[發(fā)明專(zhuān)利]含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910068582.6
• 申請(qǐng)日: 2009-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101549240A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-10-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周理;劉聰敏;周亞平;孫艷;蘇偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B01D53/047
• 分類(lèi)號(hào): B01D53/047;C10L3/10;C07C9/04;C07C7/12
• 代理公司: 天津市杰盈專(zhuān)利代理有限公司
• 代理人: 王小靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及清潔能源領(lǐng)域煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)，特別是一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法。

背景技術(shù)

煤層中蘊(yùn)藏的甲烷是優(yōu)質(zhì)的氣態(tài)燃料，同時(shí)也是煤礦井下災(zāi)害和大氣溫室效應(yīng)的重要源泉。若煤層氣中的甲烷濃度達(dá)到80％以上，即可直接用作潔凈燃料，但一般抽放煤層氣中的甲烷濃度遠(yuǎn)低于80％。我國(guó)因煤炭開(kāi)采而釋放的煤層氣甲烷每年高達(dá)60億立方米，占全世界排放總量的30％，而其利用率僅為7-8％[張新民，煤層氣甲烷——我國(guó)天然氣的重壓潛在領(lǐng)域，天然氣化工：1991，13(3)：13-16；鮮學(xué)福，我國(guó)煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的展望。重慶：重慶大學(xué)礦上工程物理研究所，1997]。資源的巨大浪費(fèi)原因在于缺乏適宜的煤層氣甲烷濃縮技術(shù)。

經(jīng)過(guò)預(yù)凈化處理除去了水等雜質(zhì)的抽放煤層氣，可看作是甲烷和空氣的混合氣體。濃縮甲烷技術(shù)的核心是氮?dú)馀c甲烷的分離。氮?dú)夂图淄榈呐R界溫度都很低，二者物理及化學(xué)性質(zhì)相近，因此開(kāi)發(fā)低成本的甲烷/氮?dú)夥蛛x方法一直是一個(gè)難度很高的課題。低溫方法濃縮煤層氣甲烷[陶鵬萬(wàn)，王曉東，黃建彬，低溫法濃縮煤層氣中的甲烷，天然氣化工：C1化學(xué)與化工，2005，30(4)43-46]需將所有的抽放氣液化，若甲烷濃度低，則濃縮成本巨大。變壓吸附方法在常溫下操作，吸附壓力也不高，比低溫分離條件溫和得多。但變壓吸附方法濃縮煤層氣甲烷業(yè)已研究多年，仍被視為吸附領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題[Ruthven，D.M.Past?Progress?and?Future?Challenges?in?Adsorption?Research，Ind.Eng.Chem.Res.，39，2127-2131(2000)]。吸附分離的基本問(wèn)題有兩個(gè)，一是沒(méi)有找到高效的分離吸附劑，即關(guān)鍵組分的分離系數(shù)低，使得吸附分離成本較高；二是甲烷作為塔底產(chǎn)品，其濃度、收率和壓力均受限制。以高表面活性炭為吸附劑，大大增加了甲烷與氮?dú)獾奈讲町怺周理，周亞平，高表面活性炭變壓吸附分離甲烷/氮?dú)饣旌衔锏姆椒?，中?guó)專(zhuān)利ZL02117916.6，2002]，但甲烷仍是強(qiáng)吸附組分，限制了產(chǎn)品氣甲烷濃度和甲烷收率的提高。利用位阻效應(yīng)和吸附動(dòng)力學(xué)差異開(kāi)發(fā)的吸附劑轉(zhuǎn)變了甲烷與氮?dú)鈱?duì)吸附劑的親和順序，使甲烷變?yōu)樗敭a(chǎn)品[Jayaraman?A.，Yang?R.T.Tailored?Clinoptilolites?forNitrogen/Methane?Separation，Ind.Eng.Chem.Res.，2005，44，5184-5192]，但這種吸附劑的比表面積很低，吸附容量很小，吸附差異也非常有限，其工業(yè)應(yīng)用前景不明朗。中國(guó)專(zhuān)利CN85103557公開(kāi)了以活性炭為吸附劑，采用經(jīng)典Skarstrom循環(huán)，甲烷濃度從30.4％提高到63.9％。若以產(chǎn)品氣甲烷作為置換氣體，可使其濃度從20％提高到93.7％，但需要采用高回流比，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，回收率低，分離成本提高。此外，產(chǎn)品氣是通過(guò)抽真空等方式得到的，甲烷依然是塔底產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法，可以克服已有技術(shù)的缺陷。它是以活性炭為分離吸附劑，在變壓吸附(PSA)工藝流程中增加了以二氧化碳置換被吸附甲烷的步驟，使甲烷成為塔頂產(chǎn)品，從而提高了產(chǎn)品氣甲烷的濃度和收率。二氧化碳則為工質(zhì)氣體，循環(huán)使用。其特點(diǎn)是，即保持了較高的關(guān)鍵組分分離系數(shù)，又使甲烷作為塔頂產(chǎn)品并且達(dá)到很高的濃度和回收率。本發(fā)明適用于不同甲烷含量的煤層氣，例如，從甲烷濃度為20％的煤層氣得到的產(chǎn)品氣，甲烷濃度可達(dá)90％以上，回收率高達(dá)90％。

本發(fā)明提供的含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法主要包括的步驟：原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收等。所述的工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換或常壓置換操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。

本發(fā)明提供的含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法主要包括的步驟：原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收等。工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換和常壓置換兩種操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。

帶壓置換吸附法濃縮煤層氣中甲烷的工藝操作流程：

1.吸附