[发明专利]一种用于甲烷高效脱氮的吸附剂模块

说明书

本发明提供一种用于甲烷高效分离的吸附剂模块，该吸附剂模块由规整结构吸附剂构建的组合型吸附剂模块，所述规整结构吸附剂模块为水力当量直径大于10mm、长度大于30mm、内扩散距离小于0.3mm的形状规整的吸附剂；所述规整结构吸附剂模块由多种吸附剂组装而成，按照原料气流向依次叠加，其顺序为：脱水吸附剂，CO₂吸附剂，甲烷/氮气吸附剂。本发明主要涉及高效吸附提浓与纯化甲烷的吸附剂模块，每个吸附剂模块均采用规整结构设计，其主体气流在吸附剂上的内扩散距离小于0.3mm，每个吸附剂模块至少含有脱水，脱碳吸附剂与脱氮吸附剂，其气体扩散距离小于0.5mm，该吸附剂模块吸附扩散速率快利用率高。

技术领域

本发明属于化学材料合成与混合气吸附分离工程技术领域，具体涉及一种用于甲烷高效分离的吸附剂模块。

背景技术

天然气作为世界公认的最清洁的化石能源，在各国的能源消费结构中扮演着越来越重要的角色。国家能源战略提出到2020年，我国天然气用量要占能源消费的12％以上，增加到4000亿立方米。目前天然气在我国能源消费比例不足6％，与12％的目标相距甚远。我国非常规天然气储量巨大，开发煤层气、页岩气、沼气等非常规天然气的高效利用技术，将对我国天然气资源供应起到重要的缓解作用，复合我国洁净能源发展战略，所以也成为能源企业所关注的焦点和重要努力方向。

当前油田气、生物沼气、煤层气、垃圾掩埋气以及其他来源的低品质甲烷气的提纯方法主要有溶液吸收法、物理吸附法、膜分离法和深冷分离法。相对与其他技术而言，吸附分离法因其能耗低、工艺简单、产品纯度高、自动化程度高，成为非常规天然气脱碳和脱氮的最佳工艺选择。煤层气、天然气、油田气、生物沼气以及其他来源的低品质甲烷气中的主要组成是甲烷、氮气、二氧化碳与水，尤其是CH₄、N₂之间的分离是当前吸附分离提纯天然气的难点。

早在上个世纪，美国UOP公司与Nitrotec公司就分别获得了五床与三床变压吸附净化含氮天然气的专利，小试能把含70％的天然气提纯到95％，其回收率介于70-85％。近期BASF公司对CTS、ETS-4改性后用于CH₄-N₂与CH₄-CO₂分离，CH₄-CO₂分离比较成功，但是用Sr交换后的ETS-4造成N₂扩散速率和平衡吸附量都有较大下降；2009年日本Osaka煤气公司在辽宁阜新进行了30％煤层气提纯至50％的真空变压吸附过程工业试验。我国西南化工研究院开发的变压吸附煤层气提纯专利技术也已经有二十年的历史，并进行了工业试验。此外，我国其他一些研究单位，也拥有很多相关专利技术，如天津大学，重庆大学等。

针对CH₄吸附分离的吸附剂研究包括：分子筛、活性炭以及新型的金属有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)。众多的科研院所与公司研究发现，活性炭、碳分子筛、沸石分子筛为主的传统吸附剂在天然气PSA脱碳、脱氮工艺中已经不能满足生产生活的需要。近年来一种新型的多孔吸附材料—金属有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)以其超高比表面，孔径可调，结构多样化等优点在天然气的净化领域的应用研究受到广泛关注。近几年研究发现，MOFs材料在天然气脱氮方面优势比较明显，如2012年，J首次证明MOFs材料Al-BDC(A100,BASF)与[Cu(Me-4py-trz-ia)]的CH₄-N₂平衡吸附分离因子可以达到4.4与5；2013年，JF Yang等还证明[Cu(dhbc)₂(bpy)]框架材料在195K时CH₄-N₂吸附分离选择性高达42。很显然，上述用于天然气提质的吸附剂各有特点，如何发挥这些吸附剂的特长，并组装廉价、高吸附容量和高选择性的吸附床，是解决低浓甲烷气的高效分离难题的重要环节。本发明的目的在于开发一种新型吸附剂模块，在综合上述吸附剂吸附优势性能的基础上，提高气体在吸附剂上的扩散速率，使其应用于天然气净化过程，为天然气脱碳与脱氮技术难题的解决提供新的途径。