-1，溫度為5-35°C，時間為120 240s，壓力為 0. 3 1. 5MPa ；所述濃縮處理步驟為用吸附劑進行吸附；所述吸附劑為所述碳分子篩，吸附時間為 180s，吸附壓力為0. 5 0. 7MPa，溫度為5-350C0
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，所述兩級的濃縮分離的 所述脫碳處理步驟中，時間為180s，壓力為0. SMPa ；所述脫氮處理步驟中，時間為180s，壓力為0. 7-0. 8MPa。
8.根據權利要求1-7任一所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，所述三級的濃縮 分離的步驟為先將所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行脫碳處理，再分別進行脫氮和 濃縮處理；其中，所述脫碳處理步驟中，吸附劑為所述碳分子篩，溫度為5-35°C，時間為120 240s，壓力為 0. 3 1. 5MPa ；所述脫氮處理步驟中，吸附劑為BM-1，溫度為5-35 °C，時間為120 240s，壓力為 0. 3 1. 5MPa ；所述濃縮處理步驟為用吸附劑進行吸附；吸附劑為所述碳分子篩，吸附時間為180s， 吸附壓力為0. 5 0. 7MPa，溫度為5-35°C。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於所述步驟3)中，所述三級的濃縮分離的 所述脫碳處理步驟中，時間為180s，壓力為0. SMPa ；所述脫氮處理步驟中，時間為180s，壓力為0. 7-0. 8MPa。
10.根據權利要求1-9任一所述的方法，其特徵在於所述步驟1)中，所述氧氣體積百 分含量不大於的煤層氣中，氧氣的體積百分含量為0。
全文摘要
本發明公開了一種濃縮分離除氧煤層氣中甲烷的方法。該方法包括如下步驟1)將氧氣體積百分含量不大於1％的原料煤層氣進行壓縮，得到壓縮後的煤層氣；2)將所述壓縮後的煤層氣用碳分子篩進行吸附，得到吸附後的煤層氣；3)利用變壓吸附裝置對所述步驟2)得到的吸附後的煤層氣進行至少兩級的濃縮分離，得到濃縮後的煤層氣，完成所述除氧煤層氣中甲烷的濃縮分離。該方法可使煤層氣中甲烷的濃度由原料氣中的20-80％提高到80-90％。該方法只選用一種碳分子篩，即可達到濃縮CH4、脫碳和脫氮的目的，濃縮分離效率顯著提高，在煤層氣的工業化推廣方面具有重要的意義和應用價值。
文檔編號B01D53/04GK101955825SQ201010256278
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年8月18日
發明者劉春蘭, 國暉, 張科達, 李小亮, 李雪飛, 董衛果 申請人:煤炭科學研究總院