專利名稱：一種含氧煤層氣催化脫氧工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含氧煤層氣催化脫氧工藝，屬于煤層氣利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是采用催化脫氧的方法去除含氧煤層氣中的氧。
背景技術(shù)：
我國是世界煤炭產(chǎn)量最大的國家，煤礦礦井數(shù)量也居世界首位，大量的煤礦低濃度瓦斯排放不僅浪費了寶貴的清潔能源資源，同時也加重了全球溫室效應(yīng)的影響。因此必須結(jié)合我國煤炭瓦斯排放的特點，從技術(shù)、經(jīng)濟角度選擇適宜的低濃度瓦斯利用技術(shù)，加強我國煤礦抽放瓦斯的資源化利用。其中，抽放煤層氣混摻空氣是我國煤層氣利用中的一個亟待尋求突破的重要環(huán)節(jié)。
煤層氣提純技術(shù)是指將N2或空氣與甲烷分離，使煤層氣中甲烷含量相應(yīng)增加，從而提高煤層氣的熱值及降低運輸成本。煤層氣提純技術(shù)主要包括低溫深冷分離、變壓吸附和膜分離等三種。對于變壓吸附和膜分離，高壓有利于氣體的分離提純。但是，高壓下使含氧甲烷容易爆炸，操作非常危險。因此，一種較為安全的分離提純方案是先脫除煤層氣中的氧再進行提純處理，目前在用的煤層氣脫氧方式主要包括催化脫氧、焦炭脫氧等，其中，催化脫氧工藝的本質(zhì)是富燃貧氧氣氛下甲烷的催化燃燒，其主要反應(yīng)式為
CH4 + 202 = CO2 + 2H20
該反應(yīng)是強放熱反應(yīng)，溫升大，每脫除1%的氧溫升在85°C左右，當煤層氣中氧含量10%時，溫度將達到1000°C以上，使甲烷裂解。因此如何移走反應(yīng)過程中放出的大量熱，并減少副反應(yīng)的發(fā)生，是該工藝的關(guān)鍵所在。目前主要采用部分產(chǎn)品氣循環(huán)工藝(如專利CN101139239A)。該工藝需要大量循環(huán)產(chǎn)品氣，產(chǎn)品氣的循環(huán)消耗了大量的能源，增加了運行費用。因此，針對煤層氣處理量大、壓力低、氧濃度變化頻繁等工藝特點，開發(fā)一種更為高效的煤層氣脫氧工藝，降低煤層氣脫氧的操作費用，才有利于煤層氣催化脫氧工藝的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種含氧煤層氣脫氧工藝，解決了煤層氣液化、儲運過程中由于氧的存在而導(dǎo)致的安全隱患，通過換熱和去掉產(chǎn)品氣循環(huán)的方法，降低煤層氣催化脫氧工藝的運行費用，該工藝可應(yīng)用于含氧煤層氣脫氧以及其他可燃氣體的催化脫氧過程。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種含氧煤層氣催化脫氧工藝采用1-3個換熱脫氧反應(yīng)器、一個絕熱脫氧反應(yīng)器和一個蒸汽鍋爐串聯(lián)連接的催化脫氧裝置，所述換熱脫氧反應(yīng)器設(shè)有獨立的冷卻系統(tǒng)，絕熱脫氧反應(yīng)器的出口氣在蒸汽鍋爐和產(chǎn)品氣換熱器中換熱后作為產(chǎn)品氣排出，原料氣在產(chǎn)品氣換熱器和第一換熱器中換熱后，進入第一換熱脫氧反應(yīng)器，第一換熱脫氧反應(yīng)器的出口氣經(jīng)第一換熱器換熱后進入下一級換熱脫氧反應(yīng)器或絕熱脫氧反應(yīng)器；所述換熱脫氧反應(yīng)器采用具有較低起活溫度的貴金屬脫氧催化劑或非貴金屬脫氧催化劑，所述絕熱脫氧反應(yīng)器采用具有高溫穩(wěn)定性(60(T70(TC)的非貴金屬脫氧催化劑；所述換熱脫氧反應(yīng)器的入口氣溫度控制在230-330°C之間，出口氣溫度控制在300-400°C之間，所述絕熱脫氧反應(yīng)器的入口溫度控制在230-330°C之間，出口溫度控制在600-700°C之間。所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器與絕熱脫氧反應(yīng)器串聯(lián)連接。所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)、第二換熱脫氧反應(yīng)器與絕熱脫氧反應(yīng)器串聯(lián)連接，在第二換熱脫氧反應(yīng)器與絕熱脫氧反應(yīng)器之間設(shè)有第四換熱器。所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器、第二換熱脫氧反應(yīng)器、第三換熱脫氧反應(yīng)器與絕熱脫氧反應(yīng)器串聯(lián)連接，在第二換熱脫氧反應(yīng)器與第三換熱脫氧反應(yīng)器之間設(shè)有第四換熱器，在第三換熱脫氧反應(yīng)器與絕熱脫氧反應(yīng)器之間設(shè)有第六換熱器。
所述第三換熱脫氧反應(yīng)器的出口氣采用管道經(jīng)調(diào)節(jié)閥與原料氣連通。上述的技術(shù)方案采用兩段多級反應(yīng)器進行脫氧反應(yīng)，根據(jù)原料氣氧濃度的不同，前段反應(yīng)器采用換熱方式將反應(yīng)熱取走，以維持一定的反應(yīng)溫度和適當降低反應(yīng)氣中氧濃度，前段各級反應(yīng)器出口溫度控制在400°c以下，后端采用絕熱反應(yīng)器，出口溫度控制在700°C以下。整個工藝氣體脫氧后不需要循環(huán)，從而降低了能耗，同時能夠有效地控制脫氧反應(yīng)器出口溫度，減少甲烷裂解損失。前段帶換熱的反應(yīng)器可以是一級、二級或三級，每級反應(yīng)器出口反應(yīng)氣溫度控制在300 400°C之間。前段帶換熱的反應(yīng)器每段反應(yīng)器的入口氣體中氧含量可在5 12%之間，出口氣體中氧含量可減少到2 5%之間。后段絕熱反應(yīng)器為一段反應(yīng)器，反應(yīng)器入口溫度控制在230-330°C之間，出口溫度控制在600 700°C之間。A口氣體氧濃度為前級反應(yīng)出口氧的濃度，濃度在2飛％。反應(yīng)器的出口氧濃度降低到0. 5%以下。前段帶換熱反應(yīng)器的換熱介質(zhì)可為熱水、冷氣。該工藝的反應(yīng)空速為lOOOlOOOOh—1，優(yōu)選條件下反應(yīng)空速為50001000( '本發(fā)明的有益效果是這種含氧煤層氣催化脫氧工藝采用多級反應(yīng)器進行脫氧反應(yīng)，根據(jù)原料氣氧濃度的不同，前級反應(yīng)器采用換熱方式將反應(yīng)熱取走，以維持一定的反應(yīng)溫度和適當降低反應(yīng)氣中氧濃度，前級反應(yīng)器出口溫度控制在400°C以下，后級采用絕熱反應(yīng)器，出口溫度控制在700°C以下。整個工藝氣體脫氧后不需要循環(huán)，從而降低了能耗，同時能夠有效地控制脫氧反應(yīng)器出口溫度，減少甲烷裂解損失。


圖I是本發(fā)明實施例I煤層氣2級催化脫氧工藝流程示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2煤層氣3級催化脫氧工藝流程示意圖。圖3是本發(fā)明實施例3煤層氣4級催化脫氧工藝流程示意圖。圖中B、蒸汽鍋爐，E、產(chǎn)品氣換熱器，E1、第一換熱器，E2、第二換熱器，E3、第三換熱器，E4、第四換熱器，E5、第五換熱器，E6、第六換熱器，P1、第一冷卻泵，P2、第二冷卻泵，P3、第三冷卻泵，R、絕熱脫氧反應(yīng)器，R1、第一換熱脫氧反應(yīng)器，R2、第二換熱脫氧反應(yīng)器，R3、第三換熱脫氧反應(yīng)器，V、調(diào)節(jié)閥。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
實施例I
本實施例含氧煤層氣催化脫氧反應(yīng)工藝如圖I所示，采用二級反應(yīng)器進行催化脫氧反
應(yīng)
煤層氣組成(mol%) :CH4 59. 5, O2 8.0，N2 32. 5，壓力 0. 55MPa，空速 IOOOOh'原料氣經(jīng)過產(chǎn)品氣換熱器E換熱,再與第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出塔氣換熱后，溫度達到第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的入塔溫度要求，T=250°C，進入第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl開始反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，反應(yīng)器的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度380°C，通過換熱控制第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出口反應(yīng)溫度360°C，出口反應(yīng)氣的氧含量達到4. 8% ;從第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出來的反應(yīng)氣經(jīng)過第一換熱器El與原料氣換熱后溫度降至250°C，進入絕熱脫氧反應(yīng)器R，進入絕熱脫氧反應(yīng)器R的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高到催化劑起燃溫度325°C，起燃后溫度迅速升高，絕熱脫氧反應(yīng)器R的熱點溫度為638°C，反應(yīng)后的氣體氧含量為0. 15%，經(jīng)過二級催化脫氧反應(yīng)后的氣體進入蒸汽鍋爐B，然后再進入產(chǎn)品氣換熱器E冷卻，后續(xù)水分離及甲烷的提純可采用常規(guī)的方法進行(圖中未標出)。第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出口氣溫度采用第一冷卻泵Pl和第二換熱器E2進行調(diào)節(jié)。本實施例中，沒有采用產(chǎn)品氣作為返回氣，大大降低了因循環(huán)而消耗的能量，節(jié)省了操作費用。實施例2
本實施例含氧煤層氣催化脫氧反應(yīng)工藝如圖2所示，采用三級反應(yīng)器催化脫氧反應(yīng) 煤層氣組成(mol%) :CH4 50. 0, O2 10. 0, N2 40. 0，壓力 0. 55MPa，空速 2000( '原料氣經(jīng)過產(chǎn)品氣換熱器E換熱，再與第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出塔氣換熱后， 溫度達到第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的入塔溫度要求，T=250°C，進入第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl開始反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，反應(yīng)器的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度380°C，通過第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出口反應(yīng)溫度360°C，出口反應(yīng)氣的氧含量達到7. 2% ;從第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出來的反應(yīng)氣經(jīng)過第一換熱器El與原料氣換熱后溫度降至250°C，進入第二換熱脫氧反應(yīng)器R2，進入第二換熱脫氧反應(yīng)器R2的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，反應(yīng)器的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度390°C，通過換熱控制第二換熱脫氧反應(yīng)器R2出口反應(yīng)溫度370°C，出口反應(yīng)氣的氧含量降低到4. 4% ;從第二換熱脫氧反應(yīng)器R2出來的反應(yīng)氣經(jīng)過第四換熱器E4換熱后溫度降至250°C，進入絕熱脫氧反應(yīng)器E，進入絕熱脫氧反應(yīng)器E的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高到起燃溫度325°C，起燃后溫度迅速升高，絕熱脫氧反應(yīng)器E的熱點溫度為625°C，反應(yīng)后的氣體氧含量為0. 16%，經(jīng)過三級催化脫氧反應(yīng)后的氣體進入蒸汽鍋爐B，然后再進入產(chǎn)品氣換熱器E冷卻，后續(xù)水分離及甲烷的提純可采用常規(guī)的方法進行(圖中未標出)。第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出口氣溫度采用第一冷卻泵Pl和第二換熱器E2進行調(diào)節(jié)。第二換熱脫氧反應(yīng)器R2的出口氣溫度采用第二冷卻泵P2和第三換熱器E3進行調(diào)節(jié)。實施例3
本實施例含氧煤層氣催化脫氧反應(yīng)工藝如圖3所示，采用四級反應(yīng)器催化脫氧反應(yīng) 煤層氣組成(mol%) :CH4 50. 0, O2 10. 0, N2 40. 0，壓力 0. 55MPa，空速 2000( '原料氣經(jīng)過產(chǎn)品氣換熱器E換熱，再與第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出塔氣換熱后，溫度達到第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的入塔溫度要求，T=250°C，進入第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl開始反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，反應(yīng)器的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度380°C，通過換熱控制第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出口反應(yīng)溫度360°C，出口反應(yīng)氣的氧含量達到7. 2% ;從第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl出來的反應(yīng)氣經(jīng)過第一換熱器El與原料氣換熱后溫度降至250°C，進入第二換熱脫氧反應(yīng)器R2，進入第二換熱脫氧反應(yīng)器R2的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，第二換熱脫氧反應(yīng)器R2的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度390°C，通過換熱控制反應(yīng)器2出口反應(yīng)溫度370°C，出口反應(yīng)氣的氧含量降低到4. 4% ;從第二換熱脫氧反應(yīng)器R2出來的反應(yīng)氣經(jīng)過第四換熱器E4后溫度降至250°C，進入第三換熱脫氧反應(yīng)器R3，進入第三換熱脫氧反應(yīng)器R3的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高，反應(yīng)器的溫度通過換熱控制，使反應(yīng)溫度低于催化劑的起燃溫度380°C，通過換熱控制第三換熱脫氧反應(yīng)器R3出口反應(yīng)溫度370°C，出口反應(yīng)氣的氧含量降低到2. 3% ;從第三換熱脫氧反應(yīng)器R3出來的反應(yīng)氣與原料氣混合后，反應(yīng)氣的氧含量變?yōu)?. 5%，經(jīng)過第六換熱器E6換熱后溫度降至250°C，進入絕熱脫氧反應(yīng)器R，進入絕熱 脫氧反應(yīng)器R的反應(yīng)氣隨著反應(yīng)的進行，溫度逐漸升高到起燃溫度325°C，起燃后溫度迅速升高，絕熱脫氧反應(yīng)器R的出口溫度為628°C，反應(yīng)后的氣體氧含量為0. 08%,經(jīng)過四級催化脫氧反應(yīng)后的氣體進入蒸汽鍋爐B，然后再進入產(chǎn)品氣換熱器E冷卻，后續(xù)水分離及甲烷的提純可采用常規(guī)的方法進行(圖中未標出)。第一換熱脫氧反應(yīng)器Rl的出口氣溫度采用第一冷卻泵Pl和第二換熱器E2進行調(diào)節(jié)。第二換熱脫氧反應(yīng)器R2的出口氣溫度采用第二冷卻泵P2和第三換熱器E3進行調(diào)節(jié)。第三換熱脫氧反應(yīng)器R3的出口氣溫度采用第三冷卻泵P3和第五換熱器E5進行調(diào)節(jié)。本實施例中，不但沒有采用產(chǎn)品氣作為返回氣，在反應(yīng)中間還可以通過加入原料氣的方法提高原料氣的處理量。
權(quán)利要求
1.一種含氧煤層氣催化脫氧工藝，其特征在于它采用1-3個換熱脫氧反應(yīng)器、一個絕熱脫氧反應(yīng)器(R)和一個蒸汽鍋爐(B)串聯(lián)連接的催化脫氧裝置，所述換熱脫氧反應(yīng)器設(shè)有獨立的冷卻系統(tǒng)，絕熱脫氧反應(yīng)器(R)的出口氣在蒸汽鍋爐(B)和產(chǎn)品氣換熱器(E)中換熱后作為產(chǎn)品氣排出，原料氣在產(chǎn)品氣換熱器(E)和第一換熱器(El)中換熱后，進入第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)，第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)的出口氣經(jīng)第一換熱器(El)換熱后進入下一級換熱脫氧反應(yīng)器或絕熱脫氧反應(yīng)器(R);所述換熱脫氧反應(yīng)器采用具有較低起活溫度的貴金屬脫氧催化劑或非貴金屬脫氧催化劑，所述絕熱脫氧反應(yīng)器(R)采用具有高溫穩(wěn)定性的非貴金屬脫氧催化劑；所述換熱脫氧反應(yīng)器的入口氣溫度控制在230-330°C之間，出口氣溫度控制在300-400°C之間，所述絕熱脫氧反應(yīng)器(R)的入口溫度控制在230-330°C之間，出口溫度控制在600-700°C之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含氧煤層氣催化脫氧工藝，其特征在于所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)與絕熱脫氧反應(yīng)器(R)串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含氧煤層氣催化脫氧工藝，其特征在于所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)、第二換熱脫氧反應(yīng)器(R2)與絕熱脫氧反應(yīng)器(R)串聯(lián)連接，在第二換熱脫氧反應(yīng)器(R2)與絕熱脫氧反應(yīng)器(R)之間設(shè)有第四換熱器(E4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含氧煤層氣催化脫氧工藝，其特征在于所述催化脫氧裝置采用第一換熱脫氧反應(yīng)器(Rl)、第二換熱脫氧反應(yīng)器(R2)、第三換熱脫氧反應(yīng)器(R3)與絕熱脫氧反應(yīng)器(R)串聯(lián)連接，在第二換熱脫氧反應(yīng)器(R2)與第三換熱脫氧反應(yīng)器(R3)之間設(shè)有第四換熱器(E4)，在第三換熱脫氧反應(yīng)器(R3)與絕熱脫氧反應(yīng)器(R)之間設(shè)有第六換熱器(E6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的含氧煤層氣催化脫氧工藝，其特征在于所述第三換熱脫氧反應(yīng)器(R3)的出口氣采用管道經(jīng)調(diào)節(jié)閥(V)與原料氣連通。
全文摘要
一種含氧煤層氣催化脫氧工藝，屬于煤層氣利用技術(shù)領(lǐng)域，特別是采用催化脫氧的方法去除含氧煤層氣中的氧。這種含氧煤層氣催化脫氧工藝采用多級反應(yīng)器進行脫氧反應(yīng)，根據(jù)原料氣氧濃度的不同，前級反應(yīng)器采用換熱方式將反應(yīng)熱取走，以維持一定的反應(yīng)溫度和適當降低反應(yīng)氣中氧濃度，前級反應(yīng)器出口溫度控制在400℃以下，后級采用絕熱反應(yīng)器，出口溫度控制在700℃以下。整個工藝氣體脫氧后不需要循環(huán)，從而降低了能耗，同時能夠有效地控制脫氧反應(yīng)器出口溫度，減少甲烷裂解損失。
文檔編號C10L3/10GK102952590SQ201210389569
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者周煥文, 鄧少亮, 喬川, 曲雪琴 申請人:大連瑞克科技有限公司