[发明专利]一种以低温液化分离从含氧煤层气中提取甲烷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及以低温液化分离从含氧煤层气中提纯甲烷的方法，属于混 合气体分离纯化技术领域。

背景技术

煤层气属于非常规天然气，即煤在形成和演化过程中生成的、没有经 过运移、以吸附状态存在于煤层内的天然气。煤层气的主要成份为甲烷， 是一种清洁和高热值的能源。我国煤层气资源非常丰富，基本储量与常规 天然气相当。煤层气有两种抽采方式：一种是地面抽采，其煤层气中甲烷 纯度高，可以达到98％左右。这种煤层气利用价值比较高，可以直接加压 进行管网输运，也可以直接进行液化储运。但是更为广泛的煤层气抽采方 式是在已经进行煤炭开采生产的矿井下抽采。这种方式抽采出来的煤层气 当中甲烷含量较低，通常在30％～70％之间。在相当长的一段时期内，我 国煤矿开采过程当中，一直依赖矿井下抽采，煤层气(通常称为瓦斯气) 的抽放处理仅仅是处于煤矿安全生产的要求而进行的。

从矿井煤层气中分离提纯甲烷气体对于扩展和提高煤层气的有效利 用率和经济价值具有重要意义。我国煤层气具有数量巨大，产地分散、单 井规模小，且井下抽采气浓度低并含氧等特点，必须有安全、经济的分离 储运技术才能充分合理利用。

目前可以应用于从煤层气中分离提纯甲烷的方法一般有低温液化分 离、变压吸附及膜分离等方案，每种技术方案均具有自己的特色且具有各 自的应用范围。但是对于分离处理类似矿井煤层气这种含氧可燃含氧煤层 气时，安全问题成为所有分离技术必须考虑的问题。甲烷是一种可燃气体， 与空气混合存在一个爆炸浓度范围，在常温常压下为5％～15％。这个浓 度范围会随着压力和温度的变化而改变，其中温度升高和压力升高均会使 爆炸浓度范围扩大。从矿井煤层气，即空气和甲烷的含氧煤层气中分离提 纯甲烷，无论起始含氧煤层气中甲烷浓度有多高，随着甲烷的分离减少， 在系统内均会穿过爆炸浓度范围，这对于任何分离提纯系统均是非常危险 的。

目前，对低温液化分离、变压吸附及膜分离等各种气体分离技术应用 于从煤层气中提纯甲烷的技术报道较为少见。其中中国专利申请 200610080889.4、200610103425.0公开了一种针对含氧煤层气液化分离的 工艺流程，采用低温精馏和分馏措施可以实现从含氧煤层气中提纯甲烷， 并且可以获得较高纯度的氮气，可补充到冷量回收系统当中。然而在实际 操作过程中，由于在提纯的过程中，甲烷的浓度不断降低，氧气的浓度不 断升高，可能存在含氧煤层气的温度达到甲烷的爆炸点，这就可能造成混 合气体的爆炸，该专利申请并没有具体涉及到如何解决安全问题的技术方 案，而且流程要对含甲烷尾气进一步分离制氮，会在系统中出现液态空气、 富氧液态和气态氧，存在更多的危险性，也没有对此提出解决方案。中国 专利申请200410040155.4也公开了一种采用低温液化分离煤层气提纯甲 烷的方案，其中提及了要对原料煤层气进行深度脱氧处理后才可以进行低 温液化分离。对于分离工艺中所采用的变压吸附和膜分离工艺来说，在分 离工艺流程中需要对原料气进行加压，这显著扩大了煤层气的爆炸浓度范 围，因此采取脱氧或者其他安全措施是必要的。对于煤层气中脱氧目前的 技术手段有：催化氧化和化工转化等方法，但是深度脱氧具有成本高或者 是技术经济性不好、技术成熟度不够等问题，对含较多氧的煤层气中，低 浓度煤层气尚未见到工业规模的应用实例。

根据燃烧理论，甲烷等可燃气体-氧气-惰性气体混合物存在一个最 小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，其与可燃气体-氧气混合 物的爆炸上、下限浓度点构成了一个三角形，只有当含氧煤层气浓度范围 处于此爆炸三角形内，系统才有可能发生爆炸。在《煤矿瓦斯灾害防治及 利用技术手册》2005年的第120页，公开了图1的甲烷-空气混合气体的 坐标区域以及该坐标区域中的爆炸三角形的示意图，此图通常称为Coward 三角形，图中将整个浓度范围划分为I、II、III和IV四个区域。实现上， 此四个区域的划分与含氧煤层气浓度、压力及温度均有关系。结合图2和 图3典型的混合气体低温分离流程进一步说明。原料气首先进入冷量回收 系统逐步降温直至部分组份变为液体，进入精馏系统，在精馏系统底部获 得液态纯产品，顶部排放尾气。液态纯产品直接以低温液态或返回冷量回 收系统回收冷量后以气态输出。此流程中也可将精馏塔分离为一个气液分 离器和一个气提塔，见图4。