一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，将低浓度瓦斯进入压缩机1加压后进入变压吸附I提浓，变压吸附I和III的吸附废气进入变压吸附II回收氮气，氮气返回压缩机1进口，变压吸附I提浓的甲烷混合气经增压后进入变压吸附III提浓，变压吸附III后的甲烷混合气一部分脱氧制得产品气，另一部分作为置换气分别进入变压吸附I和III或先进入变压吸附III再进入变压吸附I，置换废气进入压缩机1的进口，变压吸附I和III的顺放气分别进入各自的已再生的塔中回收氮气。本发明还公开了一种相应的利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统。本发明方法使得吸附过程中氧含量始终保持小于爆炸允许氧含量，安全，功耗低，回收率高。
【专利说明】一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及低浓度瓦斯提浓的技术，尤其是一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法和系统。
【背景技术】
[0002]随着城市化的发展，我国天然气消费量年增长率维持在10%以上，2013年我国常规天然气产量1147亿立方米，表观消费量达到1676亿立方米，进口量同比大增25 %，达到530亿立方米，全年天然气对外依存度达到31.6%。预计2020年我国天然气消费量增加到3000亿立方米，届时约有50%依赖进口。另一方面，我国煤层气资源量达到36.8万亿立方米，与常规天然气储量相当，可作为天然气的重要补充。
[0003]我国每年因采煤向大气中排放的瓦斯折纯甲烷达到300亿立方米以上，而利用率不足10%，造成严重的资源浪费和环境污染。采煤工作面及其回风流中的瓦斯主要来源于三个方面(梁能，“采煤工作面瓦斯抽采技术的应用”，科技与企业，2012年9月):(1)采煤工作面新暴露出的煤壁内的瓦斯涌出；(2)采煤工作面新采落下来的煤炭中散发出来的瓦斯；(3)采空区内存余浮煤中解吸出来的瓦斯。
[0004]煤矿排放瓦斯主要为采空区抽排的低浓度瓦斯，目前最常用的采煤工作面采空区抽采方法有密闭抽采法和回采采空区插(埋)管抽采法两种。密闭抽采法抽出的瓦斯浓度可达25~60%，而回采采空区插(埋)管抽采法抽出的瓦斯浓度一般只有10~25%，但因其简单易行、成本低而成为目前主要的抽采方法，如内蒙古某煤矿2013年全年大泵系统平均瓦斯抽排流量为8772.4Nm3/h，平均甲烷浓度为18.57%,甲烷最高浓度21.71%，最低
15.72% ;小泵系统2013年全年平均瓦斯抽排量为276.8Nm3/h，平均甲烷浓度为6.5%，最高甲烷浓度11.7%，最低3.2%。
[0005]常温常压下甲烷的爆炸极限为5-15%，为保证安全，在瓦斯抽排及管路输送时需要不间断的喷水-水分离-喷水，操作过程复杂。目前甲烷浓度低于30%的低浓度瓦斯主要直接排入大气，或者用于发电，低浓度瓦斯直接发电效率太低，研究表明，将煤矿抽排的低浓度瓦斯提浓制成压缩天然气才能得到更广泛的应用。
[0006]中国发明专利CN85103557B “用变压吸附法富集矿井区瓦斯气中甲烷”公开了一种变压吸附提浓瓦斯的方法，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，随着甲烷被吸附富集也会穿过甲烷的爆炸极限区，因而未得到推广和应用。
[0007] 瓦斯爆炸必须具备3个条件:一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气。氧气的存在是促成爆炸链式反应的根源，当氧浓度降至某一极限值之下时，链式反应便不会发生。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 (I) 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))。根据“化肥安全技术手册”(原化学工业部化肥司主持，吴泾化学联合公司，南京化学工业公司编，1983年第一版)的图1.1 一12,氢、一氧化碳、甲烧和氮、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，氧气浓度其临界点为氧含量12.3%。
[0008]中国发明专利申请CN103205297A“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”和CN103212273A “一种利用变压吸附法浓缩低浓度矿井区煤层气中甲烷的方法”利用这一技术原理，在瓦斯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，解决了低浓度瓦斯提浓过程的安全性问题。
[0009]然而，针对上述发明申请发现，当原料瓦斯中甲烷浓度很低时(例如瓦斯浓度为15% )，为降低进入变压吸附中的氧含量，通常要求加入的氮气量达到原料气量的75%以上，而原料瓦斯中原有氮气浓度本身低于70%，而变压吸附制氮存在一定的收率，这时就需要增加空分制氮，从而增加了投资和能耗，经济效益下降。另一方面，加当入大量氮气后，进变压吸附混合气中甲烷浓度低于10%，而氮气浓度高于80%，甲烷和氮气在各吸附剂上分离系数低，为尽可能提高产品甲烷浓度，流程设置上会较为复杂，使得能耗增加。
【发明内容】
[0010]针对以上问题，本发明的目的之一是针对低浓度瓦斯提供一种功耗小、收率高的利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法。
[0011]一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，采用三段变压吸附和一段脱氧，包括:
[0012](I)将低浓度瓦斯经压缩机加压至0.2-0.4MPa后进入变压吸附I提浓至甲烷的体积百分含量为30-40% ；
[0013](2)变压吸附I的吸附废气进入变压吸附II回收氮气，氮气返回进入步骤⑴的加压步骤，变压吸附I的顺放气进入变压吸附I已再生的塔中回收氮气；
[0014](3)变压吸附I提浓的甲烷混合气经增压至0.4-0.6MPa后进入变压吸附III提浓至甲烷的体积百分含量90%以上；
[0015](4)变压吸附III后的甲烷混合气经一级增压后一部分气体进行脱氧，经冷却和气水分离后，再经加压得到产品气，另一部分气体作为置换气先进入变压吸附III再进入变压吸附I或者另一部分气体再分为两股气作为置换气分别进入变压吸附I和III，置换废气返回进入步骤(1)的加压步骤；
[0016](5)变压吸附III的吸附废气进入变压吸附II回收氮气，氮气返回进入步骤(1)的加压步骤，变压吸附III的顺放气进入变压吸附III已再生的塔中回收氮气，所有吸附过程中氧含量小于爆炸允许氧含量下限。
[0017]其中，在步骤(4)中，变压吸附III后的甲烷混合气分为两部分，一部分进行脱氧、冷却、气水分离及加压后得到产品气，该产品气为符合国家二级标准的压缩天然气，另一部分气体作为置换气，该置换气可以有两种走向，第一种走向是该置换气进入变压吸附III，变压吸附III的置换废气进入变压吸附I，变压吸附I的置换废气最后返回进入步骤(1)的加压步骤；该置换气的另一种走向是分为两股气体分别进入变压吸附I和III，变压吸附I和变压吸附III的置换废气再分别返回进入步骤(1)的加压步骤，上述置换气的置换比优选为1-2:1。
[0018]其中，在以上变压吸附的任一周期内，每个吸附塔都要经历吸附、均压降、顺放、置换、逆放、抽空、均压升、充压等步骤。
[0019]其中，变压吸附I和变压吸附III均采用抽真空方法从吸附相中得到提浓的甲烷混合气。
[0020]其中，步骤(4)的脱氧采用在催化剂的作用下，利用甲烷与氧气的燃烧反应来实现脱氧，脱氧后气体中的氧含量低于0.1 %。
[0021]其中，上述低浓度瓦斯中甲烷的体积百分含量为15% -30%，通过向原料瓦斯中混入变压吸附II的产品氮气，以及置换废气，在置换比1-2的情况下，在稀释原料瓦斯中的氧含量的同时，还可提高甲烷浓度。各吸附剂对吸附质的吸附量与吸附质的分压正相关，因此，提高进变压吸附I的甲烷浓度，对提浓甲烷是十分有利的。
[0022]变压吸附I吸附后的吸附废气直接进入变压吸附II回收氮气，由于甲烷已经被分离，进变压吸附II的进气中的氮气体积百分含量得以提高，这对提高氮气回收率是有利的，可增加氮气的产量，回收的氮气返回原料气压缩机的进口，变压吸附II的吸附废气作为富氧气排入界外。
[0023]其中，在上述方法开工时，利用变压吸附II制备氮气(如开启变压吸附II空气制氮)，与低浓度瓦斯混合使得混合气的氧含量小于爆炸极限下限。
[0024]变压吸附通常多塔操作，在任一时刻，至少总有一个塔在吸附，一个塔再生完全，变压吸附I (PSAI)的顺放气进入PSAI已再生的塔中回收氮气，这样在无需增压的情况下就可回收顺放气中的氮气和少量甲烷。
[0025]变压吸附I的吸附相经抽空解析，甲烷浓度提高到30%~40%，经增压到
0.4MPa~0.6MPa(G)后进入变压吸附III，变压吸附III的吸附废气进入变压吸附II进口用于回收氮气，与变压吸附I的顺放气相似，变压吸附III(PSAIII)的顺放气进入PSAIII已再生的塔中回收氮气和少量甲烷。
[0026]具体地，上述方法中的步骤(3)和⑷中，变压吸附III的吸附相经抽空解析，甲烷浓度提高到90%以上，再经一级增压后分为两部分气分别进行脱氧和作为置换气，进入脱氧的一部分气体与作为置换气的另一部分的分配比例为1-2:1。
[0027]第一部分气体进入脱氧系统，该脱氧系统优选在催化剂作用下，甲烷与氧气发生反应而达到脱氧的目的。催化剂只要求具有一定的活性，能催化甲烷与氧发生燃烧反应生成水和二氧化碳即可。由于催化燃烧反应需要在一定的起燃温度下进行，为降低能耗，优选采用贵金属催化剂，气体经压缩后，温度通常在100°C以上，直接进入脱氧反应器，无需再加热。催化剂的选用可选用目前国内催化剂行业中已工业应用的钯触媒脱氧催化剂(西南化工研究设计院有限公司生产的CAN-561)，也可采用国内外其它企业生产的可用于可燃气体与氧气发生反应的贵金属脱氧催化剂，催化燃烧反应优选在100~200°C下进行。优选的，催化脱氧后的高温气体可用来预热脱氧进气，再经冷却和气水分离，加压到21MPa后作为压缩天然气产品输出。
[0028] 第二部分气体作为置换气，该置换气可以选择有两种方式进行处理，第一种方式是置换气进入变压吸附III置换出床层内死空间的吸附废气，以提高产品甲烷浓度，置换比优选在1-2之间，变压吸附III的置换废气进入变压吸附I，置换出变压吸附I床层内死空间的吸附废气，变压吸附I的置换废气再进入步骤(1)的加压进口(原料压缩机进口)与原料瓦斯、氮气混合，经混合后氧气浓度得以降到小于爆炸极限下限，优选在12%以下，而甲烷的体积百分浓度提高1% _9%，采用两次置换，减少置换压缩机数量，降低能耗，同时使工艺流程设置更加简便，置换废气经一步即可回收，提高甲烷收率。第二种方式是置换气再分为两股，分别进入变压吸附I和变压吸附III，置换出床层内死空间的吸附废气，提高甲烷浓度，置换比优选在1-2之间，变压吸附I和变压吸附III的置换废气再进入步骤(1)的加压进口(原料压缩机进口)与原料瓦斯、氮气混合，经混合后氧气浓度得以降到小于爆炸极限下限，优选在12%以下，而甲烷的体积百分浓度提高1% -9%，采用该方式，可避免两段变压吸附置换步骤时序相冲突，置换相对独立。
[0029]其中，上述第二种方式将置换气分为两股分别进入变压吸附I和变压吸附III时，进入变压吸附I的气体与进入变压吸附III的气体的比例为1-2:1，其中优选更多的置换气进入变压吸附I。
[0030]低浓度瓦斯提浓后，不论是深冷分离还是加压制CNG，压力都需大幅提升，而变压吸附通常难以将氧气脱除到0.5%以下，如制压缩天然气(CNG)则需加压到20MPa以上，少量氧气的仍存在安全隐患，因此，需要增加脱氧步骤。
[0031]本发明的目的之二是提供利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统，针对上述步骤
(4)中的置换气的两种处理方式，本发明提供的利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统也有两种相应的系统。
[0032]一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统，包括三个变压吸附系统和脱氧系统，所述压缩机I与变压吸附系统I相连，所述变压吸附系统I与变压吸附系统II相连，所述变压吸附系统I通过压缩机2与变压吸附系统III相连，所述变压吸附系统III通过压缩机3与脱氧系统相连，脱氧系统依次与冷却器、气水分离器、和压缩机4相连，变压吸附系统II的氮气出口与压缩机I的进口相连，压缩机3的置换气出口与变压吸附系统III相连，变压吸附系统III的置换废气出口与变压吸附系统I相连，变压吸附系统I的置换废气出口与压缩机I的入口相连，变压吸附系统III的吸附废气出口与变压吸附系统II相连，变压吸附系统I的顺放气出口与变压吸附系统I的再生塔入口相连，变压吸附系统III的顺放气出口与变压吸附系统III的再生塔入口相连。
[0033]另一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统，包括三个变压吸附系统和脱氧系统，所述压缩机I与变压吸附系统I相连，所述变压吸附系统I与变压吸附系统II相连，所述变压吸附系统I通过压缩机2与变压吸附系统III相连，所述变压吸附系统III通过压缩机3与脱氧系统相连，脱氧系统依次与冷却器、气水分离器、和压缩机4相连，变压吸附系统II的氮气出口与压缩机I的进口相连，压缩机3的置换气出口分别与变压吸附系统I和变压吸附III相连，变压吸附系统I和III的置换废气出口与压缩机I的入口相连，变压吸附系统III的吸附废气出口与变压吸附系统II相连，变压吸附系统I的顺放气出口与变压吸附系统I的再生塔入口相连，变压吸附系统III的顺放气出口与变压吸附系统III的再生塔入口相连。
[0034] 变压吸附分离提浓气体的优势是在常温下操作，但因不断的升压降压造成功耗浪费。本工艺充分利用了变压吸附1、变压吸附II和变压吸附III压缩后的气体压力以及变压吸附I和变压吸附III的顺放气压力，变压吸附I和变压吸附III的吸附废气压力高，直接进入变压吸附II回收氮气，变压吸附II回收的氮气压力仍较高，直接进入原料压缩机进口，变压吸附I和变压吸附III的顺放气直接进入各自再生后的吸附塔，在均升吸附塔的同时顺放气得以回收。出变压吸附III的气体经一级压缩后分成两股，一部分进脱氧装置，另一股作为置换气，使置换或脱氧增压耦合在一台压缩机的一级压缩出口即可完成，减少了压缩机数量，降低了能耗，经脱氧后的气体压力因克服系统阻力有所降低，但压缩功耗损失较小，尔后直接进入二级压缩，本工艺整个过程的压缩功耗得以充分利用。
[0035]采用本发明的方法，原料低浓度瓦斯进入界区，出口只在两处排除气体，一是在变压吸附II处有一股富氧吸附废气排除，另一股是作为产品压缩天然气输出，因此，本发明的方法的甲烷回收率高、安全环保。
[0036]本发明方法使吸附过程中氧含量始终保持小于爆炸允许氧含量下限，本发明方法过程均在甲烷爆炸极限外进行，解决了系统性的安全问题。
[0037]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0038](I)提高了系统运行的安全性，使变压吸附技术分离提纯低浓度瓦斯中的甲烷得以实施；
[0039](2)整个方法过程中的压缩机的功耗均得到充分利用；
[0040](3)除产品气外，整个系统中仅有一处排出废气，甲烷的回收率高；
[0041](4)利用变压吸附提浓甲烷装置的未吸附气作为氮气的气源，无需配置其它制氮
装置；
[0042](5)可以将产品压缩天然气中的氧降至很低的水平(低于0.1% )。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0044]图1是实施例1的方法工艺流程图。
[0045]图2是实施例2的方法工艺流程图。
【具体实施方式】
[0046]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0047]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0048]实施例1
[0049]表1低浓度瓦斯组分
[0050]
【权利要求】
1.一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，包括: (1)将低浓度瓦斯加压至0.2-0.4MPa后进入变压吸附I提浓至甲烷的体积百分含量为30-40% ； (2)变压吸附I的吸附废气进入变压吸附II回收氮气，氮气返回进入步骤(1)的加压步骤，变压吸附I的顺放气进入变压吸附I已再生的塔中回收氮气； (3)变压吸附I提浓的甲烷混合气经增压至0.4-0.6MPa后进入变压吸附III提浓至甲烷的体积百分含量90%以上； (4)变压吸附III后的甲烷混合气经一级增压后一部分气体进行脱氧，经冷却和气水分离后，再经加压得到产品气，另一部分气体作为置换气先进入变压吸附III再进入变压吸附I或者另一部分气体再分为两股气作为置换气分别进入变压吸附I和III，置换废气返回进入步骤(1)的加压步骤； (5)变压吸附III的吸附废气进入变压吸附II回收氮气，氮气返回进入步骤(1)的加压步骤，变压吸附III的顺放气进入变压吸附III已再生的塔中回收氮气，所有吸附过程中氧含量小于爆炸允许氧含量下限。
2.如权利要求1所述的一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，所述低浓度瓦斯中甲烷的体积百分含量为15% -30%。
3.如权利要求1所述的一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，脱氧后的高温气体用于预热脱氧进气。
4.如权利要求1所述的一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，步骤(4)中甲烷混合气分成两部分，所述进行脱氧的一部分气体与作为置换气的另一部分气体的比例为1-2:1。
5.如权利要求1或4所述的一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，所述步骤(4)中将作为置换气的另一部分气体分成两股气分别进入变压吸附I和III，所述进入变压吸附I和III的两股气的比例为1-2:1。
6.如权利要求1所述的一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的方法，其特征在于，在开工时利用变压吸附II制备氮气，与低浓度瓦斯混合使得混合气的氧含量小于爆炸极限下限。
7.一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统，其特征在于，包括三个变压吸附系统和脱氧系统，所述压缩机I与变压吸附系统I相连，所述变压吸附系统I与变压吸附系统II相连，所述变压吸附系统I通过压缩机2与变压吸附系统III相连，所述变压吸附系统III通过压缩机3与脱氧系统相连，脱氧系统依次与冷却器、气水分离器、和压缩机4相连，变压吸附系统II的氮气出口与压缩机I的进口相连，压缩机3的置换气出口与变压吸附系统III相连，变压吸附系统III的置换废气出口与变压吸附系统I相连，变压吸附系统I的置换废气出口与压缩机I的入口相连，变压吸附系统III的吸附废气出口与变压吸附系统II相连，变压吸附系统I的顺放气出口与变压吸附系统I的再生塔入口相连，变压吸附系统III的顺放气出口与变压吸附系统III的再生塔入口相连。
8.一种利用低浓度瓦斯制压缩天然气的系统，其特征在于，包括三个变压吸附系统和脱氧系统，所述压缩机I与变压吸附系统I相连，所述变压吸附系统I与变压吸附系统II相连，所述变压吸附系统I通过压缩机2与变压吸附系统III相连，所述变压吸附系统III通过压缩机3与脱氧系统相连，脱氧系统依次与冷却器、气水分离器、和压缩机4相连，变压吸附系统II的氮气出口与压缩机I的进口相连，压缩机3的置换气出口分别与变压吸附系统I和变压吸附系统III相连，变压吸附系统I和III的置换废气出口与压缩机I的入口相连，变压吸附系统III的吸附废气出口与变压吸附系统II相连，变压吸附系统I的顺放气出口与变压吸附系统I的再生塔入口相连，变压吸附系统III的顺放气出口与变压吸附系统III的再生塔入口 相连。
【文档编号】C10L3/10GK104004560SQ201410271598
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】陈耀壮, 李洁, 谭平华, 熊国炎, 王磊, 赖崇伟, 雷菊梅, 赵英 申请人:西南化工研究设计院有限公司