气W采出一部分通过压缩机C3 增压后顺着进料方向（同时打开气动阀3b和5b或4b和6b)对吸附塔进行顺向冲洗，置换 尾气浓度组成和原料气相当，可循环至F位置与原料气混合。逆放步骤是通过将气动阀3c 或4c和阀门9打开，逆着吸附过程流动方向降低塔内气相组分分压使甲烷从吸附剂上解吸 出来，逆放的最终压力为常压。对于甲烷在活性炭上的吸附，仅仅依靠逆放到常压往往解吸 不够彻底，这时需要增加抽真空步骤（关闭阀门9,同时打开真空栗V)，进一步降低吸附塔 内甲烷的分压，使得甲烷深度解吸和吸附剂完全再生，解吸步骤的重组分甲烷气W通过阀 门10采出。为了维持吸附塔内的压力的稳定，在解吸步骤之后，需要对吸附塔进行复压，复 压包括两个阶段，即均压升和终升。均压升与均压降是耦合步骤，而终升步骤是通过回流一 部分塔顶轻组分而使得塔内压力迅速恢复到吸附压力，本发明通过旋转R和阀门7a或7b 用纯氮气对吸附塔进行终升压。终升步骤结束后吸附塔将经历下一个包含吸附、均压降、置 换、逆放、抽真空、均压升、终升等步骤的循环过程。吸附塔系统各个循环步骤中氧气和甲烷 的浓度是通过旋转阀R向吸附塔内适时通入氮气进行稀释惰化来进行调变的。惰化气氮气 的引入是通过设置在塔外壁的η个进料线来实现的，进料线的数量和位置分布是由仿真结 果所确定的爆炸位置的分布来设计的。对于塔顶输送系统产生的轻组分尾气如无特殊循环 回收要求，可进行排空处理，而对于塔底缓冲罐T中重组分甲烷产品气W可根据利用方式、 输送和存储以及后续分离要求用氮气进行惰化稀释到指定的安全限值。
[0044] 对于附图4所示的四塔含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷工艺流程，其具体的操 作方法以及实现方法基本和两塔工艺流程相同。相比双塔工艺，四塔工艺在装置流程上需 要两个旋转阀来实现氮气物料的引入，同时四塔工艺具有更大的处理量，且可实现连续进 料以及获得更高的甲烷纯度和回收率，从而具有更大的操作弹性。
[0045] 实施例1
[0046] 采用如图3所示双塔变压吸附工艺流程，吸附塔规格为高2m，内径0. lm，塔内 装填粒径为1mm的椰壳基活性炭选择性吸附甲烷，吸附压力0. 5MPa(绝压），抽真空压力 0.02MPa(绝压），忽略吸附热，等温操作（25°C)，可将净化后的低浓度含氧煤层气（组成为 25vol% CH4，10v〇1% 02,65vol% N2)浓缩为无氧或含有微量氧的较高品质的煤层气。具体 循环操作时序和试验结果如下表1和表2所示。
[0047] 表1双塔变压吸附脱氧浓缩甲烷工艺操作时序
[0049] AD-吸附，ED-均压降，RP-顺向置换，CoD-逆放，VU-抽真空，ER均压升，FR终升
[0050] 表2双塔变压吸附脱氧浓缩甲烷工艺试验结果
[0052] 实施例2
[0053] 采用如图4所示四塔变压吸附工艺流程，吸附塔规格为高2m，内径0. lm，塔内 装填粒径为1mm的椰壳基活性炭选择性吸附甲烷，吸附压力0. 5MPa(绝压），抽真空压力 0.02MPa(绝压），忽略吸附热，等温操作（25°C)，可将净化后的低浓度含氧煤层气（组成为 25vol% CH4，10v〇1% 02,65vol% N2)浓缩为无氧或含有微量氧的高品质煤层气。具体循环 操作时序和试验结果如下表3和表4所示。
[0054] 表3四塔变压吸附脱氧浓缩甲烷工艺操作时序
[0056] AD-吸附，ED-均压降，RP-顺向置换，CoD-逆放，VU-抽真空，ER均压升，FR终升
[0057] 表4四塔变压吸附脱氧浓缩甲烷工艺试验结果
[0059] 本发明公开和提出的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，本领域技术人 员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备 技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本
【发明内容】
、精神和 范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别 需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被 视为包括在本发明精神、范围和内容中。
【主权项】
1. 一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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。2. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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。3. 根据权利要求1或2所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征 是：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。4. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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。5. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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，并利用甲烷爆炸范围安全评价模型来确定模型内外点来实现的。6. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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。7. 根据权利要求1或4所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征 是：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。8. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：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。9. 根据权利要求1所述的一种含氧煤层气变压吸附脱氧浓缩甲烷方法，其特征是：甲 烷爆炸区域外的安全操作是通过控制全流程的氧气浓度始终低于临界含氧量来实现的。
【专利摘要】本发明涉及一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。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。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。全吸附流程主要包括吸附塔系统和由压缩机和真空泵组成的动力系统、阀门、管路、缓冲罐构成的辅助系统。采用本发明方法可同时实现煤层气中氧气的安全脱除和甲烷高效浓缩的目的。
【IPC分类】C07C9/04, B01D53/047, C07C7/12, C10L3/10
【公开号】CN104998516
【申请号】CN201510404258
【发明人】张东辉, 周言, 沈圆辉, 孙伟娜, 李冬冬, 阎海宇
【申请人】天津大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年7月10日