一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变压吸附分离和富集气体的方法，尤其是涉及一种含氧煤层气变 压吸附安全浓缩甲烷的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，煤层气作为一种非常规天然气，其标方（Nm3)纯气热值与0. 80kg汽油或 1.21kg标准煤（35454KJ)相当，等价于每标方天然气热值（34860KJ)，燃烧后洁净而无废 气，是一种优质清洁能源和原料而广泛用于工业、化工、发电以及居民生活燃料。煤层气的 利用方式大致可按照抽采方式来分类：地面钻井开采煤层气甲烷含量大于95vol %，可并 入天然气管网加压输送或作为液化天然气罐车运输以及作为压缩天然气槽车储运；矿区井 下抽采多为中等品质的30~70vol% CH4，出于安全考虑，开采过程中混入大量空气而成为 低浓度含氧煤层气，其甲烧浓度小于30vol %，一般在25vol %左右，这部分煤层气很难回 收利用，主要原因是由于其中含有相当量（5~lOvol%)的氧气，而甲烷在空气中常温常压 下的爆炸极限为5~15vol%，并且这个范围受温度和压力的影响较大，因此很难进行管网 加压输送，只能就地部分作为居民燃料，大部分作为废气排掉，从而造成极大的能源浪费和 环境污染；乏风瓦斯由于其甲烷浓度小于lvol%，大部分排空，只有小部分可做辅助燃料 使用。因此，可输送煤层气资源具有广泛的市场需求，而开发安全、经济、高效的分离工艺是 升级低品位煤层气资源的技术要求。
[0003] 低品位煤层气升级工艺可采用低温精馏法。西南化工研究设计院公开了一种煤层 气低温分离提浓甲烷工艺（专利号CN 1718680A)，相对于含甲烷45%以上的煤层气原料 气，塔釜可得到95% -99% CH4，甲烷回收率介于95% -99%之间，虽然该工艺实现了甲烷 的有效回收，但并未涉及分离过程中的安全性问题。中国科学院理化技术研究所公开了含 氧煤层气低温精馏提纯分离甲烷的方法（专利号CN 101531559 A、CN 101531560 A和CN 101531561 A)，分别描述了原料气预粗脱氧、控制最低尾气出口温度以及添加不可燃气体 三种低温精馏含氧煤层气脱氧工艺手段，为含氧煤层气低温精馏分离安全低成本运行提供 了可行的技术方案，但对于全流程的甲烷爆炸区域的判别以及抑爆方案并未做具体阐述或 提供具体的实施例。虽然低温精馏工艺可以同时得到低温高压的液态高纯度和高回收率的 甲烷，但工业化装置复杂，需在低温高压下进行，后期的运输与储存条件不易掌控，能耗大， 经济成本高，一般只适用于大型煤矿系统，而对于中小型并不适用。
[0004] US. Pat. No. 8221524B2公开了一种含氧甲烷混合气膜分离工艺，可同时脱除0)2和 O2，可将原料气中40vol% 0)2和lvol% O2分别脱除至1￥〇1%和5000??]\1左右，且可根据燃 料管网输送要求，耦合变压吸附工艺将O2浓度降低到1000PPM以下，该工艺虽提高了后续 分离的操作安全，但对于脱氧工艺系统的安全性问题并未提及。膜分离技术与低温精馏工 艺相比，具有能耗低，投资少，工艺简单，无污染等优点，但随着〇2脱除程度的要求提高，甲 烷的损失程度也加大，也很难建立煤层气膜分离溶解扩散模型进行安全性考察。同时膜选 择渗透性差和寿命低是制约膜分离工艺在含氧煤层气升级领域有效推广的关键因素。
[0005] CN 101613627 A描述了一种含氧煤层气催化脱氧工艺，通过在蜂窝陶瓷载体上负 载铂族贵金属Pd、Pt、Ru、Rh、Ir作为催化剂，并鼓入氢气预热催化剂床层到起燃温度，煤 层气甲烷产品气以一定循环比返回到反应器进口，可将1~15vol% 02脱除至2000PPM以 下。催化脱氧技术与低温精馏和膜分离相比具有脱氧程度高的优点，可实现深度脱氧，有利 于后续甲烷的深度分离，但煤层气催化燃烧会消耗一部分甲烷和产生许多新的杂质气体， 一般为甲烷裂解气，同时催化剂耐高温稳定性也影响着脱氧的效果。因此，该技术只有在煤 层气中氧气浓度小于3vol%才具有经济价值。
[0006] CN 103212273A公开了一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方 法，该方法采用多级变压吸附可同时制取甲烷和氮气，可使含8vol%~20vol%甲烷煤层 气提浓到甲烷含量为30vol %以上，改工艺虽提及需要控制甲烷浓度低于爆炸下限，但并未 涉及到如何判别和控制甲烷浓度方法以及具体的实施例。也有专利CN 103205297A提到控 制吸附过程含氧量始终保持小于爆炸最大允许含氧量来实现煤层气甲烷的浓缩，但也并见 安全分离方案的具体描述和实施例。对于大型矿井区煤层气要实现重组分甲烷的回收，需 要采用多塔多步骤真空变压吸附（VPSA)耦合工艺，CN 85103557A公开了一种变压吸附法 富集煤矿瓦斯气中甲烷工艺，描述了多塔变压吸附系统分离含氧煤层气，虽然可实现低浓 度含氧煤层气中甲烷的高度浓缩和有效回收，但该工艺仅给出了两塔到四塔的具体实施例 和试验结果，对于工艺流程中是否存在甲烷爆炸区域以及〇2和〇14的浓度分布和操作温度 和压力分布对爆炸区域的影响并未提及，同时如何使变压吸附工艺流程具有安全的操作弹 性也并未给出一个可行的技术方案。变压吸附分离煤层气方法相对于大规模的低温精馏工 艺和小规模膜分离技术，在中等规模煤层气分离领域具有潜在的经济优势和安全的操作弹 性。
【发明内容】
[0007] 鉴于目前含氧煤层气分离工艺因氧气等杂质的存在而使得附加脱氧工艺成本增 加以及甲烷提浓效果不佳的缺点，本发明的目的是设计一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩 甲烷工艺，通过建立全流程甲烷爆炸范围安全判别模型，确定全流程爆炸位置分布，以及针 对爆炸位置设计安全抑爆工艺，使之能克服现有含氧煤层气分离工艺安全性差的缺点，可 同时实现氧气的安全脱除和甲烷高效富集。
[0008] 具体技术方案如下：
[0009] -种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，通过甲烷爆炸范围安全评价模型确 定全吸附工艺流程潜在的爆炸区域以及爆炸点位置分布，并利用氮气惰化稀释的方法使吸 附工艺始终在甲烷爆炸区域外进行操作。
[0010] 所述甲烷爆炸范围安全评价模型是根据甲烷、氧气和氮气在全浓度范围内所形成 的可燃区域模型和不可燃区域模型构建的。
[0011] 所述可燃区域模型是由甲烷在氧气中的爆炸上限点和爆炸下限点、甲烷在纯氧中 的爆炸上限点和爆炸下限点以及临界爆炸点构成的多边形模型区域。
[0012] 所述甲烷爆炸区域是通过利用安全评价模型判断所研究位置点是否处于模型内 点来实现的。
[0013] 所述吸附流程爆炸点的位置分布是通过变压吸附流程仿真软件Aspen Adsorption进行同等工况流程模拟，并利用甲烧爆炸范围安全评价模型来确定模型内外点 来实现的。
[0014] 所述全吸附流程主要包括吸附塔系统和由压缩机和真空栗组成的动力系统、阀 门、管路、缓冲罐构成的辅助系统。
[0015] 所述吸附塔系统为填充活性炭的固定床吸附系统，辅助系统的作用是气体的输送 和储放。
[0016] 所述氮气惰化稀释过程是通过利用旋转阀对不同爆炸位置点氮气物料的实时切 换来实现的。
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