[發明專利]一種含氧煤層氣的流化床催化脫氧方法及設備

有效

• 申請號: 201110393395.2
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102517109A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 房倚天;趙建濤;王洋;黃戒介;方惠斌;董立波;王建國
• 申請（專利權）人: 中國科學院山西煤炭化學研究所
• 主分類號: C10L3/10
• 分類號: C10L3/10
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 劉寶賢

技術領域

本發明涉及一種含氧煤層氣的流化床催化脫氧方法及設備。

背景技術

我國是煤炭消費大國，煤炭開采過程中，為保證礦井安全生產，抽放大量的低濃度混空煤層氣，其主要成分是甲烷(CH₄)和空氣。據統計，我國每年采煤排放的煤層氣數十億立方米，絕大部分直接放空燃燒，不僅浪費了資源，同時也加重了大氣的溫室效應，造成環境污染。

低濃度含氧煤層氣中甲烷含量30-70％、氧含量5-15％，易燃、易爆，當前的主要利用方式是直接燃燒和發電，其經濟價值未能充分體現。我國目前天然氣供給量嚴重不足，若能將其提純、濃縮利用，作為汽車或民用燃料，必將是天然氣資源的有效補充，可以提高資源價值和經濟效益。

煤層氣分離提純技術主要包括變壓吸附、膜分離和低溫深冷分離技術等。變壓吸附和膜分離需要在高壓條件下進行，但高壓導致甲烷爆炸極限變寬，而且分離過程中必然會產生爆炸性氣體，操作危險大，是目前限制煤層氣分離提級利用的主要技術因素。專利ZL85103557公開了一種變壓吸附法分離煤層氣中甲烷的方法，但甲烷濃縮過程中，也導致排氣中氧濃度的增大，排放廢氣的管路中存在爆炸的危險。專利CN101531559A，CN101531560A，CN101531561A公開了一種采用低溫精餾的方法分離煤層氣中甲烷的方法，采用嚴格控制分離曲線的方法，控制氣體的爆炸極限，但安全性還有待評價，系統風險較大。因此，為了防止氣體爆炸，提高工藝的安全性和可行性，有必要首先脫除煤層氣中混合的氧氣，然后再進行加壓分離或低溫液化分離操作。

目前，煤層氣脫氧的方法主要有催化氧化法、焦炭脫氧法等。專利ZL02113627.0公布了一種含氧煤層氣通過高溫焦炭層脫除氧氣的方法，具有甲烷損失小、費用低的優點，但工藝復雜、操作強度大、氣體后處理成本高。專利ZL02113628.9、CN101250449A、CN101139239A、CN101613627A公開了采用催化脫氧的方法，分別采用Pt、Pd、Mn系列脫氧催化劑，在350-700℃范圍內脫除煤層氣中的氧，脫氧程度可達到1％以下。從各種方法的比較看，催化氧化脫氧方法利用了氣體中固有的甲烷和氧氣，不需添加其它物料，而且可以回收廢熱副產蒸汽，具有工藝簡單、脫氧程度高、條件溫和、氣體后處理簡單的特點，具有一定的技術優勢。

含氧煤層氣的催化脫氧過程是甲烷的催化氧化燃燒過程，反應放熱量大，如何減少和移出反應熱是關鍵的技術問題。專利CN101139239A、CN101613627A公開了絕熱固定床煤層氣脫氧反應器，采用循環部分脫氧的富甲烷氣體的方法，減少煤層氣中相對的氧含量，從而減少相對放熱量，以控制催化劑床層的反應溫度在合適的范圍內，防止局部過熱超溫，引起的催化劑失活和燒結，但這也造成過程的能耗高和生產強度小。

流化床反應器廣泛應用于煤的燃燒、氣化、石油催化裂化等領域。流化床反應器內，固體顆粒在氣體曳力作用下，呈流化狀態，氣固接觸效果好，傳熱、傳質速率高。而且，流化床反應器易于通過內置換熱器控制溫度，非常適合強放熱的煤層氣脫氧反應過程。

發明內容

本發明的第一個目的是提供一種安全性好，能耗低，脫氧效率高，催化劑壽命長，處理能力大的流化床反應器進行含氧煤層氣的催化氧化脫氧方法。

本發明另一個目的是提供一種傳熱系數大、換熱效率高、安全性好、結構簡單的含氧煤層氣脫氧反應裝置。

本發明的一種含氧煤層氣的流化床脫氧方法是由流化床脫氧反應器、內置換熱器、汽包、旋風分離器、立管、固體顆粒回料控制閥、催化劑粉塵高溫過濾器組成。在流化床反應器內，利用球形非貴金屬脫氧催化劑，控制操作壓力0-0.4MPa(表)、溫度350-650℃、含氧煤層氣中的甲烷和氧進行低溫催化燃燒反應，生成二氧化碳和水，從而將氣體含氧量降低到0.5％以下。低溫燃燒放出的熱量經換熱器和汽包，副產低壓或中壓蒸汽。脫氧后的煤層氣經旋風分離器、過濾除塵器回收催化劑后，送后系統處理。

流化床脫氧反應器采用氣固流態化原理，內置換熱器，通過調整換熱器傳熱介質的流速和溫度，可以保證反應器處于合理的操作溫度，同時利用反應熱生成低壓或中壓蒸汽，回收熱能，提高系統熱利用率。流化床反應器的氣體分布，采用了多噴嘴的進氣方式，噴嘴氣速高于預混火焰的傳播速度，防止回火和爆燃。

本發明的目的可以通過以下技術措施來實現：

(1)系統低溫啟動：首先汽包注水，控制汽包液位在安全范圍；然后利用煤層氣烘爐，預熱流化床脫氧反應器至300-400℃，即催化劑的最低引燃溫度以上；