专利名称：一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法
技术领域：
本发明涉及化工领域中的气体分离领域，具体为一种利用变压吸附(PSA)法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法。
背景技术：
矿井区煤层气(CMM)是含甲烷的气体，通常甲烷含量30% 45%。但是，还是有大量的甲烷含量低于30%的煤层气。一般可直接作为民用燃料和发电，若要作为化工应用或压缩天然气(CNG)，必须把甲烷浓度提高到90%以上。由于民用燃料使用量有限，不少煤层气未能得到很好的利用。不但造成大量资源浪费，还造成环境污染，加重了温室效应。西南化工研究设计院发明了“用变压吸附法富集矿井区瓦斯气中甲烷”的技术(专利号CN 85103557 185103557B),该方法工艺简单，维护费用较低。但该方法的实施存在安全隐患，压缩过程中要穿过甲烷的爆炸极限。同样在吸附过程中，随着甲烷被吸附也要穿过甲烷的爆炸极限5% 15%，因此至今未建立工业化装置。燃烧爆炸不仅需要可燃气和氧气的存在，还需要一个重要条件:可燃气与氧气适当的比例。最大允许氧含量是指当给以足够的点燃能量使某一浓度的可燃气体或液体蒸汽刚好不发生爆炸的临界最高氧浓度，即爆炸与不爆炸的临界点(万成略，汪莉，“可燃性气体含氧量安全限值的探讨”;中国安全科学学报，1999，9 (1)3)。若氧含量高于此浓度，便会发生燃烧或爆炸。换句话说，氧含量低于此浓度便不会发生燃烧或爆炸(张增亮，蔡康旭；“可燃气体(液体蒸汽)的爆炸极限与最大允许含氧量的对比研究”；中国安全科学学报，2005，12(15))。因此在煤层气中加入一定量的惰性气体，以减少其氧浓度，使其氧浓度控制在最大允许氧含量之下，即控制在爆炸范围之外。本发明是在煤层气中加入氮气，控制煤层气中的氧浓度，使其在压缩过程和吸附过程中，氧浓度均小于最大允许氧含量。根据“化肥安全技术手册”(原化学工业部化肥司主持，吴径化学联合公司，南京化学工业公司编，1983年第一版)图1.1 一12,氢、一氧化碳、甲烷和氮、二氧化碳混合气的爆炸极限(空气中)提供的CH4 — N2系统爆炸范围，其临界点为氧含量12.3%。控制CMM中氧含量在12%以下，其氧含量小于最大允许氧含量，即在爆炸范围之外。实际上，根据甲烷不同浓度的煤层气可选择不同的加氮量，一般以8% 12%氧浓度为宜。这样大大提高了装置的安全性。而制取氮气可利用变压吸附提浓甲烷装置的未吸附气作为气源，配置一个变压吸附制氮装置即可得到。本专利技术与已有技术相比是提高了装置运行的安全性，使变压吸附技术分离提纯煤层气中甲烷得以实施。而氮气原料即为其未吸附气，省去加压过程。
发明内容
本发明正是基于以上技术问题，提供安全性高的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法。
本发明的技术方案为:
一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，该方法中原始煤层气中甲烧所占的体积百分含量仅为30% 45%,然后向煤层气中加入一定量的氮气,使煤层气中氧含量保持在12%以下，然后加压到0.4 MPa 0.7MPa (G)，再采用变压吸附的方法，脱除煤层气中的氮气和氧气。用抽真空方法从吸附相得到产品气。产品气中甲烷所占的体积百分含量为90% 95%。加入煤层气中的氮气，是利用变压吸附提浓甲烷装置中未吸附的气体作为气源，采用变压吸附法制取得到的氮气。两级变压吸附装置提浓甲烷，第一级使甲烷的体 积百分含量提浓到40% 50%，然后进入第二级变压吸附装置，第二级使甲烷的体积百分含量提浓到90% 95%。煤层气经初步压缩后，与来自变压吸附制氮气(PSA —N2)装置中得到的氮气混合，使其氧的百分含量降低到12%以下，然后进一步加压到0.4 MPa 0.7 MPa，进入变压吸附装置。在吸附剂的吸附分离作用下，从吸附相抽空得到含甲烷90%以上的产品气。(PSA为 pressure swing adsorption)
本申请中的技术方案还可以为:
首先将煤层气先经过压缩机进行压缩，压缩到0.15 MPa 0.18MPa，然后与氮气混合。混合后的气体进行进一步压缩，压缩到0.5 MPa 0.55 MPa，然后进入变压吸附制甲烷装置-(PSA-CH4 I )，排出未吸附气，进入变压吸附制氮装置(PSA —N2),输出纯氮气。另一部分经真空泵抽空得到初步浓缩的 甲烷气，送入富甲烷气柜。富甲烷气与置换气混合，由管线9进入压缩机压缩到0.65 MPa 0.7 MPa，由管线10进入变压吸附制甲烷装置二(PSA—CH4II)。未吸附气与顺放气被排出，吸附气进入真空泵抽空，然后由管线分为两股，一股作为甲烷产品气输出，另一股进入压缩机进行加压，由管道送入变压吸附装置作为置换气，从变压吸附装置中排出。在变压吸附的任一周期内，每个吸附塔都要经历吸附，均压，顺向减压，置换，逆向减压，抽真空，一次充压，二次充压等步骤。关于变压吸附法的工艺流程及多塔操作步骤在专利CN 85103557B中已作了充分的介绍。与现有技术相比，本发明的有益效果为:
本专利技术与已有技术相比是提高了整套装置运行的安全性，使变压吸附技术分离提纯煤层气中甲烷得以实施。而取氮气可利用变压吸附提浓甲烷装置的未吸附气作为气源，配置一个变压吸附制氮装置即可得到，省去加压过程。
图1为本申请中实施例1中的变压吸附提浓CMM中甲烷工艺流程示意 图2为本申请中实施例2中的变压吸附提浓CMM中甲烷工艺流程示意 图3为本申请中实施例3中的变压吸附提浓CMM中甲烷工艺流程示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例并不限制本发明的范围，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。实施例1:
煤层气组成(vol%):CH4 45.00, O2 11.55, N2 43.45，气量IOOONm3。工艺流程示意图见图1。煤层气由管线I进入压缩机，压缩到0.18 MPa 0.2 MPa，由管线2输出，并与来自管线13的430 Nm3氮气混合。混合后的气体组成为:CH4 31.5%，O2 8.2%，N2 60.3%，经管线3进一步压缩到0.65 MPa 0.7 MPa，由管线4输出，并与来自管线11的经压缩到0.65MPa 0.7 MPa的置换气混合，经管线5进入变压吸附制甲烷装置(PSA — CH4),未吸附气由管线12进入变压吸附制氮装置(PSA —N2)，得到纯度99.5%的氮气，由管线13输出。顺放气由管线14排出。吸附气由管线6进入真空泵抽空。抽空气由管线7排出，一部分作为产品气由管线8输出，另一部分作为置换气由管线9进入压缩机再加压，由管线10送入变压吸附装置置换已完成顺放步骤的吸附塔吸附剂空间的气体，由管线11经压缩到0.65MPa 0.7 MPa进行回收。该实施例可得含甲烷95%的产品气436 Nm3。实施例2
煤层气组成(vol%):CH4 30.0，O2 14.7，N2 55.3，气量lOOONm3。工艺流程示意图见图
2。煤层气由管线I进入压缩机，压缩到0.15 MPa 0.18MPa，由管线2输出，并与来自管线19的548 Nm3氮气混合。混合后的气体组成为:CH4 14.9%, O2 9.7%，N2 70.9%，经管线3进一步压缩到0.5 MPa 0.55 MPa，由管线4进入变压吸附制甲烷装置一(PSA — CH4 I )，由管线18排出未吸附气，进入变压吸附制氮装置(PSA — N2),由管线19输出纯度99.5%的氮气。顺放气由管线5排出。由管线6经真空泵抽空得到初步浓缩的甲烷气，其甲烷含量为47.1%，由管线7送入富甲烷气柜。 富甲烷气经管线8与来自管线15的置换气混合，由管线9进入压缩机压缩到0.65 MPa 0.7 MPa，由管线10进入变压吸附制甲烷装置二(PSA — CH4II)。未吸附气与顺放气由管线16排出，吸附气由管线11进入真空泵抽空，由管线12分为两股，一股作为产品气由管线17输出，另一股由管线13进入压缩机加压，由管线14送入变压吸附装置作为置换气，由管线15从变压吸附装置中排出。该实施例可得含甲烷95%的产品气 300 Nm3。实施例3:
煤层气组成(vol%):CH4 25，O2 15.8，N2 59.2，气量lOOONm3。工艺流程示意图见图
3。煤层气经管线I与来自管线8的591Nm3氮气混合。混合后的气体组成为=CH4 15.7%，O2 10.1%，，N2 74.2%，由管线2进入压缩机，经两段压缩到0.4 MPa 0.5 MPa,由管线4进入变压吸附制甲烷装置一(PSA -CH4 I),未吸附气由管线7进入变压吸附制氮装置(PSA —N2),得到纯度99.5%的氮气，由管线8输出。顺放气由管线9排出。吸附气由管线5进入真空泵抽空，得到含甲烷42.2%的富甲烷气580.2 Nm3由管线6排出。该富甲烷气(见工艺流程示意图2中管线8以后部分)与来自管线15的置换气混合，由管线9进入压缩机压缩到0.65 MPa 0.7 MPa，由管线10进入变压吸附制甲烷装置二(PSA — CH4 II)。未吸附气与顺放气由管线16排出，吸附气由管线11进入真空泵抽空，由管线12分为两股，一股作为产品气由管线17输出，另一股由管线13进入压缩机加压，由管线14送入变压吸附装置作为置换气，由管线15从变压吸附装置中排出。该实施例可得含甲烷90%的产品气258Nm30
权利要求
1.一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于:在煤层气中加入一定量的氮气，以体积百分含量计，使煤层气中氧含量保持在12%以下，然后加压到0.4 MPa 0.7MPa，再采用变压吸附的方法，脱除煤层气中的氮气和氧气，用抽真空方法从吸附相得到产品气。
2.根据权利要求1所述的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于:所述的煤层气中甲烷所占的体积百分含量为30% 45%。
3.根据权利要求1所述的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于:所述的加入煤层气中的氮气，是利用变压吸附提浓甲烷装置中未吸附的气体作为气源，采用变压吸附法制取氮气。
4.根据权利要求1所述的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于:所述的产品气中甲烷所占的体积百分含量为90% 95%，采用两级变压吸附装置提浓甲烷，第一级是甲烷所占的体积百分含量提浓到40% 50%，然后进入第二级加压装置，第二级使甲烷所占的体积体积百分含量提弄到90% 95%。
5.根据权利要求1所述的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，其特征在于:采用该方法可使 在煤层气中体积百分含量仅为20% 30%的甲烷进行提浓，先将甲烷含量提高到30%以上，再加压进入第二级变压吸附装置，提浓到甲烷的体积百分含量至90%以上。
全文摘要
本发明提供了一种安全地利用变压吸附法(PSA)分离提浓矿井区煤层气(CMM)中甲烷的方法。该分离提浓矿井区煤层气中甲烷的方法为先在煤层气中加入一部分氮气，使煤层气中氧含量控制在12%以下。在吸附过程中氧含量始终保持小于爆炸最大允许氧含量。该方法所需氮气则利用变压吸附吸附提浓甲烷装置未吸附气作为气源，亦采用变压吸附法制氮。采用该方法可使含甲烷20%～45%的CMM得到纯度90%～95%的甲烷气。
文档编号C10L3/10GK103205297SQ201310128860
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者古共伟, 陶鹏万, 石江, 郑珩, 马磊, 陈耀壮 申请人:西南化工研究设计院有限公司