[發明專利]從含氧煤層氣中提純分離甲烷的方法

有效

• 申請號: 200810101907.1
• 申請日: 2008-03-13
• 公開（公告）號: CN101531559A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發明（設計）人: 吳劍峰;公茂瓊;孫兆虎
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: C07C9/04
• 分類號: C07C9/04;C07C7/00;C07C7/04
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司
• 代理人: 郭廣迅;曹津燕

技術領域

本發明涉及從含氧煤層氣中提純分離甲烷的方法，屬于混合氣體分離 純化技術領域。

背景技術

煤層氣屬于非常規天然氣，即煤在形成和演化過程中生成的、沒有經 過運移、以吸附狀態存在于煤層內的天然氣。煤層氣的主要成份為甲烷， 是一種清潔和高熱值的能源。我國煤層氣資源非常豐富，基本儲量與常規 天然氣相當。煤層氣有兩種抽采方式：一種是地面抽采，其煤層氣中甲烷 純度高，可以達到98％左右。這種煤層氣利用價值比較高，可以直接加壓 進行管網輸運，也可以直接進行液化儲運。但是更為廣泛的煤層氣抽采方 式是在已經進行煤炭開采生產的礦井下抽采。這種方式抽采出來的煤層氣 當中甲烷含量較低，通常在30％～70％之間。在相當長的一段時期內，我 國煤礦開采過程當中，一直依賴礦井下抽采，煤層氣，即：通常所稱的瓦 斯氣的抽放處理僅僅是處于煤礦安全生產的要求而進行的。

從礦井煤層氣中分離提純甲烷氣體對于擴展和提高煤層氣的有效利 用率和經濟價值具有重要意義。我國煤層氣具有數量巨大，產地分散、單 井規模小，且井下抽采氣濃度低并含氧等特點，必須有安全、經濟的分離 儲運技術才能充分合理利用。

目前可以應用于從煤層氣中分離提純甲烷的方法一般有低溫液化分 離、變壓吸附及膜分離等工藝方案，每種技術方案均具有自己的特色且具 有各自的應用范圍。但是對于分離處理類似礦井煤層氣這種含氧可燃混合 物時，安全問題成為所有分離技術必須考慮的問題。甲烷是一種可燃氣體， 與空氣混合存在一個爆炸濃度范圍，在常溫常壓下為5％～15％。這個濃 度范圍會隨著壓力和溫度的變化而改變，其中溫度升高和壓力升高均會使 爆炸濃度范圍擴大。從礦井煤層氣，即空氣和甲烷的混合物中分離提純甲 烷，無論起始混合物中甲烷濃度有多高，隨著甲烷的分離減少，在系統內 均會穿過爆炸濃度范圍，這對于任何分離提純系統均是非常危險的。

目前，對低溫液化分離、變壓吸附及膜分離等各種氣體分離技術應用 于從煤層氣中提純甲烷的技術報道較為少見。其中中國專利申請 200610080889.4、200610103425.0公開了一種針對含氧煤層氣液化分離的 工藝流程，采用低溫精餾和分餾措施可以實現從含氧煤層氣中提純甲烷， 并且可以獲得較高純度的氮氣，可補充到制冷系統當中。然而在實際操作 過程中，由于在提純的過程中，甲烷的濃度不斷降低，氧氣的濃度不斷升 高，可能存在含氧煤層氣的溫度達到甲烷的爆炸點，這就可能造成混合氣 體的爆炸，該專利申請并沒有具體涉及到如何解決安全問題的技術方案， 而且流程要對含甲烷尾氣進一步分離制氮，會在系統中出現液態空氣、富 氧液態和氣態氧，存在更多的危險性，也沒有對此提出解決方案。中國專 利申請200410040155.4也公開了一種采用低溫液化分離煤層氣提純甲烷 的方案，其中提及了要對原料煤層氣進行深度脫氧處理后才可以進行低溫 液化分離。對于分離工藝中所采用的變壓吸附和膜分離工藝來說，在分離 工藝流程中需要對原料氣進行加壓，這顯著擴大了煤層氣的爆炸濃度范 圍，因此采取脫氧或者其他安全措施是必要的。對于煤層氣中脫氧目前的 技術手段有：催化氧化和化工轉化等方法，但是深度脫氧具有成本高或者 是技術經濟性不好、技術成熟度不夠等問題，對含較多氧的煤層氣中、低 濃度煤層氣尚未見到工業規模的應用實例。

根據燃燒理論，甲烷等可燃氣體-氧氣-惰性氣體混合物存在一個最 小的燃爆氧濃度，其對應的點稱為燃爆臨界點，其與可燃氣體一氧氣混合 物的爆炸上、下限濃度點構成了一個爆炸三角形，只有當混合物濃度范圍 處于此爆炸三角形內，系統才有可能發生爆炸。在《煤礦瓦斯災害防治及 利用技術手冊》2005年的第120頁，公開了圖1的甲烷-空氣混合氣體的 坐標區域以及該坐標區域中的爆炸三角形的示意圖，此圖通常稱為Coward 三角形，圖中將整個坐標區域的濃度范圍劃分為I、II、III和IV四個區域。 實際上，此四個區域的劃分與混合物濃度、壓力及溫度均有關系。結合圖 2典型的混合氣體低溫分離流程進一步說明。原料氣首先進入制冷系統逐 步降溫直至部分組份變為液體，進入精餾系統分離為尾氣和液態純甲烷。 根據需要，尾氣也可返回制冷系統回收冷量后排出或進入下一級進行進一 步的分離。此流程中的精餾系統可由一個氣液分離器和氣提塔所替代，見 圖3。液態產品直接以低溫液態或通過制冷系統回收冷量后以氣態輸出。