[發明專利]一種煤層氣脫氧反應裝置

在審

• 申請號: 201710167382.0
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN106943957A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 游夏;宋睿哲;游祿波
• 申請（專利權）人: 淄博贏信達知識產權咨詢服務有限公司
• 主分類號: B01J8/02
• 分類號: B01J8/02;C10L3/10
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技術領域

本發明屬化學反應器領域，具體涉及一種煤層氣脫氧反應裝置。

背景技術

煤層氣，又稱瓦斯氣，是煤礦在開采前及開采過程中抽排出含甲烷的氣體，其中煤礦開采過程中抽排出的煤層氣含有較多空氣，一般稱為含氧煤層氣。目前我國在采煤過程中抽排出的含氧煤層氣，受具體條件所限，只有少數礦區進行了利用，如就地發電、脫氧脫水后進管網供應附近市場或進一步加工生產液化天然氣，其余大部分直接排入大氣，既浪費了能源，也污染了大氣，因甲烷是一種溫室氣體。

含氧煤層氣因含較多空氣，至少存在兩個問題；一個是甲烷純度較低，應用范圍小；另一個是所含O₂造成的安全問題，若直接通過管網輸送則可能因某些小范圍的小事故引發大范圍的大事故，或者在加工利用過程中存在較大的安全風險。因而，脫氧技術成為含氧煤層氣利用的關鍵技術之一。

現有較有價值的煤層氣脫氧技術，是利用固定床催化劑和反應器使所含甲烷催化燃燒消耗所含的氧氣，從而達到脫氧的目的，生成二氧化碳和水，在此過程中，每反應1% O₂（體積）的絕熱溫升為100℃左右；應采用適當的移熱控溫方法和反應器結構，控制反應條件和催化劑床層溫度，避免因床層溫度過高而影響反應效果和催化劑的壽命，尤其在在煤層氣入口段氧氣濃度較高時，若不能可靠地移走反應熱，就容易出現熱點，乃至發生飛溫超溫。

含氧煤層氣現有通過甲烷催化燃燒脫氧的方法中，有的采用多級反應器進行多級催化脫氧反應，根據入口氣中的氧氣含量控制每一級反應器的入口氣溫度，使催化脫氧反應后每一級反應器的出口氣體溫度都低于控制值如700℃，并可作為返回氣用于稀釋原料煤層氣中氧氣含量及升溫，反應器間設換熱器適當降溫，該方法的主要問題是各反應器溫度條件的控制較復雜或較難，受原料氣流量和O₂含量波動的影響都比較大，工藝本身的安全風險較大。有的方法只采用一臺固定床絕熱催化反應器，將反應器出口脫氧煤層氣以較高循環比返回稀釋入口的含氧煤層氣，控制入口氣的氧氣含量和溫度，實現催化劑床層溫度、出口氣溫度等催化反應條件，將出口煤層氣中的氧氣濃度降低到0.5％乃至0.2％以下，該方法的主要問題也是反應器溫度條件受原料氣流量和O₂含量波動的影響都比較大。而且催化劑床層溫度達到650℃以上時，還容易發生甲烷的水煤氣化反應及裂解反應，產生CO及催化劑結碳，應盡量避免。

有些方法采用內設盤管或列管的固定床反應器，通過冷卻介質控制催化劑床層溫度分布和反應條件，進行含氧煤層氣的催化脫氧，換熱介質可用高壓水、熔鹽，催化劑可以裝在盤管間、列管間或列管內。這類反應器的主要問題包括：

1. 用高壓水作為換熱介質時受水蒸汽壓力的限制，用于反應水溫250℃以上時，水冷系統蒸汽壓力太高，導致反應器的壓力等級、制造成本過高，用于煤層氣脫氧過程也存在較大安全風險；同時，煤層氣脫氧的反應溫度又較高或者反應、放熱集中，采用鈀和/或鉑為主要活性組分的貴金屬燃燒脫氧催化劑時床層溫度350℃左右但反應、放熱集中，以銅、鎳、鈷、錳、鉬、鐵中的一種或多種為主要活性組分的燃燒脫氧催化劑的床層溫度450-500℃左右，以鈰、鑭等稀土為主要活性組分的燃燒脫氧催化劑的床層溫度550-650℃左右，因而高壓水不太適合于煤層氣脫氧過程的控溫，會產生包括催化劑床層溫升、溫差較大和易產生局部熱點而導致催化反應效果較差、催化劑使用壽命較短的問題；水的飽和蒸汽壓，250℃3.97MPa，300℃8.59 MPa，330℃12.8 MPa；

2. 采用較低溫的高壓水汽化進行移熱控溫時，由于水溫通常在300℃以下，用于400℃以下活性很低的非貴金屬脫氧催化劑時床層溫度和反應效果較難控制，容易發生低溫或超溫，低溫如400℃以下時催化劑活性不夠導致脫氧率低，超溫如550℃以上時產生CO及催化劑結碳，操作彈性較窄，對煤層氣流量和組成的適應性較差；

3. 催化劑經過長期運轉使用需要更換或卸劑維修時，受換熱控溫構件形狀、位置的限制或阻礙難于卸出；

4.個別換熱盤管、列管發生泄漏時，列管通常難于堵漏，盤管可封堵一根或少數幾根，但因其長度大而影響較大。

因而，需要開發一種不需要返回稀釋或者返回比例較低、床層溫度和反應效果較難控制，不易發生低溫或超溫，操作彈性較寬，對煤層氣流量和組成的適應性較強、催化劑的使用壽命較長、催化劑更換或卸劑維修時易于卸出、封堵一根或少數幾根泄漏的換熱管對床層控溫影響不大的含氧煤層氣的脫氧反應裝置。

發明內容