專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(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法濃縮低濃度礦井區(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。這部分煤層氣，特別是甲烷含量在爆炸范圍內(nèi)的氣體，由于安全原因不能利用，只有排放大氣。由于甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的20倍以上，大量排放這部分氣體，不但污染了環(huán)境，加重了溫室效應(yīng)，還造成了資源浪費(fèi)。西南化工研究設(shè)計(jì)院發(fā)明了“變壓吸附法富集煤礦瓦斯氣中甲烷”的技術(shù)(專(zhuān)利號(hào)CN 85103557B)，該方法工藝簡(jiǎn)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(guò)程中要穿過(guò)甲烷的爆炸極限。同樣在吸附過(guò)程中，隨著甲烷被吸附也要穿過(guò)甲烷的爆炸極限5% 15%，因此至今未建立工業(yè)化裝置?！霸诳扇?xì)怏w中加入惰性氣體，則對(duì)爆炸極限產(chǎn)生較大影響；表現(xiàn)為爆炸范圍縮小，下限上升，上限下降”(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(duì)比研究”；中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，12 (15))。對(duì)于甲烷含量為8% 20%的煤層氣，本發(fā)明是在煤層氣中加入一定量的氮?dú)?，使其混合后的甲烷含量控制在爆炸極限下限以下。在采用變壓吸附技術(shù)時(shí)無(wú)論是壓縮，還是吸附過(guò)程，始終處于爆炸極限下限以下，也就是說(shuō)在爆炸極限之外。因而可以安全地利用變壓吸附技術(shù)將其甲烷濃縮到含量30%以上，這樣可得到利用。根據(jù)“化肥安全技術(shù)手冊(cè)”(原化學(xué)工業(yè)部化肥司主持，吳涇化學(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)爆炸極限圖，當(dāng)加入的氮?dú)饬颗c甲烷量之比(即惰性氣體量/可燃?xì)怏w量)分別為1，2，3時(shí)，則爆炸下限由5%提高到10%，15%，20%,大大提高了爆炸下限。根據(jù)不同的加入氮量使整個(gè)操作氣體中甲烷含量均小于爆炸極限下限，即在爆炸范圍之外，大大提高了裝置的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是基于以上技術(shù)問(wèn)題，提供一種安全性高、控制煤層氣中甲烷濃度在爆炸極限下限以下，使變壓吸附裝置吸附過(guò)程一直在爆炸極限下限以下操作，具有較好的環(huán)境效益及一定的經(jīng)濟(jì)效益，能將較低濃度的煤層氣中甲烷含量提高到30%以上。本發(fā)明的技術(shù)方案為: 一種利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，首先，煤層氣中甲烷的體積百分含量?jī)H為8% 20%,然后向煤層氣中加入一定量的氮?dú)?使煤層氣中甲燒含量降低到爆炸極限下限以下，然后加壓到0.4 MPa 0.5 MPa(G)，再采用變壓吸附的方法，使氣體進(jìn)入變壓吸附甲烷裝置，脫除煤層氣中的氮?dú)夂脱鯕猓贸檎婵辗椒◤奈较嗟玫襟w積百分含量為30%以上富甲烷氣。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５獨(dú)獾募尤肓繛槊簩託庵兴淄轶w積含量的2倍至3倍。將煤層氣與來(lái)自PSA —N2裝置得到的氮?dú)饣旌?，使混合氣中的甲烷含量降低到爆炸極限下限以下，加壓到0.4 MPa 0.5 MPa壓力，進(jìn)入變壓吸附(PSA)甲烷裝置。在PSA — CH4裝置中未吸附氣送入PSA — N2裝置制取氮?dú)?。變壓吸附甲烷裝置順?lè)艢夥趴眨樂(lè)藕笪剿M(jìn)行抽真空，得到甲烷含量大于30%的富甲烷氣。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，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(zhuān)利CN85103557B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(zhuān)利技術(shù)與已有技術(shù)相比是保證了裝置運(yùn)行的安全性，使采用變壓吸附技術(shù)分離提純煤層氣中甲烷得以實(shí)施。而氮?dú)庠峡刹捎米儔何教釢饧淄檠b置未吸附氣，省去加壓步驟。本專(zhuān)利以10億 Nm3/a含16%甲烷的煤層氣計(jì)，回收的甲烷量相當(dāng)于減排二氧化碳240萬(wàn)t/a，具有較好的環(huán)境效益。



圖1為本申請(qǐng)中實(shí)施例1中的變壓吸附提濃CMM中甲烷工藝流程示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)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(shuō)明書(shū)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(guò)程的步驟或任何新的組合。實(shí)施例1:
煤層氣組成(vol%):CH4 20，O2 16.8, N2 63.2，氣量為IOOONm3。工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。煤層氣經(jīng)管線I與來(lái)自管線8的500 Nm3氮?dú)饣旌?。混合后的氣體組成(vol%)為=CH4
13.3% O2 11.4%, ,N2 75.3%，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)入變壓吸附裝置(PSA —CH4),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)?，由管線8輸出。順?lè)艢庥晒芫€9排出。吸附氣由管線5進(jìn)入真空泵抽空，得到的富甲烷氣由管線6排出。該實(shí)施例，氮?dú)饬颗c甲烷氣量的體積比為2.5，查得其爆炸極限下限為17.5%?；旌蠚庵械募淄樗嫉捏w積百分含量為13.3%，小于其爆炸極限下限。該實(shí)施例可得含甲烷體積百分含量為36.3%的富甲烷氣548 Nm3。實(shí)施例2:
煤層氣組成(vol%):CH4 16，O2 17.6,N2 66.4，氣量lOOONm3。工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。煤層氣經(jīng)管線I與來(lái)自管線8的400 Nm3氮?dú)饣旌稀；旌虾蟮臍怏w組成(vol%)為=CH4 11.4%O2 12.7%, ,N2 75.9%，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(PSA — CH4),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?lè)艢庥晒芫€9排出。吸附氣由管線5進(jìn)入真空泵抽空，得到的富甲烷氣由管線6排出。該實(shí)施例，氮?dú)饬?甲烷氣量(N2/CH4)為2.5，查得其爆炸極限下限為17.5%?；旌蠚庵械募淄榈捏w積百分含量為11.4%，小于其爆炸極限下限。該實(shí)施例可得含甲烷的體積百分含量為33.6%的富甲烷氣467 Nm3。實(shí)施例3:
煤層氣組成(vol%):CH4 12，O2 18.5，N2 79.5，氣量lOOONm3。工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。煤層氣經(jīng)管線I與來(lái)自管線8的360 Nm3氮?dú)饣旌稀；旌虾蟮臍怏w組成(vol%)為:CH4 8.8%O2 13.7%, ,N2 77.5%，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(PSA — CH4),未吸附氣由管線7進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA —N2),得到純度為99.5%的氮?dú)猓晒芫€8輸出。順?lè)艢庥晒芫€9排出。吸附氣由管線5進(jìn)入真空泵抽空，得到的富甲烷氣由管線6排出。該實(shí)施例，氮?dú)饬?甲烷氣量(N2/CH4)為3，查得其爆炸極限下限為20%。混合氣中的甲烷的體積百分含量為8.8%，小于其爆炸極限下限。該實(shí)施例可得含甲烷體積百分含量為31.5%的富甲烷氣362 Nm3。實(shí)施例4:
煤層氣組成(vol%):CH4 8,02 19.3,N2 72.7，氣量lOOONm3。工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。煤層氣經(jīng)管線I與來(lái)自管線8的160 Nm3氮?dú)饣旌?。混合后的氣體組成(vol%)為=CH4 6.9%O2 16.7%, ,N2 76.4%，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( PSA — CH4),未吸附氣由管線7進(jìn)入變壓吸附制氮裝置(PSA —N2),得到純度為99.5%的氮?dú)猓晒芫€8輸出。順?lè)艢庥晒芫€9排出。吸附氣由管線5進(jìn)入真空泵抽空，得到的富甲烷氣由管線6排出。該實(shí)施例，氮?dú)饬?甲烷氣量(N2/CH4)為2，查得其爆炸極限下限為15.0%?；旌蠚庵械募淄轶w積百分含量為6.9%，小于其爆炸極限下限。該實(shí)施例可得含甲烷體積百分含量為30.8%的富甲烷氣234 Nm3。
權(quán)利要求
1.一種利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:在煤層氣中通入一定量的氮?dú)?，使煤層氣中甲烷含量降低到爆炸極限下限以下，然后加壓到0.4MPa 0.5 MPa，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?0%以上的富甲烷氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(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8% 20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法，其特征在于:氮?dú)獾募尤肓繛槊簩託庵兴淄轶w積含量的2倍至3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用變壓吸附法濃縮低濃度礦井區(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)?，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 氮?dú)狻?br> 全文摘要
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法濃縮低濃度礦井區(qū)煤層氣中甲烷的方法。該方法為在煤層氣中加入一定量的氮?dú)?，控制其甲烷濃度在爆炸極限下限以下，使變壓吸附裝置吸附過(guò)程一直在爆炸極限下限以下操作。該方法所需氮?dú)鈩t利用提濃甲烷的變壓吸附裝置未吸附氣作為氣源，采用變壓吸附法制氮。采用該方法可使8%～20%甲烷含量的煤層氣，將甲烷含量提高到30%以上。具有較好的環(huán)境效益及一定的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B01D53/047GK103212273SQ20131012855
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者陶鵬萬(wàn), 古共偉, 石江, 鄭珩, 陳耀壯, 馬磊 申請(qǐng)人:西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司