[发明专利]常温自启动煤层气脱氧方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气脱氧领域，具体的，涉及一种应用列管式固定床反应器的常温自启动煤层气脱氧工艺。

背景技术

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--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益。

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。

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)+2O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂O(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1％氧温升85℃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，温度将高达1000℃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℃时CH₄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℃以内)以减少副反应的发生，是该催化脱氧工艺的关键所在。

CN 101508924A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，控制每一级反应器的入口气体温度及入口气体中氧气含量，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度均为660℃，与采用单个反应器相比，通过本发明的脱氧工艺，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口的气体温度在温度为660℃以下，可减少甲烷裂解，明显降低甲烷损失量。该工艺采用多级反应器来控制反应放热所产生的高温，一方面由于反应的剧烈程度很难有效控制，另一方面将大大增加设备的投资。

CN 101613627A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。