一种低浓度煤层气高效分离提纯方法技术

本发明专利技术属于工业气体分离提纯领域，具体为一种低浓度煤层气高效分离提纯的方法，该方法采用两段变压吸附流程，第一段采用加压后通过抽空变压吸附工艺浓缩CH4，脱除大部分N2和O2，第二段通过置换变压吸附工艺提浓CH4，得到甲烷浓度≥90％的产品。该方法在确保安全稳定的前提下可以得到甲烷浓度≥90％的产品，并且甲烷综合收率≥90％。烷综合收率≥90％。烷综合收率≥90％。

【技术实现步骤摘要】
一种低浓度煤层气高效分离提纯方法


[0001]本专利技术属于工业气体分离提纯领域，涉及煤化工、天然气化工及其它领域中的气体分离提纯技术，具体为一种低浓度煤层气高效分离提纯方法。

技术介绍

[0002]中国煤层气储量与天然气储量相当，居世界第三，深埋2000m以内的煤层气地质资源量约36.8万亿m3，煤层气作为最现实可靠的天然气补充引起重视。由于甲烷爆炸极限在5
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15％，煤矿安全规程要求，浓度在30％以下(低浓煤层气)煤层气不能利用。几乎所有的煤矿都将甲烷浓度低于30％的煤层气直接放空排入大气层。而我国70％以上的煤层气是甲烷浓度在30％以下的低浓度煤层气。
[0003]变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)气体分离提纯技术利用气体组分在吸附剂上的平衡吸附容量和吸附速率等吸附特性的差异以及吸附容量随压力变化的特性，通过周期性的压力变化实现吸附和解吸过程的交替进行，从而实现气体的分离或提纯，属于物理过程，在常温下即可实现。
[0004]常规变压吸附分离甲烷和氮气多使用可燃性碳质吸附剂，由于煤层气中氧含量较高，在生产中这类碳质吸附剂容易在床层局部升温而被引燃，带来严重的安全隐患。煤层气的提浓，尤其是低浓度煤层气的提纯一直存在着较大难度。
[0005]煤层气组分主要为CH4、N2、O2，是CH4与空气的混合气体。使用变压吸附技术提纯CH4的吸附剂可选择活性炭、碳分子筛、分子筛等吸附剂，由于在提纯的过程中，吸附塔内与吸附剂接触的是可燃、可爆气体，而碳基吸附剂都有助燃作用，沸石分子筛有阻燃作用。在原料气不含O2时，用于分离CH4和N2可以选择碳基吸附剂。由于煤层气中含有O2，出于安全考虑，吸附剂选择具有阻燃性质的沸石分子筛。
[0006]在沸石分子筛吸附剂中，普通5A分子筛的CH4平衡吸附量约为16.91ml/g，但CH4‑
N2分离因子仅为1.5，可以用于分离CH4与N2，但CH4浓度和收率都不理想，不具备可行性，因此需要研发新的分子筛吸附剂。

技术实现思路

[0007]针对现有低浓度煤层气提纯甲烷技术的缺陷和不足，本专利技术的专利技术目的是提供了一种低浓度煤层气中甲烷的高效分离提纯方法，该方法在确保安全稳定的前提下可以得到甲烷浓度≥90％的产品，并且甲烷综合收率≥90％。
[0008]为了实现以上技术效果，本专利技术的具体技术方案为：
[0009]一种低浓度煤层气高效分离提纯方法，该方法采用两段变压吸附流程，第一段采用加压后通过抽空变压吸附工艺浓缩CH4，脱除大部分N2和O2，第二段通过置换变压吸附工艺提浓CH4，得到甲烷浓度≥90％的产品。
[0010]作为本申请中一种较好的实施方式，所述两段变压吸附的具体方法为：第一段在低压下通过变压吸附脱除部分氧和氮，吸附的甲烷通过抽空解吸，得到的浓缩气不在爆炸
极限内，可保证压缩安全；然后经过压缩进入第二段变压吸附再提浓，通过置换工艺提浓吸附塔内甲烷纯度，最后通过抽空得到甲烷浓度≥90％的产品；置换废气返回第一段PSA入口，提高甲烷收率，甲烷综合收率≥90％。
[0011]作为本申请中一种较好的实施方式，第一段变压吸附采用3个及3个以上吸附塔数组成的连续运转的变压吸附系统，每个吸附塔在一次循环中依次经历吸附(A)、多次压力均降(EiD)、逆向放压(D)、抽真空(V)、多次压力均升(EiR)及最终升压(FR)等步骤。在低压下通过变压吸附脱除部分氧和氮，吸附的甲烷通过抽空解吸，得到的半产品浓缩气纯度不在爆炸极限内，可保证压缩安全。
[0012]作为本申请中一种较好的实施方式，所述第一段变压吸附的吸附压力为0.05～0.4MPa(G)，变压吸附的操作温度为5～60℃。
[0013]作为本申请中一种较好的实施方式，所述第二段变压吸附采用3个及3个以上吸附塔数组成的连续运转变压吸附系统，每个吸附塔在一次循环中依次经历吸附(A)、多次压力均降(EiD)、置换(RP)、逆向放压(D)、抽真空(V)、多次压力均升(EiR)及最终升压(FR)等步骤。通过置换工艺提高吸附塔内甲烷浓度，最后通过抽空得到甲烷浓度≥90％的产品。置换废气返回第一段PSA原料气压缩机入口提高甲烷收率，使甲烷综合收率≥90％。
[0014]作为本申请中一种较好的实施方式，第二段变压吸附的吸附压力为0.2～2.0MPa(G)，变压吸附的操作温度为5～60℃。
[0015]作为本申请中一种较好的实施方式，第一段和第二段变压吸附中所采用的吸附剂为CH4/N2的分离系数接近4的吸附剂，这种吸附剂为非碳质的分子筛类吸附剂，具有很好的疏水性和阻燃性，可以有效解决分离提纯过程中煤层气所含饱和水对吸附剂性能的影响，及分离过程中气体组分易燃易爆的问题，确保系统安全稳定。
[0016]作为本申请中一种较好的实施方式，以上所述吸附剂的制备方法为：将氢氧化钠、四丙级氢氧化铵、硅溶胶和去离子水混合，室温搅拌老化后，装入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热处理，冷却后去离子水充分洗涤后过滤，干燥后在空气氛围中焙烧，即得。
[0017]作为本申请中一种较好的实施方式，氢氧化钠、四丙级氢氧化铵、硅溶胶和去离子的摩尔比为1∶35～46∶20～30∶600～800，其中硅溶胶以二氧化硅计。
[0018]作为本申请中一种较好的实施方式，老化时间为5小时；水热处理的条件为，温度150～200℃，水热处理时间为12
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24h。
[0019]作为本申请中一种较好的实施方式，去离子水洗涤次数为3次；干燥条件为80℃，24小时。
[0020]作为本申请中一种较好的实施方式，焙烧条件为500～700℃，24小时。
[0021]作为本申请中一种较好的实施方式，两段变压吸附中的吸附废气、置换废气、半产品气和产品气的甲烷含量均不在爆炸极限内。
[0022]作为本申请中一种较好的实施方式，本专利技术适用于变压吸附气体分离提纯煤层气中CH4领域。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的积极效果体现在：
[0024](一)、通过使用疏水性吸附剂，解决分离提纯过程中煤层气所含饱和水对吸附剂性能的影响，确保分离性能稳定。
[0025](二)、通过使用阻燃性非碳分子筛类吸附剂，在设备、管道内不增设抑爆材料的情
况下，解决了分离过程中气体组分易燃易爆的问题，确保系统安全稳定。
[0026](三)、通过使用CH4/N2、CH4/O2高分离系数的吸附剂，得到高纯度的产品天然气。
[0027](四)、通过使用两段法变压吸附流程，第一段加压后通过抽空变压吸附工艺浓缩CH4，脱除大部分N2和O2，第二段通过置换变压吸附工艺提浓CH4，得到CH4纯度≥90％的产品。
[0028](五)、通过第二段部分废气加压返回提高CH4收率，系统综合收率≥90％。
[0029](六)、通过使用两段变压吸附工艺，变压吸附系统的吸附废气(富氮气)、置换废气、半产品气和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低浓度煤层气高效分离提纯方法，其特征在于该方法采用两段变压吸附流程，第一段采用加压后通过抽空变压吸附工艺浓缩CH4，脱除大部分N2和O2，第二段通过置换变压吸附工艺提浓CH4，得到甲烷浓度≥90％的产品。2.如权利要求1所述的低浓度煤层气高效分离提纯方法，其特征在于所述两段变压吸附的具体方法为：第一段在低压下通过变压吸附脱除部分氧和氮，吸附的甲烷通过抽空解吸，得到的浓缩气不在爆炸极限内，可保证压缩安全；然后经过压缩进入第二段变压吸附再提浓，通过置换工艺提浓吸附塔内甲烷纯度，最后通过抽空得到甲烷浓度≥90％的产品；置换废气返回第一段PSA入口，提高甲烷收率，甲烷综合收率≥90％。3.如权利要求1或2所述的低浓度煤层气高效分离提纯方法，其特征在于：第一段变压吸附采用3个及3个以上吸附塔数组成的连续运转的变压吸附系统，每个吸附塔在一次循环中依次经历吸附、多次压力均降、逆向放压、抽真空、多次压力均升及最终升压步骤。4.如权利要求1或2所述的低浓度煤层气高效分离提纯方法，其特征在于：所述第二段变压吸附采用3个及3个以上吸附塔数组成的连续运转变压吸附系统，每个吸附塔在一次循环中依次经历吸附、多次压力均降、置换、逆向放压、抽真空、多次压力均升及最终升压步骤。5.如权利要求3所述的低浓度煤层气高效分离提纯方法，其特征在于：所述第一段变压吸附的吸附压力为0.05～0.4MPa(G)，变压...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴巍，李克兵，陈健，李晋平，杨江峰，张崇海，党凯，郑建川，冯良兴，
申请(专利权)人：西南化工研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：