技术领域本发明属于煤气脱氧领域，具体涉及一种固定床煤层气非催化脱氧装置及方法。
背景技术：
煤层气，俗称煤矿瓦斯，是与煤伴生、共生的气体资源，主要成分为甲烷，另外还含有一定量的二氧化碳、氮气和氧气等成分，是非常规天然气。煤层气具有易爆特性，是造成煤矿井下事故的主要原因。实际上，煤层气也是一种热值高无污染的能源，可用于发电、工业、化工等各行业，也可直接用于居民生活。甲烷是一种温室气体，其温室效应是二氧化碳的20倍以上，如果能合理利用煤层气，可以弥补能源短缺，且煤层气回收利用还有利于环境保护。按照甲烷含量的不同，煤层气可分为高甲烷含量(>80％)的气体，中甲烷含量(30％～80％)的气体和低甲烷浓度(<30％)的气体。对于高甲烷浓度气体，其使用率已经接近100％，而对于中低甲烷浓度的气体，由于其中存在的氧气和氮气导致了安全性和分离经济效益的问题，尤其是其中氧气的存在导致的安全性问题，已经成为制约中低甲烷浓度煤层气利用的瓶颈。目前，煤层气脱氧的方法主要有：焦炭燃烧法（ZL02113627.0，CN1919986A）和催化脱氧法（ZL02113628.9，CN101139239A）。焦炭脱氧工艺是将煤层气通过反应装置中炽热的焦炭或无烟煤层，让煤层气中的氧气与焦炭或煤层反应从而达到脱氧的目的。中国专利CN1919986A公开了一种煤层气焦炭脱氧工艺：在该脱氧过程中，循环了部分脱氧冷却后的煤层气到脱氧前的煤层气中，可将进入脱氧反应器的煤层气的氧含量调节至5%~9%。这个工艺虽较好的控制了反应温度，除去了煤层气的氧、降低脱氧过程中爆炸的可能性，且最大限度的减少甲烷裂解，但该工艺采用焦炭作燃料能耗高，反应温度偏高。催化脱氧工艺是在催化剂的作用下，氧与甲烷反应从而脱除氧。甲烷与氧反应是强放热反应，在反应过程中氧含量愈高，设备温升愈大。如含10％氧的煤层气一次通过反应，煤层气温度将高达1000℃以上，使大量的甲烷裂解，造成甲烷损失。因此，如何移走反应过程中放出的大量的热并控制催化剂床层温度在相对较低的水平以减少副反应的发生，是该催化脱氧工艺的关键所在。此外利用CH4消除煤层气中的氧气，会损失煤层气中的甲烷。煤在隔绝空气的条件下加热时，煤进行热解反应，其热解过程大致分为三个阶段：第一阶段：室温~400℃，此阶段为干燥脱气阶段，主要是脱水和脱气（CH4、CO2、N2）；第二阶段：400℃~550℃，此阶段以解聚和分解为主，约450℃时排出大量焦油，在450~550℃时排出大量气体，且煤形成半焦；第三阶段：550℃~1150℃，此阶段为二次排气阶段，这一阶段半焦形成焦炭，挥发出的气体中H2（60~65%）、CH4（20~30%）和少量C的氧化物。中国专利CN101914402B公布了一种固定床煤层气脱氧方法及其装置。该专利中的装置的炉体侧壁增加了水夹套，能很好的控制炉内的温度；炉体下部采用水封装置，防止煤层气从装置底部的溢出；该专利中的工艺采用回流一部分脱氧冷却后的煤层气至脱氧前的煤层气中，很好地调节了脱氧煤层气中的氧含量；但该专利的装置和工艺仍有不足：水夹套的冷却效果不是很好，炉内的温度并不均匀，炉体中心的温度还可能会过高，造成甲烷裂解损耗；该专利中的另一个不足：利用该装置进行煤层气非催化脱氧过程中脱氧燃料消耗量大，煤热解过程产生大量的H2，为后续处理带来分离困难的难题，且设备投资高。现有的固定床装置多是为煤气化而设计的，用于煤层气非催化脱氧有一些不足：1）高径比较大，气体在炉内停留时间长，造成甲烷损耗严重；2）装置是绝热的，没有冷却措施，不能及时将装置中过多的热量移走，导致反应器内温度过高，进而甲烷大量裂解，损耗严重；3）脱氧燃料消耗量大，煤热解过程中产生大量的H2，后续分离困难，设备投资高。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种固定床煤层气非催化脱氧装置及方法，利用该装置进行煤层气脱氧，煤层气分上下两路进入炉体内，煤层气处理量大，且可有效控制脱氧温度，使煤层气中氧含量降至0.5%以下，且能最大限度的减少甲烷裂解，使甲烷的损耗在5%以下。本发明提供了一种固定床煤层气非催化脱氧装置，包括固定床脱氧炉，其特征在于：所述固定床脱氧炉为圆筒状结构，且炉顶和炉底为锥形，脱氧炉顶部设有煤料进料筒，底部设有灰渣焦炭出口，脱氧炉的侧壁和锥形炉顶壁外侧设有水夹套，所述锥形炉顶壁上的水夹套上部通过管道与汽包的进气口相连，脱氧炉侧壁的水夹套底部与汽包出气口连接；在脱氧炉内部炉体上方设有环形煤层气气管和喷水管。脱氧炉内由上到下依次有煤层气气管、喷水管、煤料分布器、搅拌器、旋转炉篦，搅拌器固定在分布器上，随分布器转动而转动，炉篦上设有刮刀；脱氧炉上分别设有煤层气上部入口和煤层气下部入口，煤层气上部入口与脱氧炉内部的煤层气气管连接，煤层气气管上设有气孔，煤层气下部入口与炉篦底部相通；喷水管在煤层气气管下面，与汽包连接，喷水管上设有喷水口。所述锥形炉顶设有脱氧后煤层气出口；脱氧后煤层气出口依次连接旋风除尘器、冷却塔，冷却塔的液体出口连接离心分离器，离心分离器设有焦油出口和水出口，水出口连接汽包，冷却塔的气体出口连接低温冷却分离装置，富甲烷出气体出口管通过循环管与煤层气进气管道连接。上述装置中，所述汽包上部设有排气孔，汽包与水夹套形成一个循环。上述装置中，所述固定床脱氧炉炉体的高径比为1.5~3.5；所述高度为炉体中部竖直部分的高度，所述直径为炉体中部的内径。上述装置中，所述循环管上设有循环气调节阀、循环气流量计和循环气压缩机；煤层气进气管道上依次设有阻火器、压力传感器、超压截断阀、进气调压阀、防止煤层气倒流的止回阀及煤层气流量计；所述煤层气上部入口和煤层气下部入口之间设有煤层气进气支管，支管上设有支路煤层气调节阀和支路煤层气流量计。上述装置中，所述煤层气气管包括一条环形管，环形管内部设置若干条径向管，环形管连接煤层气上部入口，径向管一端与环形管相通，另一端焊接在煤料进料筒上，煤层气气管上的气孔个数根据实际需要设置，气孔越多，气体分布越均匀。本发明提供了一种固定床煤层气非催化脱氧方法，采用上述装置实施，包括以下步骤：将煤料加入到脱氧炉中，煤层气经煤层气进气管道上的阻火器，压力传感器、超压截断阀、进气调压阀、防止煤层气倒流的止回阀及煤层气流量计后，由煤层气上部入口和煤层气下部入口进入炉体内与煤料进行脱氧反应，控制管路，反应完毕后气体经旋风除尘器、冷却塔和低温冷却分离装置后由富甲烷气出口排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程的灰渣或焦炭由所述炉篦排出；脱氧反应过程产生的水和焦油由离心分离器分离，焦油收集，水循环进入汽包；在脱氧反应过程中，喷水口持续向炉体内的煤层上喷洒水，其喷水量及喷水速度根据脱氧后煤层气氧含量及炉内温度且由喷水调节阀调节。该装置中，根据炉体内的反应，将整个炉体自下而上划分为燃烧脱氧层、干馏脱氧层、气体缓冲区和还原脱氧层，实际上，这些区域没有严格的界限。煤层气气管到脱氧燃料分配器底部的这部分区域是气体缓冲区，下部上来的气体在此区域可充分混合，且由气体带上来的粉尘也可在此区域沉降。底部进入的煤层气通过灼热的煤料层，会发生如下反应：C+O2＝CO2ΔH＝-339.777kJ/mol(1)C+1/2O2＝COΔH＝-110.595kJ/mol(2)CO2+C＝2COΔH＝172.284kJ/mol(3)CH4+2O2＝CO2+2H2O(4)CH4+3/2O2＝CO+2H2O(5)其中，式(1)、(2)、(3)发生的反应在固定床脱氧炉中于450～1150℃进行，反应完毕可将煤层气中的氧脱至0.5％以下；在非催化燃烧除氧时，煤层气中的氧与煤生成的焦炭反应生成CO2和CO。底部煤层气中氧气消耗完时，随着温度的升高，甲烷会发生裂解反应CH4＝C+2H2，炉内气体中氢的含量逐渐增高；煤料热解也会挥发出含H2（60~65%）、CH4（20~30%）等的气体；炉体上部进入的煤层气利用下部甲烷裂解和煤的热解产生的H2来脱氧，反应如下：2H2+O2＝2H2O；煤热解释放出的CH4用于弥补高温下CH4裂解造成的损失，更有可能使脱氧后的最终的煤层气中甲烷含量增高；所述喷水管喷水的一个作用是根据需要向炉体内的煤层表面喷水，利用煤与水汽在高温下的水煤气反应生成的H2及CO与上部进入炉体内的煤层气中的氧反应，达到炉体上部煤层气脱氧的目的，另外，喷的水能降低炉内的温度，降低甲烷热解率。可能发生的反应如下：①C+H2O=CO+H2；②CO+O2=CO2；③H2+O2=H2O；该装置中，所述水夹套装置的作用是通过调节其中水流量达到控制所述除氧反应器炉体内除氧温度的目的，由于除氧温度较高，水夹套中会产生大量蒸汽，该蒸汽可通过汽包富集。所述汽包装置的作用除了富集蒸汽外，还为所述水夹套提供水。甲烷含量及氧含量不同的煤层气，其脱氧方法有所不同，氧含量较高的煤层气，应将反应气体的氧含量调至适宜范围再进行脱氧才能有效地将脱氧反应器内的反应温度控制在适宜温度范围，避免反应器内温度过高，煤层气中甲烷大量裂解，故本发明针对不同甲烷含量的煤层气，提供了两种不同的脱氧控制方法。上述方法中，当煤层气中甲烷的体积百分含量a为30%＜a≤80%时，应关闭循环管，控制管路的过程如下：关闭循环管上的循环气调节阀、循环气压缩机，打开进气调节阀、支路调节阀、喷水调节阀、循环水调节阀及离心分离器出口的水的开关。上述方法中，当煤层气中甲烷的体积百分含量a为a≤30%时，应打开循环管，控制管路的过程如下：打开循环管上的循环气调节阀、循环气压缩机，打开进气调节阀、支路调节阀、喷水调节阀、循环水调节阀及离心分离器出口的水的开关。上述方法中，所述汽包的进水管中水的温度为15~100℃；所述脱氧煤料选自焦型煤、半焦型煤、焦、气肥焦瘦中的至少一种，煤料的粒径为3-150mm，煤的优选粒径为5-30mm，焦的优选粒径为50-120mm；所述脱氧反应中，反应温度为450-1150℃，优选600-950℃，压力为4-10KPa，优选6-9KPa；所述煤层气的气流流速为0.1-0.3m/s，优选0.2-0.3m/s。煤层气支路的流量根据脱氧后煤层气中的氧含量并通过支路调节阀调节；循环煤层气的流量根据脱氧后煤层气中的氧含量并由循环气调节阀调节。上述脱氧方法中，通过控制所述汽包出水管中水的温度使所述脱氧反应的温度控制在450-1150℃。在脱氧反应过程中，使煤层气以较短的时间通过整个固定床反应器的炉体，能减少甲烷损耗量。该方法中，所述控制混合后的气体中氧含量为10-15％的方法为：控制所述脱氧冷却后的气体与作为原料气的脱氧之前的煤层气的体积比，这可以通过控制循环气流量计及煤层气流量计来控制循环比。本发明中所述煤层气分为两部分进入炉体内的方法，通过控制支路煤层气调节阀和支路煤层气流量计来控制煤层气上下流量比；所述脱氧燃料的加料量可根据具体选用的原料及其含碳量和煤层气中的氧含量，选用合适的用量。本发明提供的利用该装置进行煤层气脱氧的方法中，当原料气中甲烷含量小于或等于30％时，需采用循环方式将氧含量调节到适宜浓度再进行脱氧。本发明的有益效果：（1）本发明提供的煤层气脱氧装置，具有除氧彻底迅速、设备紧凑、投资消耗低、占地面积小、排污量少、操作方便等优点，在煤层气除氧领域具有很好的应用前景。（2）本发明通过调节煤层气支路的调节阀和流量计，可很好地控制底部进入的煤层气量和上部进入的煤层气量，能更快更彻底高效的处理煤层气，经济节时。（3）本发明通过调节脱氧反应器外面的水夹套中的水流量、循环部分脱氧冷却后的煤层气至脱氧前的煤层气中，调节进入脱氧反应器中反应气体的氧含量，有效地将脱氧反应器内温度控制在适宜温度范围内，避免反应器内温度过高、甲烷大量裂解，可有效地除去煤层气中的氧，使煤层气中氧含量降至0.5％以下。（4）本发明充分利用煤热解产生的H2、水与碳反应产生的H2来除氧，并且煤热解产生的CH4也富集到煤层气中，使甲烷含量损失小，还有可能使甲烷含量增加。（5）该方法应用范围广，投资消耗低，除氧彻底迅速，在煤层气除氧领域具有很好的应用前景。附图说明图1为本发明固定床煤层气非催化脱氧装置的结构示意图。图2为煤层气气管所在平面的俯视图。图3为喷水管所在平面的俯视图。图中：1为固定床脱氧炉，2为水夹套，3为旋风除尘器，4为冷却塔，5为离心分离器，6为汽包，7为循环管，8为喷水调节阀，9为循环水调节阀，10为低温冷却分离装置，11为循环气调节阀，12为循环气流量计，13为循环气压缩机，14为阻火器，15为压力传感器，16为超压截断阀，17为进气调节阀，18为止回阀，19为煤层气流量计，20为支路煤层气调节阀，21为支路煤层气流量计，22为喷水管，23为煤层气进气管道，24为富甲烷气出口管，25为刮刀，26为炉篦，27为煤料分布器，28为搅拌器，29为煤层气气管，30为煤层气进气支管，31为煤料进料筒，32为灰渣焦炭出口，33为排气孔，34为脱氧炉壁，35为水夹套外壁。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。首先对本发明提供的固定床煤层气非催化脱氧装置进行说明：如图1所示，一种固定床煤层气非催化脱氧装置，包括固定床脱氧炉1，所述固定床脱氧炉1为圆筒状结构，且炉顶和炉底为锥形，脱氧炉顶部设有煤料进料筒31，底部设有灰渣焦炭出口32，脱氧炉的侧壁和锥形炉顶壁外侧设有水夹套2，所述锥形炉顶壁上的水夹套上部通过管道与汽包6的进水口相连，脱氧炉侧壁的水夹套底部与汽包6的出水口连接；在脱氧炉内部设有环形喷水管22和环形煤层气气管29，喷水管22与汽包6连接；脱氧炉内由上到下依次有煤层气气管29、喷水管22、煤料分布器27、搅拌器28、旋转炉篦26，搅拌器28固定在煤料分布器27上，随分布器转动而转动，炉篦26上设有刮刀25；脱氧炉上分别设有煤层气上部入口和煤层气下部入口，煤层气上部入口与脱氧炉内部的煤层气气管29连接，煤层气气管29上设有气孔，煤层气下部入口与炉篦26底部相通；环形喷水管22在煤层气气管29的下方，喷水管22上设有喷水口；所述锥形炉顶设有脱氧后煤层气出口；脱氧后煤层气出口依次连接旋风除尘器3、冷却塔4，冷却塔4的液体出口连接离心分离器5，离心分离器5设有焦油出口和水出口，水出口连接汽包6，冷却塔4的气体出口连接低温冷却分离装置10；富甲烷气体出口管通过循环管7与煤层气进气管道23连接。上述装置中，所述汽包6上部设有排气孔33，汽包6与水夹套2形成一个循环。上述装置中，所述固定床脱氧炉炉体的高径比为1.5~3.5；所述高度为炉体中部竖直部分的高度，所述直径为炉体中部的内径。上述装置中，所述循环管7上设有循环气调节阀11、循环气流量计12和循环气压缩机13；煤层气进气管道23上依次设有阻火器14、压力传感器15、超压截断阀16、进气调压阀17、防止煤层气倒流的止回阀18及煤层气流量计19；所述煤层气上部入口和煤层气下部入口之间设有煤层气进气支管30，支管上设有支路煤层气调节阀20和支路煤层气流量计21。如图2所示，所述煤层气气管29包括一条环形管，环形管内部设置若干条径向管，环形管连接煤层气上部入口，径向管一端与环形管相通，另一端焊接在煤料进料筒上，煤层气气管的径向管的个数和径向管上的气孔个数根据实际需要设置；如图3所示，所述喷水管22设置在煤层气气管29下面，并紧挨煤层气气管29，喷水管22包括一条环形管，管上设有喷水口，喷水口个数根据实际需要设置，喷水口方向朝下且与炉壁夹角为30~60o；喷水管22由喷水调节阀8控制；水夹套的水流量由循环水调节阀9控制。以固定床脱氧炉的高径比为1.714（内径为3.5m，高为6m。此处所指高度是指脱氧炉中部竖直的部分，径为炉体的内径。)为例，说明具体的操作方法：实施例1：提供一种甲烷含量为30%以下的脱氧方法打开固定床煤层气非催化脱氧装置的循环气调节阀11、循环气压缩机13，进气调节阀17、支路调节阀20、喷水调节阀8、循环水调节阀9及离心分离器5分离出来的水的开关后，将粒径为50-120mm的焦炭加入到脱氧炉中，加料量为300kg/h，流量为5520Nm3/h（气体流速为0.2m/s）的煤层气经煤层气进气管道23上的阻火器14、压力传感器15、超压截断阀16、进气调压阀17、防止煤层气倒流的止回阀18及煤层气流量计19后，由炉篦26和上部进气口进入所属炉体内与煤料进行脱氧反应，反应完毕后气体经旋风除尘器3、冷却塔4和低温冷却分离装置10后由富甲烷气出口24排出，完成煤层气的脱氧；循环部分富甲烷气体经循环管7进入煤层气进气管道23中；脱氧反应过程的灰渣或焦炭由所述炉篦排出；脱氧反应过程产生的水和焦油在离心分离器5中离心分离，焦油收集，水循环进入汽包；原料气的煤层气中各组分名称及体积百分比如下：CO20.72％、O214.98％、N255.65％和CH428.65％，由煤层气出口24排出的煤层气中，各组分名称及体积百分比如下：H21.5％、CO29.89％、O20.29％、N255.76％、CH428.13％、CO4.43％。按照物料平衡方法计算脱氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为1.4％。实施例2：提供一种甲烷含量为30%~80%的脱氧方法关闭固定床煤层气非催化脱氧装置的循环气调节阀11、循环气压缩机13，打开进气调节阀17、支路调节阀20、喷水调节阀8、循环水调节阀9及离心分离器5分离出来的水的开关后，将粒径为3-50mm的肥煤加入到固定床脱氧炉1中，加料量为250kg/h，流量为5520Nm3/h(气流速度为0.2m/s)的煤层气经煤层气进气管道23上的阻火器14、压力传感器15、超压截断阀16、进气调压阀17、防止煤层气倒流的止回阀18及煤层气流量计19后，由炉篦26和上部进气口进入炉体内与煤料进行脱氧反应，反应完毕后气体经旋风除尘器3、冷却塔4和低温冷却分离装置10后由富甲烷气出口24排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程的灰渣或焦炭由所述炉篦排出；脱氧反应过程产生的水和焦油在离心分离器5中离心分离，焦油收集，水循环进入汽包；原料气的煤层气中各组分名称及体积百分比如下：CO20.55％、O211.55％、N242.9％和CH445％，由富甲烷气出口24排出的煤层气中，各组分名称及体积百分比如下：H20.7％、CO29.3％、O20.2％、N241.3％、CH443.1％、CO5.4％。按照物料平衡方法计算脱氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为0.5％。