一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺的制作方法

专利名称：一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤矿区煤层气利用技术领域，尤其是一种煤矿区煤层气的催化 脱氧工艺。
背景技术：
我国煤层气资源丰富，预测资源量约为31万亿m3,是世界煤层气第三储 量国，在煤炭开采中，每年要向大气中排放大量的煤层气，污染了大气环境。
煤矿区煤层气是富含曱烷的气体，是一种清洁燃料。随着世界能源的紧张 趋势及环境问题的突出，对煤层气的利用也愈加重视。目前，我国煤层气大量 是井下抽取的，主要保证安全生产。其排放得到的煤层气(C画)曱烷含量不 高，仅30% - 60% (体积百分数)，且随开采环境的变化而发生波动。
对于大量中等曱烷含量(30% - 60%)的煤层气，通常可以作民用燃料、 公用事业用气和发电。由于民用有限，发电效率较低，所以抽出的煤层气大都 排入大气，既浪费了资源，又污染了环境。
为了扩大此类煤层气的其它用途，需要提高曱烷浓度，无论是变压吸附法， 还是低温分离浓缩，由于煤层气中氧的浓度高，在浓缩之前必须脱除氧，以排 除爆炸危险。而脱氧工艺流程的配置方法是脱氧工艺的关键之一。
采用催化脱氧是一种有效的脱氧方法。其主要反应式为 CH4 + 202 = C02 + 2H20
该反应是强放热反应，温升大。据推算含5oy。曱烷以下的煤层气，每脱除 ly。氧温升85。c以上，视煤层气中氧含量而定，氧含量愈高温升愈大。如含ioy。
氧的煤层气一次通过反应，温度将高达100(TC以上，使曱烷大量裂解，造成曱
烷损失。

发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，利用该工艺使脱氧
反应器出口气体温度控制在66(TC以下，同时使循环压缩功耗大大降低。为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下
一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，采用多级反应器(即脱氧反应器)进行
多级催化脱氧反应，控制每一级反应器的入口气体温度及入口气体中02含量， 使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均《660°C。
优选的方案，可控制每一级反应器的入口气体中02含量《3. 5%;可选用的 控制方法如下
(1) 第一级反应器的入口气体控制
釆用部分已经脱氧并冷却后的气体(产品气)作为返回气加入到原料煤矿 区煤层气中，稀释至其中02含量<3. 5%;
(2) 其它各级反应器(第一级反应器除外)的入口气体控制 将原料煤矿区煤层气加入到前一级催化脱氧反应并冷却后的气体(即从前
一级反应器出口出来的气体)中，加入原料煤矿区煤层气的量以使加入后其中 02含量《3. 5%为宜。
进一步优选的，可将前一级催化脱氧反应后的气体(由于在反应器中发生 催化脱氧反应，反应后气体温升大)用水冷却并产生蒸汽(蒸汽压力可达3. 4 MPa以上),依靠控制冷却后的气体温度使其与原料煤矿区煤层气混合后的温度 达到脱氧催化剂起始温度330°C ± l(TC,再进入相应级的反应器中进行催化脱 氧反应。
上述催化脱氧反应工艺中釆用的多级反应器，可优选为2-4级。 各级反应器中，用于催化脱氧反应的催化剂可选用各种常用的煤层气脱氧 催化剂，如各种锰系脱氧催化剂等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是目前尚无专用的煤层气脱氧工业 装置，通过本发明的脱氧工艺，与采用单个反应器相比，可使作为返回气用于 稀释原料煤层气中02含量的产品气量大大降低，从而降低了能耗；同时能有效 的控制脱氧反应器出口的气体温度在温度为660。C以下，可减少曱烷裂解，降 低曱烷损失量。


图1是本发明实施例1煤矿区煤层气的2级催化脱氧反应工艺流程示意图；图2是本发明实施例2煤矿区煤层气的3级催化脱氧反应工艺流程示意图； 图3是本发明实施例3煤矿区煤层气的4级催化脱氧反应工艺流程示意图。 图1-3中，Rl-R4为第一级至第四级反应器，Bl-B4是蒸汽锅炉，El和E2 是换热器，P是压缩机，0为原料煤层气，1-21为不同段的管线。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。 但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。 对比例1
本例为实施例1 - 3的对比例
原料煤层气组成(voiy。，均为干基，下同)为CH4 5 0， 0210. 5, N2 39.5 。 气量为30000NmVh,脱氧反应采用一个反应器，进反应器氧浓度为3.5%,则循 环比为2 (循环比是指用来稀释煤层气中氧的产品气与需脱氧的煤层气总量之 比)，即稀释气量为60000Nm7h，进脱氧反应器的压力为0. 6MPa，温度330。C。 出反应器温度630。C, 02<0.1°/。，经换热冷却分离水后压力为0. 45 MPa。
稀释气从压力0.45 MPa压缩到0.6 MPa，压缩功耗914 kWh。
实施例1
本实施例煤矿区煤层气的催化脱氧反应工艺如图l所示，采用2级反应器 进行2级催化脱氧反应
煤矿区煤层气(原料煤层气)组成为(vol%): CH4 50, O210.5， N2 39.5 。 气量为30000 Nm7h,温度120。C，压力0,6 MPa。
原料煤层气分为两部分(分别为12000 Nm7h和18000 Nm7h)分别进入第 一级和第二级反应器
原料煤层气总量的40%即12000 Nm3/h (原料煤层气0)进入管线1,与来 自管线13的24000 Nm7h (温度422°C )返回气混合，混合后气体中02含量为 3.5%，温度330。C，通过管线3进入第一级反应器R1中，在催化剂作用下，进 行第一级催化脱氧反应；反应后的气体从第一级反应器Rl出口进入管线4，出 口处气体温度为630°C,其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉Bl中用水冷却并产 生蒸汽，控制冷却后的气体温度为422°C,进入管线5;
5原料煤层气总量的另60%即18000 Nm7h通过管线2加入到管线5中，与 第一级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为3. 5%，温度330。C， 通过管线6进入第二级反应器R2中，在催化剂作用下，进行第二级催化脱氧 反应；反应后的气体从第二级反应器R2出口进入管线7，出口处气体温度631 °C,其中02< 0. 1%;
第二级催化脱氧反应后的气体通过管线7进入换热器El、再通过管线8 进入蒸汽锅炉B2、然后通过管线9进入换热器E2冷却，再分离水(图中未标 出水分离器，下同)，分离水后的气体压力0. 45Mpa,进入管线10,得到50850 NniVh脱氧气(即为产品气)，将其中26850 NmVh作为产品气输出,另24000 Nm7h 进入管线ll作为返回气，经压缩机P增压至0. 6 MPa,再通过管线12进入换 热器El加热，然后通过管线13进入管线1与原料煤层气0混合，再通过管线 3进入第一脱氧反应器Rl (即可按照上述工艺流程连续运行，实现持续生产)。
本实施例中，作为返回气的24000 Nm7h脱氧气由压力0.45 MPa压缩到 0.6 MPa,压缩功耗4叉366 kWh。
实施例2
本实施例煤矿区煤层气的催化脱氧反应工艺如图2所示，采用3级反应器 进行3级催化脱氧反应
煤矿区煤层气(原料煤层气)组成为(vol%): CH4 50， O210.5, N2 39.5。 气量为30000 Nm7h,温度120。C，压力0.6 MPa。
原料煤层气分为三部分(分别为7500 Nm7h 、 10500 Nm7h和12000 Nm7h ) 分别进入第一级、第二级和第三级反应器
第一部分的7500 NmVh原料煤层气0进入管线1,与来自管线17的15000 Nm3/h (温度422°C )返回气混合，混合后气体中02含量为3. 5%,温度33CTC, 通过管线4进入第一级反应器Rl中，在催化剂作用下，进行第一级催化脱氧 反应；反应后的气体从第一级反应器Rl出口进入管线5，出口处气体温度为 629°C,其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉Bl中用水冷却并产生蒸汽，控制冷 却后的气体温度为416°C,进入管线6;
第二部分的10500 NmVh原料煤层气0通过管线2加入到管线6中，与第 一级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后02为3. 35%,温度33(TC，通过管线7进入第二级反应器R2中，在催化剂作用下，进行第二级催化脱氧反 应；反应后的气体从第二级反应器R2出口进入管线8 ，出口处气体温度619 。C, 其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉B2中用水冷却并产生蒸汽，控制冷却后的 气体温度为398°C,进入管线9;
第三部分的12000 Nm7h原料煤层气0通过管线3加入到管线9中，与第 二级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为2. 8%,温度330。C，通 过管线10进入第三级反应器R3中，在催化剂作用下，进行第三级催化脱氧反 应；反应后的气体从第三级反应器R3出口进入管线11，出口处气体温度573 。C，其中02< 0. 1%;
第三级催化脱氧反应后的气体通过管线11进入换热器El、再通过管线12 进入蒸汽锅炉B3、然后通过管线13进入换热器E2冷却，再分离水，分离水后 的气体压力0. 45Mpa，进入管线14，得到41850 Nm7h脱氧气(即为产品气)， 将其中26850 NmVh作为产品气输出，另15000 Nm7h进入管线15作为返回气， 经压缩机P增压至Q. 6 MPa,再通过管线16进入换热器El加热，然后通过管 线17进入管线1与原料煤层气0混合，再通过管线4进入第一脱氧反应器Rl (即可按照上述工艺流程连续运行，实现持续生产)。
本实施例中，作为返回气的15000 Nra7h由压力0. 45 MPa压缩到0. 6MPa, 压缩功耗J又229 kWh。
实施例3
本实施例煤矿区煤层气的催化脱氧反应工艺如图3所示，采用4级反应器 进行4级催化脱氧反应
煤矿区煤层气(原料煤层气)组成为(vol%): CH4 5 0, O210.5, N2 39.5。 气量为30000 Nm3/h，温度120。C，压力0.6 MPa。
原料煤层气分为四部分(分别为4500 NmVh 、 6000 Nm7h、 9000 Nm7h 和10500 NmVh)分别进入第一级、第二级、第三级和第四级反应器
第一部分的4500 NmVh原料煤层气O进入管线1,与来自管线21的9000 Nm7h (温度421。C )返回气混合，混合后气体中02含量为3. 5%,温度330°C, 通过管线5进入第一级反应器Rl中，在催化剂作用下，进行第一级催化脱氧 反应；反应后的气体从第一级反应器Rl出口进入管线6，出口处气体温度为630°C,其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉Bl中用水冷却并产生蒸汽，控制冷 却后的气体温度为412°C,进入管线7;
第二部分的6000 Nm7h原料煤层气0通过管线2加入到管线7中，与第一 级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为3.23%,温度330°C，通 过管线8进入第二级反应器R2中，在催化剂作用下，进行第二级催化脱氧反 应；反应后的气体从第二级反应器R2出口进入管线9，出口处气体温度610°C, 其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉B2中用水冷却并产生蒸汽，控制冷却后的 气体温度为415°C,进入管线10;
第三部分的9000 Nni7h原料煤层气0通过管线3加入到管线10中，与第 二级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为3.32%,温度330°C, 通过管线11进入第三级反应器R3中，在催化剂作用下，进行第三级催化脱氧 反应；反应后的气体从第三级反应器R3出口进入管线12，出口处气体温度617 。C，其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉B3中用水冷却并产生蒸汽，控制冷却 后的气体温度为399°C，进入管线13;
第四部分的10500 NmVh原料煤层气O通过管线4加入到管线13中，与第 三级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为2.83%,温度330°C, 通过管线14进入第四级反应器R4中，在催化剂作用下，进行第四级催化脱氧 反应；反应后的气体从第四级反应器R4出口进入管线15，出口处气体温度579 。C，其中02<0. 1%;
第四级催化脱氧反应后的气体通过管线15进入换热器El、再通过管线16 进入蒸汽锅炉B4、然后通过管线17进入换热器E2冷却，再分离水，分离水后 的气体压力0.45Mpa，进入管线18,得到35800 NmVh脱氧气(即为产品气)， 将其中26850 Niii7h作为产品气输出，另900Q Nm7h进入管线19作为返回气, 经压缩纟几P增压至0. 6 MPa,再通过管线20进入换热器E1加热，然后通过管 线21进入管线1与原料煤层气Q混合，再通过管线5进入第一脱氧反应器Rl (即可按照上述工艺流程连续运行，实现持续生产)。
本实施例中，作为返回气的9000 Nm7h由压力0. 45 MPa压缩到0. 6 MPa, 压缩功耗zf义137 kWh。
8对比例2
本例为实施例4的对比例
原料煤层气组成(vol%,下同)为CH4 35 , 02 1 3.6 , N2 51.4。气量为 20000Nm7h，脱氧反应采用一个反应器，进反应器氧浓度为3.5%,则循环比为 2.9,即稀释气量为58000Nm7h,进脱氧反应器的压力为0. 3MPa，温度330。C。 出反应器温度660。C, 02<0.1%,经换热冷却分离水后压力为0. 2 MPa。
稀释气从压力0. 2 MPa压缩到0. 3 MPa，压缩功耗1246 kWh。
实施例4
本实施例煤矿区煤层气的催化脱氧反应工艺如图1所示，采用2级反应器 进行2级催化脱氧反应
煤矿区煤层气(原料煤层气)组成为(vol。/。) CH4 35 ， 0213. 6, N2 51.4。 气量为20000 Nm7h,温度120。C，压力0.3 MPa。
原料煤层气分为两部分(分别为8400 Nm7h和11600 Nm7h )分别进入第 一级和第二级反应器
第一部分的8400 Nm7h原料煤层气0进入管线1,与来自管线13的25200 Nm7h (温度393°C )返回气混合，混合后气体中02含量为3. 34%,温度330°C， 通过管线3进入第一级反应器Rl中，在催化剂作用下，进行第一级催化脱氧 反应；反应后的气体从第一级反应器Rl出口进入管线4，出口处气体温度为 651°C，其中02<0. 1%;该气体在蒸汽锅炉Bl中用水冷却并产生蒸汽，控制冷 却后的气体温度为395°C,进入管线5;
第二部分的11600 NmVh原料煤层气0通过管线2加入到管线5中，与第 一级催化脱氧反应并冷却后的气体混合，混合后，02为3.5%，温度330。C，通 过管线6进入第二级反应器R2中，在催化剂作用下，进行第二级催化脱氧反 应；反应后的气体从第二级反应器R2出口进入管线7，出口处气体温度660。C, 其中02<0. 1%;
第二级催化脱氧反应后的气体通过管线7进入换热器El、再通过管线8 进入蒸汽锅炉B2、然后通过管线9进入换热器E2冷却，再分离水，分离水后 的气体压力0. 2Mpa,进入管线10,得到42400 Nm7h脱氧气(即为产品气)， 将其中17280 Nm7h作为产品气输出，另25200 Nm7h进入管线11作为返回气，
9经压缩机P增压至0. 3 MPa,再通过管线12进入换热器E1加热，然后通过管 线l3进入管线1与原料煤层气0混合，再通过管线3进入第一脱氧反应器Rl (即可按照上述工艺流程连续运行，实现持续生产)。
本实施例中，作为返回气的25200 Nm7h脱氧气由压力0. 2MPa压缩到0. 3 MPa，压缩功^/f又541 kWh。
以上各实施例的各级反应器中，采用的脱氧催化剂均为申请号为20061002 2255. 3的中国发明专利申请中实施例1公开的锰系脱氧剂，即
其重量百分比组成(以活性组分、支撑担体、粘结剂份量之和为100%)为 Mn02 40%、 4A分子筛30%、凹凸棒土 30%,另有木质素占Mn02、 4A分子筛和 凹凸棒土的混合物总重量的10%。
该锰系脱氧剂通过下述方法制得
(1) 、将所述份量的Mn02、 4A分子筛、凹凸棒土和木质素混合均勻，粉碎 成300目以上的粉末；
(2) 、将(1)步的粉末滚球成型；
(3) 、将(2)步成型后的混合物在300 40(TC下焙烧3~5小时，即得。
权利要求
1、一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，其特征在于采用多级反应器进行多级催化脱氧反应，控制每一级反应器的入口气体温度及入口气体中O2含量，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均≤660℃。
2、 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于控制每一级反应器的入口 气体中02含量《3. 5%。
3、 根据权利要求2所述的工艺，其特征在于采用下述方法控制每一级 反应器的入口气体中02含量《3. 5%:(1) 第一级反应器的入口气体控制采用部分已经脱氧并冷却后的气体作为返回气加入到原料煤矿区煤层气 中，稀释至其中02含量<3. 5%;(2) 其它各级反应器的入口气体控制将原料煤矿区煤层气加入到前一级催化脱氧反应并冷却后的气体中，使其 中02含量《3. 5%。
4、 根据权利要求3所述的工艺，其特征在于将前一级催化脱氧反应后的气体用水冷却并产生蒸汽，依靠控制冷却后的 气体温度使其与原料煤矿区煤层气混合后的温度达到脱氧催化剂起始温度3 3 0 °C ± 1 (TC ,再进入相应级的反应器中进行催化脱氧反应。
5、 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的多级反应器为2-4 级反应器。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，采用多级反应器进行多级催化脱氧反应，控制每一级反应器的入口气体温度及入口气体中O₂含量，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均≤660℃。与采用单个反应器相比，通过本发明的脱氧工艺，可使作为返回气用于稀释原料煤层气中O₂含量的产品气量大大降低，从而降低能耗；同时能有效的控制脱氧反应器出口的气体温度在温度为660℃以下，可减少甲烷裂解，明显降低甲烷损失量。
文档编号C10L3/10GK101508924SQ200910058610
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者炯 廖, 健 曾, 王晓东, 陶鹏万, 黄维柱 申请人:西南化工研究设计院