一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统，该方法可经两级提浓工艺将低浓度瓦斯气的甲烷浓度提高到92％以上，用于生产天然气。在第一级低压下基于吸附动力学选择性的甲烷富集阶段，氧气和部分氮气被吸附剂吸附，从塔顶游离气中得到超低含氧量和较高甲烷浓度的甲烷中间产品气，为后续加压提浓提供了安全保障和良好的初始甲烷浓度条件；在二级提浓工艺中，甲烷中间产品气加压后进入基于吸附平衡选择性吸附甲烷的吸附塔内，通过抽真空步骤从塔底获得高浓度甲烷产品气，未被吸附的氮气从塔顶流出，收集后可用作煤矿防灭火。本方法安全性好，分离成本低，且能使低浓度瓦斯利用率达到100％。使低浓度瓦斯利用率达到100％。使低浓度瓦斯利用率达到100％。

【技术实现步骤摘要】
一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统


[0001]本专利技术涉及低浓度瓦斯气提纯领域，具体涉及一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统。

技术介绍

[0002]煤矿瓦斯(煤层气)是一种重要的非常规天然气资源，我国2000m以浅的煤矿瓦斯资源量达到36.8万亿m3，每年瓦斯抽采量约180亿m3。然而，由于我国煤层透气性差，导致地面瓦斯抽采效果较差，目前约70％的抽采瓦斯来源于煤矿井下抽采。井下煤矿采掘活动在煤层内造成大量漏风裂隙，因此井下抽采瓦斯的甲烷浓度普遍较低(<30vol％)。低浓度瓦斯热值小且具有爆炸危险性，因此利用困难，目前井下抽采瓦斯的利用率不足40％，大量瓦斯被直接排放到大气中，造成了巨大的能源浪费和大气温室效应。将低浓度瓦斯提纯为甲烷浓度高于92％的天然气，将显著提升煤矿瓦斯的经济价值，提高瓦斯利用率，对于促进瓦斯抽采、保障煤矿安全、增加清洁能源供应和减少温室气体排放等均具有重要意义。
[0003]变压吸附(PSA)是目前最为实用的低浓度瓦斯提纯技术。已有相关专利提出通过多级变压吸附提高甲烷提浓效果，相关专利的多级变压吸附均是基于吸附平衡选择性原理，将甲烷作为强吸附组分，高甲烷浓度的产品气在解吸阶段获得；另外各级吸附均是在高压下进行的。如CN101596391A在2009年12月9日公开的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”和CN102380285A在2012年3月21日公开的“多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置”。以上多级变压吸附技术存在明显的技术缺陷：(1)低浓度瓦斯原料气中甲烷浓度很低，氧气和氮气浓度高，采用基于吸附平衡的变压吸附技术时氧气、氮气可与甲烷发生竞争吸附导致甲烷吸附量减少；(2)需要对具有爆炸危险性的含氧低浓度瓦斯进行压缩，压缩过程产生的高温火源可能引爆含氧瓦斯气体，安全性较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一是提供一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，安全性好，提纯的甲烷浓度高。
[0005]本专利技术的目的之二是提供实施上述方法的低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一方面，本专利技术提供一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，采用两级不同原理的变压吸附提纯甲烷工艺：第一级甲烷提浓基于吸附动力学原理，一类吸附剂在低压下选择性吸附分子动力学直径较小的氧气和氮气，从游离气相中得到氧气浓度小于2％的保证压缩安全的甲烷中间产品气，该甲烷中间产品气经过加压后进入第二级甲烷提纯过程，抽真空使一类吸附剂解吸获得高浓度氧气；第二级甲烷提浓基于吸附平衡原理，二类吸附剂在高压下选择性吸附平衡吸附量较大的甲烷，排出游离气为甲烷浓度低于0.2％的氮气，通过抽真空得到甲烷浓度高于92％的天然气。
[0008]作为本专利技术的优选方案，所述第一级甲烷提浓的工艺至少包括两个一级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、抽真空、均压升和终升压五个流程：
[0009]a.吸附
[0010]来自煤矿抽采的干燥后低浓度瓦斯气在相对压力2kPa～20kPa的低压下从底部进入一级吸附塔Ⅰ内，氧气和部分氮气被优先吸附在一类吸附剂上，富集后的甲烷从塔顶流出作为甲烷中间产品气；
[0011]b.均压降
[0012]吸附过程完成后，塔内较高压力的气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入到已经抽真空解吸的一级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；
[0013]c.抽真空
[0014]均压降过程完成后，从一级吸附塔Ⅰ底部抽真空至相对压力
‑
50kPa～
‑
80kPa，将吸附在一类吸附剂上的氧气和氮气抽出，使得一类吸附剂再生，并获得高浓度氧气；
[0015]d.均压升
[0016]抽真空过程完成后，刚完成吸附过程的较高压力一级吸附塔Ⅱ内气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入一级吸附塔Ⅰ，对一级吸附塔Ⅰ进行升压；
[0017]e.终升压
[0018]均压升过程完成后，低浓度瓦斯原料气从底部进入一级吸附塔Ⅰ，将一级吸附塔Ⅰ升压至相对压力2kPa～20kPa。
[0019]作为本专利技术的优选方案，所述第二级甲烷提浓的工艺至少包括三个二级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、顺向减压、产品气置换、抽真空、均压升和终升压七个流程：
[0020]a.吸附
[0021]来自第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气经过加压至相对压力0.2MPa～1MPa后进入二级吸附塔Ⅰ内，甲烷被优先吸附在二类吸附剂上，塔内未被吸附的高浓度氮气从塔顶流出；
[0022]b.均压降
[0023]吸附过程完成后，将塔内较高压力的气体逆着吸附阶段进气方向从底部流入到已经抽真空解吸的二级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；
[0024]c.顺向减压
[0025]均压降过程完成后，顺着吸附阶段进气方向二级吸附塔Ⅰ继续减压，减压流出气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；
[0026]d.产品气置换
[0027]顺向减压过程完成后，顺着吸附阶段进气方向通入一部分产品气置换掉残余在塔内的游离气体，置换出的气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；
[0028]e.抽真空
[0029]置换过程完成后，从吸附阶段吸附塔进气口抽真空至相对压力
‑
50kPa～
‑
80kPa，将吸附在二类吸附剂上的甲烷抽出，使得吸附剂再生，获得超高浓度甲烷产品气；
[0030]f.均压升
[0031]抽真空过程完成后，刚完成吸附过程的二级吸附塔Ⅱ内较高压力气体逆着吸附阶段进气方向流出，从底部进入二级吸附塔Ⅰ，对二级吸附塔Ⅰ进行升压；
[0032]g.终升压
[0033]均压升过程完成后，用第一级中间产品气顺着吸附阶段进气方向将二级吸附塔Ⅰ升压至相对压力0.2MPa～1MPa。
[0034]作为本专利技术的进一步优选，一级和二级提浓的吸附时间为80s～180s，均压时间为30s～120s，抽真空时间为30s～180s。
[0035]作为本专利技术的进一步优选，所述第一级甲烷提浓、第二级甲烷提浓工艺中所用的吸附塔的高度与直径之比的范围为2:1～5:1。
[0036]作为本专利技术的进一步优选，所述一类吸附剂为选择性吸附低浓度瓦斯中氧气和氮气的吸附剂，如碳分子筛、斜发沸石等。
[0037]作为本专利技术的进一步优选，所述二类吸附剂为选择性吸附低浓度瓦斯中甲烷的吸附剂，如活性炭、离子液沸石等。
[0038]另一方面，本专利技术还提供一种实施上述方法的低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统，包括两级甲烷提浓子系统，一级提浓子系统包括至少两个并联的一级吸附塔Ⅰ～一级吸附塔Ⅱ、中间产品气缓冲罐、一级水环真空泵和高浓度氧气储罐，二级提浓子系统包括至少三个并联的二级吸附塔Ⅰ～二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，其特征在于，采用两级不同原理的变压吸附提纯甲烷工艺：第一级甲烷提浓基于吸附动力学原理，一类吸附剂在低压下选择性吸附分子动力学直径较小的氧气和氮气，从游离气相中得到氧气浓度小于2％的保证压缩安全的甲烷中间产品气，该甲烷中间产品气经过加压后进入第二级甲烷提纯过程，抽真空使一类吸附剂解吸获得高浓度氧气；第二级甲烷提浓基于吸附平衡原理，二类吸附剂在高压下选择性吸附平衡吸附量较大的甲烷，排出游离气为甲烷浓度低于0.2％的氮气，通过抽真空得到甲烷浓度高于92％的天然气。2.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，其特征在于，所述第一级甲烷提浓的工艺至少包括两个一级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、抽真空、均压升和终升压五个流程：a.吸附来自煤矿抽采的干燥后低浓度瓦斯气在相对压力2kPa～20kPa的低压下从底部进入一级吸附塔Ⅰ内，氧气和部分氮气被优先吸附在一类吸附剂上，富集后的甲烷从塔顶流出作为甲烷中间产品气；b.均压降吸附过程完成后，塔内较高压力的气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入到已经抽真空解吸的一级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；c.抽真空均压降过程完成后，从一级吸附塔Ⅰ底部抽真空至相对压力
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50kPa～
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80kPa，将吸附在一类吸附剂上的氧气和氮气抽出，使得一类吸附剂再生，并获得高浓度氧气；d.均压升抽真空过程完成后，刚完成吸附过程的较高压力一级吸附塔Ⅱ内气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入一级吸附塔Ⅰ，对一级吸附塔Ⅰ进行升压；e.终升压均压升过程完成后，低浓度瓦斯原料气从底部进入一级吸附塔Ⅰ，将一级吸附塔Ⅰ升压至相对压力2kPa～20kPa。3.根据权利要求1所述的一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，其特征在于，所述第二级甲烷提浓的工艺至少包括三个二级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、顺向减压、产品气置换、抽真空、均压升和终升压七个流程：a.吸附来自第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气经过加压至相对压力0.2MPa～1MPa后进入二级吸附塔Ⅰ内，甲烷被优先吸附在二类吸附剂上，塔内未被吸附的高浓度氮气从塔顶流出；b.均压降吸附过程完成后，将塔内较高压力的气体逆着吸附阶段进气方向从底部流入到已经抽真空解吸的二级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；c.顺向减压均压降过程完成后，顺着吸附阶段进气方向二级吸附塔Ⅰ继续减压，减压流出气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；
d.产品气置换顺向减压过程完成后，顺着吸附阶段进气方向通入一部分产品气置换掉残余在塔内的游离气体，置换出的气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；e.抽真空置换过程完成后，从吸附阶段二级吸附塔Ⅰ进气口抽真空至相对压力
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50kPa～
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80kPa，将吸附在二类吸附剂上的甲烷抽出，使得吸附剂再生，获得超高浓度甲烷产品气；f.均压升抽真空过程完成后，刚完成吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫鑫，周福宝，凌意瀚，刘宏，蔡莲，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：