專利名稱：一種利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于混合氣體的分離領(lǐng)域，具體涉及一種煤層氣尤其是高濃度CH4含量煤層氣的分離的系統(tǒng)及工藝。
背景技術(shù)：
煤層氣俗稱“瓦斯”，與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2-5倍，煤層氣的主要成分為甲烷，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，對臭氧層的破壞力是CO2的7倍。據(jù)有關(guān)部門估算，全國煤礦瓦斯對空排放量占全部工業(yè)生產(chǎn)014排放量的1/3左右。2005年2月《京都議定書》生效，我國面臨“減排”的壓力越來越大。同時煤層氣作為一種不可再生的資源，世界各國已開始直接利用或者濃縮富集加以利用。我國對煤礦瓦斯制定了抽采的強(qiáng)制性措施即“先抽后采”，推出了“煤氣共采、鼓勵利用、超標(biāo)嚴(yán)懲”的政策，突出了瓦斯作為寶貴資源的重要地位，為瓦斯規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化開發(fā)利用鋪平了道路。煤層氣有兩種抽采方式一種是地面抽采，其甲烷純度高(98%左右)，利用價值較高，可直接加壓進(jìn)行管網(wǎng)輸運，也可直接進(jìn)行液化儲運。但更為廣泛的是在已經(jīng)進(jìn)行煤炭開采生產(chǎn)的礦井下抽采。這種方式抽采出來的煤層氣甲烷含量較低，通常在30% -70%之間，甚至更低。我國煤礦開采一直以煤炭開采為主要目的，煤層氣(瓦斯氣)的抽放處理僅是出于煤礦安全生產(chǎn)的要求而進(jìn)行的。從礦井煤層氣中分離提純甲烷對于擴(kuò)展和提高煤層氣的有效利用率和經(jīng)濟(jì)價值具有重要意義。而我國煤層氣具有數(shù)量巨大、產(chǎn)地分散、單井規(guī)模小、井下抽采氣濃度低并含氧等特點，一般除就近使用外，還沒有其他有效的利用途徑， 放空浪費情況非常嚴(yán)重。如果把煤層氣中的甲烷和空氣分離出來并將提純后的甲烷液化灌裝，這就極大的方便了運輸和利用。目前可應(yīng)用于從煤層氣中分離提純甲烷的方法一般有低溫液化分離、變壓吸附及膜分離等工藝方案，每種方案均具有自己的特色和應(yīng)用范圍。然而對于變壓吸附及膜分離等工藝，在分離工藝流程中均需要對原料氣進(jìn)行加壓，這顯然擴(kuò)大了煤層氣的爆炸濃度范圍，因此在分離處理礦井煤層氣這種含氧可燃混合物時，安全問題是所有分離技術(shù)必須考慮的。根據(jù)燃燒理論，甲烷等可燃?xì)怏w在空氣內(nèi)燃爆，存在一個最小的燃爆氧濃度，其對應(yīng)的點稱為燃爆臨界點，與可燃?xì)怏w的爆炸上、下限濃度點構(gòu)成了一個三角形，通常稱為 Coward爆炸三角形，只要當(dāng)混合物濃度范圍處于此爆炸三角形內(nèi)，系統(tǒng)極易發(fā)生爆炸。如圖1所示，其中區(qū)域I為爆炸三角區(qū)；區(qū)域II為欠氧區(qū)，即增加氧氣(空氣)可爆炸；區(qū)域III為欠甲烷區(qū)，即增加甲烷可爆炸；區(qū)域IV為安全區(qū)，不發(fā)生爆炸。在常溫常壓下，甲烷與空氣混合爆炸的濃度范圍為5% -15%。這個范圍會隨壓力和溫度的變化而改變，溫度升高和壓力升高均會使爆炸濃度范圍擴(kuò)大。由于煤礦抽出的瓦斯?jié)舛纫话阍诒O限之內(nèi)，采取高壓流程，則將使爆炸下限降低，存在不安全因素，因此從礦井煤層氣(空氣和甲烷的混合物)中分離提純甲烷，無論起始混合物中甲烷濃度有多高，隨著甲烷的分離減少，在系統(tǒng)內(nèi)均會穿過爆炸濃度范圍，這對任何分離提純系統(tǒng)均是非常危險的。因此， 在對煤層氣進(jìn)行處理的過程中，必須要時刻考慮到可能出現(xiàn)的安全問題，控制甲烷和空氣的含量，以達(dá)到開采過程的絕對安全。中國專利CNlOl 104825A公開了一種礦井瓦斯氣的液化天然氣生產(chǎn)方法，該專利所述的方法首先將煤層氣中所含有的氧氣分離，使煤層氣遠(yuǎn)離爆炸三角形的爆炸范圍，其所述的脫氧方法是采用催化劑強(qiáng)氧化方法或變壓吸附法進(jìn)行脫氧處理，所述的催化劑強(qiáng)氧化脫氧工藝是在常壓下、控制溫度600-700°C，將煤層氣通過氧化反 應(yīng)器中的催化劑床的金屬性催化劑，使煤層氣中的氧氣和甲烷發(fā)生無明火的氧化反應(yīng)，并生成CO2和水；所述的變壓吸附方法是選用空穴直徑大于氧分子直徑而小于甲烷分子直徑的分子篩，吸附煤層氣中的氧氣。脫氧后的煤層氣的含氧量控制在0.5%以下。該專利所述的方法將氧氣脫出后可以通過加壓濃縮的方式得到液化天然氣，然而該專利所述的脫氧方法中，需要控制溫度600-700°C才能使反應(yīng)進(jìn)行，如此高的反應(yīng)溫度對設(shè)備提出了極大的要求，一旦所選用的設(shè)備運行過久而難以承受如此高溫環(huán)境，則會存在更大的安全隱患；另一方面，將煤層氣加熱至600-700°C所需消耗的能量過大，相對比較浪費資源。該專利所述的另外一種方法即變壓吸附脫氧的方法，該方法雖然最大限度的保存了甲烷的含量，但是受爆炸三角形理論的限制，該方法只能在極低的壓力下進(jìn)行，這樣會使得該方法的分離效率極低，另一方面由于煤層氣中會含有其他的混合氣體，單純采用空穴直徑大于氧分子直徑而小于甲烷分子直徑的分子篩可能導(dǎo)致分離效果不理想，這樣使得后續(xù)的處理程序依然存在極大的安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于現(xiàn)有技術(shù)中煤層氣脫氧工藝反應(yīng)溫度較高而對設(shè)備要求較高的問題，進(jìn)而提供一種可在低溫下完成脫氧并實現(xiàn)煤層氣中CH4分離的設(shè)備；進(jìn)一步的，本發(fā)明提供了一種使用上述系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行煤層氣CH4分離的工藝。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所述的一種利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，包括順次連接的壓縮凈化裝置用于將所述煤層氣進(jìn)行凈化壓縮預(yù)處理；脫O2裝置用于所述煤層氣的甲烷和氧氣反應(yīng)以脫除煤層氣中的02，得到無O2煤層氣；凈化除油裝置用于脫除無O2煤層氣中含有的微量油霧；CH4分離系統(tǒng)用于將無O2煤層氣中的CH4與其他組分分離；產(chǎn)品集送系統(tǒng)用于收集并輸送壓縮后的CH4 ；所述脫O2裝置內(nèi)充填有催化劑，所述煤層氣中的O2與部分CH4在所述催化劑的作用下于200-250°C發(fā)生無明火反應(yīng)，以脫除煤層氣中的O2 ；所述催化劑以Fe2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于催化劑載體表面。所述催化劑載體為堇青石蜂窩陶瓷、堇青石陶瓷球、活性氧化鋁或活性炭。所述脫O2裝置的外部設(shè)有冷卻水循環(huán)裝置。所述脫O2裝置內(nèi)部設(shè)有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至反應(yīng)溫度。
所述脫O2裝置的所述進(jìn)氣口處設(shè)有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至反應(yīng)溫度。所述凈化除油裝置包括多個不同過濾級數(shù)的過濾器、設(shè)置于各所述過濾器之前為混合氣體降溫的控溫器，以及吸附油脂的活性炭吸附器。所述CH4分離系統(tǒng)為膜分離系統(tǒng)或變壓吸附系統(tǒng)。所述膜分離系統(tǒng)包括多級膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現(xiàn)各組分的逐級分離，得到CH4產(chǎn)品。

所述變壓吸附系統(tǒng)包括多個吸附塔和真空泵，所述吸附塔設(shè)有對CH4優(yōu)先選擇的分子篩實現(xiàn)CH4同其他氣體的分離，所述真空泵用于分子篩的解吸附，得到CH4產(chǎn)品。所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、產(chǎn)品存儲罐、流量傳感器、壓力傳感器和產(chǎn)品濃度傳感器。本發(fā)明還公開了一種利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，包括如下步驟(1)原料氣預(yù)處理將煤層氣凈化壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)；(2)脫除O2 凈化后的煤層氣加熱至200-250°C，煤層氣中的O2與CH4在以Fe2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分的催化劑的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)，除去煤層氣中含有的O2 ；(3)凈化除油將脫除O2后的煤層氣進(jìn)行凈化除油處理，去除煤層氣中含有的微粒、水及油霧；(4)CH4分離將凈化后的剩余煤層氣中的CH4與其他組分分離；(5)產(chǎn)品運輸收集將濃縮后的CH4收集并傳輸。所述步驟(2)中，所述煤層氣在所述脫O2裝置中加熱至所需反應(yīng)溫度。所述步驟(2)中，所述煤層氣在進(jìn)入所述脫O2裝置之前加熱至所需反應(yīng)溫度。所述步驟(3)中，脫除O2后的煤層氣分別通過粗過濾、精過濾、超精過濾、以及活性炭吸附四級過濾步驟，除去所述煤層氣中含有的微粒、水以及油霧。所述步驟(4)中，凈化后的剩余煤層氣通入所述變壓吸附系統(tǒng)，通過對CH4具有優(yōu)先選擇性的分子篩的篩選實現(xiàn)CH4的分離，并通過真空泵加壓的方式實現(xiàn)CH4的解吸附，得到CH4廣品。所述步驟(4)中，凈化后的剩余煤層氣通入所述膜分離系統(tǒng)，通過多級膜分離裝置的分離，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現(xiàn)各組分的逐級分離，得到CH4產(chǎn)
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ΡΠ O所述步驟(5)中，將分離得到的014產(chǎn)品輸送至產(chǎn)品存儲罐收集，并檢測CH4產(chǎn)品氣的流量、壓力及濃度。本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點，1、本發(fā)明所述的煤層氣分離設(shè)備中，所述脫O2裝置內(nèi)涂覆有以Fe2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分的催化劑，使得煤層氣中的CH4和O2在加熱至200°C左右時即可發(fā)生無明火反應(yīng)，由于反應(yīng)溫度較低，因此該反應(yīng)在一般的設(shè)備中即可完成，同時將煤層氣加熱至200°C所需的耗能也較小，不僅操作安全而且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點；2、所述脫O2裝置外部設(shè)有冷卻水循環(huán)裝置，可以通過控制反應(yīng)溫度有效控制反應(yīng)的速率，確保反應(yīng)過程安全高效；3、選用變壓吸附系統(tǒng)實現(xiàn)CH4與其他組分氣體的分離，通過選用對有優(yōu)先選擇權(quán)的分子篩可以高效準(zhǔn)確將CH4與其他組分氣體分離；4、 選用膜分離系統(tǒng)實現(xiàn)CH4與其他組分氣體的分離，具有分離效率高、設(shè)備緊湊、占地面積小、能耗較低、操作簡便、維修保養(yǎng)容易、投資較少等優(yōu)點；5、雖然在燃燒的過程中消耗了少部分的CH4氣，但卻一次性煤層氣開采中存在的安全隱患，收集到的CH4可以作用能量再次開發(fā)利用，符合煤礦開采過程中節(jié)能環(huán)保的要求。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中圖1為爆炸三角形理論示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1所述煤層氣分離系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例2所述煤層氣分離系統(tǒng)示意圖。圖中附圖標(biāo)記表示為1_壓縮凈化裝置，2-脫O2裝置，3-催化劑，4-加熱裝置， 5-空壓機(jī)，6-混合氣儲氣罐，7-混合氣凈化裝置，8-潔凈氣儲氣罐，9-變壓吸附系統(tǒng)， 10-產(chǎn)品儲氣罐，11- 一段膜處理器，12- 二段膜處理器。
具體實施例方式實施例1如圖2所示，本發(fā)明所述的利用催化劑燃燒脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，包括壓縮凈化裝置、脫O2裝置、凈化除油裝置、CH4分離系統(tǒng)以及產(chǎn)品集送系統(tǒng)；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進(jìn)行預(yù)處理，所述壓縮凈化裝置1包括除塵設(shè)備、除硫設(shè)備和除水設(shè)備，用于將所述煤層氣進(jìn)行預(yù)處理。所述煤層氣經(jīng)羅茨泵在Iatm 大氣壓下壓縮后，依次通過所述除塵設(shè)備、除硫設(shè)備和除水設(shè)備。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和CO2等氣體。所述脫O2裝置2用于脫除凈化后的煤層氣中所含的O2 ；所述脫O2裝置2為罐體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部充填有催化劑3，所述催化劑3以Fe2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分，并以漿液的形式涂覆于堇青石蜂窩陶瓷外部，所述Fe2O3. Co3O4. MnO2活性組分中各組分的比例為 1.5-2 1-2 1-2，所述堇青石蜂窩陶瓷內(nèi)部安裝有封閉電加熱裝置4，經(jīng)加熱后的所述煤層氣中的O2與CH4在所述催化劑3的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)，即可消耗掉煤層氣中含有的 02，所述脫O2裝置2的外部設(shè)有冷卻水循環(huán)裝置以控制反應(yīng)速率。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續(xù)的分離設(shè)備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機(jī)5，對混合氣進(jìn)行緩沖以平衡系統(tǒng)壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7，所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設(shè)置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭吸附器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進(jìn)入下一級分離系統(tǒng)。所述CH4分離系統(tǒng)用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統(tǒng)選用變壓吸附系統(tǒng)9進(jìn)行CH4的分離，所述變壓吸附系統(tǒng)9包括順次連接的3-4個吸附塔、控制各個吸附塔之間管道內(nèi)氣體流量的管道式氣動閥、排氣消音器以及實現(xiàn)分子篩解吸附得到 CH4產(chǎn)品的真空泵。
所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)包括無油螺桿壓縮機(jī)、產(chǎn)品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產(chǎn)品濃度傳感器。該系統(tǒng)一方面向吸附塔提供產(chǎn)品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣體，為吸附塔的變壓吸附提供最佳環(huán)境；另一方面向產(chǎn)品存儲罐輸送濃縮后的CH4產(chǎn)品；三是可以檢測CH4產(chǎn)品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離系統(tǒng)對煤層氣中的CH4氣進(jìn)行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預(yù)處理將煤層氣依次經(jīng)過羅茨泵在Iatm大氣壓下加壓進(jìn)入高效除塵、除水、除硫設(shè)備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2、CH4和CO2等氣體。(2)脫除O2 將凈化后的含有剩余氣體02、H2、CH4、C02等氣體的煤層氣從所述脫O2 裝置2的進(jìn)氣口通入所述脫O2裝置2內(nèi)，設(shè)置于所述脫O2裝置內(nèi)的封閉電加熱裝置4將所述煤層氣加熱至200-250°C，此時煤層氣中的O2與CH4在催化劑的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)， 而煤層氣中的其他組分氣體并不參與反應(yīng)，由于CH4與O2的燃燒反應(yīng)比例為1 2，因此可完全除去煤層氣中含有的02，而保留大部分的014氣，脫除O2后的剩余煤層氣從所述脫O2裝置2的剩余氣體出氣口排出，進(jìn)入所述凈化除油裝置。(3)凈化除油將脫除02后的煤層氣通過螺桿式空壓機(jī)5進(jìn)行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進(jìn)氣進(jìn)行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統(tǒng)壓力波動，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)用氣；混合氣儲氣罐6內(nèi)的煤層氣進(jìn)入混合氣凈化裝置7進(jìn)行凈化，以除去混合氣中的油，避免進(jìn)入吸附器后會毒化分子篩，造成分子篩永久性失效；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進(jìn)入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C左右，使其中的水汽凝結(jié)成水，并將之分離排出系統(tǒng)；所述煤層氣再經(jīng)過精過濾器濾去大于0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進(jìn)入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經(jīng)活性炭吸附器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進(jìn)入CH4分離系統(tǒng)分離得到產(chǎn)品。(4)CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述變壓吸附系統(tǒng)9，實現(xiàn)CH4氣與其他組分氣體的分離。所述變壓吸附系統(tǒng)9是利用壓力和分子篩對混合氣進(jìn)行分離，為了使分離的甲烷氣有較高的濃度，吸附器內(nèi)裝有對甲烷優(yōu)先選擇的分子篩，所述分子篩選用孔徑為 0. 5nm的5A分子篩，25atm下于20_50°C工作，所述分子篩在760mm汞柱壓力下的N2分離率為1. 37。這是因為混合氣中甲烷所占比例較小，分子篩體積占反應(yīng)器容積比例較大，使得反應(yīng)器中剩余空間較小。反應(yīng)器采用這種分子篩是以吸附甲烷為主，其余混合氣組分均作為富集氣連續(xù)排出吸附塔。完成作業(yè)的分子篩通過真空泵于0.5mm汞柱壓力下、20°C等溫解吸附，將吸附于分子篩孔穴內(nèi)的CH4分子抽出來，實現(xiàn)吸附塔內(nèi)分子篩的解吸附，而經(jīng)分離后得到CH4氣產(chǎn)品。 (5)產(chǎn)品運輸收集將分離得到的CH4產(chǎn)品無油螺桿壓縮機(jī)加壓濃縮，并輸送至產(chǎn)品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產(chǎn)品濃度傳感器檢測CH4產(chǎn)品氣的流量、壓力及濃度。同時部分產(chǎn)品氣被輸送至變壓吸附塔處提供產(chǎn)品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣，為吸附塔的吸附提供最佳環(huán)境。實施例2
如圖3所示，本發(fā)明所述的利用催化劑燃燒脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，包括壓縮凈化裝置1、脫O2裝置2、凈化除油裝置、CH4分離系統(tǒng)以及產(chǎn)品集送系統(tǒng)；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進(jìn)行預(yù)處理，所述壓縮凈化裝置包括除塵設(shè)備、除硫設(shè)備和除水設(shè)備，用于將所述煤層氣進(jìn)行預(yù)處理。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和CO2等氣體所述脫O2裝置2用于脫除凈化后的煤層氣中所含的O2 ；所述脫O2裝置2為罐體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部充填有催化劑3，所述催化劑3以Fe2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分，并以漿液的形式涂覆于堇青石陶瓷球、或活性氧化鋁或活性炭外部，所述Fe2O3. Co3O4. MnO2活性組分中各組分的比例為1.5-2 1-2 1-2，經(jīng)加熱后的所述煤層氣中的02與014在所述催化劑的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)，即可消耗掉煤層氣中含有的02，所述脫O2裝置2的煤層氣進(jìn)氣口處設(shè)有電加熱裝置4對煤層氣進(jìn)行加熱，并且其外部設(shè)有冷卻水循環(huán)裝置以控制反應(yīng)速率。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續(xù)的分離設(shè)備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機(jī)5，對混合氣進(jìn)行緩沖以平衡系統(tǒng)壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設(shè)置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭吸附器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進(jìn)入下一級分離系統(tǒng)。所述CH4分離系統(tǒng)用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統(tǒng)選用膜分離系統(tǒng)實現(xiàn)CH4氣與其他組分氣體的分離。所述膜分離系統(tǒng)根據(jù)煤層氣中組分及流量的不同，設(shè)置多級多段式膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現(xiàn)各組分的逐級分離，得到CH4產(chǎn)品。所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)包括無油螺桿壓縮機(jī)、產(chǎn)品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產(chǎn)品濃度傳感器。該系統(tǒng)一方面向產(chǎn)品存儲罐輸送濃縮后的CH4產(chǎn)品；同時可以檢測CH4產(chǎn)品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離系統(tǒng)對煤層氣中的CH4氣進(jìn)行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預(yù)處理將煤層氣依次經(jīng)過羅茨泵在Iatm下加壓進(jìn)入高效除塵、除水、 除硫設(shè)備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)。所選除塵設(shè)備為水幕或折返式水槽；除硫設(shè)備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設(shè)備為有機(jī)硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和CO2等氣體。(2)脫除O2 將凈化后的含有剩余氣體02、N2、CH4、C02等氣體的煤層氣從所述脫O2 裝置2的煤層氣進(jìn)氣口通入所述脫O2裝置2內(nèi)，所述煤層氣在所述進(jìn)口處通過電加熱裝置 4加熱至200-250°C，此時通入所述脫O2裝置2的煤層氣中的O2與CH4在催化劑的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)，而煤層氣中的其他組分氣體并不參與反應(yīng)，由于CH4與O2的燃燒反應(yīng)比例為1 2，因此可完全除去煤層氣中含有的02，而保留部分的CH4氣，脫除O2后的剩余煤層氣從所述脫O2裝置2的剩余氣體出氣口排出，進(jìn)入所述凈化除油裝置。(3)凈化除油將脫除O2后的煤層氣通過螺桿式空壓機(jī)5進(jìn)行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進(jìn)氣進(jìn)行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統(tǒng)壓力波動，實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)用氣；混合氣儲氣罐6內(nèi)的煤層氣進(jìn)入混合氣凈化裝置7進(jìn)行凈化，以除去混合氣中的油，避免進(jìn)入膜分離系統(tǒng)后會影響濾膜的使用壽命；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進(jìn)入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C 左右，使其中的水汽凝結(jié)成水，并將之分離排出系統(tǒng)；所述煤層氣再經(jīng)過精過濾器濾去大于 0. Ol μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進(jìn)入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經(jīng)活性炭吸附器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進(jìn)入CH4分離系統(tǒng)分離得到產(chǎn)品。(4) CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述膜分離系統(tǒng)，實現(xiàn)CH4氣與其他組分氣體的分離，此時煤層氣的主要成分為N2、CO2和CH4。將所述煤層氣通過螺桿式空壓機(jī)加壓，并將加壓后的煤層氣通入一級一段膜處理器11，因為在混合氣里CO2屬于快氣，作為滲透氣通過膜被分離出來。包括N2和CO2的滲余氣進(jìn)入二段膜處理器12，相比較而言N2為快氣，故 N2作為滲透氣透過，而CH4成為滲余氣體而得到分離。CH4氣經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)入產(chǎn)品集送系統(tǒng)。所述膜分離系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實際的煤層 氣的不同流量和不同的組分采取不同的級聯(lián)方案，如采取一級多段并聯(lián)的方式提高產(chǎn)能和分離精度，或采取循環(huán)的方法以提高分離純度。(5)產(chǎn)品運輸收集將分離得到的CH4產(chǎn)品無油螺桿壓縮機(jī)加壓濃縮，并輸送至產(chǎn)品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產(chǎn)品濃度傳感器檢測CH4產(chǎn)品氣的流量、壓力及濃度。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，包括順次連接的 壓縮凈化裝置(1)用于將所述煤層氣進(jìn)行凈化壓縮預(yù)處理；脫O2裝置O)用于所述煤層氣的甲烷和氧氣反應(yīng)以脫除煤層氣中的02，得到無O2煤層氣；凈化除油裝置用于脫除無A煤層氣中含有的微量油霧； CH4分離系統(tǒng)用于將無A煤層氣中的CH4與其他組分分離； 產(chǎn)品集送系統(tǒng)用于收集并輸送壓縮后的CH4 ； 其特征在于所述脫A裝置內(nèi)充填有催化劑(3)，所述煤層氣中的A與部分CH4在所述催化劑的作用下于200-250°C發(fā)生無明火反應(yīng)，以脫除煤層氣中的A ；所述催化劑以狗203. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于催化劑載體表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述催化劑載體為堇青石蜂窩陶瓷、堇青石陶瓷球、活性氧化鋁或活性炭。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述脫O2裝置O)的外部設(shè)有冷卻水循環(huán)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述脫A裝置內(nèi)部設(shè)有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至反應(yīng)溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述脫A裝置的所述進(jìn)氣口處設(shè)有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至反應(yīng)溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于所述凈化除油裝置包括多個不同過濾級數(shù)的過濾器、設(shè)置于各所述過濾器之前為混合氣體降溫的控溫器，以及吸附油脂的活性炭吸附器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述CH4分離系統(tǒng)為膜分離系統(tǒng)或變壓吸附系統(tǒng)(9)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于所述膜分離系統(tǒng)包括多級膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現(xiàn)各組分的逐級分離，得到CH4產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于所述變壓吸附系統(tǒng)包括多個吸附塔和真空泵，所述吸附塔設(shè)有對CH4優(yōu)先選擇的分子篩實現(xiàn)CH4同其他氣體的分離，所述真空泵用于分子篩的解吸附，得到CH4產(chǎn)品。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離系統(tǒng)，其特征在于 所述產(chǎn)品集送系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、產(chǎn)品存儲罐(10)、流量傳感器、壓力傳感器和產(chǎn)品濃度傳感器。
11.一種利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)原料氣預(yù)處理將煤層氣凈化壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、灰塵和含硫物質(zhì)；(2)脫除O2凈化后的煤層氣加熱至200-250°C，煤層氣中的&與CH4在以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分的催化劑的作用下發(fā)生無明火反應(yīng)，除去煤層氣中含有的& ；(3)凈化除油將脫除O2后的煤層氣進(jìn)行凈化除油處理，去除煤層氣中含有的微粒、水及油霧；(4)CH4分離將凈化后的剩余煤層氣中的CH4與其他組分分離；(5)產(chǎn)品運輸收集將濃縮后的CH4收集并傳輸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟O)中，所述煤層氣在所述脫O2裝置中加熱至所需反應(yīng)溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟O)中，所述煤層氣在進(jìn)入所述脫O2裝置之前加熱至所需反應(yīng)溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11-13任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟(3)中，脫除O2后的煤層氣分別通過粗過濾、精過濾、超精過濾、以及活性炭吸附四級過濾步驟，除去所述煤層氣中含有的微粒、水以及油霧。
15.根據(jù)權(quán)利要求11-13任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟(4)中，凈化后的剩余煤層氣通入所述變壓吸附系統(tǒng)，通過對CH4具有優(yōu)先選擇性的分子篩的篩選實現(xiàn)CH4的分離，并通過真空泵加壓的方式實現(xiàn)CH4的解吸附，得到CH4產(chǎn)品
16.根據(jù)權(quán)利要求11-13任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟中，凈化后的剩余煤層氣通入所述膜分離系統(tǒng)，通過多級膜分離裝置的分離，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現(xiàn)各組分的逐級分離，得到CH4產(chǎn)品。
17.根據(jù)權(quán)利要求11-13任一所述的利用催化劑脫氧的煤層氣分離工藝，其特征在于 所述步驟(5)中，將分離得到的014產(chǎn)品輸送至產(chǎn)品存儲罐收集，并檢測014產(chǎn)品氣的流量、壓力及濃度。
全文摘要
本發(fā)明屬于混合氣體的分離領(lǐng)域，具體涉及一種煤層氣尤其是高濃度CH4含量煤層氣的分離的系統(tǒng)及工藝。本發(fā)明所述的煤層氣分離系統(tǒng)包括壓縮凈化裝置、O2脫除裝置、凈化除油裝置、CH4分離系統(tǒng)和產(chǎn)品集送系統(tǒng)。所述煤層氣經(jīng)過O2脫除裝置完全除去其中含有的O2，本發(fā)明所述的煤層氣分離設(shè)備中，所述脫O2裝置內(nèi)涂覆有以Fe2O3.Co3O4.MnO2作為活性組分的催化劑，使得煤層氣中的CH4和O2在加熱至200℃左右時即可發(fā)生無明火反應(yīng)，由于反應(yīng)溫度較低，因此該反應(yīng)在一般的設(shè)備中即可完成，同時將煤層氣加熱至200℃所需的耗能也較小，不僅操作安全而且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。
文檔編號C10L3/10GK102321493SQ20111013554
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者丁琦洋, 魏厚瑗 申請人:北京惟泰安全設(shè)備有限公司