专利名称：一种煤矿区煤层气双压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领域，尤其涉及煤层气提浓甲烷时必须先行脱氧的工艺。
背景技术：
我国煤层气资源丰富，是世界煤层气第三大储量国，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甲烷的气体，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(CMM)甲烷含量不高，仅30% 60% (体积百分数)， 且随开采环境的变化而发生波动。瓦斯气的爆炸极限随压力、温度的提高，爆炸上限增加。为了将此类煤层气生产压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)，需要提高甲烷浓度，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。专利200910058610. 6 (申请号)“一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺”公开了采用多级反应催化脱氧工艺。其实施例中，煤层气含甲烷35% 50%。
发明内容
本发明提供了一种甲烷含量35%以下的煤层气的脱氧方法。利用此方法，可使脱氧工艺投资降低，能耗减少，并具有更好的安全性。根据严铭卿、廉乐明所著“天然气输配工程”(北京中国建筑工业出版社，2005年) 给出了温度、压力对煤层气爆炸上限采用下式修正
Lptw = [(Lu + 20. 6 (IgP + 1)] [1 + 8Xl(T4(t - 25) ](1)
式中Lptw为压力P，温度t时的爆炸体积分数上限，％;Lu为常压(P = 0.1 MPa), t = 25°C时的爆炸体积分数上限，% ；P为燃气绝对压力，MPa ；t为燃气温度，°C。根据于京春，刘闯等人“压力管道输送煤层气的爆炸性分析”一文(煤气与热力； 2005，25 (10) :4 5)，取安全系数1.2以保证输送安全。根据公式(1)，取1.2倍安全系数，当温度为120°C时，对于含30%甲烷的煤层气， 可以加压的压力为0. 25 MPa(A)，即0. 15 MPa(G)。为了减少循环量，降低功耗，采用三级脱氧。煤层气加压到0.25 MPa(A)压力满足不了克服管道、阀门、换热器、催化剂层阻力的工艺要求。燃气爆炸的三要素之一是燃气中的最低含氧量，如燃气中的含氧量低于其最低氧含量，也不发生爆炸。根据“化肥安全技术手册”(原化工部化肥司编)图1. 1 12提供的 “氢、一氧化碳、甲烷和氮、二氧化碳混合气的爆炸极限”(空气中)图，可以看出，当压力为 0. SMPa(G)时，爆炸上限(乘1. 2安全系数)为44. 7%。此时对应的最低氧含量为11. 5%。只要燃气中氧含量小于11. 5%也是安全的。基于以上两点，本发明把煤层气分为两部分，一部分在低压下脱氧，其压力为0.08 MPa(G)，已脱氧的煤层气与另一部分煤层气混合，控制氧浓度为8%士0. 1%(远低于11. 5%的爆炸上限)，再加压到0.6 MPa(G) 0.8 MPa(G)进行脱氧，即采用双压力脱氧工艺。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是将低甲烷含量的煤层气分为两部分，一部分由鼓风机加压到0.08 MPa(G)，在此压力下脱氧。采用蓄热式反应器。该部分脱了氧的煤层气与另一部分未脱氧的煤层气混合，控制氧浓度8%左右，加压到0. 6 MPa(G) 0.8 MPa(G)，再进行脱氧。无论是低压脱氧，还是加压脱氧，进反应器的混合气含氧量控制在3. 5%以下。进反应器气体温度控制在330°C 370°C。以图1为例，管线1为原料煤矿区煤层气，一部分煤层气经管线2，经鼓风机加压到0. 08 MPa(G)，与管线17来的循环气混合(混合气含氧3. 5%)，经管线3、管线4、阀VAl、 管线6、管线8进入反应器RA (下部为蓄热层，上部为催化剂层)。此时阀VA2、阀VBl关闭， 混合气在RA下部蓄热层加热到反应温度，进入催化剂层进行脱氧反应。脱氧气经管线10， 并经废锅Bl冷却到一定温度，由管线11进入反应器RBJiRB内的蓄热层进行加热，由管线9、管线13、阀VB2、管线15、阀V3、管线18输出脱氧气。经过60秒 90秒，VA1、VB2关闭，切换到RB反应器进行脱氧操作。此时管线3的混合气体经管线5、阀VB1、管线7、管线 9进入RB反应器，混合气在RB反应器中被蓄热层加热到反应温度进入催化剂层，反应后的气体经管线11，在废锅Bl冷却到一定温度，经管线10进入RA反应器，将RA中的蓄热层加热，由管线8、管线12、阀A2、管线14、阀3、管线18输出脱氧气。经过60秒 90秒，关闭阀VA1、VB2，切换到RA反应器进行脱氧操作，如此循环。循环气由管线16经鼓风机BL02加压，经管线17与出BLOl的煤层气混合。经过管线18的脱氧气，与由管线19来的另一部分原料煤层气混合，控制氧浓度8%士0. 1%，经管线20由压缩机Pl加压到0. 6 MPa (G) 0. 8 MPa(G)，经管线21与由管线22来的循环气混合，经管线23、换热器El加热到反应温度，再经管线M进入反应器RC。脱氧气经管线25、废锅B2、管线沈、冷却器E2，经管线27后分成两路，一路经管线观作为脱氧气输出，进入下一提浓工序，另一路作为循环气，经管线29、 循环压缩机P2加压后经管线22与需脱氧的混合气混合。与现有技术相比，本发明的有益效果是低压脱氧可省去换热器，用鼓风机代替压缩机。高压脱氧可使反应空速提高，可达10000 h—1以上，使反应器体积缩小。同时循环气压缩比小，能耗降低。整个系统具有更高的安全性，同时投资减少，能耗降低。
图1为CMM气双压脱氧流程图。其中1-29为管路，RA，RB为反应器，VA1，VA2, VBl, VB2为阀门，P1，P2为压缩机，BLOl、BL02为鼓风机，E1、E2为换热器，Bl为废锅。图2为CMM脱氧加压段二级脱氧流程图。其中数字标注的为管路，RC、RD为反应器，B2、B3为废锅，P2为压缩机，El、E2为
换热器。
具体实施方式
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。实施例1
煤矿区煤层气组成(Vol%，干基):CH4 30 , 02 1 4. 7, N2 55. 3，气量 100 kmol/h (2240Nm3/ h)，采用附图1工艺流程。煤层气经管线1分为两股，一股49. 2 kmol/h由管线2进入鼓风机BL01，升压到0.08 MPa(G)，冷却到30°C (图中未画出冷却器)，与162. 4 kmol/h由管线 16经鼓风机BL02加压到0. 08 MPa(G)，冷却到30°C (图中未画出冷却器)，并经管线17的循环气混合，总气量为 211. 6 kmol/h。其组成(Vol%，)为CH4 26. 89，O2 3. 5，CO2 6. 41，N2 61.39, 0 1.81。混合气经管线3、管线4、阀VA1、管线6、管线8进入反应器RA。此时，阀 VA2、阀VBl关闭。在RA中由已蓄热的蓄热层将混合气加热到350°C，进入脱氧催化剂层进行脱氧。出RA反应器温度为680°C，经管线10，由废锅Bl产生蒸汽并冷却到382°C，经管线 11进入RB，加热RB中的蓄热层，出RB温度为70°C，经管线9、管线13、阀VB2、管线15，进入 V3阀。经60秒 90秒后，关闭阀VA1、阀VB2，RA停止脱氧反应，切换到RB中进行脱氧反应。打开阀VB1、VA2，混合气由管线3、管线5、阀VB1、管线7、管线9进入反应器RB，先在蓄热层将混合气加热到350°C，再进入脱氧催化剂层，反应后气体温度为680°C，经管线11， 由废锅Bl产生蒸汽，并冷却到382°C，由管线10进入RA反应器，加热蓄热层，出RA反应器温度为70°C，经管线8、管线12、阀VA2、管线14进入V3阀，脱氧气在进入V3阀之前抽出 162. 4 kmol/h由管线16进入鼓风机BL02，升压到0. 08 MPa(G)作为循环气。低压脱氧气43.0 kmol/h经管线18与经管线9来的另一股50. 8 kmol/h煤层气混合，混合后组成(Vol%)为=CH4 28. 14，O2 8. 01，CO2 3. 83，N2 58. 94，H2 0 1. 08。经管线 20，压缩机Pl加压到0. 8 MPa(G)，经管线21与由管线22来的124. 8kmol/h循环气混合，混合气中含氧3. 5%，由管线23进入换热器E1，加热到350°C，由管线M进入脱氧反应器RC。 经过催化脱氧反应，出RC的脱氧气温度为683°C，经废锅B2产生蒸汽，由管线沈进入换热器E2，冷却到30°C，抽出124.8 kmol/h经管线四进入循环压缩机P2，85. 8 kmol/h通过管线28作为产品气输出，其甲烷浓度26. 41%，氧0. 1%。该实施例循环气总压缩功耗为127.9 KWh，而全部气源(100 kmol/h)在0. 08 MPa(G)压力下进行一级脱氧反应，其循环气压缩功耗为214. 8 KWh。实施例2
煤矿区煤层气组成(Vol%，干基)CH4 30，O2 14. 7，N2 55. 3，气量 100kmol/h。 流程见附图1、附图2。低压0.08 MPa (G)压力下脱氧同实施例1。在0. 8 MPa (G)压力下脱氧采用二级脱氧。经过低压脱氧的气体43 kmol/h与未脱氧的煤层气50. 8 kmol/h 混合后，由压缩机Pl压缩到0. 8 MPa (G)，经管线21分成两股(附图2) —股34. 1 kmol/ h与经管线22来的45. 4 kmol/h循环气混合，混合气含氧3. 47%，甲烷27. 15%，经管线23、 换热器El加热到350°C，由管线M进入脱氧反应器RC，脱氧后温度为678°C，出RC反应器的脱氧气，经管线25、废锅B2产生蒸汽，并冷却到556°C，与由管线27进入的59. 7 kmol/h 的另一股气混合，混合后的温度为350°C，含氧3. 49%，气量139. 2 kmol/h,由管线观进入脱氧反应器RD，经过脱氧反应，出RD的脱氧气温度为680°C，经管线四、废锅B3产生蒸汽，由换热器E2冷却至30°C，由管线31输出，一股45. 4 kmol/h作为循环气由管线33进入循环压缩机P2增压，另一股85. 8 kmol/h由管线32输出，其含氧量为0. 1%，甲烷26. 41%。
该实施例循环压缩功耗为116. 8 KWh.
实施例3
煤矿区煤层气组成(Vol%，干基)CH4 35，O2 13. 6，N2 51. 4，气量 100kmol/h (2240Nm3/ h)，采用附图1工艺流程。煤层气经管线1分为两股，一股43. 6 kmol/h由管线2进入鼓风机BL01，升压到0. 08 MPa(G)，温度80°C，与130. 8 kmol/h由管线16经鼓风机BL02加压到0. 08 MPa(G)温度80°C，并经管线17的循环气混合，总气量为174. 4 kmol/h。其组成 (Vol%)为=CH4 31. 50，O2 3. 48，CO2 5. 43，N2 54. 22，H2 0 , 5. 37。混合气经管线 3、管线 4、 阀VA1、管线6、管线8进入反应器RA。此时，阀VA2、阀VBl关闭。在RA中由已蓄热的蓄热层将混合气加热到350°C，进入脱氧催化剂层进行脱氧。出RA反应器温度为668°C，经管线 10，由废锅Bl产生蒸汽并冷却到383°C，经管线11进入RB，加热RB中的蓄热层，出RB温度为120°C，经管线9、管线13、阀VB2、管线15，进入V3阀。经60秒 90秒后，关闭阀VA1、 阀VB2，RA停止脱氧反应，切换到RB中进行脱氧反应。打开阀VB1、阀VA2，混合气由管线3、 管线5、阀VB1、管线7、管线9进入反应器RB，先在蓄热层将混合气加热到350°C，再进入脱氧催化剂层，反应后气体温度为668°C，经管线11，由废锅Bl产生蒸汽，并冷却到383°C，由管线10进入RA反应器，加热蓄热层，出RA反应器温度为120°C，经管线8、管线12、阀VA2、 管线14进入V3阀，脱氧气在进入V3阀之前，冷却到40°C，抽出162. 4 kmol/h由管线16 进入鼓风机BL02，升压到0.08 MPa(G)作为循环气。低压脱氧气40. 6 kmol/h经管线18与经管线9来的另一股56. 4 kmol/h煤层气混合,混合后组成(Vol%)为=CH4 33. 04，O2 7. 95，CO2 3. 03，N2 52. 98，H2 0 3. 01。经管线 20，压缩机Pl加压到0. 8 MPa(G)，经管线21与由管线22来的127. 1 kmol/h循环气混合，混合气中含氧3. 5%，由管线23进入换热器E1，加热到350°C，由管线M进入脱氧反应器RC。 经过催化脱氧反应，出RC的脱氧气温度为668°C，经废锅B2产生蒸汽，由管线沈进入换热器E2，冷却到40°C，抽出127. 1 kmol/h经管线29进入循环压缩机P2。87. 1 kmol/h通过管线观作为产品气输出，其甲烷浓度32. 37%，氧0. 1%。
权利要求
1.一种含甲烷浓度为30%-35% vol的煤矿区煤层气脱氧方法，其特征在于采用两种压力下脱氧，一部分煤层气在低压下脱氧，脱氧气与另一部分未脱氧的煤层气混合，控制混合气中氧浓度在安全范围内，再加压到一个更高的压力进行脱氧。
2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于低压脱氧压力为0.08 MPa (G)一种如权利要求2所述的方法，其特征在于采用蓄热式脱氧反应器，每一组两个反应器，定期切换。
3.反应器中装有蓄热介质耐火球及脱氧催化剂。
4.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于高压脱氧压力为0. 6 MPa (G) 0. 8 MPa (G)0
5.一种如权利要求4所述的方法，其特征在于采用一级或二级脱氧，采用绝热式反应ο
6.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于进入脱氧反应器的气体温度为330°C 370°C，进反应器氧含量控制在3. 5%或以下。
全文摘要
本发明公开了一种煤矿区煤层气(CMM)双压催化脱氧工艺，适用于含甲烷35%及以下的CMM气脱氧。将CMM气分为两部分，一部分在0.08MPa(G)低压下脱氧，采用蓄热式脱氧反应器及鼓风机加压。该脱氧气与另一部分CMM气混合，其氧含量控制在8%±0.1%。再用压缩机加压至0.6MPa～0.8MPa(G)，进行脱氧。通过本发明的脱氧工艺，低压部分省去换热器及压缩机，加压部分可使空速大大提高，反应器体积缩小。装置投资降低，同时可具有更高的安全性。
文档编号C10L3/10GK102206521SQ20111011456
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者古共伟, 曾健, 王大军, 陶鹏万 申请人:西南化工研究设计院