[發明專利]一種含氧煤層氣催化脫氧工藝

有效

• 申請號: 200910012669.1
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN101613627A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 王樹東;王勝;蘇宏久;李德意
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C10K1/34
• 分類號: C10K1/34;B01J23/40
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司
• 代理人: 張 晨

技術領域

本發明屬于化學領域，具體涉及一種含氧(O₂)煤層氣催化脫氧工藝。

背景技術

煤層氣是一種吸附于煤層中的可燃氣體，主要成份為高純度甲烷 (CH₄)。煤層氣的存在給煤礦安全生產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天然氣作 為一種高熱值、無污染的優質清潔能源，用作發電燃料、工業燃料、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。據統計每年我國從采煤行業排 放的CH₄達194億m³，這樣造成了極大的資源浪費。此外，CH₄的溫室效 應是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、輸運和利用，將具有重大的經濟效益和環境效益。

煤層氣提純技術是指將N₂或空氣與CH₄分離，使煤層氣中甲烷含量相 應增加，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行，液化天然氣的產品純度 可以達到99％以上。然而該技術在分離過程中，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險。

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；補焦和除塵工藝也相對比較復雜；較高的反應溫度不僅對反應器 材質提出了更高的要求，同時可能導致CH₄高溫裂解及重整等副反應發生， 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是富燃貧氧氣氛下CH₄的催化燃燒，該過程發生 的主要反應為CH₄(g)+2O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂O(g)-802.32kJ/mol，為強放熱反 應；同時由反應體系熱力學分析可知，反應溫度超過650℃時CH₄的水蒸汽 重整反應和裂解積碳反應發生的可能性較大。因此，如何移走反應過程中 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) 以減少副反應的發生，是該催化脫氧工藝的關鍵所在。采用具有內構件的 等溫床反應器會使得反應器設備造價急劇升高；如采用絕熱床反應器，則 循環反應器和部分產品氣循環工藝是必然的選擇。專利CN101139239A公 開了一種富含甲烷氣體的耐硫催化脫氧工藝，通過循環部分脫氧冷卻后的 氣體來降低氧濃度控制反應溫度。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到要求的脫氧深度，必然要采用較高的反應溫度和 較低的反應空速。較高的反應溫度會增加CH₄發生副反應的機會，降低了 CH₄回收率；較低的反應空速會使反應器設備體積龐大，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的點火起動變得困 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方案的可行性降低。