变压吸附浓缩瓦斯气中甲烷的生产方法

专利名称：变压吸附浓缩瓦斯气中甲烷的生产方法
技术领域：
本发明涉及瓦斯气中甲烷的生产方法，特别涉及变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的安
全生产方法。
背景技术：
我国是煤炭资源大国，瓦斯气储量丰富，居世界第三位，埋深2000米以内的瓦斯 气资源量达31.46万亿立方米，其中，埋深1500米以内的约占总资源量的60%。目前，我国 每年因采煤排放的瓦斯气在130亿立方米以上，约占世界瓦斯气排放总量的30%。瓦斯气 的开发不仅可以缓解天然气供需紧张的矛盾，还可改善煤矿的安全生产条件，增加洁净能 源，减少大气污染，带动相关产业的发展。同时，也是实现国家关于"开发新能源、实现能源 利用与环境保护同步，保证可持续发展"和保障我国能源安全的重要措施之一。
瓦斯气抽采分为地面开发和井下抽采，前者为采煤前抽采的瓦斯气，未混入空气， 甲烷浓度为90%以上，与常规天然气差异很小，可直接借鉴成熟的天然气预处理工艺进行 净化，然后通入天然气输送管道或液化，作为优质能源或原料使用。该方法在国内外已经得 到普遍应用，但在技术上有一定要求，且受到瓦斯气赋存条件、开采地质条件等多方面因素 的影响，投资成本较大；后者有本层抽采、邻近层抽采和采空区抽采方式，甲烷含量变化较 大，一般为20 80% ;至于矿井通风瓦斯，甲烷含量更低。 井下抽放的瓦斯气在开采过程中混入空气，导致CH4的含量低且杂质多，给后续输 送和加工带来较大困难，所以一般情况下井下抽放的瓦斯气大部分被就地使用或排空，少 量被利用的(^4中，90%左右作为增值不大的民用燃料，极少被作为其它用途。由于我国矿 井众多，地质情况复杂，相当部分煤层透气性较差，所以井下抽放瓦斯气在目前开采的瓦斯 气中占很大比例，因此迫切需要解决抽放瓦斯气中CH4的浓縮净化问题，以提高其综合利用 价值。 瓦斯气中CH4的浓縮净化是指将N2或空气与甲烷分离，使瓦斯气中甲烷含量相对 提高，从而可以提高瓦斯气的热值及远距离输送的价值。瓦斯气中CH4的浓縮净化技术主要 包括低温分离、变压吸附分离和膜分离三种。低温分离工艺，设备投资大，而且只有分离的 流量较大时(每天几百万立方米)才具有商业价值。膜分离技术简单，非常适用于小型气 体分离站，但迄今为止，尚处于研究开发阶段。变压吸附工艺技术具有工艺简单、设备紧凑、 操作费用低和适用性强的特点，是矿井瓦斯气单井浓縮净化、集中输送或液化的较佳方法， 确保了瓦斯气的输送安全。 中国专利CN85103557中提出了采用变压吸附工艺浓縮瓦斯气中甲烷的方法，其 要求顺向减压步骤释放的废气中所含甲烷浓度必须低于5%，一般控制在0. 1% 3%， 以保证运转过程的安全性。甲烷在空气中的爆炸极限为5% 16%，所以在从瓦斯气中 浓縮甲烷的操作过程中，很难既保证产品高的甲烷浓度及高的收率，又保证释放废气中甲 烷浓度小于5%，这样，使该技术的进一步的推广应用受到限制。中国专利CN101099606、 CN101096908提出了采用变压吸附工艺浓縮低浓度瓦斯气中甲烷的方法，但未提出安全处理措施，其结果将如专利CN85103557 —样，受到应用限制。 在变压吸附装置的运转过程中，当吸附塔处于吸附状态时，瓦斯气中的甲烷被吸
附剂吸附，使瓦斯气中甲烷减少，氧浓度增加，而这个过程在吸附塔轴向随吸附时间而变
化，使吸附塔中瓦斯气随时处于爆炸极限。在均压过程中，吸附塔内、管道内瓦斯气中的甲
烷也随均压时间而变化，使吸附塔、管道瓦斯气随时处于爆炸极限。这是变压吸附工艺自身
的特点所决定的，将变压吸附技术用于瓦斯气中甲烷浓縮净化，装置始终存在爆炸的危险。
这也是目前国内外变压吸附技术在煤矿瓦斯气中甲烷浓縮领域受到限制的主要原因。 国外在CH4/N2分离的吸附剂多为炭分子筛(CMS)，主要针对高浓度CH4的油田气
(CH4 > 70% )，经浓縮CH4可高于90% ;对于中等浓度CH4的垃圾填埋气(CH4在60%左右)，
也有较好的效果，并有商业化实例。但对于低浓度(20% 50%)的煤层瓦斯气PSA分离
的相关报导则较少，说明低浓度煤层瓦斯气的C^提浓，还存在着较大的难度。 如前所述，在变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的过程中，为了得到浓度大于90%的甲
烷，不论瓦斯气中甲烷浓度的多小，吸附塔和管道中的甲烷和氧浓度都可能达到瓦斯爆炸
的条件，只要同时具备火源就会发生瓦斯爆炸事故。在变压吸附装置上，能产生火源的因素
主要是瓦斯气中粉尘在压縮过程中或者吸附剂磨耗产生的粉尘在气流中摩擦起火及静电
积聚火花。 若能提供安全的变压吸附技术，将其应用在煤矿瓦斯气中0. 1 90%甲烷的浓 縮，瓦斯气利用量和利用率将会大幅度提高，社会经济效益和环保效益将十分显著。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的安全生产 方法，该方法可用于含有0. 5 90%甲烷的瓦斯气浓縮，提高瓦斯气利用量和利用率。
本发明的技术方案为变压吸附装置的吸附塔和缓冲罐中装填吸附剂，在变压吸附 装置的吸附塔和缓冲罐中装填吸附剂体积3 4%的抑爆材料，管道中装填管道体积1 2%的抑爆材料。所述抑爆材料优选为铝合金网状材料。 铝合金抑爆材料抑爆机制有如下三方面(l)铝合金网状材料具有良好的导电 性，能防止吸附塔内吸附剂、管道、阀门的气流、粉尘冲击因素产生静电，从而可以避免由静 电引发的燃爆事故；(2)蜂窝状的铝合金网可把吸附塔分成许多"小室"，这些"小室"可以 遏制火焰的传播，减弱火势；(3)铝合金蜂窝状结构在单位体积内具有很高的比表面积以 及极好的吸热能力，可以迅速地将燃烧释放出的绝大部分热量吸收掉，使燃烧容器中压力 增加不大。 进一步的，所述吸附剂为硅胶、活性炭、5A分子筛、13X分子筛、低硅分子筛中的至 少一种。 所述吸附剂强度高、耐磨性好、CH4与N2分离系数大于3，能够减少粉尘，避免装置 在运行过程中由于吸附剂与粉尘、粉尘与气流、粉尘与管道阀门摩擦产生静电火花而导致 的燃烧爆炸。 进一步的，变压吸附装置的瓦斯气压縮机中采用瓦斯气专用螺杆机组，所述瓦斯 气专用螺杆机组中主机采用单级双螺杆内喷水冷却结构，气体进出口方向为上进上出两级 压縮。由于水具有降温和抑爆作用，避免了粉尘与螺杆摩擦产生的高温和静电火花而导致的燃烧爆炸。 为了避免阀门在开关过程中由于阀座与阀芯摩擦产生静电火花而导致的燃烧爆 炸，变压吸附装置最好采用瓦斯气管道专用程控阀。 变压吸附装置还可以建立管道、设备、阀门的灭火防爆制动连锁控制系统，当任一 个塔或管道的压力、温度、0)或0)2含量发生警报时，系统制动停车，发生报警的塔或管道将 启动内部喷水系统喷水灭火。 吸附塔和管道上安装防爆片、防爆片爆破压力0.8MPa;吸附塔、管道、阀门、钢架 等用铜丝联通，钢架接地，要求接地电阻值小于10欧。
与已有技术相比，本发明方法具有以下优点 1、解决了变压吸附技术在煤矿瓦斯气中甲烷浓縮领域受到限制的安全生产问题。
2、本技术适用于甲烷浓度为0. 5 90%的变压吸附煤矿瓦斯气中甲烷浓縮，扩大 了变压吸附的应用范围，提高瓦斯气利用量和利用率。


图1是本发明的煤矿瓦斯气浓縮甲烷的变压吸附工艺流程图，A E为吸附塔，1 是瓦斯气，2是氮气，3是顺放气和置换气，4是脱除甲烷的空气，5是甲烷产品，A1 8、B1 8、 Cl 8、 Dl 8、 El 8均为程控阀，Pl 5、 P15 18、 P33均为截止阀，Kill 113、 K15均为程控阀，VI 4为缓冲罐，P101为真空泵。 图2是各吸附塔的工艺时序图，A I是吸附，A 1I是吸附，D1是均压降压，D2是均 压降压，P是顺放，Z是产品气置换，V是抽真空，I是隔离，E2是均压升压，El是均压升压， FR是最终升压。
具体实施例方式
本发明变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的工艺流程可以根据所抽采的瓦斯气中甲烷 含量来选择，既可选择几塔同时吸附、多次均压的通用VPSA流程，也可选择两塔串联吸附、 多次均压的VPSA流程，或者选择两段法VPSA流程。 优选为两塔串联吸附、多次均压的VPSA流程。其方法是每个吸附塔在一个吸附 周期内将与另外两个塔各进行一次串联吸附的方法，每个吸附塔吸附过程是第一次吸附的 物流为前一个吸附塔吸附的非吸附相物料，以拦截前一个吸附塔穿透的微量的易吸附相组 分，使分离过程的收率得到保证，第二次吸附是原料物料直接通过吸附床层，并允许部分易 吸附相物料穿透此床层，使易吸附相物流在吸附剂上尽量达到吸附饱和，提高吸附剂的利 用率，使分离出的易吸附相物流含量得到充分保证，经吸附后的非吸附相到另一个吸附塔 做第一次吸附的原料物流，每个吸附塔依次进行吸附A 1、吸附A 11、均压降压D、顺放P、产 品气置换Z、抽真空V、隔离1、均压升压E、最终升压FR的循环步骤。 瓦斯气进入变压吸附系统浓縮前，需经过预处理其中瓦斯气采用水环真空泵作 为抽采动力设备从矿井采出，水环真空泵的的入口设置有串联的铜丝式阻火器和前段防回 火器；抽采的瓦斯气经过液环泵加压，液环泵的入口装有瓦斯专用阻火器和防回火器，出口 管道装有铝合金抑爆材料和防回火器。
实施例1
5
变压吸附装置如图1所示，采用两塔串联吸附、两次均压的VPSA流程。变压吸附 装置的安全设施通过以下措施来实现 1、瓦斯气压縮选用瓦斯气专用螺杆压縮机组，瓦斯气专用螺杆压縮机组中主机采
用单级双螺杆内喷水冷却结构，气体进出口方向为上进上出两级压縮。 2 、吸附塔装填了活性炭吸附剂。 3、吸附塔和缓冲罐中装填吸附剂体积3%的铝合金网状抑爆材料(FC-1)。
4、变压吸附装置的管道中装填管道体积1%的铝合金网状抑爆材料(FC-1)。
5 、采用瓦斯气管道专用程控阀。 6、建立管道、设备、阀门的灭火防爆制动连锁控制系统，当任一个塔或管道的压 力、温度、C0、 C02含量发生警报时，系统制动停车，发生报警的塔或管道将启动内部喷水系 统喷水灭火。 7、吸附塔和管道上安装防爆片、爆破压力0. 8MPa，吸附塔、管道、阀门、钢架等用铜 丝联通，钢架接地，要求接地电阻值小于10欧。 变压吸附装置经空气吹扫、试压合格后，用界区外来的氮气由入口 2对系统进行 置换，当置换气中的氧小于2% (体积百分比)时置换合格，装置可以投入运行。
用界区外来的煤矿瓦斯气的甲烷体积百分比含量为30%、压力为10KPa、温度常 温，由入口 1经过瓦斯气专用螺杆压縮机组压縮增压，压縮增压的瓦斯气甲烷体积百分比 含量为30%、压力为0. 5MPa、温度40°C。压縮增压的瓦斯气进入由A E五个吸附塔组成 的变压吸附系统。下面以吸附塔A为例对甲烷回收系统的工艺过程结合图1、图2加以说 明 1、吸附A I : 经过液环泵压縮的瓦斯气压力0. 5Mpa，经程控阀El从吸附塔E的底部进气，此时 吸附塔E处于吸附All状态，从吸附塔E顶部出来的含有甲烷的干气经程控阀E7、 A8从已 完成最终升压FR的吸附塔A底进入，吸附塔压力控制在0. 5Mpa，瓦斯气中的甲烷被选择吸 附于专用甲烷吸附剂上，其他组分作为未吸附气从吸附塔顶经程控阀A4、P18排出进缓冲 罐V4放空。该步骤实现了甲烷的再吸附，提高了甲烷的回收率，使甲烷和其他组分的完全 分离。当吸附塔A排出气中甲烷的体积浓度达到0.5X时，关闭程控阀A4、E1、E7、A8，吸附 步骤A I结束。
2、吸附A II : 经过液环泵压縮的瓦斯气压力0. 5Mpa，经程控阀Al从吸附塔A的底部进气，吸附 塔压力控制在O. 5Mpa，瓦斯气中的甲烷被选择吸附于专用甲烷吸附剂上，其他组分作为未 吸附气从吸附塔顶经A7、B8排出进入处于吸附A I状态的吸附塔B进行再吸附，未吸附气从 吸附塔顶经程控阀B4、P18排出进缓冲罐V4放空，未吸附气中的甲烷含量控制在4% (体积 百分比)。该步骤允许部分甲烷穿透吸附塔床层，使甲烷在吸附剂上尽量达到吸附饱和，提 高吸附剂的利用率，使分离出的产品气中甲烷含量得到充分保证。当吸附结束时，关闭A1、 B4、A7、A8程控阀。
3、均压降压D1: 吸附All步骤结束后，开启程控阀A5、 K112、 P16，吸附塔A与缓冲罐V3进行均压 至两塔压力平衡。均压结束后，关闭A5、 K112程控阀
4、均压降压D2: 均压降D1结束后，开启程控阀A6、 D6，吸附塔A与吸附塔D进行均压至两塔压力 平衡。均压结束后，关闭A6、D6程控阀。
5、顺放P: 均压降D2结束后，开启程控阀A6、 Klll、 P15，将吸附塔A内气体顺着吸附方向降 压，当塔内压力降至0. 02Mpa时，关闭Kill程控阀。顺放气进入其回收系统，经加压后作为 原料气回用。 6、产品气置换Z: 顺放P结束后，开启程控阀A2、 A6、 Kl 11 、 P15，关闭Kl 15，置换气从A2进入吸附塔 A，顺着吸附方向进行置换，置换出口气经A 6、K111、P15流出。当吸附塔A置换出口气中甲 烷浓度较高，进入其回收系统，经加压后作为原料气回用。置换结束后，关闭程控阀A2、A6、 K111，打开K115。
7、抽真空V: 产品气置换结束后，开启程控阀A3、K115、P33，经缓冲罐V2由真空泵P101抽出。
抽真空结束后，关闭程控阀A3。 8、隔离I: 抽真空结束后，吸附塔A的程控阀Al A8全部处于关闭状态，等待执行下一步 骤。 9、均压升压E2: 隔离I结束后，开启程控阀A6、 C6，利用吸附塔C均压降D2排出的气体对已完成 抽真空的吸附塔进行升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭A6、C6程控阀。
10、均压升压E1: 均压升E2结束后，开启程控阀A5、K112，利用缓冲罐V3中的气体与吸附塔A进行 升压，至两塔压力平衡。均压结束后，关闭A5 、 K112程控阀。
11、最终升压FR: 均压升E1结束后，开启程控阀A5、K113、P17，利用缓冲罐V4中的气体对吸附塔A 进行升压，当吸附塔压力接近吸附压力时，关闭A5、K113程控阀。 完成上述步骤后，吸附塔A完成了一个周期的循环操作。如图2所示其它四个吸
附塔B E的循环步骤与吸附塔A完全相同，只是在时间上的相互错开，以保证在任何时候
都有一个吸附塔在进行吸附A I步骤操作，从而保证甲烷吸附装置的连续运行。 至此，本实施例的工艺过程全部结束。本实施例可获得甲烷含量约85v^甲烷气
体，甲烷收率约99%，出口 3排出的顺放气和置换气循环回收，出口 4排出的气体甲烷含量
约0. 5v% 。整个系统安全，未检测出CO， C02含量不变。 实施例2 本实施例的煤矿瓦斯气的甲烷含量为50%，吸附压力为1. OMPa，吸附温度40°C 。 该变压吸附装置采用实施例1的安全设施设置。吸附塔装填了吸附剂体积的3%的铝合金 网状抑爆材料(FC-1)，管道装了管道体积1%的铝合金网状抑爆材料(FC-1)。然后按照实 施例1的工艺步骤实施。 本实施例可获得甲烷含量约95%气体，甲烷收率约99%，出口 3排出的顺放气和置换气循环回收，出口 4排出的气体甲烷含量约0. 5v%。系统安全，未检测出C0， C02含量 不变。 实施例3 本实施例的煤矿瓦斯气的甲烷含量为10% ，吸附压力0. 3MPa，吸附温度40°C .该 变压吸附装置采用实施例1的安全设施设置。吸附塔装填了吸附剂体积的4%的铝合金网 状抑爆材料(FC-1)，管道装了管道体积2X的铝合金网状抑爆材料(FC-1)。然后按照实施 例1的工艺步骤实施。 本实施例可获得甲烷含量为65%气体，甲烷收率约95%，出口 3排出的顺放气和 置换气循环回收，出口 4排出的气体甲烷含量约0.5v^。系统安全，未检测出CO， (A含量 不变。 对比例1 本实施例的煤矿瓦斯气的甲烷含量为10% ，吸附压力0. 3MPa，吸附温度40°C 。该 变压吸附装置未采用本发明的安全设施进行。按如下方法实施再按本实施例1的工艺步 骤进行实施。 1 、瓦斯气压縮选用瓦斯气专用螺杆机组。
2 、吸附塔装填了活性炭吸附剂。 3、瓦斯气专用螺杆机组与专用程控阀A1-E1连接的管道和缓冲罐中装铝合金网
状抑爆材料(FC-1)(用量同实施例l)，其余管道和缓冲罐不装抑爆材料。 4 、采用瓦斯气管道专用程控阀。 5、吸附塔和管道上安装防爆片，爆破压力0. 8MPa。 再按本实施例1的工艺步骤进行实施。 本实施例在运行过程中，当吸附塔A在均压降D2运行过程中，程控阀A6与K112 连接的管道发生爆炸，防爆片撕开。 说明了管道和缓冲罐中装铝合金网状抑爆材料可以避免由静电引发的燃爆事故， 保障系统安全。
权利要求
变压吸附浓缩瓦斯气中甲烷的生产方法，变压吸附装置的吸附塔和缓冲罐中装填吸附剂，其特征在于在变压吸附装置的吸附塔中装填吸附剂体积3～4％的抑爆材料，管道中装填管道体积1～2％的抑爆材料。
2. 根据权利要求1所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于所述抑 爆材料为铝合金网状材料。
3. 根据权利要求1或2所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于所述吸附剂为硅胶、活性炭、5A分子筛、13X分子筛、低硅分子筛中的至少一种。
4. 根据权利要求1 3任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于变压吸附装置的瓦斯气压縮机中采用瓦斯气专用螺杆机组，所述瓦斯气专用螺杆机组中主机采用单级双螺杆内喷水冷却结构，气体进出口方向为上进上出两级压縮。
5. 根据权利要求1 3任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于变压吸附装置采用瓦斯气管道专用程控阀。
6. 根据权利要求1 3任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于变压吸附装置建立管道、设备、阀门的灭火防爆制动连锁控制系统。
7. 根据权利要求1 3任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于吸附塔和管道上安装防爆片；吸附塔、管道、阀门和钢架用铜丝联通，钢架接地，接地电 阻值小于10欧。
8. 根据权利要求1 7任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在 于瓦斯气进入变压吸附装置前，经过预处理；所述预处理为用水环真空泵作为抽采动力 设备从矿井采出，抽采的瓦斯气经过液环泵加压后进入变压吸附装置。
9. 根据权利要求8所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在于水环真 空泵的的入口设置串联的铜丝式阻火器和前段防回火器；液环泵的入口设置瓦斯专用阻火 器和防回火器，出口管道设置铝合金网状材料和防回火器。
10. 根据权利要求1 7任一项所述变压吸附浓縮瓦斯气中甲烷的生产方法，其特征在 于所述变压吸附装置为两塔串联吸附、多次均压的VPSA流程；具体为每个吸附塔在一个 吸附周期内与另外两个塔各进行一次串联吸附，每个吸附塔吸附过程是第一次吸附的物流 为前一个吸附塔吸附的非吸附相物料，第二次吸附是原料物料直接通过吸附床层，并允许 部分易吸附相物料穿透此床层，经吸附后的非吸附相到另一个吸附塔做第一次吸附的原料 物流，每个吸附塔依次进行吸附AI、吸附AII、均压降压D、顺放P、产品气置换Z、抽真空V、 隔离1、均压升压E、最终升压FR的循环步骤。
全文摘要
本发明涉及瓦斯气中甲烷的浓缩方法，特别涉及变压吸附浓缩瓦斯气中甲烷的生产方法。本发明所要解决的技术问题是提供变压吸附浓缩瓦斯气中甲烷的生产方法，该方法为变压吸附装置的吸附塔和缓冲罐中装填吸附剂，在变压吸附装置的吸附塔中装填吸附剂体积3～4％的抑爆材料，管道中装填管道体积1～2％的抑爆材料。本发明方法可用于含有0.5～90％甲烷的瓦斯气浓缩，扩大了变压吸附的应用范围，提高瓦斯气利用量和利用率。
文档编号B01D53/047GK101732946SQ20091031287
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者余兰金, 兰治淮, 朱代希, 李又福 申请人:四川省达科特能源科技有限公司