[发明专利]一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及化工领域中的气体分离领域，具体为一种利用变压吸附（PSA）法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法。

 

背景技术    

矿井区煤层气（CMM）是含甲烷的气体，通常甲烷含量30%～45%。但是，还是有大量的甲烷含量低于30%的煤层气。一般可直接作为民用燃料和发电，若要作为化工应用或压缩天然气（CNG），必须把甲烷浓度提高到90%以上。由于民用燃料使用量有限，不少煤层气未能得到很好的利用。不但造成大量资源浪费，还造成环境污染，加重了温室效应。

西南化工研究设计院发明了“用变压吸附法富集矿井区瓦斯气中甲烷”的技术（专利号CN 85103557185103557B），该方法工艺简单，维护费用较低。但该方法的实施存在安全隐患，压缩过程中要穿过甲烷的爆炸极限。同样在吸附过程中，随着甲烷被吸附也要穿过甲烷的爆炸极限5%～15%，因此至今未建立工业化装置。

燃烧爆炸不仅需要可燃气和氧气的存在，还需要一个重要条件：可燃气与氧气适当的比例。最大允许氧含量是指当给以足够的点燃能量使某一浓度的可燃气体或液体蒸汽刚好不发生爆炸的临界最高氧浓度，即爆炸与不爆炸的临界点（万成略，汪莉，“可燃性气体含氧量安全限值的探讨”；中国安全科学学报，1999，9（1）3）。若氧含量高于此浓度，便会发生燃烧或爆炸。换句话说，氧含量低于此浓度便不会发生燃烧或爆炸（张增亮，蔡康旭；“可燃气体（液体蒸汽）的爆炸极限与最大允许含氧量的对比研究”； 中国安全科学学报，2005，12（15））。因此在煤层气中加入一定量的惰性气体，以减少其氧浓度，使其氧浓度控制在最大允许氧含量之下，即控制在爆炸范围之外。

本发明是在煤层气中加入氮气，控制煤层气中的氧浓度，使其在压缩过程和吸附过程中，氧浓度均小于最大允许氧含量。根据“化肥安全技术手册”（原化学工业部化肥司主持，吴泾化学联合公司，南京化学工业公司编，1983年第一版）图1.1─12，氢、一氧化碳、甲烷和氮、二氧化碳混合气的爆炸极限（空气中）提供的CH4─N2系统爆炸范围，其临界点为氧含量12.3%。控制CMM中氧含量在12%以下，其氧含量小于最大允许氧含量，即在爆炸范围之外。实际上，根据甲烷不同浓度的煤层气可选择不同的加氮量，一般以8%～12%氧浓度为宜。这样大大提高了装置的安全性。而制取氮气可利用变压吸附提浓甲烷装置的未吸附气作为气源，配置一个变压吸附制氮装置即可得到。 

本专利技术与已有技术相比是提高了装置运行的安全性，使变压吸附技术分离提纯煤层气中甲烷得以实施。而氮气原料即为其未吸附气，省去加压过程。 

 

发明内容

本发明正是基于以上技术问题，提供安全性高的利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法。

本发明的技术方案为： 

一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法，该方法中原始煤层气中甲烷所占的体积百分含量仅为30%～45%，然后向煤层气中加入一定量的氮气，使煤层气中氧含量保持在12%以下，然后加压到0.4 MPa～0.7MPa（G），再采用变压吸附的方法，脱除煤层气中的氮气和氧气。用抽真空方法从吸附相得到产品气。

产品气中甲烷所占的体积百分含量为90%～95%。加入煤层气中的氮气，是利用变压吸附提浓甲烷装置中未吸附的气体作为气源，采用变压吸附法制取得到的氮气。两级变压吸附装置提浓甲烷，第一级使甲烷的体积百分含量提浓到40%～50%，然后进入第二级变压吸附装置，第二级使甲烷的体积百分含量提浓到90%～95%。

 煤层气经初步压缩后，与来自变压吸附制氮气（PSA─N₂）装置中得到的氮气混合，使其氧的百分含量降低到12%以下，然后进一步加压到0.4 MPa～0.7 MPa，进入变压吸附装置。在吸附剂的吸附分离作用下，从吸附相抽空得到含甲烷90%以上的产品气。（PSA 为pressure swing adsorption）

本申请中的技术方案还可以为：