一种煤层气脱氧和浓缩分离甲烷的方法

专利名称：一种煤层气脱氧和浓缩分离甲烷的方法
技术领域：
本发明属于煤层气领域，特别是涉及一种煤层气脱氧和浓缩分离甲烷的方法。
背景技术：
煤层气，俗称煤矿瓦斯，主要成分为甲烷(CH4)，另外还含有一定量的二氧化碳、氮 气和氧气等成分，是非常规天然气。它是与煤伴生、共生的气体资源。煤层气因含有氧气，除了直接用作为燃料或发电外，要加压输送或浓缩必须把氧 除掉，这样才能保证后续工序的安全运行。目前可采用的煤层气脱氧方法主要有催化脱氧 法(CN02113627.0)和焦炭燃烧法等。二者相比，催化脱氧法需要用到催化剂，脱氧成本较 高，焦炭燃烧法不需要使用催化剂，经济有效且操作简单，可使煤层气中氧含量降至1 %以 下，而甲烷基本不损失或损失较小。煤矿瓦斯气的焦炭燃烧脱氧，主要是用焦炭与煤层气中 的氧燃烧，从而除去煤层气中的氧，工艺方法主要有非催化燃烧脱氧(CN02113627. 0)和循 环部分脱氧冷却后煤层气至脱氧前煤层气(一种煤层气焦炭脱氧工艺CN1919986A)。前者 由于焦炭脱氧反应器是一个绝热反应器，而脱氧过程中焦炭与氧反应、甲烷与氧反应等均 是强放热反应，因此，随着反应时间的进行，反应器内温度不断升高，甲烷裂解程度增大，要 将反应温度控制在所需温度范围比较困难。后者采用循环部分脱氧冷却后煤层气至脱氧前 的煤层气中，虽可通过调节脱氧反应器中煤层气的氧含量来控制反应温度，但只对进入脱 氧反应器中反应气体的氧含量调至5-9 %的气体进行脱氧，才有较好的效果，氧气浓度低， 循环气量大，且未采用水夹套结构，不能很好的将脱氧反应器中过多的热量移出。除氧煤层气主要含有CH4、CO2, CO、N2, H2和残余02。利用变压吸附(简称为PSA) 方法(公开号为CN85103557A的中国专利申请)选择适合吸附剂可以实现煤层气中CH4的 浓缩分离。目前变压吸附分离浓缩除氧煤层气工艺因组分多，一次浓缩无法完全分离且CH4 提浓的效果不佳，而无法实现工业化的推广及应用，同时一种合适的吸附剂能同时将多组 分气体分离也是一大难点，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煤层气脱氧和浓缩分离甲烷的方法。由于煤层气通过灼热的含炭燃料层后，会发生如下反应C+02 = CO2 ΔΗ = -339. 777kJ/mol(1)C+l/202 = CO ΔΗ =-110. 595kJ/mol(2)C02+C = 2C0 ΔΗ = 172. 284kJ/mol(3)CH4+202 = C02+2H20(4)CH4+0. 502 = C0+2H20(5)其中，反应(1)、(2)、(3)为主要化学反应，上述三反应可在固定床反应器中在 500 900°C进行，反应完毕可将煤层气中的氧脱至0.5%以下；同时，由于反应(1)和(2)是强放热反应，而反应(3)是吸热反应，因此，反应(3)有抑制温度上升的作用。在非催化 燃烧除氧时，煤层气中的氧与焦炭反应生成CO2和C0，但随着温度的升高，反应气中氢的含 量逐渐增高，这是由如下甲烷裂解反应(6)和(7)所致CH4 = C+2H2(6)2H2+02 = 2H20(7)当氧气消耗完时，则反应气中H2浓度随着反应温度的升高而增加，反应气中CO浓 度也增加，其中H2、CO属于工业合成或者燃烧利用中的有效成分气体。对于甲烷含量及氧含量不同的煤层气，其除氧方法有所不同，对于氧含量较高的 煤层气，必须将反应气体的氧含量调至适宜范围再进行脱氧反应，才能有效将控制脱氧反 应器内的反应温度在适宜温度范围内，避免因反应器内温度过高而造成煤层气中甲烷的大 量裂解，最大限度的减少甲烷裂解，降低甲烷的反应损耗，提高甲烷的利用率，故本发明针 对不同甲烷含量(即氧含量)的煤层气，提供了两种不同的脱氧浓缩甲烷的方法。本发明提供的对甲烷的体积百分含量大于28%小于或等于50%的煤层气进行甲 烷脱氧及浓缩分离的方法，包括如下步骤1用固定床煤层气非催化脱氧装置对所述煤层气进行脱氧所述固定床煤层气非催化脱氧装置包括炉体(1)在内的固定床煤层气脱氧装置 本体，炉体(1)的侧壁上设有包围着炉体侧壁的水夹套(2)；该水夹套(2)的上部通过管道 与蒸汽汇集器(23)的进气口相连，该水夹套的下部通过管道与蒸汽汇集器(23)的出水口 相连；所述固定床煤层气脱氧装置本体包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管 (16)相通的炉篦(21)、通过管道与固定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固 定床反应器的炉体(1)底部的水封装置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17) 和一端与固定床反应器的炉体(1)相连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；所 述水封装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散管 (19)；所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲(26)、三通乙(25)及 位于所述三通甲(26)和三通乙(25)之间的循环气返回管(10)相通，所述三通甲(26)连 接所述煤层气出气管(6)与所述循环气返回管(10)，所述三通乙(25)连接所述煤层气进气 管(16)与所述循环气返回管(10)；所述循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调 压阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管(16)上按照离固定床反应 器的炉体由远及近依次设有阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀 (12)、防止循环气返回管(10)中的循环气倒流入煤层气进气管(16)的止回阀(11)及流量 计乙(24)；关闭所述循环气调压阀7及所述循环气压缩机9后，将脱氧燃料经所述煤箱4加 入到所述炉体1中，甲烷的体积百分含量大于28%小于或等于50%的煤层气经过所述煤层 气进气管16上的所述阻火器15、所述压力传感器14、所述超压截断阀13、所述进气调压阀 12、所述止回阀11和所述流量计乙24后，由所述炉篦21进入所述炉体1内，与脱氧燃料进 行脱氧反应，反应完毕后气体经所述喷淋塔5冷却，由所述煤层气出气管6排出，完成煤层 气的脱氧；脱氧反应过程中产生的灰渣由所述炉篦21掉入所述水封装置18的渣池内，并由 所述螺旋排灰机17排出；在上述过程的同时，控制所述汽包23进水管中水的温度使所述脱氧反应的温度为 500-900 °C ；2)将所述步骤1)得到的所述脱氧后的煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，将 所述压缩后的煤层气用碳分子筛进行吸附，得到吸附后的煤层气，对所述吸附后的煤层气 进行至少两级浓缩分离，完成所述脱氧后的煤层气中甲烷的浓缩分离。该方法的步骤1)中，所述汽包23进水管中水的温度为5-25°C。所述脱氧燃料选自 焦炭、半焦炭、无烟煤和煤矸石中的至少一种，脱氧燃料的粒径为13 50mm，优选25-50mm; 所述脱氧反应中，温度具体为 760士20°C、800士20°C、690士20 V、670-820 V、690-800 V或 710-820°C，优选为 600-800°C，压力为 4-10KPa，具体为 8KPa、5KPa、7KPa 或 5_7KPa，优选 5-8KPa ；所述甲烷的体积百分含量大于28%小于或等于50%的煤层气的气流速度(煤层气 标准状态下空截面流速)为0. 1-0. 3m/s，优选0. lm/s。所述脱氧燃料的加料量可根据具体 选用的原料及其含碳量和煤层气中的氧含量，选用合适的用量。所述步骤2)中，所述压缩后的煤层气的压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8-1. OMPa ； 所述吸附步骤中，所述碳分子筛的分离系数 &^为3. 5，所述碳分子筛的堆比重为600 700g/L，优选656g/L，所述碳分子筛的型号为BM-1，该型号为BM-I的吸附剂均可从公开商 业途径购买得到，如可购自煤炭科学研究总院煤化工分院，该碳分子筛的处理气体量可根 据实际的气体处理量进行选择。所述吸附步骤中，吸附时间为120 240秒，优选180秒，所述吸附温度为5_35°C。 该步骤是为了除去气体中含有的尘、水和油，以达到净化煤层气的目的。所述浓缩分离步骤中，可根据气源浓度组成选择相应的多级变压吸附流程进行组 合。所述浓缩分离的级数优选为两级或三级。所述步骤2)浓缩分离步骤中，所述两级浓缩分离的步骤为先将所述吸附后的煤 层气进行脱碳处理，再进行脱氮和浓缩处理；其中，所述脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳 分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8MPa ； 所述脱氮处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选 180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 7-0. 8MPa ；所述浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸 附剂为所述碳分子筛，吸附时间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa,温度为5_35°C。该浓缩 分离步骤是在常规四塔真空吸附塔中进行。该步骤中排放的顺减气体(气体压力减至一定 值使得气体刚好达到穿透边界时的气体)可返回原料气以补充原料，提高产品回收率，排 放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料。所述步骤2)三级浓缩分离的步骤为先将所述吸附后的煤层气进行脱碳处理， 再分别进行脱氮和浓缩处理；其中，所述脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为 5-350C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8MPa ；所述脱氮处理步 骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 7-0. SMPa ；所述浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子 筛，吸附时间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5_35°C。该浓缩分离步骤是在常规 四塔真空吸附塔中进行。该步骤中排放的顺减气体可返回原料气以补充原料，提高产品回 收率，排放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料。本发明提供的一种对甲烷的体积百分含量为20-28%的煤层气进行甲烷脱氧及浓 缩分离的方法，包括如下步骤
1用固定床煤层气非催化脱氧装置对所述煤层气进行脱氧所述固定床煤层气非催化脱氧装置包括炉体(1)在内的固定床煤层气脱氧装置 本体，炉体(1)的侧壁上设有包围着炉体侧壁的水夹套(2)；该水夹套(2)的上部通过管道 与蒸汽汇集器(23)的进气口相连，该水夹套的下部通过管道与蒸汽汇集器(23)的出水口 相连；所述固定床煤层气脱氧装置本体包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管 (16)相通的炉篦(21)、通过管道与固定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固 定床反应器的炉体(1)底部的水封装置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17) 和一端与固定床反应器的炉体(1)相连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；所 述水封装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散管 (19)；所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲(26)、三通乙(25)及 位于所述三通甲(26)和三通乙(25)之间的循环气返回管(10)相通，所述三通甲(26)连 接所述煤层气出气管(6)与所述循环气返回管(10)，所述三通乙(25)连接所述煤层气进气 管(16)与所述循环气返回管(10)；所述循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调 压阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管(16)上按照离固定床反应 器的炉体由远及近依次设有阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀 (12)、防止循环气返回管(10)中的循环气倒流入煤层气进气管(16)的止回阀(11)及流量 计乙(24)；开启所述循环气调压阀7及上述循环气压缩机9后，将脱氧燃料经上述煤箱4加 入到所述炉体1中，甲烷的体积百分含量为20-28%的煤层气经上述阻火器15、所述压力传 感器14、所述超压截断阀13、上述进气调压阀12、所述止回阀11和所述流量计乙24后，由 所述炉篦21进入所述炉体1内，与脱氧燃料进行脱氧反应，反应完毕后再经所述喷淋塔5 冷却，冷却后的气体一部分经所述循环气返回管10上的所述循环气调压阀7、所述流量计 甲8和所述循环气压缩机9进行压缩后，在所述三通乙25处与由所述煤层气进气管16进入 所述炉体1的甲烷含量为20-28%的煤层气混合，控制混合后的气体中氧含量为10. 6-15% 后，由所述炉篦21进入所述炉体1内，与脱氧燃料继续进行脱氧反应，冷却后的另一部分气 体直接由所述煤层气出气管6排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中产生的灰渣由所 述炉篦21掉入水封装置18的渣池内，并由所述螺旋排灰机17排出；在上述过程的同时，控制所述汽包23进水管中水的温度使所述脱氧反应的温度 为 500-900 °C ；2)将所述步骤1)得到的所述脱氧后的煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，将 所述压缩后的煤层气用碳分子筛进行吸附，得到吸附后的煤层气，对所述吸附后的煤层气 进行至少两级的浓缩分离，完成所述脱氧后的煤层气中甲烷的浓缩分离。该方法的步骤1)中，所述汽包23进水管中水的温度为5-25°C。所述脱氧燃料选 自焦炭、半焦炭、无烟煤和煤矸石中的至少一种，所述脱氧燃料的粒径为13 50mm，优选 25-50mm ；所述脱氧反应中，温度为 500-900°C，具体为 760士20°C、800士20°C、690士20°C、 670-820 "C，690-800 V 或 710-820 V，优选 600-800 V，压力为 4-IOKPa,具体为 5KPa、7KPa 或5-7KPa，优选5-8KPa ；所述甲烷的体积百分含量为20-28 %的煤层气的气流速度为 0. 1-0. 3m/s，优选0. lm/s，保证煤层气以较短的时间通过整个固定床反应器的炉体，减少甲 烷损耗量。该方法中，所述控制混合后的气体中氧含量为10. 6-15%的方法为控制所述脱氧冷却后的气体与作为原料气的脱氧之前的煤层气的体积比(即循环比)，使其循环比为
0.01 0. 55，这可以通过控制循环气返回管10及煤层气进气管16上的流量计8来控制循 环比。所述脱氧燃料的加料量可根据具体选用的原料及其含碳量和煤层气中的氧含量，选 用合适的用量。所述步骤2)中，所述压缩后的煤层气的压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8-1. OMPa ； 所述吸附步骤中，所述碳分子筛的分离系数^^4%为3. 5，所述碳分子筛的堆比重为600 700g/L，优选656g/L，所述碳分子筛的型号为BM-1，该型号为BM-I的吸附剂均可从公开商 业途径购买得到，如可购自煤炭科学研究总院煤化工分院，该碳分子筛的处理气体量可根 据实际的气体处理量进行选择。所述浓缩分离步骤中，可根据气源浓度组成选择相应的多级变压吸附流程进行组 合。所述浓缩分离的级数优选为两级或三级。所述步骤2)浓缩分离步骤中，所述两级浓缩分离的步骤为先将所述吸附后的煤 层气进行脱碳处理，再进行脱氮和浓缩处理；其中，所述脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳 分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8MPa ； 所述脱氮处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选 180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 7-0. 8MPa ；所述浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸 附剂为所述碳分子筛，吸附时间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa,温度为5_35°C。该浓缩 分离步骤是在常规四塔真空吸附塔中进行。该步骤中排放的顺减气体可返回原料气以补充 原料，提高产品回收率，排放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料。所述步骤2)三级浓缩分离的步骤为先将所述吸附后的煤层气进行脱碳处理， 再分别进行脱氮和浓缩处理；其中，所述脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为 5-350C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8MPa ；所述脱氮处理步 骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，优选180s，压力为0. 3
1.5MPa，优选0. 7-0. SMPa ；所述浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子 筛，吸附时间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5_35°C。该浓缩分离步骤是在常规 四塔真空吸附塔中进行。该步骤中排放的顺减气体可返回原料气以补充原料，提高产品回 收率，排放的废气可根据情况放空或者返回原料气补充原料。上述两方法中，所用固定床煤层气非催化脱氧装置的结构如图1所示。所述固定 床反应器的炉体1的高径比为1. 5-3. 2，优选1. 5-2. 4，此处所指高度是指从炉体1顶面到 炉体1锥体底面的距离，所述径为炉体1的内径。该方法能够对CH4含量在20 % 50 %的煤层气(此原料气中的氧含量较高，为 10. 6-16.8% )进行脱氧，当原料气中甲烷含量小于或等于28%时(即原料气中氧含量大 于15%时)，需采用循环方式，循环后混合气体的氧含量在10. 6-15%时再进行脱氧。循环 后混合气体氧气浓度较现有方法高，同样生产规模所需的循环气量较现有方法能够显著减 少，因而能够降低能源消耗及生产成本，提高生产效率。该方法不仅可有效地除去煤层气中 的氧，使煤层气中氧含量降至0.5%以下，而且可最大限度的减少甲烷裂解，使甲烷的损耗 在5%以下，有利于甲烷资源的节约利用，同时使装置内气体的组成处于爆炸气体组成的范 围之外，降低脱氧过程中爆炸的可能性，提高整个工艺过程的安全性。且该方法可使煤层气 中甲烷的浓度由原料气中的20-50%提高到80-90% ；该方法只选用一种碳分子筛，即可达到浓缩CH4、脱碳和脱氮的目的，浓缩分离效率显著提高。该方法应用范围广，投资消耗低， 除氧彻底迅速，甲烷浓缩效果好，在煤层气利用的工业化推广方面具有重要的意义和应用 价值。


图1为本发明中固定床煤层气非催化脱氧装置的结构示意图。其中，1为固定床反 应器的炉体，2为水夹套，3为探火孔，4为煤箱，5为喷淋塔，6为煤层气出气管，7为循环气 调压阀，8为流量计甲，9为循环压缩机，10为循环气返回管，11为止回阀，12为进气调压阀， 13为超压截断阀，14为压力传感器，15为阻火器，16为煤层气进气管，17为螺旋排灰机，18 为水封装置，19为超压放散管，20为刮刀，21为炉篦，22为检修用人孔，23为汽包(蒸汽汇 集器)，24为流量计乙，25为三通乙，26为三通甲。图2为本发明实施例1-3提供的浓缩分离除氧煤层气中甲烷的工艺流程图。图3为本发明实施例4提供的浓缩分离除氧煤层气中甲烷的工艺流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。下 述方法如无特别说明，均为常规方法。所述装置或设备如无特别说明，均为常规装置或设 备。所述含量如无特别说明，均为体积百分含量。其中，测定甲烷含量采用红外分析方法测 量，甲烷的回收率按照如下公式进行计算甲烷回收率=(回收的甲烷量/原料气中甲烷的量)X100%下述实施例步骤2)中所用碳分子筛均为按照下述方法制备而得将IOOg灰分 质量百分含量小于2%的无烟煤、质量百分浓度为40%的NaOH水溶液20g、45g糖蜜(工 业级)和6g水混合，捏合搅拌，压条，所得压条的直径φ为1.8mm，然后在80°C条件下干燥 12h，得到干料条。将所述干料条截为20mm长，在500°C下炭化45min，再用水蒸气在850°C 下活化90min，用甲苯在750°C下调孔5min，得到所述碳分子筛。该碳分子筛的分离系数 wCH4/N2 工 5，堆比重为656g/L。下述实施例步骤2)中所用碳分子筛BM-I均购自煤炭科学研究总院煤化工分院。下述实施例中所用固定床煤层气非催化脱氧装置均为下述装置，该装置的结构示 意图均如图1所示图1所示固定床煤层气非催化脱氧装置，它包括炉体1在内的固定床煤层气脱氧 装置本体，其中，炉体1的侧壁上设有包围着炉体侧壁的水夹套2 ；该水夹套2的上部通过 管道与汽包23的进气口相连，水夹套2内蒸汽通过此管道进入汽包23，该水夹套2的下部 的进水管与汽包23的出水口相连，水由汽包23经此管道进入水夹套2。该装置中，所述固定床煤层气脱氧装置本体包括炉体1、位于炉体1底部并与煤层 气进气管16相通的炉篦21、通过管道与固定床反应器的炉体1顶部相连的煤箱4、浸没固 定床反应器的炉体1底部的水封装置18、位于水封装置18之下的螺旋排灰机17和一端与 固定床反应器的炉体1相连另一端与煤层气出气管6相连的喷淋塔5 ；炉篦21外侧设有刮 刀20 ；固定床反应器的炉体1上方设有探火孔3 ；固定床反应器的炉体1侧壁上设有检修 用人孔22 ；所述水封装置18包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置18的顶部设有超压放散管19 ；煤层气出气管6和煤层气进气管16之间通过三通甲26、三通乙25及位于所 述三通甲26和三通乙25之间的循环气返回管10相通，所述三通甲26连接所述煤层气出 气管与所述循环气返回管，所述三通乙25连接所述煤层气进气管16与所述循环气返回管 10 ；所述循环气返回管10上由上至下依次设有循环气调压阀7、流量计甲8和循环气压缩 机9 ；煤层气进气管16上按照离固定床反应器的炉体由远及近依次设有阻火器15、压力传 感器14、超压截断阀13、进气调压阀12、防止循环气返回管10中的循环气倒流入煤层气进 气管16的止回阀11及流量计乙24。该固定床煤层气非催化脱氧装置的固定床反应器的炉 体1的内径为2m、高为3. 5m，所指高是指从炉体1顶面到炉体1锥体底面的距离。实施例1、1)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧开启图1所示固定床煤层气非催化脱氧装置(该装置固定床反应器的炉体1的内 径为2m、高为3. 5m)的循环气调压阀7后，采用粒径为25_50mm的无烟煤)作为脱氧燃料， 将该脱氧燃料经煤箱4加入固定床反应器的炉体1中，加料量为140kg/h，流量为1130Nm3/ h(气流速度为0. lm/s)的煤层气(原料气)经过煤层气进气管16上的阻火器15、压力传 感器14、超压截断阀13、进气调压阀12、止回阀11和流量计乙24后，由炉篦21进入固定 床反应器的炉体1内，与脱氧燃料进行脱氧反应，固定床反应器的炉体内脱氧反应压力为 8KPa，控制汽包23进水管中水的温度在5-25°C，使脱氧反应的温度为760°C (士20°C )，反 应5s后，反应完毕的气体经喷淋塔5冷却，冷却后的气体一部分经循环气返回管10上的循 环气调压阀7、流量计甲8和循环气压缩机9进行压缩后，在三通乙处与原料气混合，原料气 中各组分名称及体积百分比如下:C020 . 57%, 0216· 15%, Ν263· 25%和CH420. 03%，循环比 为0. 31，控制混合后的气体中氧含量为12%左右，混合气体流量为1130Nm3/h(气流速度为 0. lm/s)，由炉篦21进入固定床反应器的炉体1内，与脱氧燃料继续进行脱氧反应，冷却后 的另一部分气体直接由煤层气出气管6排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中产生的 灰渣由炉篦21掉入水封装置18的渣池内，并由螺旋排灰机17排出。作为循环后混合气体中各组分名称及体积百分比如下H20.30%、C022. 84%, 0212 . 47%, Ν262. 94%, CH420. 00%, CO 1. 45%，由煤层气出气管(6)排出的煤层气中，各组 分名称及体积百分比如下:Η21. 29%, CO2IO. 27%, O2O. 46%, Ν261· 90%, CH419. 90%禾口 CO 6. 18%。按照物料平衡方法(已知脱氧前煤层气的体积，利用N2不参与脱氧反应，脱氧反 应前后其总量保持不变，求出脱氧反应后煤层气的体积，再根据脱氧前后煤层气中甲烷的 体积百分含量，求出脱氧前后煤层气中甲烷的量；脱氧前煤层气中甲烷的量减掉脱氧后煤 层气中甲烷的量除以脱氧前煤层气中甲烷的量即可求出脱氧前后甲烷的损失率。)计算脱 氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为1. 13%。2)浓缩分离该浓缩分离的工艺流程如图2所示，其中，1为作为原料气的步骤1)所得除氧煤层 气，2为压缩步骤，3为吸附步骤，4为一级PSA脱碳步骤，5为二级PSA脱氮浓缩步骤，6为产 品气，7为脱碳处理中产生的顺减气，8为脱碳处理中产生的废气，7为脱氮及浓缩处理中产 生的顺减气，10为脱氮及浓缩处理中产生的废气。该浓缩分离方法的具体步骤为
a、将作为原料气的步骤1)所得除氧煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气，压 缩后的煤层气的压力为1. OMPa ；其中，除氧煤层气中，各组分的名称及体积百分含量分别如下所示H21. 29%、 CO2IO. 27%, O2O. 46%,N261. 90%,CH419. 90%禾口 CO 6. 18%,甲烷的气压为 4 5kPa ；b、将步骤a所得压缩后的煤层气用分离系数％η4/Ν2=3·5、堆比重为656g/L、处理 气体量为1000Nm3/h的碳分子筛(型号为BM-1)进行吸附，得到吸附后的煤层气；其中，吸 附温度为室温，吸附时间为180秒；该步骤所用吸附装置为四塔真空吸附塔；C、对步骤b所得吸附后的煤层气进行两级分离浓缩，得到浓缩后的煤层气，完成 除氧煤层气中甲烷的浓缩分离，得到产品气。该步骤中，所用两级PSA吸附塔为四塔真空吸附塔，吸附塔的内径为3m，脱碳处理 中所用吸附剂为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度为20°C，吸附时间为180s，吸附压力为 0. 8MPa，脱氮及浓缩处理中所用吸附剂均为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度均为20°C，吸 附时间均为180s，吸附压力均为0. 7MPa。该步骤中排放的顺减气返回原料气中按照前述步骤a_步骤c继续进行浓缩分离， 脱碳处理中产生的废气放空，脱氮及浓缩处理中产生的废气返回原料气中按照前述步骤 a-步骤c继续进行浓缩分离。利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分 含量分别为:CH4 69. 50%, H2 3. 09%, N2 :27· 41%,甲烷回收率为 83. 6%0实施例21)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧关闭图1固定床煤层气非催化脱氧装置(该装置固定床反应器的炉体1的内径为 2m、高为3. 5m)的循环气调压阀7后，采用粒径为25_50mm的焦炭作为脱氧燃料，将该脱氧 燃料经煤箱4加入固定床反应器的炉体1中，加料量为110kg/h，流量为1130Nm3/h(气流速 度为0. lm/s)的煤层气(原料气)经过煤层气进气管16上的阻火器15、压力传感器14、超 压截断阀13、进气调压阀12、止回阀11和流量计乙24后，由炉篦21进入固定床反应器的 炉体1内，与脱氧燃料进行脱氧反应，固定床反应器的炉体内脱氧反应压力为5KPa，控制汽 包23进水管中水的温度在5-25°C，使脱氧反应的温度为800°C (士20°C )，反应7s后，反应 完毕的气体经喷淋塔5冷却，由煤层气出气管6排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中 产生的灰渣由炉篦21掉入水封装置18的渣池内，并由螺旋排灰机17排出。作为原料气的煤层气中各组分名称及体积百分比如下C020 . 27%, 021 2 . 78%, N248. 13%和CH438.82%，由煤层气出气管(6)排出的煤层气中，各组分名称及体积百分比 如下=H2O. 41%,C027 . 36%, O2O. 45%,N248. 08%,CH438. 15%禾口 CO 5. 55%0按照物料平衡方法(已知脱氧前煤层气的体积，利用N2不参与脱氧反应，脱氧反 应前后其总量保持不变，求出脱氧反应后煤层气的体积，再根据脱氧前后煤层气中甲烷的 体积百分含量，求出脱氧前后煤层气中甲烷的量；脱氧前煤层气中甲烷的量减掉脱氧后煤 层气中甲烷的量除以脱氧前煤层气中甲烷的量即可求出脱氧前后甲烷的损失率。)计算脱 氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为1. 62%。2)浓缩分离该浓缩分离的工艺流程如图2所示。该浓缩分离方法的具体步骤为
a、将作为原料气的步骤1)所得除氧煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气；其中，除氧煤层气中各组分的名称及体积百分含量分别为H20.41%、CO2I. 36%, O2O. 45%,N248. 08%XH438. 15%和CO 5. 55%,甲烷的气压为4 5kPa，压缩后的煤层气的 压力为1. OMPa ；b、将步骤a所得压缩后的煤层气用分离系数《CIVN2=3.5、堆比重为656g/L、处理 气体量为1131Nm3/h的碳分子筛(型号为BM-1)进行吸附，得到吸附后的煤层气；其中，吸 附温度为室温，吸附时间为180秒；该步骤所用吸附装置为四塔真空吸附塔；C、对步骤b所得吸附后的煤层气进行两级分离浓缩，得到浓缩后的煤层气，完成 除氧煤层气中甲烷的浓缩分离，得到产品气。该步骤中，所用两级PSA吸附塔为四塔真空吸附塔，吸附塔的内径为3m，脱碳处理 中所用吸附剂为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度为20°C，吸附时间为180s，吸附压力为 0. 8MPa，脱氮及浓缩处理中所用吸附剂均为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度均为20°C，吸 附时间均为180s，吸附压力均为0. 7MPa。该步骤中排放的顺减气返回原料气中按照前述步骤a_步骤c继续进行浓缩分离， 脱碳处理中产生的废气放空，脱氮及浓缩处理中产生的废气返回原料气中按照前述步骤 a-步骤c继续进行浓缩分离。利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分 含量分别为:CH4 85. 36%, H2 :1. 12%,N2 :13· 52%,甲烷回收率为 90. 4%0实施例31)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧关闭图1固定床煤层气非催化脱氧装置(该装置固定床反应器(1)的内径为2m、 高为3. 5m)的循环气调压阀7后，采用粒径为25-50mm的半焦炭作为脱氧燃料，将该脱氧燃 料经煤箱4加入固定床反应器的炉体1中，加料量为130kg/h，流量为1130Nm3/h(气流速度 为0. lm/s)的煤层气(原料气)经过煤层气进气管16上的阻火器15、压力传感器14、超压 截断阀13、进气调压阀12、止回阀11和流量计乙24后，由炉篦21进入固定床反应器的炉 体1内，与脱氧燃料进行脱氧反应，固定床反应器的炉体内脱氧反应压力为7KPa，控制汽包 23进水管中水的温度在5-25°C，使脱氧反应的温度为690°C (士20°C )，反应8s后，反应完 毕的气体经喷淋塔5冷却，由煤层气出气管6排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中产 生的灰渣由炉篦21掉入水封装置18的渣池内，并由螺旋排灰机17排出。作为原料气的煤层气中各组分名称及体积百分比如下C020 . 36%、O2IO. 69%, N239. 91%和CH449. 04%,由煤层气出气管6排出的煤层气中，各组分名称及体积百分比如 下=H2O. 81%,C027. 19%, O2O. 38%,N239. 10%,CH447. 09%, CO 5. 43%d按照物料平衡方法(已知脱氧前煤层气的体积，利用N2不参与脱氧反应，脱氧反 应前后其总量保持不变，求出脱氧反应后煤层气的体积，再根据脱氧前后煤层气中甲烷的 体积百分含量，求出脱氧前后煤层气中甲烷的量；脱氧前煤层气中甲烷的量减掉脱氧后煤 层气中甲烷的量除以脱氧前煤层气中甲烷的量即可求出脱氧前后甲烷的损失率。)计算脱 氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为1. 99%。2)浓缩分离该浓缩分离的工艺流程如图2所示。该浓缩分离方法的具体步骤为
a、将作为原料气的步骤1)所得除氧煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气；其中，除氧煤层气中各组分的名称及体积百分含量分别为H20.81%、CO2I. 19%, O2O. 38%, N239. 10%, CH447. 09%, CO 5. 43%,甲烷的气压为4 5kPa，压缩后的煤层气的 压力为1. OMPa ；b、将步骤a所得压缩后的煤层气用分离系数《CH4/N2=3.5、堆比重为656g/L、处理 气体量为1150Nm3/h的碳分子筛(型号为BM-1)进行吸附，得到吸附后的煤层气；其中，吸 附温度为室温，吸附时间为180秒；该步骤所用吸附装置为四塔真空吸附塔；C、对步骤b所得吸附后的煤层气进行两级分离浓缩，得到浓缩后的煤层气，完成 除氧煤层气中甲烷的浓缩分离，得到产品气。该步骤中，所用两级PSA吸附塔为四塔真空吸附塔，吸附塔的内径为3m，脱碳处理 中所用吸附剂为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度为20°C，吸附时间为180s，吸附压力为 0. 8MPa，脱氮及浓缩处理中所用吸附剂均为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度均为20°C，吸 附时间均为180s，吸附压力均为0. 7MPa。该步骤中排放的顺减气返回原料气中按照前述步骤a_步骤c继续进行浓缩分离， 脱碳处理中产生的废气放空，脱氮及浓缩处理中产生的废气返回原料气中按照前述步骤 a-步骤c继续进行浓缩分离。利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分名称及体积百分 含量分别为:CH4 90. 50%, H2 2. 21%, N2 :7· 29%,甲烷回收率为 86%。实施例41)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧关闭图1固定床煤层气非催化脱氧装置(该装置固定床反应器的炉体1的内径为 2m、高为3. 5m)的循环气调压阀7后，采用粒径为25_50mm的焦炭作为脱氧燃料，将该脱氧 燃料经煤箱4加入固定床反应器的炉体1中，加料量为110kg/h，流量为1130Nm3/h(气流速 度为0. lm/s)的煤层气(原料气)经过煤层气进气管16上的阻火器15、压力传感器14、超 压截断阀13、进气调压阀12、止回阀11和流量计乙24后，由炉篦21进入固定床反应器的 炉体1内，与脱氧燃料进行脱氧反应，固定床反应器的炉体内脱氧反应压力为5KPa，控制汽 包23进水管中水的温度在5-25°C，使脱氧反应的温度为800°C (士20°C )，反应7s后，反应 完毕的气体经喷淋塔5冷却，由煤层气出气管6排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中 产生的灰渣由炉篦21掉入水封装置18的渣池内，并由螺旋排灰机17排出。作为原料气的煤层气中各组分名称及体积百分比如下C020 . 27%、021 2 . 78%, N248. 13%和CH438. 82%,由煤层气出气管6排出的煤层气中，各组分名称及体积百分比如 下=H2O. 41%,C027 . 36%, O2O. 45%,N248. 08%,CH438. 15%禾口 CO 5. 55%0按照物料平衡方法(已知脱氧前煤层气的体积，利用N2不参与脱氧反应，脱氧反 应前后其总量保持不变，求出脱氧反应后煤层气的体积，再根据脱氧前后煤层气中甲烷的 体积百分含量，求出脱氧前后煤层气中甲烷的量；脱氧前煤层气中甲烷的量减掉脱氧后煤 层气中甲烷的量除以脱氧前煤层气中甲烷的量即可求出脱氧前后甲烷的损失率。)计算脱 氧后甲烷的损失率，可知按照上述方法进行脱氧处理后，CH4的损失率为1. 62%。2)浓缩分离该浓缩分离的工艺流程如图3所示，其中，1为作为原料气的步骤1)所得除氧煤层气，2为压缩步骤，3为吸附步骤，4为一级PSA脱碳步骤，5为二级PSA脱氮浓缩步骤，6为三 级PSA分离浓缩步骤，7为产品气，8为脱碳处理中产生的顺减气，9为脱碳处理中产生的废 气，10,12分别为脱氮及浓缩处理中产生的顺减气，11为脱氮及浓缩处理中产生的废气。该浓缩分离方法的具体步骤为a、将作为原料气的步骤1)所得除氧煤层气1进行压缩，得到压缩后的煤层气；其中，除氧煤层气中，各组分的名称及体积百分含量分别如下所示H20. 41%、 C027 . 36%,O2O. 45%,N248. 08%,CH438. 15%和 CO 5. 55% ；甲烧的气压为 4 5kPa，压缩后 的煤层气的压力为l.OMPa;b、将步骤a所得压缩后的煤层气用分离系数《Ch4/N2=3.5、堆比重为656g/L、处理 气体量为1131Nm3/h的碳分子筛(型号为BM-1)进行吸附，得到吸附后的煤层气；其中，吸 附温度为室温，吸附时间为180秒；该步骤所用吸附装置为四塔真空吸附塔；C、对步骤b所得吸附后的煤层气进行三级分离浓缩，得到浓缩后的煤层气，完成 除氧煤层气中甲烷的浓缩分离，得到产品气。该步骤中，所用三级PSA吸附塔为四塔真空吸附塔，吸附塔的内径为3m，脱碳处理 中所用吸附剂为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度为20°C，吸附时间为180s，吸附压力为 0. 8MPa，脱氮及浓缩处理中所用吸附剂均为步骤b中所用碳分子筛，吸附温度均为20°C，吸 附时间均为180s，吸附压力均为0. 7MPa。该步骤中排放的顺减气返回原料气中按照前述步骤a_步骤c继续进行浓缩分离， 脱碳处理中产生的废气放空，脱氮及浓缩处理中产生的废气返回原料气中按照前述步骤 a-步骤c继续进行浓缩分离。利用红外分析方法对产品气中的甲烷含量进行测定，其中各组分的名称及体积百 分含量分别如下所示=CH4 90. 50%,H2 1. 79%,N2 -J. 71%,甲烷回收率为90. 1%0
权利要求
一种对甲烷的体积百分含量大于28％小于或等于50％的煤层气进行甲烷脱氧及浓缩分离的方法，包括如下步骤1)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧所述固定床煤层气非催化脱氧装置包括炉体(1)在内的固定床煤层气脱氧装置本体，炉体(1)的侧壁上设有包围着炉体侧壁的水夹套(2)；该水夹套(2)的上部通过管道与蒸汽汇集器(23)的进气口相连，该水夹套的下部通过管道与蒸汽汇集器(23)的出水口相连；所述固定床煤层气脱氧装置本体包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管(16)相通的炉篦(21)、通过管道与固定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固定床反应器的炉体(1)底部的水封装置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17)和一端与固定床反应器的炉体(1)相连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；所述水封装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散管(19)；所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲(26)、三通乙(25)及位于所述三通甲(26)和三通乙(25)之间的循环气返回管(10)相通，所述三通甲(26)连接所述煤层气出气管(6)与所述循环气返回管(10)，所述三通乙(25)连接所述煤层气进气管(16)与所述循环气返回管(10)；所述循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调压阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管(16)上按照离固定床反应器的炉体由远及近依次设有阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀(12)、防止循环气返回管(10)中的循环气倒流入煤层气进气管(16)的止回阀(11)及流量计乙(24)；关闭循环气调压阀(7)及循环气压缩机(9)后，将脱氧燃料经煤箱(4)加入到炉体(1)中，所述甲烷的体积百分含量大于28％小于或等于50％的煤层气经过煤层气进气管(16)上的阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀(12)、止回阀(11)和流量计乙(24)后，由炉篦(21)进入炉体(1)内，与脱氧燃料进行脱氧反应，反应完毕后气体经喷淋塔(5)冷却，由煤层气出气管(6)排出，完成煤层气的脱氧；脱氧反应过程中产生的灰渣由炉篦(21)掉入水封装置(18)的渣池内，并由螺旋排灰机(17)排出；在上述过程的同时，控制所述汽包(23)进水管中水的温度使脱氧反应的温度为500 900℃2)将步骤1)得到的脱氧后的煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，将压缩后的煤层气用碳分子筛进行吸附，得到吸附后的煤层气，对吸附后的煤层气进行至少两级浓缩分离，完成脱氧后的煤层气中甲烷的浓缩分离。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述汽包(23)进水管中水 的温度为5-25°C ；脱氧燃料选自焦炭、半焦炭、无烟煤和煤矸石中的至少一种，脱氧燃料的 粒径为13 50mm，优选25-50mm ；脱氧反应中，温度为500-900°C，优选600-800°C，压力为 4-lOKPa，优选5-8KPa ；所述甲烷的体积百分含量大于28%小于或等于50%的煤层气的气 流速度为0. 1-0. 3m/s，优选0. lm/s ；步骤2)中，压缩后的煤层气的压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8-1. OMPa ；吸附步骤中，碳 分子筛的分离系数3. 5，碳分子筛的堆比重为600 700g/L，优选656g/L，吸附时 间为120 240秒，优选180秒，吸附温度为5-35°C ；浓缩分离步骤中，浓缩分离为两级或三级。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述步骤2)浓缩分离步骤中，两级浓 缩分离的步骤为先将吸附后的煤层气进行脱碳处理，再进行脱氮和浓缩处理；其中，脱碳 处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，压力为0. 3 1. 5MPa ；脱氮处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，压力 为0. 3 1. 5MPa ；浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子筛，吸附时间为 180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5-35°C ；三级浓缩分离的步骤为先将吸附后的煤层气进行脱碳处理，再分别进行脱氮和浓缩 处理；其中，脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s， 压力为0. 3 1. 5MPa ；脱氮处理步骤中，吸附剂为BM-I，温度为5_35°C，时间为120 240s， 压力为0. 3 1. 5MPa ；浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子筛，吸附时 间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5-350C0
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤2)浓缩分离步骤中，两级浓缩 分离的脱碳处理步骤中，时间为120 240s 180s，压力为0. SMPa ；脱氮处理步骤中，时间为 180s，压力为 0. 7-0. 8MPa ；三级浓缩分离的脱碳处理步骤中，时间为180s，压力为0. SMPa ；脱氮处理步骤中，时间 为 180s，压力为 0. 7-0. 8MPa。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于所述固定床煤层气脱氧装置本体 包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管(16)相通的炉篦(21)、通过管道与固 定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固定床反应器的炉体(1)底部的水封装 置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17)和一端与固定床反应器的炉体(1)相 连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；炉篦(21)外侧设有刮刀(20)；固定床 反应器的炉体(1)上方设有探火孔(3)；固定床反应器的炉体(1)侧壁上设有检修用人孔 (22)；水封装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散 管(19)；所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲、三通乙及位于三通甲和 三通乙之间的循环气返回管(10)相通，三通甲连接煤层气出气管与循环气返回管，三通乙 连接煤层气进气管与循环气返回管；循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调压 阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管(16)上按照离固定床反应器的炉体由远及近依次设有阻火器 (15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀(12)、防止循环气返回管中的循环气 倒流入煤层气进气管的止回阀(11)及流量计乙(24)；所述固定床反应器的炉体(1)的高径比为1. 5-3. 2，优选1. 5-2. 4。
6.一种对甲烷的体积百分含量为20-28%的煤层气进行甲烷脱氧及浓缩分离的方法， 包括如下步骤1)用固定床煤层气非催化脱氧装置对煤层气进行脱氧所述固定床煤层气非催化脱氧装置包括炉体(1)在内的固定床煤层气脱氧装置本体， 炉体(1)的侧壁上设有包围着炉体侧壁的水夹套(2)；该水夹套(2)的上部通过管道与蒸 汽汇集器(23)的进气口相连，该水夹套的下部通过管道与蒸汽汇集器(23)的出水口相连；所述固定床煤层气脱氧装置本体包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管(16) 相通的炉篦(21)、通过管道与固定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固定床反 应器的炉体(1)底部的水封装置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17)和一端 与固定床反应器的炉体(1)相连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；所述水封 装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散管(19)； 所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲(26)、三通乙(25)及位于 所述三通甲(26)和三通乙(25)之间的循环气返回管(10)相通，所述三通甲(26)连接所 述煤层气出气管(6)与所述循环气返回管(10)，所述三通乙(25)连接所述煤层气进气管 (16)与所述循环气返回管(10)；所述循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调压 阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管(16)上按照离固定床反应 器的炉体由远及近依次设有阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀 (12)、防止循环气返回管(10)中的循环气倒流入煤层气进气管(16)的止回阀(11)及流量 计乙(24)；开启循环气调压阀(7)及循环气压缩机(9)后，将脱氧燃料经煤箱(4)加入到炉体(1) 中，所述甲烷的体积百分含量为20-28%的煤层气经阻火器(15)、压力传感器(14)、超压截 断阀(13)、进气调压阀(12)、止回阀(11)和流量计乙(24)后，由炉篦(21)进入炉体(1) 内，与脱氧燃料进行脱氧反应，反应完毕后再经喷淋塔(5)冷却，冷却后的气体一部分经循 环气返回管(10)上的循环气调压阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)进行压缩后， 在三通乙(25)处与由煤层气进气管(16)进入炉体(1)的甲烷含量为20-28%的煤层气混 合，控制混合后的气体中氧含量为10. 6-15%后，由炉篦(21)进入炉体⑴内，与脱氧燃料 继续进行脱氧反应，冷却后的另一部分气体直接由煤层气出气管(6)排出，完成煤层气的 脱氧；脱氧反应过程中产生的灰渣由炉篦(21)掉入水封装置(18)的渣池内，并由螺旋排灰 机(17)排出；在上述过程的同时，控制所述汽包(23)进水管中水的温度使脱氧反应的温度为 500-900 0C ；2)将步骤1)得到的脱氧后的煤层气进行压缩，得到压缩后的煤层气，将压缩后的煤层 气用碳分子筛进行吸附，得到吸附后的煤层气，对吸附后的煤层气进行至少两级的浓缩分 离，完成脱氧后的煤层气中甲烷的浓缩分离。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述汽包(23)进水管中水 的温度为5-25°C ；脱氧燃料选自焦炭、半焦炭、无烟煤和煤矸石中的至少一种，脱氧燃料 的粒径为13 50mm，优选25_50mm ；脱氧反应中，温度为500-900°C，优选600-800°C，压 力为4-lOKPa，优选5-8KPa ；所述甲烷的体积百分含量为20-28 %的煤层气的气流速度为 0. 1-0. 3m/s，优选 0. lm/s ；所述步骤2)中，压缩后的煤层气的压力为0. 3 1. 5MPa，优选0. 8-1. OMPa ；吸附步骤 中，碳分子筛的分离系数βανΝ2为3. 5，碳分子筛的堆比重为600 700g/L，优选656g/L，吸 附时间为120 240秒，优选180秒，吸附温度为5-35°C ；浓缩分离步骤中，浓缩分离为两 级或三级。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于所述步骤2)浓缩分离步骤中，两级浓 缩分离的步骤为先将吸附后的煤层气进行脱碳处理，再进行脱氮和浓缩处理；其中，脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，压力为0. 3 1. 5MPa ；脱氮处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s，压力 为0. 3 1. 5MPa ；浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子筛，吸附时间为 180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5-35°C ；三级浓缩分离的步骤为先将吸附后的煤层气进行脱碳处理，再分别进行脱氮和浓缩 处理；其中，脱碳处理步骤中，吸附剂为所述碳分子筛，温度为5-35°C，时间为120 240s， 压力为0. 3 1. 5MPa ；脱氮处理步骤中，吸附剂为BM-1，温度为5-35°C，时间为120 240s, 压力为0. 3 1. 5MPa ；浓缩处理步骤为用吸附剂进行吸附；吸附剂为所述碳分子筛，吸附时 间为180s，吸附压力为0. 5 0. 7MPa，温度为5-350C0 根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤2)浓缩分离步骤中，两级浓缩 分离的脱碳处理步骤中，时间为120 240s 180s，压力为0. SMPa ；脱氮处理步骤中，时间为 180s，压力为 0. 7-0. 8MPa ；三级浓缩分离的脱碳处理步骤中，时间为180s，压力为0. SMPa ；脱氮处理步骤中，时间 为 180s，压力为 0. 7-0. 8MPa。 根据权利要求6-9任一所述的方法，其特征在于所述固定床煤层气脱氧装置本 体包括炉体(1)、位于炉体(1)底部并与煤层气进气管(16)相通的炉篦(21)、通过管道与 固定床反应器的炉体(1)顶部相连的煤箱(4)、浸没固定床反应器的炉体(1)底部的水封 装置(18)、位于水封装置(18)之下的螺旋排灰机(17)和一端与固定床反应器的炉体(1) 相连另一端与煤层气出气管(6)相连的喷淋塔(5)；炉篦(21)外侧设有刮刀(20)；固定床 反应器的炉体(1)上方设有探火孔(3)；固定床反应器的炉体(1)侧壁上设有检修用人孔 (22)；水封装置(18)包括水封和位于水封下方的渣池，水封装置(18)的顶部设有超压放散 管(19)；所述煤层气出气管(6)和煤层气进气管(16)之间通过三通甲、三通乙及位于三通甲和 三通乙之间的循环气返回管(10)相通，三通甲连接煤层气出气管与循环气返回管，三通乙 连接煤层气进气管与循环气返回管；循环气返回管(10)上由上至下依次设有循环气调压 阀(7)、流量计甲(8)和循环气压缩机(9)；所述煤层气进气管上按照离固定床反应器的炉体由远及近依次设有阻火器(15)、压力 传感器(14)、超压截断阀(13)、进气调压阀(12)、防止循环气返回管中的循环气倒流入煤 层气进气管的止回阀(11)及流量计乙(24)；所述固定床反应器的炉体(1)的高径比为1. 5-3. 2，优选1. 5-2. 4。
全文摘要
本发明公开了一种煤层气脱氧和浓缩分离甲烷的方法。该方法能够对CH4含量在20％～50％的煤层气进行脱氧，且对原料气中的氧含量要求较低，氧含量在10.6-15％时即可对原料气进行脱氧，循环脱氧次数较现有方法能够显著减少，因而能够降低能源消耗及生产成本，缩短脱氧时间，进而提高生产效率。该方法应用范围广，投资消耗低，除氧彻底迅速，在煤层气除氧领域具有很好的应用前景。且该方法可使煤层气中甲烷的浓度由原料气中的20-50％提高到80-90％。该方法只选用一种碳分子筛，即可达到浓缩CH4、脱碳和脱氮的目的，浓缩分离效率显著提高，在煤层气的工业化推广方面具有重要的意义和应用价值。
文档编号C10L3/10GK101921642SQ20101025629
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者刘春兰, 吴涛, 国晖, 张科达, 徐春霞, 文芳, 李小亮, 李雪飞, 杨宗仁, 段超, 王鹏, 董卫果 申请人:煤炭科学研究总院