煤矿区煤层气催化脱氧方法技术

本发明专利技术涉及一种对煤矿区煤层气催化脱氧的方法，采用多级固定床反应器进行催化脱氧反应，整个反应器系统包括常温外加氢气催化脱氧和高温甲烷催化脱氧两个部分，常温外加氢气催化脱氧反应器通过阀门控制可改变其多段反应器的串并联方式，以此处理不同含氧量的煤层气，并且通过换热器将此部分物料反应热提供给高温甲烷催化脱氧反应器床层，以提高整个反应系统的能量利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及煤矿区煤层气应用
，更具体的说，本专利技术涉及是一种煤矿区煤层气的催化脱氧工艺。
技术介绍
煤层气(俗称瓦斯)大量存在于煤层中，含有大量的烃类化合物一甲烷。在煤矿的开采过程中，由于煤层气的易爆特性，如果处理不慎，非常容易造成煤矿井下事故。因此最初的方法为向大气排放。由于其中的主要成分甲烷是一种温室气体，其温室效应是CO2的 20倍以上，大量的煤层气排入大气加剧了全球温室效应。随着石油资源的日益匮乏，替代能源的寻找一直是近几十年来各国政府和企业界所共同关注的重点。其中，主要成分为甲烷的天然气的利用已经取得了一定的成果，比如天然气发电，天然气作民用燃料，天然气经合成气制备化工原料等。与天然气类似，煤层气的主要成分也是甲烷，如果能够作为天然气的补充加以利用，不仅可以扩大甲烷类资源的使用年限，还可以提高煤矿开采安全性和降低全球温室效应，具有巨大的社会效益和经济效■、Λfrff. ο煤层气与天然气的不同主要体现在甲烷的含量不同，按照甲烷含量的不同，煤层气还可以分为高甲烷含量(甲烷浓度大于80% )的气体，中甲烷含量(甲烷浓度为30% 80% )的气体和低甲烷浓度(甲烷浓度小于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。其原因在于，煤层气利用需要提高气体中的甲烷含量，而提高甲烷含量的方法就是需要将氮气或空气与甲烷分离。目前煤层气分离提纯技术主要包括低温深冷分离、变压吸附和膜分离等三种。对于低温深冷分离，虽然其液化和分离都在低温下进行，然而在分离过程中，随着甲烷浓度的提高，排放废气的氧含量也被浓缩提高，不可避免地有一个阶段正好是属于甲烷的燃烧和爆炸的范围，存在着很大的安全风险。对于变压吸附法和膜分离法，高压有利于气体的分离净化，然而高的操作压力使得甲烷的爆炸限变宽， 对于这种中、低浓度的含氧煤层气提纯来说，操作危险性增大。由此可见，煤层气脱氧技术已经成为煤层气利用的关键技术之一。目前可采用的煤层气脱氧方式主要包括焦炭燃烧法(ZL02113627.0，CN1919986A) 和催化脱氧(ZL02113628. 9, CN101139239A)等。CN1919986A公开了一种煤层气焦炭脱氧工艺，将煤层气通过脱氧反应器中炽热的焦炭层或无烟煤层脱氧，控制脱氧反应温度为600 ΙΟΟΟ ，压力为常压，然后再进行废热回收-除尘-冷却处理；在该脱氧过程中，通过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的反应气体的氧含量至5 9%。采用本工艺可较好的控制反应温度，有效的除去煤层气中的氧，并最大限度地减少甲烷裂解，以保证甲烷的损耗在 5%以下，同时降低脱氧过程中的爆炸可能性，提高安全性。煤层气焦炭燃烧法脱氧工艺虽3然能够有效脱除含氧煤层气中的02，但是该工艺采用焦炭做燃料(如采用无烟煤代替焦炭则带来SA排放等问题)，能耗较高；补焦和除尘工艺也相对比较复杂；较高的反应温度不仅对反应器材质提出了更高的要求，同时可能导致甲烷高温裂解及重整等副反应发生，使煤层气中甲烷回收率降低。这些都增加了焦炭燃烧法脱氧工艺的成本。催化脱氧工艺的本质是富燃贫氧气氛下CH4的催化燃烧，该过程发生的主要反应为CH4 (g) +2 (g) = CO2 (g) 2H20 (g) -802. 32kJ/mol，为强放热反应。据推算含50 %甲烷以下的煤层气，每脱除氧温升85°C以上，视煤层气中氧含量而定，氧含量愈高温升愈大。如含10%氧的煤层气一次通过反应脱除其中的氧气，温度将高达1000°C以上，使甲烷大量裂解，造成甲烷损失。同时由反应体系热力学分析可知，反应温度超过650°C时甲烷的水蒸汽重整反应和裂解积碳反应发生的可能性较大。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(如650°C以内)以减少副反应的发生，是该催化脱氧工艺的关键所在。CN101613627A公开了一种含氧煤层气催化脱氧工艺，含氧煤层气和以一定循环比返回的煤层气产品气混合进入固定床绝热催化反应器，煤层气中的甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，从而将煤层气产品其中的氧气浓度降低到0. 2%以下。使用循环返回气的目的在于降低反应器入口处的氧气浓度，而且原料煤层气中的氧含量越高，需要返回气的循环比越高。在该含氧煤层气催化工艺中，采用了一定量的氢气作为脱氧原料，但仅仅是作为整个脱氧装置启动过程的引发剂，在稳态脱氧过程中仍然是以甲烷作为脱氧原料。CN101508924A公开了一种煤矿区煤层气催化脱氧工艺，采用多级反应器进行多级催化脱氧反应，通过采取将欲处理的高氧含量煤层气分流通入不同反应器以及循环部分产品气的方式控制每一级反应器的入口气体中氧气含量小于3.5%，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均低于660°C，与采用单个反应器循环产品气的工艺相比，通过本专利技术的脱氧工艺，可使作为返回气用于稀释原料煤层气中氧气含量的产品气量大大降低， 从而降低能耗；同时能有效的控制脱氧反应器出日的气体温度在温度为660°C以下，可减少甲烷裂解，明显降低甲烷损失量。然而采用该工艺需要增加外部的加热设备对原料物流进行预热至需要的温度，因此会增加设备整体的造价和能耗。由此可见，目前的煤层气脱氧工艺，无论是采取多级反应器还是单级反应器都需要采用一定方式控制反应器入口气流中氧气浓度，以达到控制反应器出口煤层气温度的目的。这将必须采取循环部分产品煤层气以降低脱氧反应器入口煤层气氧气含量的方法。为了达到循环的目的，就需要对产品气进行适当的增压处理，考虑到装置操作的波动性，所以从生产安全性角度讲，还是存在一定爆炸危险的，而且循环大量的产品其也会造成能量和资源的浪费。从用于脱氧的原料看，目前大部分脱氧原料采用的是煤层气中的甲烷，但是氢能作为一种新兴的能源，其开发利用在近几十年内获得了长足的发展。由于能源问题的重要性，人们一直在化石资源以外寻找新的能量来源，其中比较引人瞩目的是氢能。其原因在于不仅氢燃烧热值高；而且燃烧的产物是水而不产生温室气体二氧化碳，是世界上最干净的能源。更重要的是氢能来源广泛，可通过煤、石油、天然气、甲醇重整制氢；将来利用太阳能、风能等可再生能源发电，电解水制氢；还可以通过生物的方法制氢。正因为如此，国际上氢能研究从20世纪90年代以来受到特别重视。美国、日本和欧洲等国家先后制定了各自的氢能发展计划。通过近几年的工作，各国都在探索用廉价方法制氢方面取得了许多新成果，为氢能的广泛利用打下了坚实的基础。基于廉价制氢方面的巨大进展，本专利提出以氢气作为以脱氧原料，不仅可以减少煤层气处理目的产物甲烷的损失，同时还能减少二氧化碳等温室气体的产生。具体使用方法为在煤层气中配入适当氢气，通过氢气催化脱氧过程部分地脱除高氧含量煤层气中的氧气，并利用其产生的反应热提供给后续的甲烷催化脱氧过程所需的初始热量，已达到减少甲烷消耗并节省加热装置投资的目的。与目前脱氧技术中使用大量循环产品气或者需要对原料煤层气进行分流处理以控制脱氧反应气入口氧气浓度的特点不同，本专利提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王国清，李蔚，白杰，杜志国，张利军，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，
类型：发明
国别省市：