[发明专利]一种煤层气分离系统及工艺

说明书

技术领域

本发明属于混合气体的分离纯化领域，具体涉及一种煤层气的分离系统及工艺，特别适合于含低CH₄量煤层气的分离。

背景技术

煤层气俗称“瓦斯”，与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2-5倍，煤层气的主要成分为甲烷，其产生的温室效应是CO₂的21倍，对臭氧层的破坏力是CO₂的7倍。据有关部门估算，全国煤矿瓦斯对空排放量占全部工业生产CH₄排放量的1/3左右。2005年2月《京都议定书》生效，我国面临“减排”的压力越来越大。同时煤层气作为一种不可再生的资源，世界各国已开始直接利用或者浓缩富集加以利用。我国对煤矿瓦斯制定了抽采的强制性措施即“先抽后采”，推出了“煤气共采、鼓励利用、超标严惩”的政策，突出了瓦斯作为宝贵资源的重要地位，为瓦斯规模化、产业化、工业化开发利用铺平了道路。

煤层气有两种抽采方式：一种是地面抽采，其甲烷纯度高(98％左右)，利用价值较高，可直接加压进行管网输运，也可直接进行液化储运。但更为广泛的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甲烷含量较低，通常在30％-70％之间，甚至更低。我国煤矿开采一直以煤炭开采为主要目的，煤层气(瓦斯气)的抽放处理仅是出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。而我国煤层气具有数量巨大、产地分散、单井规模小、井下抽采气浓度低并含氧等特点，一般除就近使用外，还没有其他有效的利用途径，放空浪费情况非常严重。如果把煤层气中的甲烷和空气分离出来并将提纯后的甲烷液化灌装，这就极大的方便了运输和利用。

目前可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工艺方案，每种方案均具有自己的特色和应用范围。然而对于变压吸附及膜分离等工艺，在分离工艺流程中均需要对原料气进行加压，这显然扩大了煤层气的爆炸浓度范围，因此在分离处理矿井煤层气这种含氧可燃混合物时，安全问题是所有分离技术必须考虑的。

根据燃烧理论，甲烷等可燃气体在空气内燃爆，存在一个最小的燃爆氧浓度，其对应的点称为燃爆临界点，与可燃气体的爆炸上、下限浓度点构成了一个三角形，通常称为Coward爆炸三角形，只要当混合物浓度范围处于此爆炸三角形内，系统极易发生爆炸。

如图1所示，其中区域I为爆炸三角区；区域II为欠氧区，即增加氧气(空气)可爆炸；区域III为欠甲烷区，即增加甲烷可爆炸；区域IV为安全区，不发生爆炸。在常温常压下，甲烷与空气混合爆炸的浓度范围为5％-15％。这个范围会随压力和温度的变化而改变，温度升高和压力升高均会使爆炸浓度范围扩大。由于煤矿抽出的瓦斯浓度一般在爆炸极限之内，采取高压流程，则将使爆炸下限降低，存在不安全因素，因此从矿井煤层气(空气和甲烷的混合物)中分离提纯甲烷，无论起始混合物中甲烷浓度有多高，随着甲烷的分离减少，在系统内均会穿过爆炸浓度范围，这对任何分离提纯系统均是非常危险的。因此，在对煤层气进行处理的过程中，必须要时刻考虑到可能出现的安全问题，控制甲烷和空气的含量，以达到开采过程的绝对安全。

中国专利CN101104825A公开了一种矿井瓦斯气的液化天然气生产方法，该专利所述的方法首先将煤层气中所含有的氧气分离，使煤层气远离爆炸三角形的爆炸范围，其所述的脱氧方法是采用催化剂强氧化方法或变压吸附法进行脱氧处理，所述的催化剂强氧化脱氧工艺是在常压下、控制温度600-700℃，将煤层气通过氧化反应器中的催化剂床的金属性催化剂，使煤层气中的氧气和甲烷发生无明火的氧化反应，并生成CO₂和水；所述的变压吸附方法是选用空穴直径大于氧分子直径而小于甲烷分子直径的分子筛，吸附煤层气中的氧气。脱氧后的煤层气的含氧量控制在0.5％以下。