专利名称：低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓甲烷工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将较低甲烷浓度的煤矿瓦斯提浓为较高甲烷浓度甲烷气的变压吸附工艺。
背景技术：
煤矿瓦斯的主要成分是甲烷、同时还含有一定量氮气、氧气、水、二氧化碳等，其中最有利用价值的是甲烷。我国是煤炭蕴藏和生产大国，煤矿瓦斯蕴藏量十分丰富，开发利用好煤矿瓦斯是国家的一项基本能源战略。为了利用好煤炭瓦斯，也为了减少煤炭开采过程中瓦斯对安全生产造成的危害，国家对利用煤矿瓦斯提出了 “先抽后采、能抽尽抽、以用促抽”的方针。但由于甲烷浓度范围在5 16%的低浓度瓦斯具有爆炸危险，处于安全考虑，国家《煤矿安全规程》规定，煤矿抽采瓦斯利用时，甲烷浓度不得低于30%。目前每年全国 瓦斯抽采量超过100亿m3。在抽采出的煤矿瓦斯中，占总量超过70%的瓦斯是浓度低于30 %的低浓度瓦斯，这部分瓦斯抽采出来后不能被直接燃烧利用，不得不外排大气，这不但造成宝贵资源的浪费，由于甲烷的温室效应相当于二氧化碳的21倍，直排大气会对环境造成显著的不利影响。中国专利CN101096606A提出了一种低浓度煤矿瓦斯常压提浓方法，提浓工艺过程为吸附、一次均压降、抽真空，采用2 5个吸附床，吸附床内装填有2 3中高效的甲烷吸附剂。具体工艺过程主要包括，将来自煤矿瓦斯抽取设备的低浓度瓦斯气在常温和< 0. 05MPa(G)压力下进行吸附分离，从吸附床出口得到甲烷含量小于5%的放空气体；然后进行一次均压降；接着对吸附床进行抽真空，得到最高浓度达到60%的甲烷气。该专利提出的方法是一种常温、常压下吸附、真空下脱附，既不需要将原料气压缩升压，也不需要用产品甲烷气回流置换的低浓度瓦斯变压吸附提浓方法。但该工艺方法存在一些不足之处。首先，该工艺方法中吸附床完成吸附步骤后只进行一次均压降就接着进行抽真空回收甲烷气，势必造成吸附床内死空间存留和吸附剂上吸附的相当量的氮气等不易吸附组分未被排出，结果是难以获得更高浓度的甲烷气；其次，该工艺方法中只采用2 5个吸附床，很难安排多床吸附工艺，这不利于提高实际工业装置的处理规模。一般低浓度煤矿瓦斯提浓装置要求的处理规模都比较大，大规模处理装置要求处理量在2000 10000Nm3/h，甚至更高，只有2 5座吸附床的变压吸附提浓工艺很难满足这样的规模要求。
发明内容
本发明的目的是提出一种提浓低浓度煤矿瓦斯，以获得较高甲烷浓度甲烷气的变压吸附工艺。本发明的另一个目的是提出一种适合于较大规模处理装置的提浓低浓度煤矿瓦斯的变压吸附工艺。本发明的目的是这样实现的，采用常压吸附真空脱附的变压吸附工艺处理低浓度煤矿瓦斯，工艺中包含4座及4座以上数量的吸附床，任何时候至少有I座吸附床处于吸附步骤，任何时候至少有I座吸附床处于抽真空步骤或真空清洗步骤，每座吸附床依次经历以下操作步骤a.吸附步骤一将煤层抽放设备排出的较低甲烷浓度的煤矿瓦斯自吸附床入口引入吸附床，在常温、常压下经过吸附床过程中，瓦斯中的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分被吸附床内装填的吸附剂吸附下来，瓦斯中的氮气、氧气等不易吸附组分则穿过吸附床作为净化气从吸附床出口排出，当吸附床的吸附前沿即将穿透吸附床时，停止吸附；b.降压浓缩步骤一将吸附床压力逐步降至第一真空压力，排出低甲烷浓度的富氮氧气体，使吸附床内的甲烷得到浓缩；c.降压释放步骤一将吸附床与处于步骤e的吸附床连通，使吸附床压力逐步降至第二真空压力，使吸附床内的甲烷得到进一步浓缩，降压过程中释放出的气体作为步骤e的清洗气； d.抽真空步骤一从吸附床入口侧用抽真空设备对吸附床进行抽真空，使吸附床压力逐步降至第三真空压力，将吸附在吸附床上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分逐步脱附下来，从抽真空设备出口得到较高甲烷浓度的甲烷气；e.真空清洗步骤一将吸附床出口与处于步骤c的吸附床连通，在继续对吸附床进行抽真空的同时，用清洗气对吸附床进行逆向真空清洗，使吸附床压力逐步降至第四真空压力，利用抽真空设备降低总压和清洗气降低分压的共同作用，进一步将吸附在吸附床上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分脱附下来，从抽真空设备出口继续得到较高甲烷浓度的甲烷气；f.均压升步骤一将吸附床出口与其它较高操作压力的处于均压降步骤的吸附床或其它中间罐连通，使吸附床得到部分升压；g.终充步骤一将步骤a的净化气从吸附床出口引入吸附床，将吸附床充压至常压吸附压力；h.循环步骤a 步骤g。本发明所说的低浓度煤矿瓦斯，或称为低浓度煤层气，主要指的是煤矿瓦斯抽采设备抽放出的主要成分甲烷、氮气、氧气、水分、二氧化碳等组分，其中甲烷浓度范围为I 60%的低浓度煤矿瓦斯，尤其是因爆炸危险原因难以被直接利用的甲烷浓度范围为5 40%的低浓度煤矿瓦斯；或其它组成和甲烷浓度范围与煤矿瓦斯相似的混合气体。本发明的吸附步骤是在常温常压下进行的。这里说的常压指的是煤矿瓦斯抽放设备出口的略高于大气压的气体压力，通常在100 160kPa(A)，这个压力足以使原料气体克服床层阻力降穿过吸附床并最终排入大气，而不必利用其它专门的升压设备将抽放设备出口气体进行进一步的升压。所说的常温指的是抽放设备出口气体的温度，通常在10 40。°C左右。根据本发明人的研究，适合本发明变压吸附提浓低浓度煤矿瓦斯工艺的吸附剂是活性炭或/和分子筛；为有效脱除低浓度煤矿瓦斯中的水分和二氧化碳，也可在吸附床进口端装填一定量的硅胶或活性氧化铝，吸附床其余部分装填活性炭或/和分子筛。吸附步骤结束后，通过降压浓缩步骤降低吸附床压力，排出吸附床内死空间内存留的和吸附剂上吸附的富氮氧气体，以浓缩吸附床内的甲烷。本发明人对低浓度甲烷气脱附过程进行了初步试验研究，以低甲烷浓度的甲烷和氮气的混合气体为进料气，吸附床常压吸附饱和后，停止吸附，降低吸附床压力，分析排出的富氮氧气体的甲烷浓度。试验结果显示，随着压力的降低，排出气体的甲烷浓度逐渐升高；降压过程初期，排出气体的甲烷浓度相对较低，浓度升高的速度也比较缓慢，当降压至一定压力时，排出气体甲烷浓度开始以较快速度升高。试验结果还显示，不同甲烷浓度的进料气，常压饱和吸附后，降压过程排出气体甲烷浓度开始快速升高的压力也是不同的。进料气甲烷浓度越高，排出气体甲烷浓度开始快速升高的压力也越高。本发明人将降压浓缩步骤b结束时吸附床的压力定义为第一真空压力。降压浓缩步骤可以选择性地采用以下两个优选方案。 优选方案一将吸附床与其它均压升步骤的吸附床或其它中间罐连通，经I 5次均压降分步骤，将吸附床降压至第一真空压力，排出吸附床内的富氮氧气体。优选方案二 由I 3次均压降分步骤和抽真空返回分步骤组成。就是先将吸附床与其它均压升步骤的吸附床或其它中间罐连通，经I 3次均压降分步骤，排出部分富氮氧气体；接着进行抽真空返回分步骤操作，就是用抽真空返回设备对吸附床进行抽真空，使吸附床降压至第一真空压力，将抽真空设备出口的富氮氧气体排入进料线与原料气混合。第一真空压力的范围随原料气甲烷浓度和要求得到的产品甲烷气甲烷浓度而变化。根据初步试验研究，优选的第一真空压力的范围为15 60kPa(A)。本发明将降压释放步骤c结束时吸附床的压力定义为第二真空压力，同样，第二真空压力的范围也随原料气甲烷浓度和要求得到的产品甲烷气甲烷浓度而变化。根据初步试验研究，优选的第二吸附压力的范围为10 50kPa(A)。抽真空步骤d的主要目的是通过抽真空设备提供的负压，将大部分吸附在吸附剂上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分脱附下来，从抽真空设备出口得到较高甲烷浓度的甲烷气。抽真空步骤结束时吸附床的压力被称为第三真空压力。第三真空压力越低，得到的甲烷气甲烷浓度越高，吸附床再生得越彻底，但抽真空设备的负荷也越大。优选的第三真空压力范围为5 25kPa(A)。真空清洗步骤e是在抽真空设备继续对吸附床进行抽真空的同时，用降压释放步骤排出的甲烷浓度相对较低的清洗气对吸附床进行逆向真空清洗，以获得吸附床内更低的 甲烷分压，进一步将吸附在吸附床上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分脱附下来，是吸附剂得到更彻底的再生。抽真空清洗步骤结束时吸附床的压力被称为第四真空压力。优选的第四真空压力范围为3 20kPa(A)。抽真空步骤和真空清洗步骤至少包含一个连续进行抽真空操作的一阶抽真空系统；当变压吸附装置处理规模比较大，或抽真空压力要求比较低时，抽真空系统的负荷往往较大，造成抽真空设备、抽真空系统管线和阀门的尺寸也随之增大，这时可以采用两个或两个以上连续进行抽真空操作的多阶抽真空系统。在上述低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓甲烷工艺中，任何时候至少有I座吸附床处于吸附步骤，以便保证连续处理低浓度煤矿瓦斯。当处理规模比较大时，可能会有2座甚至2座以上的吸附床同时处于吸附步骤。同时为充分利用抽真空设备的能力，任何时候也有至少I座吸附床处于抽真空步骤或真空清洗步骤。除了处于吸附步骤的至少I座吸附床和处于抽真空或真空清洗步骤的至少I座吸附床外，其它至少有2座吸附床处于降压浓缩步骤、降压释放步骤、均压升步骤、充压步骤等步骤。因此，本发明工艺中包含至少4座吸附床。
正是由于本发明采用了较充分排出富氮氧气体的降压浓缩步骤，使吸附床中的甲烷得到浓缩，和利用相对较低甲烷浓度的清洗气的分压作用，既提高了回收清洗气部分的甲烷浓度，又使吸附剂上吸附的甲烷得到更彻底的脱附，使吸附床得到更好的再生。其结果是一方面能够获得较高甲烷浓度的甲烷气，另一方面能够有效降低吸附后排放净化气的甲烷浓度。同时，正是由于本发明工艺中可以采用多座吸附床同时吸附和多阶抽真空工艺，使得较大规模提浓低浓度煤矿瓦斯的变压吸附装置得以实现。以下结合附图和实施例对本发明所说的低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓甲烷工艺做进一步说明。需要强调的是，下述实施例只是为了帮助更好地理解本发明，不能被理解为是对本发明权利要求的限制。
图I是6-1-3-1低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓工艺流程示意图。图2是5-1-2-1带抽真空返回的低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓工艺流程示意图。 图3是8-2-3-2较大规模的低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓工艺流程示意图。
具体实施例方式实施例I图I所示的是6-1-3-1低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓工艺流程示意图。
代表的意义是，流程中包括6座吸附床，其中有I座处于吸附步骤，包含3次均压，I阶抽真空系统。来自煤矿瓦斯抽放设备的低浓度瓦斯，甲烷浓度20%，流量3000Nm3/h，温度30°C，压力150kPa(A)，沿箭头(I)所示的方向进入变压吸附提浓装置。装置内设有6座编号分别为A、B、C、D、E、F的吸附床，吸附床下层装填的是硅胶，上层装填的是活性炭。表-I是吸附床工作时序表表-I实施例I吸附床工作时序表
~Tl~2~\~3 I 4 I~5~\~&~\~7 I 8 I~9~\~Io~|~u]~YZ
A A A Id~~2D3DDPV VP 3R~~2R IR~~FR~
~ ~Ir~~FRA A Id~~2D 3D~~DPV VP 3R~~W C 3R~~2R Ir~~FR~~A A ID~~2D3DDPV VF D V VP3R2R IR~~FR~~A A ID2D~~3D~~W E 3D~~DPV VP~~3R~~2R IRFR~~A A ID~~2D~
F ID2D 3DDP~~V VP 3R2R IRFR~~A ~表中A-吸附步骤；1D_ —均降步骤；2D_ 二均降步骤；3D_三均降步骤；DP_降压释放步骤；V-抽真空步骤；VP-真空清洗步骤；3R-三均升步骤；2R- 二均升步骤；1R_ —均升步骤；FR-终充步骤。整个变压吸附周期分为12个时段。以下以A吸附床为例解释整个变压吸附工艺过程。假设第I、第2时段，吸附床(A)处于吸附步骤(A)。这时，吸附床(A)进口阀门(VIA)和出口阀门(V3A)打开，其余阀门关闭(以下未说明打开的阀门即是关闭的阀门)，进料瓦斯从吸附床入口引入吸附床，在穿过吸附床过程中，其中吸附力较强的甲烷、水、二氧化碳等易吸附组分被吸附剂吸附下来，吸附力较弱的氮气、氧气等不易吸附组分则穿过吸附床，作为净化气从吸附床(A)出口排入大气。当吸附床吸附的甲烷吸附前沿接近出口时，根据设定吸附时间参数切换操作，对吸附床(A)进行下面的再生操作。整个吸附过程中吸附床(A)排出净化气的平均甲烷浓度为4%左右。第3 第5时段，吸附床(A)处于降压浓缩步骤。本实施例的降压浓缩步骤采用优选方案一的工艺，由3次均压降分步骤构成。首先进行第3时段的一均降(1D)，打开阀门 (V4A)和阀门(V4C)，将吸附床(A)与处于一均升的吸附床C连通，使吸附床(A)实现一均降；然后进行第4时段的二均降(2D)，打开阀门(V4A)和阀门(V4D)，将吸附床(A)与处于二均升的吸附床(D)连通，使吸附床(A)实现二均降；接着进行第5时段的三均降(3D)，打开阀门(V5A)和阀门(V5E)，将吸附床(A)与处于三均升的吸附床(E)连通，使吸附床(A)实现三均降。经过上述3次均压降后，吸附床压力降至35kPa(A)左右的第一真空压力。第6时段，吸附床(A)处于降压释放步骤(DP)。打开阀门(V5A)和阀门(V6F)，将吸附床(A)与处于真空清洗步骤的吸附床(F)连通，阀门(V8)是一个手动限量阀门，用此阀可以手动调整清洗气量和降压释放步骤结束时的吸附床压力，即第二真空压力。本实施例降压释放步骤结束时的吸附床压力为30kPa(A)左右。第7时段，吸附床(A)处于抽真空步骤(V)。打开阀门(V2A)，用真空泵⑷对吸附床(A)进行抽真空，将吸附床压力抽真空至15kPa(A)左右的第三真空压力。抽真空过程中，随着压力的降低，吸附剂上吸附的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分逐步被脱附下来，得到浓度较高的甲烷气经真空泵升压后沿箭头(3)所示的方向排入气柜(图中未画出)。第8时段，吸附床(A)处于真空清洗步骤(VP)。打开阀门(V6A)和阀门(V5B)，在真空泵(4)对吸附床(A)继续抽真空的同时，用吸附床(B)排出的清洗气经阀门(V5B)、阀门(V8)和阀门(V6A)对吸附床进行逆向真空清洗，使吸附床压力逐步降至IOkPa(A)左右的第四真空压力。真空清洗步骤真空泵出口得到的浓度较高的甲烷气也排入气柜回收。本实施例中，抽真空步骤和真空清洗步骤得到的混合甲烷气平均甲烷浓度在55%以上。第9 第11时段，吸附床(A)处于均压升步骤。本实施例的3次均压升步骤分别对应其它吸附床的3次均压降步骤。首先进行第9时段的三均升(3R)，打开阀门(V5A)和阀门(V5C)，将吸附床(A)与处于三均降的吸附床C连通，使吸附床(A)实现三均升；然后进行第10时段的二均升(2R)，打开阀门(V4A)和阀门(V4D)，将吸附床(A)与处于二均降的吸附床(D)连通，使吸附床(A)实现二均升；接着进行第11时段的一均升(IR)，打开阀门(V4A)和阀门(V4E)，将吸附床(A)与处于一均降的吸附床(E)连通，使吸附床(A)实现一均升。第12时段，吸附床(A)处于终充步骤(FR)。打开阀门(V3A)，用排放的净化气将吸附床(A)充压至大气压。至此，吸附床(A) —个吸附周期结束，接着循环进入下一个吸附周期。吸附床⑶、吸附床(C)、吸附床(D)、吸附床(E)、吸附床(F)也以相同的方式，在PLC的逻辑控制下，按照表-I所示的时序步骤依次切换操作，实现整个吸附脱附过程的连续。实施例2图2所示的是5-1-2-1带抽真空返回的低浓度煤矿瓦斯变压吸附提浓工艺流程示意图。代表的意义是，流程中包括5座吸附床，其中有I座处于吸附步骤，包含2次均压，I阶抽真空系统。来自煤矿瓦斯抽放设备的低浓度瓦斯，甲烷浓度15%，流量2000Nm3/h，温度30°C， 压力150kPa(A)，沿箭头(I)所示的方向进入变压吸附提浓装置。装置内设有5座编号分别为A、B、C、D、E的吸附床，吸附床内装填的是活性炭。表-2是吸附床工作时序表表-2实施例2吸附床工作时序表
权利要求
1.一种常压吸附真空脱附提浓低浓度煤矿瓦斯的变压吸附工艺，其特征在于包含4座及4座以上数量的吸附床，任何时候至少有I座吸附床处于吸附步骤，任何时候至少有I座吸附床处于抽真空步骤或真空清洗步骤，每座吸附床依次经历以下操作步骤 a.吸附步骤——将煤层抽放设备排出的较低甲烷浓度的煤矿瓦斯自吸附床入口引入吸附床，在常温、常压下经过吸附床过程中，瓦斯中的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分被吸附床内装填的吸附剂吸附下来，瓦斯中的氮气、氧气等不易吸附组分则穿过吸附床作为净化气从吸附床出口排出，当吸附床的吸附前沿即将穿透吸附床时，停止吸附； b.降压浓缩步骤一将吸附床压力逐步降至第一真空压力，排出低甲烷浓度的富氮氧气体，使吸附床内的甲烷得到浓缩； c.降压释放步骤一将吸附床与处于步骤e的吸附床连通，使吸附床压力逐步降至第二真空压力，使吸附床内的甲烷得到进一步浓缩，降压过程中释放出的气体作为步骤e的清洗气； d.抽真空步骤——从吸附床入口侧用抽真空设备对吸附床进行抽真空，使吸附床压力逐步降至第三真空压力，将吸附在吸附床上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分逐步脱附下来，从抽真空设备出口得到较高甲烷浓度的甲烷气； e.真空清洗步骤一将吸附床出口与处于步骤c的吸附床连通，在继续对吸附床进行抽真空的同时，用清洗气对吸附床进行逆向真空清洗，使吸附床压力逐步降至第四真空压力，利用抽真空设备降低总压和清洗气降低分压的共同作用，进一步将吸附在吸附床上的甲烷、水分、二氧化碳等易吸附组分脱附下来，从抽真空设备出口继续得到较高甲烷浓度的甲烷气； f.均压升步骤一将吸附床出口与其它较高操作压力的处于均压降步骤的吸附床或其它中间罐连通，使吸附床得到部分升压； g.终充步骤一将步骤a的净化气从吸附床出口引入吸附床，将吸附床充压至常压吸附压力； h.循环步骤a 步骤g。
2.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于低浓度煤矿瓦斯的甲烷浓度范围是I 60%。
3.根据权利要求I和2所述的工艺流程，其特征在于低浓度煤矿瓦斯的甲烷浓度范围是5 40%。
4.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于吸附床进料气体压力为100 160kPa (A)(绝)，温度为 10 40°C。
5.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于吸附床内装填的吸附剂是活性炭或/和分子筛，或硅胶或活性氧化铝与活性炭或/和分子筛的复合床。
6.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于降压浓缩步骤具体工艺是将吸附床与其它均压升步骤的吸附床或其它中间罐连通，经I 5次均压降分步骤，将吸附床降压至第一真空压力，排出吸附床内的富氮氧气体。
7.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于降压浓缩步骤具体工艺是先将吸附床与其它均压升步骤的吸附床或其它中间罐连通，经I 3次均压降分步骤，排出部分富氮氧气体；接着进行抽真空返回分步骤操作，用抽真空返回设备对吸附床进行抽真空，使吸附床降压至第一真空压力，将抽真空设备出口的富氮氧气体排入进料线与原料气混合。
8.根据权利要求1、6、7所述的工艺流程，其特征在于第一真空压力范围是15 60kPa ⑷。
9.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于第二真空压力范围是10 50kPa(A)。
10.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于第三真空压力范围是5 25kPa(A)。
11.根据权利要求I所述的工艺流程，其特征在于第四真空压力范围是3 20kPa(A)。
全文摘要
一种常压吸附真空脱附提浓低浓度煤矿瓦斯的变压吸附工艺。包含4座及4座以上数量的吸附床，任何时候至少有1座吸附床处于吸附步骤，任何时候至少有1座吸附床处于抽真空步骤或真空清洗步骤，每座吸附床依次经历吸附、降压浓缩、降压释放、抽真空、真空清洗、均压升和终充等步骤。该工艺可以将20％左右甲烷浓度的低浓度煤矿瓦斯提浓得到60％以上甲烷浓度的甲烷气，并适合大规模提浓低浓度煤矿瓦斯。
文档编号B01D53/047GK102728179SQ20121024657
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者张国瑞 申请人:北京信诺海博石化科技发展有限公司