[发明专利]一种基于新型HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的方法

说明书

本发明介绍了一种基于新型HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的方法，实现甲烷、氮气的分离，使得两组吸附机构分别处于不同的工作状态，第一组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤时，第二组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤；然后同时分别进入均压步骤；接着第一组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤，第一组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤；接着两组吸附机构同时进入均压步骤；如此循环工作。本发明使用吸附塔的产品气做为另一吸附塔的清洗气，避免了储存大量的清洗气，也降低了投资；也使得进入升压均压步骤的吸附塔的产品气可以再次进入吸附步骤，被更多地除去其中的氮气，提高了提纯效果。

技术领域

本发明涉及一种气体分离与净化领域技术，特别是一种基于新型HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的方法，能用于天然气及煤层气的提纯。

背景技术

天然气是一种以甲烷为主的清洁能源，近年来随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的人关注环境问题，以天然气为一次能源越来越受到重视，在一次能源中所占比例也越来越高。

天然气主要以管道的形式供给，一般要求天然气热值在31.4MJ以上（甲烷浓度在95%以上）。然而目前常规天然气以及非常规天然气（煤层气、页岩气）等采集过程中往往含有大量的杂质气体，如氮气、二氧化碳、硫化氢等。

变压吸附由于投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛的关注。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤矿瓦斯的技术，以活性炭为吸附剂，在吸附压力为0.5-1.0 MPa的条件下可以将甲烷提浓到95%以上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1.2 万m3/天的浓缩工业试验装置，成功地将煤层气中的CH4体积分数从30.4％提高到63.9％，增加置换步骤后，可进一步提高到99.4%。然而该变压吸附分离法采用吸附甲烷的方法在，在低压侧获取高浓度的甲烷气体。采用该方法对甲烷进行提纯，会导致产品气压力低，需要额外升压确保进一步的输送与利用，而吸附过程中升压后的能量确白白浪费。对于杂质气体氮气较低的高浓度甲烷原料气，如采用吸附甲烷的方法进行富集则需要吸附剂具有较大的吸附容量。

采用吸附氮气的方法对甲烷浓度较高的含甲烷气体进行富集是一种十分理想的方法，采用该方法可以实现甲烷在高压侧提纯，从而便于进一步的压缩与利用，降低运行费用。然而N2、CH4的动力学半径非常接近分别为3.64、3.82，且沸点也十分接近，均为非极性气体，而常规的沸石分子筛均优先吸附甲烷气体。基于以上原因采用吸附氮气的方法吸附分离氮气和甲烷一直是变压吸附分离过程中的一个难点。

碳分子筛可通过调节孔径控制甲烷和氮气在孔道内的传质速度，从而实现分离。但由于碳分子筛表面极性较低且有较强的疏水性能，对甲烷具更强的吸附性能，导致吸附剂对氮气的选择性大大降低。研究者利用碳分子筛针对 N2/CH4的双组分气体开展了分离研究，指出了 N2 在吸附剂上的吸附速率远大于 CH4，然而吸附剂的平衡吸附量却是 CH4 大N2，从而影响了CH4 /N2混合气体的分离能力。从研究结果来看，其平衡分离性能表现出的甲烷平衡分离能力大大高于动力学分离能力，直接影响其对氮气和甲烷二元组分的分离性能。

一种新型HEU型沸石分子筛是一直十分适合于甲烷氮气的吸附剂，通过孔道尺寸的调节可将沸石分子筛调整为氮气平衡选择型和氮气动力学选择型的吸附剂。目前在变压吸附分离甲烷氮气方面的研究主要基于天然沸石和碳分子筛方面。本发明通过采用人工合成新型HEU型沸石分子筛对含有少量杂质气体氮气的富甲烷气体进行吸附提纯。

发明内容