[發(fā)明專利]煤礦區(qū)煤層氣催化脫氧的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010502757.2
• 申請日: 2010-09-29
• 公開（公告）號: CN102433181A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王國清;郭敬杭;白杰;李蔚;頰景省
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司北京化工研究院
• 主分類號: C10L3/10
• 分類號: C10L3/10
• 代理公司: 北京思創(chuàng)畢升專利事務(wù)所 11218
• 代理人: 趙宇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種煤礦區(qū)煤層氣利用其中的甲烷催化脫氧的方法。

背景技術(shù)

煤層氣(俗稱瓦斯)大量存在于煤層中，其主要組成為甲烷。在煤礦的開采過程中，由于煤層氣中含有大量的甲烷，煤層氣具有易爆特性，如果處理不慎，非常容易造成煤礦井下事故。在煤礦采煤過程中，通過向煤礦區(qū)通入大量的空氣來置換煤層氣，因此煤礦區(qū)最初的方法是將煤層氣向大氣排放。甲烷是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO₂的20倍以上，大量的煤層氣排入大氣加劇了全球溫室效應(yīng)。

隨著石油資源的日益匱乏，替代能源的尋找一直是近幾十年來各國政府和企業(yè)界所共同關(guān)注的重點(diǎn)。主要成分為甲烷的天然氣的利用已經(jīng)取得了一定的成果，比如天然氣發(fā)電，天然氣作民用燃料，天然氣經(jīng)合成氣制備化工原料等。與天然氣類似，煤層氣的主要成分也是甲烷，如果能夠作為天然氣的補(bǔ)充加以利用，不僅可以擴(kuò)大甲烷類資源的使用年限，還可以提高煤礦開采安全性和降低全球溫室效應(yīng)，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

煤層氣與天然氣的不同主要體現(xiàn)在甲烷的含量不同，按照甲烷含量的不同，煤層氣還可以分為高甲烷含量(甲烷濃度大于80％)的氣體，中甲烷含量(甲烷濃度為30％～80％)的氣體和低甲烷濃度(甲烷濃度小于30％)的氣體。對于高甲烷濃度氣體，其使用率已經(jīng)接近100％，而對于中低甲烷濃度的氣體，由于其中存在的氧氣和氮?dú)鈱?dǎo)致了安全性和分離經(jīng)濟(jì)效益的問題，尤其是其中氧氣的存在導(dǎo)致的安全性問題，已經(jīng)成為制約中低甲烷濃度煤層氣利用的瓶頸。其原因在于，煤層氣利用需要提高氣體中的甲烷含量，而提高甲烷含量的方法就是需要將氮?dú)饣蚩諝馀c甲烷分離。目前煤層氣分離提純技術(shù)主要包括低溫深冷分離、變壓吸附和膜分離等三種。對于低溫深冷分離，雖然其液化和分離都在低溫下進(jìn)行，然而在分離過程中，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。對于變壓吸附法和膜分離法，高壓有利于氣體的分離凈化，然而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。由此可見，煤層氣脫氧技術(shù)已經(jīng)成為煤層氣利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前可采用的煤層氣脫氧方式主要包括焦炭燃燒法(ZL02113627.0，CN1919986A)和催化脫氧(ZL02113628.9，CN101139239A)等。

CN1919986A公開了一種煤層氣焦炭脫氧工藝，將煤層氣通過脫氧反應(yīng)器中熾熱的焦炭層或無煙煤層脫氧，控制脫氧反應(yīng)溫度為600～1000℃，壓力為常壓，然后再進(jìn)行廢熱回收----除塵----冷卻處理；在該脫氧過程中，通過循環(huán)部分脫氧冷卻后的煤層氣至脫氧前的煤層氣中，調(diào)節(jié)進(jìn)入脫氧反應(yīng)器中的反應(yīng)氣體的氧含量至5～9％。采用本工藝可較好的控制反應(yīng)溫度，有效的除去煤層氣中的氧，并最大限度地減少甲烷裂解，以保證甲烷的損耗在5％以下，同時降低脫氧過程中的爆炸可能性，提高安全性。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，同時可能導(dǎo)致甲烷高溫裂解及重整等副反應(yīng)發(fā)生，使煤層氣中甲烷回收率降低。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)。據(jù)推算含50％甲烷以下的煤層氣，每脫除1％氧，溫升85℃以上，視煤層氣中氧含量而定，氧含量愈高，溫升愈大。如含10％氧的煤層氣一次通過反應(yīng)，溫度將高達(dá)1000℃以上，使甲烷大量裂解，造成甲烷損失。同時由反應(yīng)體系熱力學(xué)分析可知，反應(yīng)溫度超過650℃時甲烷的水蒸汽重整反應(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。