一種低濃度瓦斯氣中甲烷的濃縮分離方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低濃度瓦斯氣中甲烷的濃縮分離方法。該濃縮分離方法包括如下步驟：(1)低濃度瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，進(jìn)行一級變壓吸附分離；(2)經(jīng)步驟(1)處理的瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，依次進(jìn)行二級變壓吸附脫氧處理和三級變壓吸附脫氮濃縮處理，即實(shí)現(xiàn)對所述低濃度瓦斯氣中甲烷的濃縮分離。本發(fā)明將瓦斯氣中甲烷的濃度由原料氣中的5～20％提高至80～90％。本發(fā)明濃縮分離方法選用兩種碳分子篩(BM-1型碳分子篩和BM-2型碳分子篩)，即可達(dá)到脫氧、脫氮和濃縮分離CH4的目的，濃縮分離效率顯著提高，甲烷回收率高達(dá)85％～90％，在瓦斯氣濃縮分離工業(yè)化推廣方面具有重要的意義和應(yīng)用價值。
【專利說明】-種低濃度瓦斯氣中甲燒的濃縮分離方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離方法，屬于氣體分離領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 瓦斯是在煤的生成和煤的變質(zhì)過程中伴生的氣體，主要成分是甲焼，對空氣的相 對密度是0. 554,滲透能力是空氣的1. 6倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 下瓦斯爆炸界限為5%?16% (甲焼濃度），隨著壓力、溫度的升高，瓦斯爆炸范圍將增大。 瓦斯氣根據(jù)抽采方式可分為地面抽采和井下抽采，地面抽采的瓦斯氣中C&濃度可達(dá)80% W上，而井下抽采瓦斯氣由于抽采過程中滲入大量空氣，C&濃度變化從20%?80%，還有 相當(dāng)一部分直接排放的氣體C&濃度<20%。目前針對該一濃度范圍的瓦斯氣由于工藝安 全性方面問題，利用的措施主要是發(fā)電，其余則直接排空，浪費(fèi)了大量的能量來源，造成了 大量的溫室氣體的排放。國內(nèi)天然氣用量逐漸增加，缺口越來越大。若將該部分瓦斯氣中 甲焼加W利用作為補(bǔ)充或替代燃料，首先應(yīng)將其中的化脫除，再將其濃度提高至90% W上。
[0003] 目前變壓吸附分離濃縮瓦斯氣大都是先將瓦斯氣中的氧氣去除再進(jìn)行濃縮分離， 針對的原料氣C&濃度都是在20% W上的瓦斯氣，在爆炸限范圍的超低濃度瓦斯氣由于受 到安全性問題的影響目前并沒有大規(guī)模利用，而直接變壓吸附濃縮分離低濃度瓦斯氣的工 藝也并未有成功報導(dǎo)，一次濃縮無法完全分離且C&提濃的效果不佳，無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的推 廣應(yīng)用，同時開發(fā)用于多組分氣體分離的合適的吸附劑也是一大難點(diǎn)，眾多學(xué)者均在致力 于該方面的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離方法，本發(fā)明方法能夠 將甲焼由瓦斯氣中的體積百分含量5%?20%提濃至80?90%。
[0005] 本發(fā)明所提供的低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離方法，包括如下步驟：
[0006] (1)低濃度瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，進(jìn)行一級變壓吸附分離；
[0007] (2)經(jīng)步驟（1)處理的瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，依次進(jìn)行二級變壓吸附脫氧 處理和H級變壓吸附脫氮濃縮處理，即實(shí)現(xiàn)對所述低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離。
[0008] 所述的濃縮分離方法中，所述低濃度瓦斯氣中，甲焼的體積百分含量可為5? 20%，具體可為 5 ?10%、10 ?20%、9. 07 ?14. 5%、9. 07%或 14. 5%。
[0009] 所述的濃縮分離方法中，步驟（1)和步驟（2)中，經(jīng)所述壓縮后的瓦斯氣的壓力可 為 0. 05 ?1. OMPa，具體可為 0. 2 ?0. 7MPa、0. 2MPa 或 0. 7MPa〇
[0010] 所述的濃縮分離方法中，步驟（1)和步驟（2)中，所述凈化步驟通過依次連接的過 濾器、冷干機(jī)和活性炭罐進(jìn)行，用于除去氣體中含有的塵、水和油；
[0011] 所述活性炭罐內(nèi)裝填的活性炭的堆比重可為400?500g/l，如500g/L。
[0012] 所述的濃縮分離方法中，步驟（1)中，所述一級變壓吸附分離所采用的吸附劑為 BM-2型碳分子篩，購自煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司；
[0013] 所述碳分子篩的分離系數(shù)a〇vN2為3. 5,堆比重可為650?700g/L。
[0014] 所述的濃縮分離方法中，所述一級變壓吸附分離的溫度可為5?35C，如25C，時 間可為120?240s，如180s，壓力可為0. 05?0. 5MPa，如0. 2MPa ;
[0015] 經(jīng)所述一級變壓吸附分離后，所述瓦斯氣中甲焼的體積百分含量為20?50%，女口 30 ?45%、30. 56%或 43. 6%。
[0016] 所述的濃縮分離方法中的所述一級變壓吸附分離在常規(guī)六培真空吸附培中進(jìn)行； 所排放的廢氣可根據(jù)情況放空或者返回原料氣補(bǔ)充原料，W提高產(chǎn)品回收率。
[0017] 所述的濃縮分離方法中，步驟（2)中，所述二級變壓吸附脫氧處理和所述H級變 壓吸附脫氮濃縮處理所采用的吸附劑均為BM-1型碳分子篩，購自煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有 限公司；
[001引所述BM-1型碳分子篩的分離系數(shù)g0vn:為3. 5,堆比重為650?700g/L。
[0019] 所述的濃縮分離方法中，所述二級變壓吸附脫氧處理的溫度可為5?35C，女口 25°C，時間可為120?240s，如180s，壓力可為0. 2?1. OMPa，如0. 6MPa，
[0020] 所述H級變壓吸附脫氮濃縮處理的溫度可為5?35C，如25C，時間可為120? 240s，如 210s，壓力可為 0. 2 ?1. OMPa，如 0. 5MPa〇
[0021] 所述的濃縮分離方法中，所述二級變壓吸附脫氧處理與所述H級變壓吸附脫氮濃 縮處理均在常規(guī)六培真空吸附培中進(jìn)行；所排放的廢氣可根據(jù)情況放空或者返回原料氣補(bǔ) 充原料，W提高產(chǎn)品回收率。
[0022] 本發(fā)明低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離方法，流程圖如圖1所示，W超低濃度瓦 斯氣（甲焼的體積百分含量為5%?20% )為原料，先進(jìn)行壓縮和凈化，再根據(jù)氣源濃度采 用組合式多級變壓吸附方法對瓦斯氣中的甲焼進(jìn)行分離濃縮，從而使瓦斯氣中甲焼的濃度 由原料氣中的5?20%提高至80?90%。本發(fā)明濃縮分離方法選用兩種碳分子篩炬M-1 型碳分子篩和BM-2型碳分子篩），即可達(dá)到脫氧、脫氮和濃縮分離C&的目的，濃縮分離效 率顯著提高，甲焼回收率高達(dá)85%?90%，在瓦斯氣濃縮分離工業(yè)化推廣方面具有重要的 意義和應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明低濃度瓦斯氣中甲焼的濃縮分離方法的工藝流程圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1和2中從低濃度瓦斯氣中濃縮分離甲焼的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。
[0026] 下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0027] 下述實(shí)施例中所述裝置或設(shè)備如無特別說明，均為常規(guī)裝置或設(shè)備。
[0028] 下述實(shí)施例中所述含量如無特別說明，均為體積百分含量。
[0029] 下述實(shí)施例中，測定甲焼含量采用紅外分析方法測量，甲焼的回收率（指的是經(jīng) 過變壓吸附濃縮分離后得到產(chǎn)品中純甲焼的量占濃縮原料氣中純甲焼的量）按照如下公 式進(jìn)行計算：
[0030] 甲焼回收率=(回收的甲焼量/原料氣中甲焼的量）X 100%
[0031] 下述實(shí)施例中所用BM-1型和BM-2型碳分子篩均購自煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公 司，BM-1型碳分子篩的理化參數(shù)如下：吸附劑直徑（mm)為1.8?2. 1，吸附劑粒度（目）為 4?12,吸附劑抗壓強(qiáng)度（N/顆粒）> 100,吸附劑堆積重（g/cc)為0. 65?0. 7,分離系數(shù) > 3. 5 ;BM-2型碳分子篩的理化參數(shù)如下：吸附劑直徑（mm)為1. 8?2. 1，吸附劑粒度（目） 為4?12,吸附劑抗壓強(qiáng)度（N/顆粒）> 100,吸附劑堆積重（g/cc)為0. 60?0. 68,分離 系數(shù)> 3. 0。
[0032] 實(shí)施例1、對C&含量為5?10%的超低濃度的瓦斯氣進(jìn)行濃縮分離
[0033] 本實(shí)施例濃縮分離的工藝流程如圖2所示，其中，1為作為原料氣的超低濃度瓦斯 氣，2為壓縮步驟，3為凈化步驟，4為一級PSA (變壓吸附）提濃步驟，5為一級提濃處理中 產(chǎn)生的廢氣，6為壓縮步驟，7為凈化步驟，8為二級PSA (變壓吸附）脫氧步驟，9為二級脫 氧處理中產(chǎn)生的廢氣，10為H級PSA(變壓吸附）脫氮濃縮步驟，11為產(chǎn)品氣，12為脫氮濃 縮處理中產(chǎn)生的廢氣。
[0034] 具體過程如下：
[0035] 1)將作為原料氣的超低濃度瓦斯氣1進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的瓦斯氣，該壓縮后 的瓦斯氣的壓力為0. 2MPa ;
[0036] 其中，原料氣各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示；邸4;9. 07 %、〇2: 19. 09%、馬；71. 84%,甲焼的氣壓為3?化化；
[0037] 2)將步驟1)所得壓縮后的瓦斯氣經(jīng)過濾器除塵，冷干機(jī)除水，最后經(jīng)活性炭罐除 油，得到凈化后的瓦斯氣；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重為500g/L ;
[0038] 3)對步驟2)得到的凈化后的瓦斯氣進(jìn)行一級PSA提濃，得到濃縮后的一級濃縮瓦 斯氣；
[0039] 該步驟中，所用一級PSA吸附培為六培真空吸附培，吸附培的內(nèi)徑為542mm，所用 吸附劑碳分子篩為BM-2,吸附溫度為25C，吸附時間為180s，吸附壓力為0. 2MPa，該步驟中 提濃處理產(chǎn)生的廢氣放空；
[0040] 4)將一級PSA濃縮瓦斯氣4進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的一級濃縮瓦斯氣，該壓縮后的 一級濃縮瓦斯氣的壓力為0. 7MPa ;
[0041] 其中，一級濃縮瓦斯氣各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示；邸4: 30. 56%、〇2 ;12. 28%、馬；57. 16%,甲焼的氣壓為 0. 1 ?0. 2MPa ;
[0042] 5)將步驟4)所得壓縮后的一級濃縮瓦斯氣經(jīng)過濾器除塵，冷干機(jī)除水，最后經(jīng)活 性炭罐除油，得到凈化后的瓦斯氣；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重為500g/L ;
[0043] 6)對步驟5)得到的凈化后的瓦斯氣進(jìn)行兩級脫氧、脫氮和濃縮分離，得到濃縮后 的瓦斯氣，完成超低濃度瓦斯氣脫氧、脫氮和濃縮分離，得到產(chǎn)品氣。
[0044] 該步驟中，所用兩級PSA吸附培為六培真空吸附培，吸附培的內(nèi)徑為542mm，二級 PSA脫氧處理中所用吸附劑碳分子篩為BM-1，吸附溫度為25C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 6MPa。H級PSA脫氮濃縮處理中所用吸附劑碳分子篩為BM-1，吸附溫度為25C，吸附 時間為210s，吸附壓力為0. 5MPa〇
[0045] 該步驟中脫氧處理中產(chǎn)生的廢氣放空，脫氮濃縮處理中產(chǎn)生的廢氣返回一級濃縮 瓦斯氣中按照前述步驟4)-步驟6)繼續(xù)進(jìn)行濃縮分離。
[0046] 利用紅外分析方法對產(chǎn)品氣中的甲焼含量進(jìn)行測定，其中各組分名稱及體積百分 含量分別為；邸4 ;89%、02 ;0. 3%、馬；10. 7%，甲焼回收率為85. 0%。
[0047] 實(shí)施例2、對C&含量為10?20%的超低濃度瓦斯氣進(jìn)行濃縮分離
[0048] 本實(shí)施例濃縮分離的工藝流程如圖2所示，其中，1為作為原料氣的超低濃度瓦斯 氣，2為壓縮步驟，3為凈化步驟，4為一級PSA提濃步驟，5為一級提濃處理中產(chǎn)生的廢氣，6 為壓縮步驟，7為凈化步驟，8為二級PSA脫氧步驟，9為二級脫氧處理中產(chǎn)生的廢氣，10為 H級PSA脫氮濃縮步驟，11為產(chǎn)品氣，12為脫氮濃縮處理中產(chǎn)生的廢氣。
[004引具體過程如下：
[0050] 1)將作為原料氣的超低濃度瓦斯氣1進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的瓦斯氣，該壓縮后 的瓦斯氣的壓力為0. 2MPa ;
[0051] 其中，原料氣各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示；邸4;14. 5%、〇2: 17. 96%、馬；67. 54%,甲焼的氣壓為3?化化；
[0052] 2)將步驟1)所得壓縮后的瓦斯氣經(jīng)過濾器除塵，冷干機(jī)除水，最后經(jīng)活性炭罐除 油，得到凈化后的瓦斯氣；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重為500g/L ;
[0053] 3)對步驟2)得到的凈化后的瓦斯氣進(jìn)行一級PSA濃縮分離，得到濃縮后的一級濃 縮瓦斯氣；
[0054] 該步驟中，所用一級PSA吸附培為六培真空吸附培，吸附培的內(nèi)徑為542mm，所用 吸附劑碳分子篩為BM-2,吸附溫度為25C，吸附時間為180s，吸附壓力為0. 2MPa，該步驟中 提濃處理產(chǎn)生的廢氣放空；
[00巧]4)將一級濃縮瓦斯氣4進(jìn)行壓縮，得到壓縮后的一級濃縮瓦斯氣，該壓縮后的一 級濃縮瓦斯氣的壓力為0. 7MPa ;
[0056] 其中，一級濃縮瓦斯氣各組分的名稱及體積百分含量分別如下所示；C& ;43. 6%、 〇2 ;10. 55%、馬；45. 85%,甲焼的氣壓為 0. 1 ?0. 2MPa ;
[0057] 5)將步驟4)所得壓縮后的一級濃縮瓦斯氣經(jīng)過濾器除塵，冷干機(jī)除水，最后經(jīng)活 性炭罐除油，得到凈化后的瓦斯氣；其中，活性炭罐中的活性炭堆比重為500g/L ;
[0058] 6)對步驟5)得到的凈化后的瓦斯氣進(jìn)行兩級脫氧、脫氮和濃縮分離，得到濃縮后 的瓦斯氣，完成超低濃度瓦斯氣脫氧、脫氮和濃縮分離，得到產(chǎn)品氣。
[0059] 該步驟中，所用兩級PSA吸附培為六培真空吸附培，吸附培的內(nèi)徑為542mm，二級 PSA脫氧處理中所用吸附劑碳分子篩為BM-1，吸附溫度為25C，吸附時間為180s，吸附壓力 為0. 6MPa。H級PSA脫氮濃縮處理中所用吸附劑碳分子篩為BM-1，吸附溫度為25C，吸附 時間為210s，吸附壓力為0. 5MPa〇
[0060] 該步驟中脫氧處理中產(chǎn)生的廢氣放空，脫氮濃縮處理中產(chǎn)生的廢氣返回一級濃縮 瓦斯氣中按照前述步驟4)-步驟6)繼續(xù)進(jìn)行濃縮分離。
[0061] 利用紅外分析方法對產(chǎn)品氣中的甲焼含量進(jìn)行測定，其中各組分名稱及體積百分 含量分別為；邸4 ;91. 2%、〇2 ;0. 3%、馬；8. 57%，甲焼回收率為90. 0%。
【權(quán)利要求】
1. 一種低濃度瓦斯氣中甲烷的濃縮分離方法，包括如下步驟： (1) 低濃度瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，進(jìn)行一級變壓吸附分離； (2) 經(jīng)步驟（1)處理的瓦斯氣依次經(jīng)壓縮和凈化后，依次進(jìn)行二級變壓吸附脫氧處理 和三級變壓吸附脫氮濃縮處理，即實(shí)現(xiàn)對所述低濃度瓦斯氣中甲烷的濃縮分離。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濃縮分離方法，其特征在于：所述低濃度瓦斯氣中，甲烷的體 積百分含量為5?20%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濃縮分離方法，其特征在于：步驟⑴和步驟⑵中，經(jīng) 所述壓縮后的瓦斯氣的壓力為〇· 05?I.OMPa。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的濃縮分離方法，其特征在于：步驟（1)和步驟（2) 中，所述凈化步驟通過依次連接的過濾器、冷干機(jī)和活性炭罐進(jìn)行； 所述活性炭罐內(nèi)裝填的活性炭的堆比重為400?500g/L。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的濃縮分離方法，其特征在于：步驟（1)中，所述一 級變壓吸附分離所采用的吸附劑為BM-2型碳分子篩； 所述碳分子篩的分離系數(shù)a^VN2為3. 5,堆比重為650?700g/L。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的濃縮分離方法，其特征在于：所述一級變壓吸附分離的溫度 為5?35°C，時間為120?240s，壓力為0· 05?0· 5MPa; 經(jīng)所述一級變壓吸附分離后，所述瓦斯氣中甲烷的體積百分含量為20?50%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的濃縮分離方法，其特征在于：步驟（2)中，所述二 級變壓吸附脫氧處理和所述三級變壓吸附脫氮濃縮處理所采用的吸附劑均為BM-I型碳分 子篩； 所述BM-I型碳分子篩的分離系數(shù)七叫/?為3. 5,堆比重為650?700g/L。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的濃縮分離方法，其特征在于：所述二級變壓吸附脫氧處理的 溫度為5?35°C，時間為120?240s，壓力為0· 2?I.OMPa， 所述三級變壓吸附脫氮濃縮處理的溫度為5?35°C，時間為120?240s，壓力為0. 2? I.OMPa0 9. BM-I型碳分子篩和/或BM-2型碳分子篩在濃縮分離低濃度瓦斯氣中甲烷中的應(yīng)用。
【文檔編號】B01D46/00GK104436993SQ201410709040
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】董衛(wèi)果, 李雪飛, 郭昊乾, 劉暢, 車永芳, 張進(jìn)華, 李小亮, 韓璐, 李蘭廷 申請人:煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司