[发明专利]一种多塔置换真空变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气甲烷浓缩技术领域，具体地说，是一种二氧化碳置换的多塔真空变压吸附浓缩煤层气中低浓度甲烷的方法。

背景技术

甲烷是一种优质燃料，在自然界中储量大、热值高，且具有最高的氢/碳比，在能源体系中占有重要地位，是比煤和石油更加清洁的能源。因此，从煤层气、油田气、页岩气、生物沼气、垃圾掩埋气以及其它来源的低品质甲烷气资源中分离提纯甲烷对改善能源结构和保护大气环境，具有重要的现实意义和战略意义。

我国煤层气资源丰富，据最新资源预测，中国煤层气资源总量约为32万亿立方米，是继俄罗斯、加拿大之后的第三大煤层气储量国。煤层气根据抽采方式可分为地面抽采和井下抽采。地面抽采可以得到CH₄含量在95％以上的可燃气体，能直接作为高能燃料和化工原料使用，但目前抽采规模较小。井下抽采是为了采煤安全从矿井下抽采煤层气，由于在抽排过程中掺进了大量空气，CH₄浓度只有10％-30％，这部分煤层气抽采量巨大，每年多达150 亿立方米。由于缺乏先进实用的甲烷浓缩分离技术，目前我国低浓度煤层气利用率仅占总排放量的5％-10％，绝大部分直接排放到大气中，不仅浪费资源，而且引起严重的大气温室效应(CH₄温室效应为CO₂的21倍)。

制约低浓度煤层气利用的重要因素是其CH₄含量低，如果将CH₄浓度提高至80％以上，就能用作高能燃料或化工原料；如果CH₄含量达到95％，就可直接并入天然气管网输送。低浓度煤层气中除了含有一定量CH₄外还含有大量的CO₂和N₂及少量氧气。CO₂和CH₄分子物理性质差别大，二者易于分离；CH₄和N₂因两者动力学直径相近，且物理性质也相似，成为最难分离的体系。煤层气甲烷分离富集技术有低温精馏、膜分离、吸收法和吸附法等。吸附法由于具有装置简单、操作便捷、工艺流程切实可行和运行消耗能量少等优点而备受关注，被认为是目前低浓度煤层气甲烷浓缩最具工业前景的技术。

目前报道的用于吸附分离CH₄/N₂的吸附剂有活性炭、炭分子筛、硅铝分子筛、介孔分子筛、钛硅分子筛和金属有机骨架材料。由于现有吸附材料CH₄/N₂平衡分离系数不高，基于变压吸附工艺很难一次性将甲烷含量50％以下浓缩到80％以上。当处理甲烷浓度小于10％的瓦斯气时，传统变压吸附浓缩效率会很低，工程应用是不经济。专利(CN101549240A) 引进二氧化碳置换的变压吸附浓缩煤层气甲烷的方法，在变压吸附工艺流程中增加了以二氧化碳置换被吸附甲烷的步骤，使甲烷成为塔顶产品，从而提高了产品气甲烷的度和收率。相对于甲烷和氮气吸附，二氧化碳是强吸附组分，吸附剂再生能耗显著增加。该方法未讨论二氧化碳介质解吸及多塔串联并联强化低浓度甲烷富集的循环工艺。目前关于二氧化碳介质解吸及循环利用工艺也未见其它相关的专利报道。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种二氧化碳置换的多塔真空变压吸附连续循环浓缩煤层气中低浓度甲烷的方法。

本发明的技术方案是，一种二氧化碳置换的真空变压吸附方法，其特征在于，采用多塔连续循环吸附、二氧化碳置换和真空解吸技术使低浓度甲烷的煤层气变成高品质的天然气燃料；所述方法的每个循环包括如下具体步骤：

步骤(1)加压：加压填充塔至吸附阶段设定的操作压力1.1atm～10atm；

步骤(2)甲烷吸附：在温度10℃～50℃、上述压力条件下，低浓度煤层气甲烷从填充塔塔底输入含有吸附剂的填充塔内，进行吸附捕集甲烷，当甲烷吸附前锋达到填充塔出口，吸附阶段结束；

步骤(3)二氧化碳置换：在温度10℃～50℃、压力1.1atm～10atm条件下，输入二氧化碳，置换塔内已吸附的甲烷和氮气，随着置换进行，从填充塔顶依次排出气体分别储存在三个缓冲罐内，分别为高浓度甲烷产品气、高浓度氮气略含少量甲烷、高浓度甲烷略含少量二氧化碳；塔内甲烷和氮气置换后，填充塔基本上充满二氧化碳；

步骤(4)降压：填充塔降压至常压，解吸塔内二氧化碳；

步骤(5)真空解吸：采用真空泵抽真空，使填充塔内压力降低为1kPa～15kPa；这样可以提高二氧化碳解吸率。