[发明专利]一种低浓度瓦斯气中甲烷的浓缩分离方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低浓度瓦斯气中甲烷的浓缩分离方法，属于气体分离领域。

背景技术

瓦斯是在煤的生成和煤的变质过程中伴生的气体，主要成分是甲烷，对空气的相对密度是0.554，渗透能力是空气的1.6倍，难溶于水，不助燃也不能维持呼吸。在标准状态下瓦斯爆炸界限为5％～16％(甲烷浓度)，随着压力、温度的升高，瓦斯爆炸范围将增大。瓦斯气根据抽采方式可分为地面抽采和井下抽采，地面抽采的瓦斯气中CH₄浓度可达80％以上，而井下抽采瓦斯气由于抽采过程中渗入大量空气，CH₄浓度变化从20％～80％，还有相当一部分直接排放的气体CH₄浓度<20％。目前针对这一浓度范围的瓦斯气由于工艺安全性方面问题，利用的措施主要是发电，其余则直接排空，浪费了大量的能量来源，造成了大量的温室气体的排放。国内天然气用量逐渐增加，缺口越来越大。若将这部分瓦斯气中甲烷加以利用作为补充或替代燃料，首先应将其中的O₂脱除，再将其浓度提高至90％以上。

目前变压吸附分离浓缩瓦斯气大都是先将瓦斯气中的氧气去除再进行浓缩分离，针对的原料气CH₄浓度都是在20％以上的瓦斯气，在爆炸限范围的超低浓度瓦斯气由于受到安全性问题的影响目前并没有大规模利用，而直接变压吸附浓缩分离低浓度瓦斯气的工艺也并未有成功报导，一次浓缩无法完全分离且CH₄提浓的效果不佳，无法实现工业化的推广应用，同时开发用于多组分气体分离的合适的吸附剂也是一大难点，众多学者均在致力于该方面的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种低浓度瓦斯气中甲烷的浓缩分离方法，本发明方法能够将甲烷由瓦斯气中的体积百分含量5％～20％提浓至80～90％。

本发明所提供的低浓度瓦斯气中甲烷的浓缩分离方法，包括如下步骤：

(1)低浓度瓦斯气依次经压缩和净化后，进行一级变压吸附分离；

(2)经步骤(1)处理的瓦斯气依次经压缩和净化后，依次进行二级变压吸附脱氧处理和三级变压吸附脱氮浓缩处理，即实现对所述低浓度瓦斯气中甲烷的浓缩分离。

所述的浓缩分离方法中，所述低浓度瓦斯气中，甲烷的体积百分含量可为5～20％，具体可为5～10％、10～20％、9.07～14.5％、9.07％或14.5％。

所述的浓缩分离方法中，步骤(1)和步骤(2)中，经所述压缩后的瓦斯气的压力可为0.05～1.0MPa，具体可为0.2～0.7MPa、0.2MPa或0.7MPa。

所述的浓缩分离方法中，步骤(1)和步骤(2)中，所述净化步骤通过依次连接的过滤器、冷干机和活性炭罐进行，用于除去气体中含有的尘、水和油；

所述活性炭罐内装填的活性炭的堆比重可为400～500g/L，如500g/L。

所述的浓缩分离方法中，步骤(1)中，所述一级变压吸附分离所采用的吸附剂为BM-2型碳分子筛，购自煤炭科学技术研究院有限公司；

所述碳分子筛的分离系数为3.5，堆比重可为650～700g/L。

所述的浓缩分离方法中，所述一级变压吸附分离的温度可为5～35℃，如25℃，时间可为120～240s，如180s，压力可为0.05～0.5MPa，如0.2MPa；

经所述一级变压吸附分离后，所述瓦斯气中甲烷的体积百分含量为20～50％，如30～45％、30.56％或43.6％。

所述的浓缩分离方法中的所述一级变压吸附分离在常规六塔真空吸附塔中进行；所排放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料，以提高产品回收率。

所述的浓缩分离方法中，步骤(2)中，所述二级变压吸附脱氧处理和所述三级变压吸附脱氮浓缩处理所采用的吸附剂均为BM-1型碳分子筛，购自煤炭科学技术研究院有限公司；

所述BM-1型碳分子筛的分离系数为3.5，堆比重为650～700g/L。

所述的浓缩分离方法中，所述二级变压吸附脱氧处理的温度可为5～35℃，如25℃，时间可为120～240s，如180s，压力可为0.2～1.0MPa，如0.6MPa，

所述三级变压吸附脱氮浓缩处理的温度可为5～35℃，如25℃，时间可为120～240s，如210s，压力可为0.2～1.0MPa，如0.5MPa。

所述的浓缩分离方法中，所述二级变压吸附脱氧处理与所述三级变压吸附脱氮浓缩处理均在常规六塔真空吸附塔中进行；所排放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料，以提高产品回收率。