一种低浓度瓦斯安全吸附富集的方法技术

本发明专利技术提供了一种低浓度瓦斯安全吸附富集的方法。它是通过变压吸附的方法，从解吸阶段获得产品气。为了保证吸附过程中的安全，吸附过程中甲烷和氧气同时被吸附，其体积分数保证在安全范围以内，其中甲烷体积分数低于５％，氧气体积分数低于９．４７％。本发明专利技术中吸附塔内使用吸附剂为主要吸附甲烷和主要吸附氧气的混合吸附剂。本发明专利技术中控制吸附压力在０．９ＭＰａ以内。本发明专利技术可以将抽放的煤矿低浓度瓦斯富集利用，同时可以减少温室气体的排放。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于变压吸附气体分离
，尤其是涉及一种低浓度瓦斯安全富集的方法，用于煤矿抽排瓦斯的安全富集与利用。
技术介绍
煤层气中甲烷的含量一般为20 45%，我国2000米以内的浅层煤层气资源量大 约为30万 35万亿立方米，与天然气的资源总量差不多，居世界第三位。目前，我国每年因 采煤排放的煤层气在130亿立方米以上，占世界采煤排放煤层气总量的1/3，居世界第一。 我国《煤矿安全规程》规定，煤层气利用时甲烷体积分数不得低于30%，体积分数低于25% 的煤层气不得利用。目前工业上往往采用焚烧销毁或者放散的办法处理甲烷体积分数低于 25%的煤层气，不仅浪费了大量的优质能源，而且造成了温室气体的排放。因此，如何将低 浓度的瓦斯气体分离提浓，已成为煤层气开发的重要问题。 瓦斯爆炸是煤矿的主要灾害之一。甲烷与氧气的体积分数在一定的范围内 具有爆炸性，国际上一般采用Coward三角形对可燃气体的爆炸范围进行判别。专利 200810101910. 3、200810101907. 1、200810101908. 6公开了图1所示的扩展后的甲烷爆 炸三角形示意图，图中将整个浓度范围划分为可爆炸区和不爆炸区。其中三角形L' NV' 内的区域为可以发生爆炸的区域，其中点V为临界爆炸点，其坐标为(5.18,9.47)。直线 NVV'为不同氧气体积分数下甲烷的爆炸上限，对应的甲烷和氧气体积分数关系为Y = 1. 181X。2-6. 0。直线L' LN为不同氧气体积分数下甲烷的爆炸下限，对应的甲烷和氧气体积 分数关系为Y = 5. 344-0. 0713X。2。 用深冷法分离煤层气可以获得体积分数为95%以上的甲烷气体。但深冷过程中需要对气体加高压，而甲烷在空气中的爆炸上限随着压力的增加而增加，当煤层气压力达 2.5Mpa时甲烷的爆炸上限提高到了 42.5%。为了保证分离过程的安全，深冷法分离瓦斯 时需要预先进行脱氧处理，而低浓度瓦斯中氧气的含量很高，氧气体积分数大于14. 7%，对 低浓度瓦斯气脱氧则需要增加大量的投资。中国专利200810101910. 3、200810101907. 1、 200810101908. 6公开了一种针对含氧煤层气深冷分离的方法，该分离方法控制甲烷、氧气、 氮气三元气体的体积分数和以及操作过程中的温度保证分离过程中始终位于爆炸三角形 之夕卜。深冷分离法操作过程比较复杂，设备投资和能耗都比较大，只有规模达到相当大的程 度后才适合使用。目前，深冷法在低浓度瓦斯分离方面尚未见到工业规模的应用实例。膜 分离工艺简单、操作方便、成本低廉、无二次污染，但膜分离的效果对制膜技术依赖性强，膜 本身可能存在易淤塞、易损坏、使用寿命短等问题，技术上还有较大的完善空间。在膜分离 方面，混合气体中涉及甲烷的大规模的膜分离工艺仍处于开发阶段，特别是CH4/N2体系在 膜分离方面还没有成功的报道。 变压吸附由于投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛的关注。 专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓縮煤矿瓦斯的技术，以活性炭为吸附剂，在吸附 压力为0. 5-1. OMPa的条件下可以将甲烷提浓到95%以上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1. 2万m3/天的浓縮工业试验装置，成功地将煤层气中 的CH4体积分数从30. 4%提高到63. 9%，增加置换步骤后，可进一步提高到99. 4%。由于 吸附压力大，且在吸附过程中存在安全隐患，该技术没有得到推广。低浓度瓦斯氧含量高， 变压吸附分离过程中使用单一吸附剂吸附瓦斯气体中任何一种气体都无法保证操作过程 中避开爆炸三角形，国内外对于低浓度瓦斯的富集都缺乏研究。本专利技术通过吸附剂混合的 方法，按比例的吸附混合气体，保证变压吸附分离过程的安全运行。
技术实现思路
为了解决变压吸附富集瓦斯过程中容易进入瓦斯爆炸极限的不足，本专利技术提供一 种低浓度瓦斯(甲烷体积分数小于30% )安全吸附富集的方法。该方法可以安全的将体积 分数为20%以上的低浓度瓦斯气体提浓到30%以上，且回收率超过80%。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种低浓度瓦斯安全吸附富集 的方法，通过真空变压吸附的方法实现低浓度瓦斯气体的富集。所述真空变压吸附方法中 吸附塔内装填的吸附剂为混合吸附剂。所述混合吸附剂为主要吸附氧气的吸附剂与主要吸 附甲烷气体的吸附剂。所述主要吸附氧气的吸附剂为碳分子筛、沸石分子筛及MOF(金属 有机骨架材料)，所述主要吸附甲烷的吸附剂为活性炭、沸石分子筛及MOF。所述混合吸附 吸附剂的混合比例为主要吸附氧气的吸附剂质量/主要吸附甲烷的吸附剂质量的范围为9 : i i : 2。 所述变压吸附工艺流程主要包括升压、吸附、均压、降压解吸、清洗五个步骤。所 述变压吸附工艺参数如下吸附压力控制在0. lMPa 0. 9MPa之内，降压解吸压力控制在 0. OlMPa 0. lMPa之内。所述变压吸附过程中，低浓度瓦斯气体在高压下流入吸附塔，混合 吸附剂按比例的吸附甲烷和氧气，未被吸附的气体从吸附塔的排气端流出。吸附过程中甲 烷体积分数和氧气体积分数在吸附传质区同时降低，气体从排气端流出时甲烷体积分数要 求保持在5%以下，氧气体积分数要求保持在9. 47%以下。 本专利技术的有益效果是 1)使用混合吸附剂同时吸附甲烷与氧气，可以保证分离过程的安全运行； 通过变压吸附的方法提浓低浓度瓦斯，其初投资低，运行成本低，操作灵活方便； 2)解吸气中含有部分氧气，可以减少产品气使用时混入的空气，提高产品气的品质； 3)本专利技术可以使抽排瓦斯得到充分的利用，减少瓦斯气体排放对环境的污染，具 有重大的经济和环境意义。附图说明 图1是扩展后的甲烷爆炸三角形示意图； 图2是本专利技术的工艺流程图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。 本专利技术的低浓度瓦斯安全吸附富集的方法的一个实施例如图2所示，原料气由压縮机1压縮，经进气缓冲罐2和控制阀4流入吸附塔3。吸附塔3内的吸附剂吸附原料气 中的甲烷和氧气后，排放气从吸附塔的排气端流出，依次流经节流子5、控制阀4、单向阀6、 排气缓冲罐7、流量调节阀8后排入大气。吸附结束后，产品气由真空泵9从吸附塔3中抽 出。 本实施方案中低浓度瓦斯气体组分如下甲烷体积分数为20%，氧气体积分数为16. 8%，氮气体积分数为64. 2%。本实施方案中混合吸附剂为活性炭与碳分子筛的混合吸附剂，碳分子筛与活性炭质量之比为3.6 : 1。本实施方案中工艺参数如下原料气经压縮机压縮后最高吸附压力为320kPa(绝压)，最低解析压力25 kPa(绝压)。本实施例中解吸气和排放气组成成分如下 解吸气甲烷体积分数33. 1 % 解吸气氧气体积分数21% 排放气甲烷体积分数2. 9% 排放气氧气体积分数8.9% 此实施案例中解吸气和排放气均不在爆炸范围以内，实现了吸附分离过程的安全 运行。权利要求，通过真空变压吸附的方法实现低浓度瓦斯气体的富集，其特征在于所述真空变压吸附的方法是使甲烷和氧气同时被吸附，其排放气的体积分数保证在安全范围以内，实现所述低浓度瓦斯气体的安全分离。2. 根据权利要求1所述的变压吸附方法，其特征在于所述排放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低浓度瓦斯安全吸附富集的方法，通过真空变压吸附的方法实现低浓度瓦斯气体的富集，其特征在于：所述真空变压吸附的方法是使甲烷和氧气同时被吸附，其排放气的体积分数保证在安全范围以内，实现所述低浓度瓦斯气体的安全分离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘应书，杨雄，李永玲，张辉，刘文海，郭广栋，孟宇，张传钊，曹红程，张德鑫，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]