專利名稱：變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法
技術領域：
本發明涉及瓦斯氣中甲烷的生產方法，特別涉及變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的安
全生產方法。
背景技術：
我國是煤炭資源大國，瓦斯氣儲量豐富，居世界第三位，埋深2000米以內的瓦斯 氣資源量達31.46萬億立方米，其中，埋深1500米以內的約占總資源量的60%。目前，我國 每年因采煤排放的瓦斯氣在130億立方米以上，約占世界瓦斯氣排放總量的30%。瓦斯氣 的開發不僅可以緩解天然氣供需緊張的矛盾，還可改善煤礦的安全生產條件，增加潔凈能 源，減少大氣污染，帶動相關產業的發展。同時，也是實現國家關于"開發新能源、實現能源 利用與環境保護同步，保證可持續發展"和保障我國能源安全的重要措施之一。
瓦斯氣抽采分為地面開發和井下抽采，前者為采煤前抽采的瓦斯氣，未混入空氣， 甲烷濃度為90%以上，與常規天然氣差異很小，可直接借鑒成熟的天然氣預處理工藝進行 凈化，然后通入天然氣輸送管道或液化，作為優質能源或原料使用。該方法在國內外已經得 到普遍應用，但在技術上有一定要求，且受到瓦斯氣賦存條件、開采地質條件等多方面因素 的影響，投資成本較大；后者有本層抽采、鄰近層抽采和采空區抽采方式，甲烷含量變化較 大，一般為20 80% ;至于礦井通風瓦斯，甲烷含量更低。 井下抽放的瓦斯氣在開采過程中混入空氣，導致CH4的含量低且雜質多，給后續輸 送和加工帶來較大困難，所以一般情況下井下抽放的瓦斯氣大部分被就地使用或排空，少 量被利用的(^4中，90%左右作為增值不大的民用燃料，極少被作為其它用途。由于我國礦 井眾多，地質情況復雜，相當部分煤層透氣性較差，所以井下抽放瓦斯氣在目前開采的瓦斯 氣中占很大比例，因此迫切需要解決抽放瓦斯氣中CH4的濃縮凈化問題，以提高其綜合利用 價值。 瓦斯氣中CH4的濃縮凈化是指將N2或空氣與甲烷分離，使瓦斯氣中甲烷含量相對 提高，從而可以提高瓦斯氣的熱值及遠距離輸送的價值。瓦斯氣中CH4的濃縮凈化技術主要 包括低溫分離、變壓吸附分離和膜分離三種。低溫分離工藝，設備投資大，而且只有分離的 流量較大時(每天幾百萬立方米)才具有商業價值。膜分離技術簡單，非常適用于小型氣 體分離站，但迄今為止，尚處于研究開發階段。變壓吸附工藝技術具有工藝簡單、設備緊湊、 操作費用低和適用性強的特點，是礦井瓦斯氣單井濃縮凈化、集中輸送或液化的較佳方法， 確保了瓦斯氣的輸送安全。 中國專利CN85103557中提出了采用變壓吸附工藝濃縮瓦斯氣中甲烷的方法，其 要求順向減壓步驟釋放的廢氣中所含甲烷濃度必須低于5%，一般控制在0. 1% 3%， 以保證運轉過程的安全性。甲烷在空氣中的爆炸極限為5% 16%，所以在從瓦斯氣中 濃縮甲烷的操作過程中，很難既保證產品高的甲烷濃度及高的收率，又保證釋放廢氣中甲 烷濃度小于5%，這樣，使該技術的進一步的推廣應用受到限制。中國專利CN101099606、 CN101096908提出了采用變壓吸附工藝濃縮低濃度瓦斯氣中甲烷的方法，但未提出安全處理措施，其結果將如專利CN85103557 —樣，受到應用限制。 在變壓吸附裝置的運轉過程中，當吸附塔處于吸附狀態時，瓦斯氣中的甲烷被吸
附劑吸附，使瓦斯氣中甲烷減少，氧濃度增加，而這個過程在吸附塔軸向隨吸附時間而變
化，使吸附塔中瓦斯氣隨時處于爆炸極限。在均壓過程中，吸附塔內、管道內瓦斯氣中的甲
烷也隨均壓時間而變化，使吸附塔、管道瓦斯氣隨時處于爆炸極限。這是變壓吸附工藝自身
的特點所決定的，將變壓吸附技術用于瓦斯氣中甲烷濃縮凈化，裝置始終存在爆炸的危險。
這也是目前國內外變壓吸附技術在煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮領域受到限制的主要原因。 國外在CH4/N2分離的吸附劑多為炭分子篩(CMS)，主要針對高濃度CH4的油田氣
(CH4 > 70% )，經濃縮CH4可高于90% ;對于中等濃度CH4的垃圾填埋氣(CH4在60%左右)，
也有較好的效果，并有商業化實例。但對于低濃度(20% 50%)的煤層瓦斯氣PSA分離
的相關報導則較少，說明低濃度煤層瓦斯氣的C^提濃，還存在著較大的難度。 如前所述，在變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的過程中，為了得到濃度大于90%的甲
烷，不論瓦斯氣中甲烷濃度的多小，吸附塔和管道中的甲烷和氧濃度都可能達到瓦斯爆炸
的條件，只要同時具備火源就會發生瓦斯爆炸事故。在變壓吸附裝置上，能產生火源的因素
主要是瓦斯氣中粉塵在壓縮過程中或者吸附劑磨耗產生的粉塵在氣流中摩擦起火及靜電
積聚火花。 若能提供安全的變壓吸附技術，將其應用在煤礦瓦斯氣中0. 1 90%甲烷的濃 縮，瓦斯氣利用量和利用率將會大幅度提高，社會經濟效益和環保效益將十分顯著。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的安全生產 方法，該方法可用于含有0. 5 90%甲烷的瓦斯氣濃縮，提高瓦斯氣利用量和利用率。
本發明的技術方案為變壓吸附裝置的吸附塔和緩沖罐中裝填吸附劑，在變壓吸附 裝置的吸附塔和緩沖罐中裝填吸附劑體積3 4%的抑爆材料，管道中裝填管道體積1 2%的抑爆材料。所述抑爆材料優選為鋁合金網狀材料。 鋁合金抑爆材料抑爆機制有如下三方面(l)鋁合金網狀材料具有良好的導電 性，能防止吸附塔內吸附劑、管道、閥門的氣流、粉塵沖擊因素產生靜電，從而可以避免由靜 電引發的燃爆事故；(2)蜂窩狀的鋁合金網可把吸附塔分成許多"小室"，這些"小室"可以 遏制火焰的傳播，減弱火勢；(3)鋁合金蜂窩狀結構在單位體積內具有很高的比表面積以 及極好的吸熱能力，可以迅速地將燃燒釋放出的絕大部分熱量吸收掉，使燃燒容器中壓力 增加不大。 進一步的，所述吸附劑為硅膠、活性炭、5A分子篩、13X分子篩、低硅分子篩中的至 少一種。 所述吸附劑強度高、耐磨性好、CH4與N2分離系數大于3，能夠減少粉塵，避免裝置 在運行過程中由于吸附劑與粉塵、粉塵與氣流、粉塵與管道閥門摩擦產生靜電火花而導致 的燃燒爆炸。 進一步的，變壓吸附裝置的瓦斯氣壓縮機中采用瓦斯氣專用螺桿機組，所述瓦斯 氣專用螺桿機組中主機采用單級雙螺桿內噴水冷卻結構，氣體進出口方向為上進上出兩級 壓縮。由于水具有降溫和抑爆作用，避免了粉塵與螺桿摩擦產生的高溫和靜電火花而導致的燃燒爆炸。 為了避免閥門在開關過程中由于閥座與閥芯摩擦產生靜電火花而導致的燃燒爆 炸，變壓吸附裝置最好采用瓦斯氣管道專用程控閥。 變壓吸附裝置還可以建立管道、設備、閥門的滅火防爆制動連鎖控制系統，當任一 個塔或管道的壓力、溫度、0)或0)2含量發生警報時，系統制動停車，發生報警的塔或管道將 啟動內部噴水系統噴水滅火。 吸附塔和管道上安裝防爆片、防爆片爆破壓力0.8MPa;吸附塔、管道、閥門、鋼架 等用銅絲聯通，鋼架接地，要求接地電阻值小于10歐。
與已有技術相比，本發明方法具有以下優點 1、解決了變壓吸附技術在煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮領域受到限制的安全生產問題。
2、本技術適用于甲烷濃度為0. 5 90%的變壓吸附煤礦瓦斯氣中甲烷濃縮，擴大 了變壓吸附的應用范圍，提高瓦斯氣利用量和利用率。
圖1是本發明的煤礦瓦斯氣濃縮甲烷的變壓吸附工藝流程圖，A E為吸附塔，1 是瓦斯氣，2是氮氣，3是順放氣和置換氣，4是脫除甲烷的空氣，5是甲烷產品，A1 8、B1 8、 Cl 8、 Dl 8、 El 8均為程控閥，Pl 5、 P15 18、 P33均為截止閥，Kill 113、 K15均為程控閥，VI 4為緩沖罐，P101為真空泵。 圖2是各吸附塔的工藝時序圖，A I是吸附，A 1I是吸附，D1是均壓降壓，D2是均 壓降壓，P是順放，Z是產品氣置換，V是抽真空，I是隔離，E2是均壓升壓，El是均壓升壓， FR是最終升壓。
具體實施例方式
本發明變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的工藝流程可以根據所抽采的瓦斯氣中甲烷 含量來選擇，既可選擇幾塔同時吸附、多次均壓的通用VPSA流程，也可選擇兩塔串聯吸附、 多次均壓的VPSA流程，或者選擇兩段法VPSA流程。 優選為兩塔串聯吸附、多次均壓的VPSA流程。其方法是每個吸附塔在一個吸附 周期內將與另外兩個塔各進行一次串聯吸附的方法，每個吸附塔吸附過程是第一次吸附的 物流為前一個吸附塔吸附的非吸附相物料，以攔截前一個吸附塔穿透的微量的易吸附相組 分，使分離過程的收率得到保證，第二次吸附是原料物料直接通過吸附床層，并允許部分易 吸附相物料穿透此床層，使易吸附相物流在吸附劑上盡量達到吸附飽和，提高吸附劑的利 用率，使分離出的易吸附相物流含量得到充分保證，經吸附后的非吸附相到另一個吸附塔 做第一次吸附的原料物流，每個吸附塔依次進行吸附A 1、吸附A 11、均壓降壓D、順放P、產 品氣置換Z、抽真空V、隔離1、均壓升壓E、最終升壓FR的循環步驟。 瓦斯氣進入變壓吸附系統濃縮前，需經過預處理其中瓦斯氣采用水環真空泵作 為抽采動力設備從礦井采出，水環真空泵的的入口設置有串聯的銅絲式阻火器和前段防回 火器；抽采的瓦斯氣經過液環泵加壓，液環泵的入口裝有瓦斯專用阻火器和防回火器，出口 管道裝有鋁合金抑爆材料和防回火器。
實施例1
5
變壓吸附裝置如圖1所示，采用兩塔串聯吸附、兩次均壓的VPSA流程。變壓吸附 裝置的安全設施通過以下措施來實現 1、瓦斯氣壓縮選用瓦斯氣專用螺桿壓縮機組，瓦斯氣專用螺桿壓縮機組中主機采
用單級雙螺桿內噴水冷卻結構，氣體進出口方向為上進上出兩級壓縮。 2 、吸附塔裝填了活性炭吸附劑。 3、吸附塔和緩沖罐中裝填吸附劑體積3%的鋁合金網狀抑爆材料(FC-1)。
4、變壓吸附裝置的管道中裝填管道體積1%的鋁合金網狀抑爆材料(FC-1)。
5 、采用瓦斯氣管道專用程控閥。 6、建立管道、設備、閥門的滅火防爆制動連鎖控制系統，當任一個塔或管道的壓 力、溫度、C0、 C02含量發生警報時，系統制動停車，發生報警的塔或管道將啟動內部噴水系 統噴水滅火。 7、吸附塔和管道上安裝防爆片、爆破壓力0. 8MPa，吸附塔、管道、閥門、鋼架等用銅 絲聯通，鋼架接地，要求接地電阻值小于10歐。 變壓吸附裝置經空氣吹掃、試壓合格后，用界區外來的氮氣由入口 2對系統進行 置換，當置換氣中的氧小于2% (體積百分比)時置換合格，裝置可以投入運行。
用界區外來的煤礦瓦斯氣的甲烷體積百分比含量為30%、壓力為10KPa、溫度常 溫，由入口 1經過瓦斯氣專用螺桿壓縮機組壓縮增壓，壓縮增壓的瓦斯氣甲烷體積百分比 含量為30%、壓力為0. 5MPa、溫度40°C。壓縮增壓的瓦斯氣進入由A E五個吸附塔組成 的變壓吸附系統。下面以吸附塔A為例對甲烷回收系統的工藝過程結合圖1、圖2加以說 明 1、吸附A I : 經過液環泵壓縮的瓦斯氣壓力0. 5Mpa，經程控閥El從吸附塔E的底部進氣，此時 吸附塔E處于吸附All狀態，從吸附塔E頂部出來的含有甲烷的干氣經程控閥E7、 A8從已 完成最終升壓FR的吸附塔A底進入，吸附塔壓力控制在0. 5Mpa，瓦斯氣中的甲烷被選擇吸 附于專用甲烷吸附劑上，其他組分作為未吸附氣從吸附塔頂經程控閥A4、P18排出進緩沖 罐V4放空。該步驟實現了甲烷的再吸附，提高了甲烷的回收率，使甲烷和其他組分的完全 分離。當吸附塔A排出氣中甲烷的體積濃度達到0.5X時，關閉程控閥A4、E1、E7、A8，吸附 步驟A I結束。
2、吸附A II : 經過液環泵壓縮的瓦斯氣壓力0. 5Mpa，經程控閥Al從吸附塔A的底部進氣，吸附 塔壓力控制在O. 5Mpa，瓦斯氣中的甲烷被選擇吸附于專用甲烷吸附劑上，其他組分作為未 吸附氣從吸附塔頂經A7、B8排出進入處于吸附A I狀態的吸附塔B進行再吸附，未吸附氣從 吸附塔頂經程控閥B4、P18排出進緩沖罐V4放空，未吸附氣中的甲烷含量控制在4% (體積 百分比)。該步驟允許部分甲烷穿透吸附塔床層，使甲烷在吸附劑上盡量達到吸附飽和，提 高吸附劑的利用率，使分離出的產品氣中甲烷含量得到充分保證。當吸附結束時，關閉A1、 B4、A7、A8程控閥。
3、均壓降壓D1: 吸附All步驟結束后，開啟程控閥A5、 K112、 P16，吸附塔A與緩沖罐V3進行均壓 至兩塔壓力平衡。均壓結束后，關閉A5、 K112程控閥
4、均壓降壓D2: 均壓降D1結束后，開啟程控閥A6、 D6，吸附塔A與吸附塔D進行均壓至兩塔壓力 平衡。均壓結束后，關閉A6、D6程控閥。
5、順放P: 均壓降D2結束后，開啟程控閥A6、 Klll、 P15，將吸附塔A內氣體順著吸附方向降 壓，當塔內壓力降至0. 02Mpa時，關閉Kill程控閥。順放氣進入其回收系統，經加壓后作為 原料氣回用。 6、產品氣置換Z: 順放P結束后，開啟程控閥A2、 A6、 Kl 11 、 P15，關閉Kl 15，置換氣從A2進入吸附塔 A，順著吸附方向進行置換，置換出口氣經A 6、K111、P15流出。當吸附塔A置換出口氣中甲 烷濃度較高，進入其回收系統，經加壓后作為原料氣回用。置換結束后，關閉程控閥A2、A6、 K111，打開K115。
7、抽真空V: 產品氣置換結束后，開啟程控閥A3、K115、P33，經緩沖罐V2由真空泵P101抽出。
抽真空結束后，關閉程控閥A3。 8、隔離I: 抽真空結束后，吸附塔A的程控閥Al A8全部處于關閉狀態，等待執行下一步 驟。 9、均壓升壓E2: 隔離I結束后，開啟程控閥A6、 C6，利用吸附塔C均壓降D2排出的氣體對已完成 抽真空的吸附塔進行升壓，至兩塔壓力平衡。均壓結束后，關閉A6、C6程控閥。
10、均壓升壓E1: 均壓升E2結束后，開啟程控閥A5、K112，利用緩沖罐V3中的氣體與吸附塔A進行 升壓，至兩塔壓力平衡。均壓結束后，關閉A5 、 K112程控閥。
11、最終升壓FR: 均壓升E1結束后，開啟程控閥A5、K113、P17，利用緩沖罐V4中的氣體對吸附塔A 進行升壓，當吸附塔壓力接近吸附壓力時，關閉A5、K113程控閥。 完成上述步驟后，吸附塔A完成了一個周期的循環操作。如圖2所示其它四個吸
附塔B E的循環步驟與吸附塔A完全相同，只是在時間上的相互錯開，以保證在任何時候
都有一個吸附塔在進行吸附A I步驟操作，從而保證甲烷吸附裝置的連續運行。 至此，本實施例的工藝過程全部結束。本實施例可獲得甲烷含量約85v^甲烷氣
體，甲烷收率約99%，出口 3排出的順放氣和置換氣循環回收，出口 4排出的氣體甲烷含量
約0. 5v% 。整個系統安全，未檢測出CO， C02含量不變。 實施例2 本實施例的煤礦瓦斯氣的甲烷含量為50%，吸附壓力為1. OMPa，吸附溫度40°C 。 該變壓吸附裝置采用實施例1的安全設施設置。吸附塔裝填了吸附劑體積的3%的鋁合金 網狀抑爆材料(FC-1)，管道裝了管道體積1%的鋁合金網狀抑爆材料(FC-1)。然后按照實 施例1的工藝步驟實施。 本實施例可獲得甲烷含量約95%氣體，甲烷收率約99%，出口 3排出的順放氣和置換氣循環回收，出口 4排出的氣體甲烷含量約0. 5v%。系統安全，未檢測出C0， C02含量 不變。 實施例3 本實施例的煤礦瓦斯氣的甲烷含量為10% ，吸附壓力0. 3MPa，吸附溫度40°C .該 變壓吸附裝置采用實施例1的安全設施設置。吸附塔裝填了吸附劑體積的4%的鋁合金網 狀抑爆材料(FC-1)，管道裝了管道體積2X的鋁合金網狀抑爆材料(FC-1)。然后按照實施 例1的工藝步驟實施。 本實施例可獲得甲烷含量為65%氣體，甲烷收率約95%，出口 3排出的順放氣和 置換氣循環回收，出口 4排出的氣體甲烷含量約0.5v^。系統安全，未檢測出CO， (A含量 不變。 對比例1 本實施例的煤礦瓦斯氣的甲烷含量為10% ，吸附壓力0. 3MPa，吸附溫度40°C 。該 變壓吸附裝置未采用本發明的安全設施進行。按如下方法實施再按本實施例1的工藝步 驟進行實施。 1 、瓦斯氣壓縮選用瓦斯氣專用螺桿機組。
2 、吸附塔裝填了活性炭吸附劑。 3、瓦斯氣專用螺桿機組與專用程控閥A1-E1連接的管道和緩沖罐中裝鋁合金網
狀抑爆材料(FC-1)(用量同實施例l)，其余管道和緩沖罐不裝抑爆材料。 4 、采用瓦斯氣管道專用程控閥。 5、吸附塔和管道上安裝防爆片，爆破壓力0. 8MPa。 再按本實施例1的工藝步驟進行實施。 本實施例在運行過程中，當吸附塔A在均壓降D2運行過程中，程控閥A6與K112 連接的管道發生爆炸，防爆片撕開。 說明了管道和緩沖罐中裝鋁合金網狀抑爆材料可以避免由靜電引發的燃爆事故， 保障系統安全。
權利要求
變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，變壓吸附裝置的吸附塔和緩沖罐中裝填吸附劑，其特征在于在變壓吸附裝置的吸附塔中裝填吸附劑體積3～4％的抑爆材料，管道中裝填管道體積1～2％的抑爆材料。
2. 根據權利要求1所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于所述抑 爆材料為鋁合金網狀材料。
3. 根據權利要求1或2所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于所述吸附劑為硅膠、活性炭、5A分子篩、13X分子篩、低硅分子篩中的至少一種。
4. 根據權利要求1 3任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于變壓吸附裝置的瓦斯氣壓縮機中采用瓦斯氣專用螺桿機組，所述瓦斯氣專用螺桿機組中主機采用單級雙螺桿內噴水冷卻結構，氣體進出口方向為上進上出兩級壓縮。
5. 根據權利要求1 3任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于變壓吸附裝置采用瓦斯氣管道專用程控閥。
6. 根據權利要求1 3任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于變壓吸附裝置建立管道、設備、閥門的滅火防爆制動連鎖控制系統。
7. 根據權利要求1 3任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于吸附塔和管道上安裝防爆片；吸附塔、管道、閥門和鋼架用銅絲聯通，鋼架接地，接地電 阻值小于10歐。
8. 根據權利要求1 7任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在 于瓦斯氣進入變壓吸附裝置前，經過預處理；所述預處理為用水環真空泵作為抽采動力 設備從礦井采出，抽采的瓦斯氣經過液環泵加壓后進入變壓吸附裝置。
9. 根據權利要求8所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在于水環真 空泵的的入口設置串聯的銅絲式阻火器和前段防回火器；液環泵的入口設置瓦斯專用阻火 器和防回火器，出口管道設置鋁合金網狀材料和防回火器。
10. 根據權利要求1 7任一項所述變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，其特征在 于所述變壓吸附裝置為兩塔串聯吸附、多次均壓的VPSA流程；具體為每個吸附塔在一個 吸附周期內與另外兩個塔各進行一次串聯吸附，每個吸附塔吸附過程是第一次吸附的物流 為前一個吸附塔吸附的非吸附相物料，第二次吸附是原料物料直接通過吸附床層，并允許 部分易吸附相物料穿透此床層，經吸附后的非吸附相到另一個吸附塔做第一次吸附的原料 物流，每個吸附塔依次進行吸附AI、吸附AII、均壓降壓D、順放P、產品氣置換Z、抽真空V、 隔離1、均壓升壓E、最終升壓FR的循環步驟。
全文摘要
本發明涉及瓦斯氣中甲烷的濃縮方法，特別涉及變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法。本發明所要解決的技術問題是提供變壓吸附濃縮瓦斯氣中甲烷的生產方法，該方法為變壓吸附裝置的吸附塔和緩沖罐中裝填吸附劑，在變壓吸附裝置的吸附塔中裝填吸附劑體積3～4％的抑爆材料，管道中裝填管道體積1～2％的抑爆材料。本發明方法可用于含有0.5～90％甲烷的瓦斯氣濃縮，擴大了變壓吸附的應用范圍，提高瓦斯氣利用量和利用率。
文檔編號B01D53/047GK101732946SQ20091031287
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者余蘭金, 蘭治淮, 朱代希, 李又福 申請人:四川省達科特能源科技有限公司