一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统

技术领域

本发明涉及低浓度瓦斯气提纯领域，具体涉及一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法及系统。

背景技术

煤矿瓦斯(煤层气)是一种重要的非常规天然气资源，我国2000m以浅的煤矿瓦斯资源量达到36.8万亿m

变压吸附(PSA)是目前最为实用的低浓度瓦斯提纯技术。已有相关专利提出通过多级变压吸附提高甲烷提浓效果，相关专利的多级变压吸附均是基于吸附平衡选择性原理，将甲烷作为强吸附组分，高甲烷浓度的产品气在解吸阶段获得；另外各级吸附均是在高压下进行的。如CN101596391A在2009年12月9日公开的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”和CN102380285A在2012年3月21日公开的“多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置”。以上多级变压吸附技术存在明显的技术缺陷：(1)低浓度瓦斯原料气中甲烷浓度很低，氧气和氮气浓度高，采用基于吸附平衡的变压吸附技术时氧气、氮气可与甲烷发生竞争吸附导致甲烷吸附量减少；(2)需要对具有爆炸危险性的含氧低浓度瓦斯进行压缩，压缩过程产生的高温火源可能引爆含氧瓦斯气体，安全性较差。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，安全性好，提纯的甲烷浓度高。

本发明的目的之二是提供实施上述方法的低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，采用两级不同原理的变压吸附提纯甲烷工艺：第一级甲烷提浓基于吸附动力学原理，一类吸附剂在低压下选择性吸附分子动力学直径较小的氧气和氮气，从游离气相中得到氧气浓度小于2％的保证压缩安全的甲烷中间产品气，该甲烷中间产品气经过加压后进入第二级甲烷提纯过程，抽真空使一类吸附剂解吸获得高浓度氧气；第二级甲烷提浓基于吸附平衡原理，二类吸附剂在高压下选择性吸附平衡吸附量较大的甲烷，排出游离气为甲烷浓度低于0.2％的氮气，通过抽真空得到甲烷浓度高于92％的天然气。

作为本发明的优选方案，所述第一级甲烷提浓的工艺至少包括两个一级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、抽真空、均压升和终升压五个流程：

a.吸附

来自煤矿抽采的干燥后低浓度瓦斯气在相对压力2kPa～20kPa的低压下从底部进入一级吸附塔Ⅰ内，氧气和部分氮气被优先吸附在一类吸附剂上，富集后的甲烷从塔顶流出作为甲烷中间产品气；

b.均压降

吸附过程完成后，塔内较高压力的气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入到已经抽真空解吸的一级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；

c.抽真空

均压降过程完成后，从一级吸附塔Ⅰ底部抽真空至相对压力-50kPa～-80kPa，将吸附在一类吸附剂上的氧气和氮气抽出，使得一类吸附剂再生，并获得高浓度氧气；

d.均压升

抽真空过程完成后，刚完成吸附过程的较高压力一级吸附塔Ⅱ内气体顺着吸附阶段进气方向流出，进入一级吸附塔Ⅰ，对一级吸附塔Ⅰ进行升压；

e.终升压

均压升过程完成后，低浓度瓦斯原料气从底部进入一级吸附塔Ⅰ，将一级吸附塔Ⅰ升压至相对压力2kPa～20kPa。

作为本发明的优选方案，所述第二级甲烷提浓的工艺至少包括三个二级吸附塔，每个吸附塔经历吸附、均压降、顺向减压、产品气置换、抽真空、均压升和终升压七个流程：

a.吸附

来自第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气经过加压至相对压力0.2MPa～1MPa后进入二级吸附塔Ⅰ内，甲烷被优先吸附在二类吸附剂上，塔内未被吸附的高浓度氮气从塔顶流出；

b.均压降

吸附过程完成后，将塔内较高压力的气体逆着吸附阶段进气方向从底部流入到已经抽真空解吸的二级吸附塔Ⅱ内，等待两个吸附塔压力一致完成均压降；

c.顺向减压

均压降过程完成后，顺着吸附阶段进气方向二级吸附塔Ⅰ继续减压，减压流出气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；

d.产品气置换

顺向减压过程完成后，顺着吸附阶段进气方向通入一部分产品气置换掉残余在塔内的游离气体，置换出的气体回收，与第一级甲烷提浓工艺的甲烷中间产品气混合；

e.抽真空

置换过程完成后，从吸附阶段吸附塔进气口抽真空至相对压力-50kPa～-80kPa，将吸附在二类吸附剂上的甲烷抽出，使得吸附剂再生，获得超高浓度甲烷产品气；

f.均压升

抽真空过程完成后，刚完成吸附过程的二级吸附塔Ⅱ内较高压力气体逆着吸附阶段进气方向流出，从底部进入二级吸附塔Ⅰ，对二级吸附塔Ⅰ进行升压；

g.终升压

均压升过程完成后，用第一级中间产品气顺着吸附阶段进气方向将二级吸附塔Ⅰ升压至相对压力0.2MPa～1MPa。

作为本发明的进一步优选，一级和二级提浓的吸附时间为80s～180s，均压时间为30s～120s，抽真空时间为30s～180s。

作为本发明的进一步优选，所述第一级甲烷提浓、第二级甲烷提浓工艺中所用的吸附塔的高度与直径之比的范围为2:1～5:1。

作为本发明的进一步优选，所述一类吸附剂为选择性吸附低浓度瓦斯中氧气和氮气的吸附剂，如碳分子筛、斜发沸石等。

作为本发明的进一步优选，所述二类吸附剂为选择性吸附低浓度瓦斯中甲烷的吸附剂，如活性炭、离子液沸石等。

另一方面，本发明还提供一种实施上述方法的低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统，包括两级甲烷提浓子系统，一级提浓子系统包括至少两个并联的一级吸附塔Ⅰ～一级吸附塔Ⅱ、中间产品气缓冲罐、一级水环真空泵和高浓度氧气储罐，二级提浓子系统包括至少三个并联的二级吸附塔Ⅰ～二级吸附塔Ⅲ、超高浓度甲烷储罐、氮气储罐、二级水环真空泵、增压泵；

所述一级吸附塔Ⅰ、一级吸附塔Ⅱ底部一路分别通过管路和一级进气控制阀Ⅰ、一级进气控制阀Ⅱ与煤矿瓦斯气源连接，另一路分别通过管路和一级抽真空控制阀Ⅰ、一级抽真空控制阀Ⅱ与一级水环真空泵连接，一级水环真空泵出气口与高浓度氧气储罐连接，一级吸附塔Ⅰ、一级吸附塔Ⅱ吸附塔顶部出口分别通过管路、一级产气分支控制阀Ⅰ、一级产气分支控制阀Ⅱ及产气总阀门与中间产品气缓冲罐相连；

中间产品气缓冲罐连接二级提浓系统的增压泵进气口，増压泵通过管路、增压泵控制阀、二级进气控制阀Ⅰ、二级进气控制阀Ⅱ、二级进气控制阀Ⅲ分别与二级吸附塔Ⅰ、二级吸附塔Ⅱ、二级吸附塔Ⅲ底部进气口连接，二级吸附塔Ⅰ～二级吸附塔Ⅲ底部进气口还分别通过抽真空产气控制阀Ⅰ、抽真空产气控制阀Ⅱ、抽真空产气控制阀Ⅲ与二级水环真空泵连接，二级水环真空泵出气口与超高浓度甲烷储罐连接，另外二级吸附塔Ⅰ～二级吸附塔Ⅲ底部进气口分别通过置换气控制阀Ⅰ、置换气控制阀Ⅱ、置换气控制阀Ⅲ与超高浓度甲烷产品气储罐连接，二级吸附塔Ⅰ～二级吸附塔Ⅲ顶部出气口分别通过二级出气分支控制阀Ⅰ、二级出气分支控制阀Ⅱ、二级出气分支控制阀Ⅲ和出气总控制阀与氮气储罐连接，二级吸附塔Ⅰ～二级吸附塔Ⅲ顶部出气口也分别通过二级出气分支控制阀Ⅰ～二级出气分支控制阀Ⅲ和回收气控制阀与中间产品气缓冲罐连接。

作为本发明的进一步改进，所述一级吸附塔和二级吸附塔内部填充吸附剂时均铺上一层隔爆金属纤维网。

作为本发明的进一步改进，所述一级吸附塔和二级吸附塔的上部、中部和下部位置各设有一个泄爆口，当压力高于限值时，泄爆口打开使塔内压力降低到安全范围。

与现有技术相比，本发明采用两级提浓工艺，分别依据不同的变压吸附技术原理实现了低浓度瓦斯气的安全高效分离。根据低浓度瓦斯原料气中甲烷浓度低、氧气浓度高和具有爆炸危险性的特性，第一级设计为低压条件下基于吸附动力学选择性的提浓工艺，具有以下优点：

(1)吸附剂优先吸附低浓度瓦斯中分压较高的氧气和氮气，因此甲烷和氧气、氮气的分离效果好，避免传统优先吸附甲烷技术中较高分压的氧气、氮气与低分压甲烷竞争吸附影响甲烷分离效果；

(2)第一级变压吸附中大部分氧气被优先吸附脱除，吸附塔内游离气体和产出的中间产品气氧气浓度很低，保证了一级变压吸附和二级高压下变压吸附过程的安全性；

(3)通过本发明提供的方法获得超高浓度甲烷、氮气和高浓度氧气三种产品气，以上产品气各有用途，使低浓度瓦斯利用率达到100％，避免了甲烷温室气体排放；

(4)低压下进行第一级提浓工艺进一步提高了低浓度瓦斯提浓的安全性，降低了气体分离成本。因此第一级低压条件下基于吸附动力学选择性的提浓工艺适合于含氧低浓度瓦斯的初步脱氧提浓，并且保证了后续高压提浓的安全性。第二级设计为高压条件下基于吸附平衡选择性的提浓工艺，充分利用吸附平衡型吸附剂在高压和高浓度条件下对甲烷吸附量大和吸附选择性好的优点，提高甲烷提纯效率。通过基于吸附动力学和吸附平衡两种变压吸附工艺的有效耦合，实现了低浓度瓦斯的安全高效提纯制天然气。另外，每个吸附塔内铺装隔爆金属纤维网及塔上的泄爆口使得整个提浓过程更加安全。

附图说明

图1为本发明的一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统连接示意图；图中，1、一级产气总控制阀，2、回收气控制阀，3、二级出气总控制阀，4、增压泵控制阀，5、増压泵，6、泄爆口，7、隔爆金属纤维网，A1、一级吸附塔Ⅰ，B1、一级吸附塔Ⅱ，A2、二级吸附塔Ⅰ，B2、二级吸附塔Ⅱ，C2、二级吸附塔Ⅲ，A1-1、一级进气控制阀Ⅰ，B1-1、一级进气控制阀Ⅱ，A1-2、一级抽真空控制阀Ⅰ，B1-2、一级抽真空控制阀Ⅱ，A1-3、一级产气分支控制阀Ⅰ，B1-3、一级产气分支控制阀Ⅱ，A2-1、二级进气控制阀Ⅰ，B2-1、二级进气控制阀Ⅱ，C2-1、二级进气控制阀Ⅲ，A2-2、抽真空产气控制阀Ⅰ，B2-2、抽真空产气控制阀Ⅱ，C2-2、抽真空产气控制阀Ⅲ，A2-3、置换气控制阀Ⅰ，B2-3、置换气控制阀Ⅱ，C2-3、置换气控制阀Ⅲ，A2-4、二级出气分支控制阀Ⅰ，B2-4、二级出气分支控制阀Ⅱ，C2-4、二级出气分支控制阀Ⅲ，V1、中间产品气缓冲罐，V2、氮气储罐，V3、超高浓度甲烷产品气储罐，V4、氧气储罐，VP1、一级水环真空泵，VP2、二级水环真空泵；

图2为一级提浓中间产品气甲烷浓度随时间变化图；

图3为一级提浓中间产品气氧气浓度随时间变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气方法，根据不同的变压吸附技术原理，采用两级低浓度瓦斯提浓工艺，第一级提浓是在低压下脱除氧气和部分氮气提浓甲烷，第二级提浓是在高压下脱除氮气获得甲烷浓度高于92％的天然气，通过上述两级提浓工艺，能将煤矿含氧低浓度瓦斯气安全高效提纯为天然气，具体为：

第一级甲烷提浓：利用吸附动力学选择性，吸附剂在低压下选择性吸附分子动力学直径较小的氧气和氮气，从未被吸附的游离气相中得到氧气浓度小于2％的可保证压缩安全的甲烷中间产品气，该甲烷中间产品气经过加压后进入第二级吸附脱氮的过程；第二级甲烷提浓：基于吸附平衡原理，吸附剂在高压下选择性吸附平衡吸附量较大的甲烷，排出游离气为甲烷浓度低于0.2％的氮气，通过抽真空得到甲烷浓度高于92％的天然气。

采用如图1所示的一种低浓度瓦斯安全高效梯级提纯制天然气系统进行瓦斯气提浓，该系统包括两级甲烷提浓子系统，一级提浓子系统包括两个并联的一级吸附塔ⅠA1～一级吸附塔ⅡB1、中间产品气缓冲罐V1、一级水环真空泵VP1和高浓度氧气储罐V4，二级提浓子系统包括三个并联的二级吸附塔ⅠA2、二级吸附塔ⅡB2、二级吸附塔ⅢC2、氮气储罐V2、超高浓度甲烷储罐V3、二级水环真空泵VP2、增压泵5；

所述一级吸附塔ⅠA1、一级吸附塔ⅡB1底部一路分别通过管路和一级进气控制阀ⅠA1-1、一级进气控制阀ⅡB1-1与煤矿瓦斯气源连接，另一路分别通过管路和一级抽真空控制阀ⅠA1-2、一级抽真空控制阀ⅡB1-2与一级水环真空泵VP1连接，一级水环真空泵VP1出气口与高浓度氧气储罐V4连接，一级吸附塔ⅠA1、一级吸附塔Ⅱ吸附塔B1顶部出口分别通过管路、一级产气分支控制阀ⅠA1-3、一级产气分支控制阀ⅡB1-3及产气总阀门1与中间产品气缓冲罐V1相连；

中间产品气缓冲罐V1连接二级提浓系统的增压泵5进气口，増压泵5通过管路、增压泵控制阀4、二级进气控制阀ⅠA2-1、二级进气控制阀ⅡB2-1、二级进气控制阀ⅢC2-1与二级吸附塔ⅠA2、二级吸附塔ⅡB2、二级吸附塔ⅢC2底部进气口连接，二级吸附塔ⅠA2～二级吸附塔ⅢC2底部进气口还通过抽真空产气控制阀ⅠA2-2、抽真空产气控制阀ⅡB2-2、抽真空产气控制阀ⅢC2-2与二级水环真空泵VP2连接，二级水环真空泵VP2出气口与超高浓度甲烷储罐V3连接，另外二级吸附塔ⅠA2～二级吸附塔ⅢC2底部进气口通过置换气控制阀ⅠA2-3、置换气控制阀ⅡB2-3、置换气控制阀ⅢC2-3与超高浓度甲烷产品气储罐V3连接，二级吸附塔ⅠA2～二级吸附塔ⅢC2顶部出气口分别通过二级出气分支控制阀ⅠA2-4、二级出气分支控制阀ⅡB2-4、二级出气分支控制阀ⅢC2-4和出气总控制阀3与氮气储罐V2连接，二级吸附塔ⅠA2～二级吸附塔ⅢC2顶部出气口也通过二级出气分支控制阀ⅠA2-4、二级出气分支控制阀ⅡB2-4、二级出气分支控制阀ⅢC2-4和回收气控制阀2与中间产品气缓冲罐V1连接。

所述一级吸附塔和二级吸附塔内部填充吸附剂时均铺上一层隔爆金属纤维网7。

所述一级吸附塔和二级吸附塔的上部、中部和下部位置各设有一个泄爆口6，当压力高于限值时，泄爆口6打开使塔内压力降低到安全范围。

针对某一一级吸附塔的一级提浓工艺流程为吸附、均压降、抽真空、均压升和终升压：

a.吸附

打开一级进气控制阀门ⅠA1-1，来自煤矿抽采的低浓度瓦斯气在相对压力小于20kPa的低压下进入一级吸附塔ⅠA1内，氧气和部分氮气被塔内的一类吸附剂(如碳分子筛、斜发沸石等)吸附，当塔内压力上升为相对压力2kPa～20kPa后打开一级产气分支控制阀ⅠA1-3和一级产气总阀门1，富集后的甲烷从塔顶流出进入中间产品气缓冲罐V1，吸附过程历时80s～180s，吸附过程结束后，关闭一级进气控制阀ⅠA1-1和一级产气总阀门1。

b.均压降

关闭一级吸附塔ⅡB1的一级进气控制阀ⅡB1-1，打开一级吸附塔ⅡB1的出口阀门一级产气分支控制阀ⅡB1-3，将一级吸附塔ⅠA1内较高压力的气体顺着吸附阶段进气方向流出，从顶部流入到已经完成抽真空解吸的一级吸附塔ⅡB1内，均压时间30s～120s，之后关闭一级产气分支控制阀ⅠA1-3和一级产气分支控制阀ⅡB1-3，打开一级进气控制阀ⅡB1-1，完成对一级吸附塔ⅠA1的均压降。

c.抽真空

均压降过程完成后，打开一级抽真空控制阀ⅠA1-2，一级水环真空泵VP1从一级吸附塔ⅠA1底部将吸附在吸附剂上的氧气、氮气抽出，使得吸附剂再生，抽真空时间为30s～180s，抽真空过程完成后，关闭一级抽真空控制阀ⅠA1-2。

d.均压升

打开一级产气分支控制阀ⅠA1-3和一级产气分支控制阀ⅡB1-3，关闭一级进气控制阀ⅡB1-1，用刚完成吸附过程的一级吸附塔ⅡB1内的较高压力气体对一级吸附塔ⅠA1进行升压，均压时间30s～120s，均压升过程完成后，关闭一级产气分支控制阀ⅠA1-3和一级产气分支控制阀ⅡB1-3。

e.终升压

打开一级进气控制阀ⅠA1-1，用煤矿瓦斯原料气将一级吸附塔ⅠA1升压至相对压力2kPa～20kPa。

一级吸附塔ⅠA1和一级吸附塔ⅡB1循环交替以上过程，从而连续不断的获得含氧量极低的较高浓度甲烷中间产品气。

针对某一二级吸附塔的二级提浓工艺流程为吸附、均压降、顺向减压、产品气置换、抽真空、均压升和终升压：

a.吸附

打开增压泵控制阀4、二级进气控制阀ⅠA2-1，来自中间产品气缓冲罐V1中的气体经过加压泵5加压至相对压力0.2MPa～1MPa后进入二级吸附塔ⅠA2内，当二级吸附塔I A2内压力升高至相对压力0.2MPa～1MPa后，打开二级出气分支控制阀ⅠA2-4和二级出气总控制阀3，甲烷被塔内的二类吸附剂(如活性炭、离子液沸石等)优先吸附，未被吸附的游离氮气从塔顶流出，进入到氮气储罐V2中，可用于煤矿防灭火，吸附过程历时80s～180s，吸附过程完成后，关闭二级出气分支控制阀ⅠA2-4和二级出气总控制阀3。

b.均压降

关闭增压泵控制阀4，打开二级进气控制阀ⅠA2-1和二级进气控制阀ⅡB2-1，将二级吸附塔ⅠA2内较高压力的气体逆着吸附阶段进气方向流出，从底部进入到另一个已经抽真空解吸的二级吸附塔ⅡB2内，均压时间30s～120s，之后关闭二级进气控制阀ⅠA2-1和二级进气控制阀ⅡB2-1，打开增压泵控制阀4，完成均压降。

c.顺向减压

打开回收气控制阀2和二级出气分支控制阀ⅠA2-4，顺着吸附阶段进气方向气体被回收进入中间产品气缓冲罐V1，二级吸附塔ⅠA2压力继续降低。

d.产品气置换

顺向减压过程完成后，打开置换气控制阀ⅠA2-3，甲烷产品气储罐V3中的高浓度甲烷气顺着吸附阶段进气方向进入二级吸附塔ⅠA2，置换掉残余在塔内的游离气体，置换出去的气体流入到中间产品气缓冲罐V1中进行再次利用，置换过程完成后，关闭回收气控制阀2、置换气控制阀ⅠA2-3和二级出气分支控制阀ⅠA2-4。

e.抽真空

打开二级水环真空泵VP2和抽真空产气控制阀ⅠA2-2，从吸附阶段二级吸附塔ⅠA2进气口将吸附剂上吸附的甲烷抽出，抽真空时间30s～180s，抽出的超高浓度甲烷产品气进入甲烷产品气储罐V3中，这一过程也使得吸附剂再生。

f.均压升

抽真空过程完成后，关闭抽真空产气控制阀ⅠA2-2和增压泵控制阀4，打开二级进气控制阀ⅠA2-1和二级进气控制阀ⅡB2-1，用二级吸附塔ⅡB2内的较高压力气体对二级吸附塔ⅠA2进行升压，均压时间30s～120s，之后关闭二级进气控制阀ⅡB2-1，完成均压降。

g.终升压

打开二级进气控制阀ⅠA2-1和增压泵控制阀4，用增压后的中间产品气将二级吸附塔ⅠA2升压至相对压力0.2MPa～1MPa。

三个二级吸附塔A2～C2循环交替进行，可连续产出高浓度甲烷产品气。

一级提浓和二级提浓两个吸附塔循环工作的时序分别如表1和表2所示。

表1一级提浓吸附塔循环工作时序图

表2二级提浓吸附塔循环工作时序图

通过本发明提供的方法可获得超高浓度甲烷、氮气和高浓度氧气三种产品气，其中超高浓度甲烷可用作天然气，氮气可用于煤矿防灭火，氧气可用于工业生产等。

应用例

为了进一步说明本发明的技术效果，本实施例选用甲烷浓度1.9％、氧气浓度20％、氮气浓度78.1％的低浓度瓦斯作为原料气，低浓度瓦斯原料气以相对压力15kPa、标况流量32m