[發(fā)明專利]一種含氧煤層氣催化脫氧工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910012669.1
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN101613627A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王樹東;王勝;蘇宏久;李德意
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: C10K1/34
• 分類號: C10K1/34;B01J23/40
• 代理公司: 沈陽晨創(chuàng)科技專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 張 晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種含氧(O₂)煤層氣催化脫氧工藝。

背景技術(shù)

煤層氣是一種吸附于煤層中的可燃?xì)怏w，主要成份為高純度甲烷 (CH₄)。煤層氣的存在給煤礦安全生產(chǎn)帶來了較大的安全隱患，因此，必 須在采煤過程前或采煤過程中將其抽采或稀釋。由于煤層氣通常不含硫， 也不含苯、汞、鉛等可致癌的有毒物，所以煤層氣可以替代常規(guī)天然氣作 為一種高熱值、無污染的優(yōu)質(zhì)清潔能源，用作發(fā)電燃料、工業(yè)燃料、車用 燃料、化工原料和居民生活燃料。目前，對于CH₄含量在60％以上的煤層 氣，利用技術(shù)相對比較成熟；而CH₄濃度相對比較低且混入空氣的煤層氣 通常只能就地使用，絕大部分被燃燒放空。據(jù)統(tǒng)計(jì)每年我國從采煤行業(yè)排 放的CH₄達(dá)194億m³，這樣造成了極大的資源浪費(fèi)。此外，CH₄的溫室效 應(yīng)是CO₂的21倍。因此，如能將這種中、低濃度的含氧煤層氣加以加工提 純、輸運(yùn)和利用，將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

煤層氣提純技術(shù)是指將N₂或空氣與CH₄分離，使煤層氣中甲烷含量相 應(yīng)增加，從而可以提高煤層氣的熱值及降低輸送成本。煤層氣提純技術(shù)主 要包括低溫深冷分離、變壓吸附和膜分離等三種。對于變壓吸附法和膜分 離法，高壓有利于氣體的分離凈化。但是，高的操作壓力使得甲烷的爆炸 限變寬，對于這種中、低濃度的含氧煤層氣提純來說，操作危險(xiǎn)性增大。 專利CN1952569A和CN1908559A公開了一種含空氣煤層氣的低溫雙級精 餾液化分離工藝，其液化和分離都在低溫下進(jìn)行，液化天然氣的產(chǎn)品純度 可以達(dá)到99％以上。然而該技術(shù)在分離過程中，隨著甲烷濃度的提高，排 放廢氣的氧含量也被濃縮提高，不可避免地有一個階段正好是屬于甲烷的 燃燒和爆炸的范圍，存在著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，一種較為安全的分離提純方案是先脫除煤層氣中的O₂再進(jìn)行提 純處理。有效的脫氧過程是煤層氣加壓液化分離等后序過程的安全保障。 目前可采用的煤層氣脫氧方式主要包括催化脫氧(ZL02113628.9、 CN101139239A等)、焦炭燃燒法(ZL02113627.0、CN1919986A)等。煤 層氣焦炭燃燒法脫氧工藝雖然能夠有效脫除含氧煤層氣中的O₂，但是該工 藝采用焦炭做燃料(如采用無煙煤代替焦炭則帶來SO₂排放等問題)，能 耗較高；補(bǔ)焦和除塵工藝也相對比較復(fù)雜；較高的反應(yīng)溫度不僅對反應(yīng)器 材質(zhì)提出了更高的要求，同時(shí)可能導(dǎo)致CH₄高溫裂解及重整等副反應(yīng)發(fā)生， 使煤層氣中CH₄回收率降低。這些都增加了焦炭燃燒法脫氧工藝的成本。

催化脫氧工藝的本質(zhì)是富燃貧氧氣氛下CH₄的催化燃燒，該過程發(fā)生 的主要反應(yīng)為CH₄(g)+2O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂O(g)-802.32kJ/mol，為強(qiáng)放熱反 應(yīng)；同時(shí)由反應(yīng)體系熱力學(xué)分析可知，反應(yīng)溫度超過650℃時(shí)CH₄的水蒸汽 重整反應(yīng)和裂解積碳反應(yīng)發(fā)生的可能性較大。因此，如何移走反應(yīng)過程中 放出的大量的熱并控制催化劑床層溫度在相對較低的水平(如650℃以內(nèi)) 以減少副反應(yīng)的發(fā)生，是該催化脫氧工藝的關(guān)鍵所在。采用具有內(nèi)構(gòu)件的 等溫床反應(yīng)器會使得反應(yīng)器設(shè)備造價(jià)急劇升高；如采用絕熱床反應(yīng)器，則 循環(huán)反應(yīng)器和部分產(chǎn)品氣循環(huán)工藝是必然的選擇。專利CN101139239A公 開了一種富含甲烷氣體的耐硫催化脫氧工藝，通過循環(huán)部分脫氧冷卻后的 氣體來降低氧濃度控制反應(yīng)溫度。但是，該工藝采用錳系耐硫脫氧催化劑， 為維持催化劑活性以達(dá)到要求的脫氧深度，必然要采用較高的反應(yīng)溫度和 較低的反應(yīng)空速。較高的反應(yīng)溫度會增加CH₄發(fā)生副反應(yīng)的機(jī)會，降低了 CH₄回收率；較低的反應(yīng)空速會使反應(yīng)器設(shè)備體積龐大，增加煤層氣脫氧成 本。此外，非貴金屬催化劑的使用會使得催化脫氧反應(yīng)的點(diǎn)火起動變得困 難；顆粒型催化劑則增加了床層的阻力降，不利于入口壓力較低的煤層氣 脫氧工藝。上述問題均使得該催化脫氧工藝技術(shù)方案的可行性降低。