[发明专利]一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业气体的分离精制技术领域。更具体涉及一种低浓度瓦斯变压 吸附分级浓缩的方法，适用于将低浓度瓦斯气浓缩为高浓度甲烷气，本发明产品 -甲烷作为化工原料、民用燃气、汽车燃料，可以节约大量能源，同时减少了高 温室效应甲烷(二氧化碳的21倍)气体的排放，具有节能的经济、减排的全球性环 境意义。

背景技术

煤矿瓦斯气(称煤层气)是煤矿的伴生气，煤层气主要成分为：甲烷(CH₄)、 二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、乙烯(C₂H₄)、丙烷(C₂H₆)、其中CO、 C₂H₄、C₂H₆三种气体在煤层气中含量很少，其典型组分如下(以体积百分数表 示)：甲烷(CH₄)：20-60％，氮气(N₂)：50-60％，氧气+氩气(O₂+Ar)： 12-18％，水(H₂O)饱和。每米³煤可产瓦斯气15～30米³，预计到2010年甲烷排 放量将增至28Mt，其中70％是来自CH₄浓度低于1％的矿井回风流中，美国的煤层 气甲烷利用率仅为27％。

而我国目前的煤矿伴生瓦斯气70-90％的甲烷因浓度低(＜20％)无利用价值而 排放，这部分瓦斯气由于CH₄气浓度低，氧含量高，非常接近于CH₄气的爆炸浓 度(5-16％)范围或者就在CH₄气的爆炸浓度范围内，因此难以直接利用。我国作为 产煤大国，瓦斯资源十分丰富；我国2000m内的煤层气量达35万亿立方米(相当 于450亿吨标煤，350亿吨标油)，与陆上常规天然气资源相当。《煤矿安全规程》 规定，瓦斯抽放利用时甲烷浓度不低于30％，为安全避开瓦斯爆炸极限，低于25％ 时不利用而排出。2002年，全国有53个矿业集团的193座矿井的瓦斯涌出量为43.1 亿m³，抽采瓦斯量11.461亿m³。

安徽省淮南市每年瓦斯涌出量为5亿m³(折纯CH₄、下同)，抽采瓦斯量2亿 m³，利用0.4亿m³，利用方式3种：燃气、发电(3.5度电/m³CH₄)、锅炉燃烧气， 总利用率＜10％，代表着我国煤层气甲烷利用的普遍情况。

煤层气不仅资源潜力巨大，而且用途广泛，可以用作居民生活用气、工业燃 料及化工原料用气、汽车燃料以及发电，其中利用煤层气发电是当前正在积极开 发的技术。如果全国将每年43.1亿m³的瓦斯的80％利用，相当于每年增加468万 t标煤。

CH₄对大气温室效应影响占15～20％，CH₄为CO₂分子温室效应的21倍，对臭 氧层破坏能力是二氧化碳的7倍，将CH₄排放到大气中，一方面造成了资源的严 重浪费，另一方面导致温室效应。因此，合理提浓利用低浓瓦斯中的CH₄具有 节能和环保双重意义，迫切需要一种能安全将低浓度瓦斯气浓缩富集成高浓度瓦 斯的技术。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法，提供 一种高浓度的甲烷气体。使甲烷回收率≥90％，可得到不同浓度(≥25％)的高浓 度甲烷，浓度可为≥95％；本发明的方法可使低热值的弃之不用的煤矿瓦斯气富 集到具有高热值并有广泛用途的高浓度甲烷气体。

本发明通过先对瓦斯气进行预处理，然后采用变压吸附和逐级浓缩技术，利 用瓦斯的多组份(CH₄、N₂、O₂、CO₂、H₂O等)在吸附剂上的吸附量随压力变化的 原理，变压吸附逐级浓缩，从低浓度甲烷分2～6级、交换2～4吸-脱塔连续浓缩 至高浓度甲烷的富集方法，用高浓度甲烷气与低浓度甲烷气混合以提高甲烷气浓 度的方法，避开瓦斯爆炸极限(5～16％)，使瓦斯中甲烷回收率超过90％、甲烷浓 度超过95％。