[发明专利]一种煤层气脱氧反应装置

说明书

技术领域

本发明属化学反应器领域，具体涉及一种煤层气脱氧反应装置。

背景技术

煤层气，又称瓦斯气，是煤矿在开采前及开采过程中抽排出含甲烷的气体，其中煤矿开采过程中抽排出的煤层气含有较多空气，一般称为含氧煤层气。目前我国在采煤过程中抽排出的含氧煤层气，受具体条件所限，只有少数矿区进行了利用，如就地发电、脱氧脱水后进管网供应附近市场或进一步加工生产液化天然气，其余大部分直接排入大气，既浪费了能源，也污染了大气，因甲烷是一种温室气体。

含氧煤层气因含较多空气，至少存在两个问题；一个是甲烷纯度较低，应用范围小；另一个是所含O₂造成的安全问题，若直接通过管网输送则可能因某些小范围的小事故引发大范围的大事故，或者在加工利用过程中存在较大的安全风险。因而，脱氧技术成为含氧煤层气利用的关键技术之一。

现有较有价值的煤层气脱氧技术，是利用固定床催化剂和反应器使所含甲烷催化燃烧消耗所含的氧气，从而达到脱氧的目的，生成二氧化碳和水，在此过程中，每反应1% O₂（体积）的绝热温升为100℃左右；应采用适当的移热控温方法和反应器结构，控制反应条件和催化剂床层温度，避免因床层温度过高而影响反应效果和催化剂的寿命，尤其在在煤层气入口段氧气浓度较高时，若不能可靠地移走反应热，就容易出现热点，乃至发生飞温超温。

含氧煤层气现有通过甲烷催化燃烧脱氧的方法中，有的采用多级反应器进行多级催化脱氧反应，根据入口气中的氧气含量控制每一级反应器的入口气温度，使催化脱氧反应后每一级反应器的出口气体温度都低于控制值如700℃，并可作为返回气用于稀释原料煤层气中氧气含量及升温，反应器间设换热器适当降温，该方法的主要问题是各反应器温度条件的控制较复杂或较难，受原料气流量和O₂含量波动的影响都比较大，工艺本身的安全风险较大。有的方法只采用一台固定床绝热催化反应器，将反应器出口脱氧煤层气以较高循环比返回稀释入口的含氧煤层气，控制入口气的氧气含量和温度，实现催化剂床层温度、出口气温度等催化反应条件，将出口煤层气中的氧气浓度降低到0.5％乃至0.2％以下，该方法的主要问题也是反应器温度条件受原料气流量和O₂含量波动的影响都比较大。而且催化剂床层温度达到650℃以上时，还容易发生甲烷的水煤气化反应及裂解反应，产生CO及催化剂结碳，应尽量避免。

有些方法采用内设盘管或列管的固定床反应器，通过冷却介质控制催化剂床层温度分布和反应条件，进行含氧煤层气的催化脱氧，换热介质可用高压水、熔盐，催化剂可以装在盘管间、列管间或列管内。这类反应器的主要问题包括：

1. 用高压水作为换热介质时受水蒸汽压力的限制，用于反应水温250℃以上时，水冷系统蒸汽压力太高，导致反应器的压力等级、制造成本过高，用于煤层气脱氧过程也存在较大安全风险；同时，煤层气脱氧的反应温度又较高或者反应、放热集中，采用钯和/或铂为主要活性组分的贵金属燃烧脱氧催化剂时床层温度350℃左右但反应、放热集中，以铜、镍、钴、锰、钼、铁中的一种或多种为主要活性组分的燃烧脱氧催化剂的床层温度450-500℃左右，以铈、镧等稀土为主要活性组分的燃烧脱氧催化剂的床层温度550-650℃左右，因而高压水不太适合于煤层气脱氧过程的控温，会产生包括催化剂床层温升、温差较大和易产生局部热点而导致催化反应效果较差、催化剂使用寿命较短的问题；水的饱和蒸汽压，250℃3.97MPa，300℃8.59 MPa，330℃12.8 MPa；

2. 采用较低温的高压水汽化进行移热控温时，由于水温通常在300℃以下，用于400℃以下活性很低的非贵金属脱氧催化剂时床层温度和反应效果较难控制，容易发生低温或超温，低温如400℃以下时催化剂活性不够导致脱氧率低，超温如550℃以上时产生CO及催化剂结碳，操作弹性较窄，对煤层气流量和组成的适应性较差；

3. 催化剂经过长期运转使用需要更换或卸剂维修时，受换热控温构件形状、位置的限制或阻碍难于卸出；

4.个别换热盘管、列管发生泄漏时，列管通常难于堵漏，盘管可封堵一根或少数几根，但因其长度大而影响较大。

因而，需要开发一种不需要返回稀释或者返回比例较低、床层温度和反应效果较难控制，不易发生低温或超温，操作弹性较宽，对煤层气流量和组成的适应性较强、催化剂的使用寿命较长、催化剂更换或卸剂维修时易于卸出、封堵一根或少数几根泄漏的换热管对床层控温影响不大的含氧煤层气的脱氧反应装置。

发明内容