專利名稱：：含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及清潔能源領(lǐng)域煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)，特別是一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法。
背景技術(shù)：
：煤層中蘊(yùn)藏的甲烷是優(yōu)質(zhì)的氣態(tài)燃料，同時(shí)也是煤礦井下災(zāi)害和大氣溫室效應(yīng)的重要源泉。若煤層氣中的甲烷濃度達(dá)到80%以上，即可直接用作潔凈燃料，但一般抽放煤層氣中的甲烷濃度遠(yuǎn)低于80%。我國(guó)因煤炭開(kāi)采而釋放的煤層氣甲烷每年高達(dá)60億立方米，占全世界排放總量的30%，而其利用率僅為7—8%[張新民，煤層氣甲烷——我國(guó)天然氣的重壓潛在領(lǐng)域，天然氣化工1991，13(3):13-16;鮮學(xué)福，我國(guó)煤層瓦斯?jié)B流力學(xué)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的展望。重慶重慶大學(xué)礦上工程物理研究所，1997]。資源的巨大浪費(fèi)原因在于缺乏適宜的煤層氣甲烷濃縮技術(shù)。經(jīng)過(guò)預(yù)凈化處理除去了水等雜質(zhì)的抽放煤層氣，可看作是甲垸和空氣的混合氣體。濃縮甲垸技術(shù)的核心是氮?dú)馀c甲烷的分離。氮?dú)夂图淄榈呐R界溫度都很低，二者物理及化學(xué)性質(zhì)相近，因此開(kāi)發(fā)低成本的甲垸/氮?dú)夥蛛x方法一直是一個(gè)難度很高的課題。低溫方法濃縮煤層氣甲烷[陶鵬萬(wàn)，王曉東，黃建彬，低溫法濃縮煤層氣中的甲烷，天然氣化工Cl化學(xué)與化工，2005，30(4)43-46]需將所有的抽放氣液化，若甲烷濃度低，則濃縮成本巨大。變壓吸附方法在常溫下操作，吸附壓力也不高，比低溫分離條件溫和得多。但變壓吸附方法濃縮煤層氣甲烷業(yè)已研究多年，仍被視為吸附領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題[Ruthven，D.M.PastProgressandFutureChallengesinAdsorptionResearch,Ind.Eng.Chem.Res.,39,2127-2131(2000)]。吸附分離的基本問(wèn)題有兩個(gè)，一是沒(méi)有找到高效的分離吸附劑，即關(guān)鍵組分的分離系數(shù)低，使得吸附分離成本較高；二是甲烷作為塔底產(chǎn)品，其濃度、收率和壓力均受限制。以高表面活性炭為吸附劑，大大增加了甲垸與氮?dú)獾奈讲町怺周理，周亞平，高表面活性炭變壓吸附分離甲烷/氮?dú)饣旌衔锏姆椒?，中?guó)專利ZL02117916.6，2002]，但甲烷仍是強(qiáng)吸附組分，限制了產(chǎn)品氣甲烷濃度和甲烷收率的提高。利用位阻效應(yīng)和吸附動(dòng)力學(xué)差異開(kāi)發(fā)的吸附劑轉(zhuǎn)變了甲烷與氮?dú)鈱?duì)吸附劑的親和順序，使甲焼變?yōu)樗敭a(chǎn)品[JayaramanA-，YangR.T.TailoredClinoptilolitesforNitrogen/MethaneS印aration,Ind.Eng.Chem.Res.,2005，44，5184-5192]，但這種吸附劑的比表面積很低，吸附容量很小，吸附差異也非常有限，其工業(yè)應(yīng)用前景不明朗。中國(guó)專利CN85103557公開(kāi)了以活性炭為吸附劑，采用經(jīng)典Skarstrom循環(huán)，甲烷濃度從30.4%提高到63.9%。若以產(chǎn)品氣甲烷作為置換氣體，可使其濃度從20%提高到93.7%，但需要采用高回流比，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，回收率低，分離成本提高。此外，產(chǎn)品氣是通過(guò)抽真空等方式得到的，甲垸依然是塔底產(chǎn)品。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法，可以克服已有技術(shù)的缺陷。它是以活性炭為分離吸附劑，在變壓吸附(PSA)工藝流程中增加了以二氧化碳置換被吸附甲烷的步驟，使甲烷成為塔頂產(chǎn)品，從而提高了產(chǎn)品氣甲烷的濃度和收率。二氧化碳則為工質(zhì)氣體，循環(huán)使用。其特點(diǎn)是，即保持了較高的關(guān)鍵組分分離系數(shù)，又使甲烷作為塔頂產(chǎn)品并且達(dá)到很高的濃度和回收率。本發(fā)明適用于不同甲烷含量的煤層氣，例如，從甲垸濃度為20%的煤層氣得到的產(chǎn)品氣，甲垸濃度可達(dá)90%以上，回收率高達(dá)90%。本發(fā)明提供的含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲垸的方法主要包括的步驟原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收等。所述的工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換或常壓置換操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。本發(fā)明提供的含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法主要包括的步驟原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收等。工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換和常壓置換兩種操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。帶壓置換吸附法濃縮煤層氣中甲垸的工藝操作流程1.吸附原料煤層氣在常溫下進(jìn)入吸附塔，吸附壓力為0.3-1.0MPa。原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲垸在吸附劑床層中得到富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出。當(dāng)吸附塔中的甲烷濃度分布前沿移至靠近塔頂位置但尚未穿透吸附塔頂端時(shí)，停止進(jìn)氣，吸附階段結(jié)束。本步驟中,在塔頂?shù)玫礁碑a(chǎn)品氮?dú)狻?.吸附壓力下的二氧化碳置換吸附步驟結(jié)束后，進(jìn)氣路切換到二氧化碳?xì)怏w開(kāi)始置換步驟。二氧化碳進(jìn)入吸附塔后，吸附劑上吸附的甲烷被二氧化碳置換出來(lái)。此時(shí)，吸附塔中形成兩個(gè)濃度鋒面，一個(gè)是靠近進(jìn)料端的C02/CH4濃度鋒面，另一個(gè)是靠近排氣端的CH4/N2濃度鋒面。在二氧化碳持續(xù)通入過(guò)程中，兩個(gè)濃度鋒面同時(shí)向吸附塔頂端移動(dòng)，甲烷氣體得到進(jìn)一步的富集，并在塔頂流出成為產(chǎn)品氣。當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿接近吸附塔頂端時(shí)，停止通入二氧化碳，置換步驟結(jié)束。本步驟的塔頂流出氣體先是副產(chǎn)品氮?dú)?，隨后是產(chǎn)品氣甲烷。3.再生置換步驟結(jié)束后，可采用以副產(chǎn)品氮?dú)獯祾呋虺檎婵盏姆绞绞刮剿偕?.充壓將副產(chǎn)氮?dú)馔ㄈ朐偕蟮奈剿?，將塔?nèi)壓力充至吸附壓力。5.工質(zhì)回收若以抽真空方法再生吸附塔，可將抽出來(lái)的二氧化碳送入緩沖罐，加壓后循環(huán)使用。若以氮?dú)獯祾叻椒ㄔ偕?，需增加N2/C02分離步驟，將回收后的二氧化碳循環(huán)使用。關(guān)于N2/C02的分離不在本發(fā)明權(quán)限范圍內(nèi)，可采用溶劑吸收或其它通用的任何可行的分離方法。常壓置換吸附法濃縮煤層氣中甲烷的工藝操作流程1.吸附原料煤層氣在常溫下進(jìn)入吸附塔，吸附壓力為0.3-l.OMPa。原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲烷在吸附劑床層中得到富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出。當(dāng)吸附塔中甲烷的濃度分布前沿移至靠近塔頂?shù)形创┩肝剿r(shí)，停止進(jìn)氣，吸附階段結(jié)束。本步驟中，在塔頂?shù)玫礁碑a(chǎn)品氮?dú)狻?.均壓吸附步驟結(jié)束后，該吸附塔與另一再生后的吸附塔相連通，用該塔內(nèi)的氮?dú)鉃榻Y(jié)束再生步驟的吸附塔充壓。3.順向減壓在完成均壓步驟后，將吸附塔壓力順向減至常壓。此時(shí)的甲烷濃度分布前沿應(yīng)仍未穿透吸附塔頂端。4.二氧化碳常壓置換吸附塔壓力減至大氣壓后，進(jìn)氣路切換到二氧化碳?xì)怏w開(kāi)始置換步驟。二氧化碳進(jìn)入吸附塔后，將被吸附的甲垸置換出來(lái)。此時(shí)，吸附塔中形成兩個(gè)濃度鋒面，一個(gè)是靠近進(jìn)料端的C02/CH4濃度鋒面，另一個(gè)是近排氣端的CH4/N2濃度鋒面。在二氧化碳持續(xù)通入過(guò)程中，兩個(gè)濃度鋒面同時(shí)向吸附床尾端移動(dòng)，在此過(guò)程中甲烷得到進(jìn)一步富集，并在塔頂流出成為產(chǎn)品氣。當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿接近吸附塔頂端時(shí)，停止通入二氧化碳，置換步驟結(jié)束。本步驟的塔頂流出氣體先是氮?dú)猓笫钱a(chǎn)品氣甲垸，均為常壓狀態(tài)。5.再生置換步驟結(jié)束后，可采用以副產(chǎn)品氮?dú)獯祾呋虺檎婵辗绞绞刮剿偕?.—次充壓再生步驟后，將吸附塔與另外一個(gè)完成吸附步驟的吸附塔相連通，進(jìn)行均壓操作，完成對(duì)再生后吸附塔的第一次充壓。7.二次充壓均壓結(jié)束后，利用處于吸附步驟的吸附塔在吸附步驟中產(chǎn)生的帶有一定壓力的副產(chǎn)品氣氮?dú)鈱?duì)吸附塔進(jìn)行二次充壓，使塔內(nèi)壓力升至吸附壓力。8.工質(zhì)回收若以抽真空方法再生吸附塔，可將抽出來(lái)的二氧化碳送入緩沖罐，加壓后循環(huán)使用。若以氮?dú)獯祾叻椒ㄔ偕柙黾覰2/C02分離步驟，將回收后的二氧化碳循環(huán)使用。N2/C02的分離不在本發(fā)明權(quán)限范圍內(nèi)，可采用溶劑吸收或其它通用的任何可行的方法。本發(fā)明提供的一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲垸的方法克服了已有技術(shù)的缺陷。以二氧化碳置換被吸附甲烷的步驟，使甲垸成為塔頂產(chǎn)品，從而提高了產(chǎn)品氣甲垸的濃度和收率。二氧化碳為工質(zhì)氣體并且循環(huán)使用，即保持了較高的關(guān)鍵組分分離系數(shù)，又使甲烷作為塔頂產(chǎn)品并且達(dá)到很高的濃度和回收率。本發(fā)明適用于不同甲烷含量的煤層氣，例如，從甲烷濃度為20%的煤層氣得到的產(chǎn)品氣，甲垸濃度可達(dá)90%以上，回收率高達(dá)90%。由于本發(fā)明得到的甲烷濃度高、收率高，分離條件溫和，故可以較低的成本將低甲垸濃度的煤層氣變成高品質(zhì)的天然氣燃料，產(chǎn)品氣可利用管道輸送，亦可裝罐儲(chǔ)存。圖la、圖lb、圖lc和圖ld分別是本發(fā)明作為例證流程的三塔二氧化碳帶壓置換吸附流程圖。圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f和圖2g分別是本發(fā)明作為例證流程的三塔二氧化碳常壓置換吸附流程圖。具體實(shí)施例方式下面的結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)例。本發(fā)明的變壓吸附工藝流程可采用單塔、兩塔至多塔的工藝流程，現(xiàn)分別舉例如下。(一)二氧化碳帶壓置換三塔流程，圖la、圖lb、圖lc和圖ld分別是本發(fā)明作為例證流程的三塔二氧化碳帶壓置換吸附流程圖。涉及的主要裝置有吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C,儲(chǔ)氣罐VOl、儲(chǔ)氣罐V02和儲(chǔ)氣罐V04，真空罐V03,真空泵P01和壓縮機(jī)P02。1、吸附(圖la)原料煤層氣在常溫、吸附壓力下進(jìn)入吸附塔A。原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲垸在吸附床中得到初步富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出，進(jìn)入副產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐VOl?？刂圃蠚膺M(jìn)氣量，當(dāng)甲垸的濃度分布前沿移動(dòng)至接近床層頂端位置時(shí)，停止進(jìn)氣。本流程中所涉及的吸附塔結(jié)構(gòu)均為常規(guī)吸附塔，具體結(jié)構(gòu)及流程見(jiàn)[時(shí)鈞，汪家鼎等，化學(xué)工程手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，1996年2月，第二版(下巻)，18-64—18-95]，吸附劑采用活性炭。2、二氧化碳帶壓置換(圖lb)吸附步驟完成后，將工質(zhì)氣體儲(chǔ)罐V04中的二氧化碳通入吸附塔A，開(kāi)始置換過(guò)程。二氧化碳進(jìn)入吸附塔A后，在塔內(nèi)形成兩個(gè)濃度分布前沿。一個(gè)是靠近進(jìn)料端的C02/CH4濃度分布前沿，另一個(gè)是靠近出口端的CH4/N2濃度分布前沿。隨著二氧化碳的持續(xù)通入，兩個(gè)濃度分布前沿同時(shí)在吸附塔中向出口端移動(dòng)，在此過(guò)程中甲烷得到進(jìn)一步的富集。在CH4/N2濃度分布前沿到達(dá)吸附塔頂端之前，從塔頂流出的氮?dú)膺M(jìn)入副產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐VOl。當(dāng)甲烷的濃度分布前沿到達(dá)吸附塔頂端時(shí)，產(chǎn)品氣甲烷開(kāi)始從塔頂流出，并進(jìn)入產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐V02。當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿移至床層末端時(shí)，停止通入二氧化碳。3、再生和工質(zhì)氣體回收(圖lc)本示例流程中采用抽真空方法使吸附床再生。置換步驟結(jié)束后，用真空泵P01將吸附塔A中的二氧化碳順向抽出。真空罐V03起到真空泵P01的前級(jí)抽真空作用，它可以充分利用真空泵POl在抽真空步驟外的抽空能力。真空泵POl將吸附塔中二氧化碳抽出后，通入壓縮機(jī)P02，二氧化碳經(jīng)壓縮后進(jìn)入工質(zhì)氣體儲(chǔ)罐V04，以便循環(huán)使用。4、充壓(圖ld)吸附塔A完成再生后，與副產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐V01連通，將儲(chǔ)存于VOl中的氮?dú)馔ㄈ胨嗀，直至達(dá)到吸附壓力。經(jīng)過(guò)上述四個(gè)操作步驟后，吸附塔A便完成了一個(gè)完整的變壓吸附循環(huán)，并且為下一次吸附做好了準(zhǔn)備。其它吸附塔的具體操作步驟均與塔吸附A相同，各個(gè)吸附塔依次交替進(jìn)行上述操作，以便維持產(chǎn)品氣甲垸的連續(xù)產(chǎn)出。表1是吸附壓力和C02置換壓力均為0.4MPa，原料氣濃度為32.06%時(shí)，產(chǎn)品氣中濃度與甲烷回收率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1產(chǎn)品氣中濃度與甲垸回收率的對(duì)應(yīng)關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(二)二氧化碳常壓置換三塔流程，圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f和圖2g分別是本發(fā)明作為例證流程的三塔二氧化碳常壓置換吸附流程圖。涉及的主要裝置有吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C，儲(chǔ)氣罐VOl、儲(chǔ)氣罐V02和儲(chǔ)氣罐V04，真空罐V03，真空泵POl和壓縮機(jī)P02。1,吸附(圖2a)原料煤層氣在常溫、吸附壓力下，進(jìn)入吸附塔A。原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲烷在吸附床中得到初步富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出。吸附塔A與吸附塔B的塔頂相連通對(duì)己完成一次充壓的吸附塔B進(jìn)行二次充壓，直至達(dá)到吸附壓力為止。另外，部分氮?dú)膺M(jìn)入副產(chǎn)品氣儲(chǔ)存罐VOl?？刂圃蠚膺M(jìn)氣量，使甲烷的濃度分布前沿移動(dòng)至靠近床層頂端位置時(shí)，停止進(jìn)氣。本流程中同樣采用活性炭作為吸附劑。2.均壓(圖2b)關(guān)閉原料氣通路后，連通吸附塔A與完成再生的吸附塔C，在吸附塔A和吸附塔C之間均壓，完成吸附塔C的第一次充壓。3.順向降壓(圖2c)當(dāng)吸附塔A與吸附塔C已達(dá)壓力平衡后，切斷吸附塔A與吸附塔C的連接。將吸附塔A順向降壓，此時(shí)經(jīng)由吸附塔A塔頂流出的氮?dú)夥趴?。吸附塔A壓力進(jìn)一步下降，直至大氣壓力。甲垸吸附前沿因降壓而繼續(xù)向塔頂移動(dòng)。4.二氧化碳常壓置換(圖2d)當(dāng)A塔結(jié)束順向降壓后，將進(jìn)氣路切換到二氧化碳?xì)怏w，開(kāi)始置換步驟。二氧化碳進(jìn)入吸附塔后，床層中吸附的甲垸被二氧化碳置換出來(lái)，在置換過(guò)程中甲垸氣體得到進(jìn)一步的富集，并在塔頂流出成為產(chǎn)品氣。當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿接近吸附塔頂端時(shí)，停止通入二氧化碳，置換步驟結(jié)束。本步驟第一階段的塔頂流出氣體是常壓氮?dú)?，進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐VOl，第二階段的塔頂流出氣體是常壓產(chǎn)品氣甲烷，進(jìn)入產(chǎn)品氣儲(chǔ)罐V02。5.再生及工質(zhì)氣體回收(圖2e)本示例流程中采用抽真空的方案使吸附床再生。置換步驟結(jié)束后，連通吸附塔A和真空泵POl，真空泵P01將吸附塔A中的二氧化碳順向抽出。真空罐V03起到真空泵P01的前級(jí)抽真空作用，它可以充分利用真空泵P01在抽真空步驟外的抽空能力。真空泵POl將吸附塔中二氧化碳抽出后，通入增壓壓縮機(jī)P02，經(jīng)過(guò)壓縮后進(jìn)入工質(zhì)氣體儲(chǔ)罐V04，以便循環(huán)使用。6.—次充壓(圖2f)吸附塔A完成再生后，與已完成吸附步驟的吸附塔B連通，進(jìn)行均壓操作，吸附塔B中的N2進(jìn)入吸附塔A。通過(guò)本步驟，吸附塔A內(nèi)的壓力得到初步提升。7.二次充壓(圖2g)一次充壓結(jié)束后，利用處于吸附步驟的吸附塔C在吸附過(guò)程中產(chǎn)生的帶有一定壓力的氮?dú)鈱?duì)吸附塔A進(jìn)行二次充壓，使壓力升至吸附壓力。經(jīng)過(guò)以上7個(gè)步驟后，吸附塔A完成了吸附、置換、再生和充壓等完整的變壓吸附循環(huán)。其它吸附塔的具體操作步驟與吸附塔A相同，各吸附塔依次交替進(jìn)行上述操作，以維持產(chǎn)品氣甲垸的連續(xù)產(chǎn)出。表2是常壓操作下原料氣濃度為32.06%時(shí),產(chǎn)品氣中濃度與甲垸回收率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2產(chǎn)品氣中濃度與甲垸回收率的對(duì)應(yīng)關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法，其特征在于主要包括的步驟為原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收，所述的工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換或常壓置換操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。2、一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲垸的方法，其特征在于主要包括:原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收，所述的工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷,具體工藝步驟1)吸附原料煤層氣在常溫下進(jìn)入吸附塔，吸附壓力為0.3-1.0MPa。原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲垸在吸附劑床層中得到富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出；當(dāng)吸附塔中的甲烷濃度分布前沿移至靠近塔頂位置但尚未穿透吸附塔頂端時(shí)，停止進(jìn)氣，吸附階段結(jié)束；2)吸附壓力下的二氧化碳置換吸附步驟結(jié)束后，二氧化碳持續(xù)進(jìn)入吸附塔，吸附劑上吸附的甲烷被二氧化碳置換出來(lái)，甲垸氣體得到進(jìn)一步的富集，并在塔頂流出成為產(chǎn)品氣，當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿接近吸附塔頂端時(shí)，停止通入二氧化碳，置換步驟結(jié)束；3)再生置換步驟結(jié)束后，采用以副產(chǎn)品氮?dú)獯祾呋虺檎婵盏姆绞绞刮剿偕?)充壓將副產(chǎn)氮?dú)馔ㄈ朐偕蟮奈剿?，將塔?nèi)壓力充至吸附壓力；5)工質(zhì)回收以抽真空方法再生吸附塔，將抽出來(lái)的二氧化碳送入緩沖罐，加壓后循環(huán)使用；或以氮?dú)獯祾叻椒ㄔ偕?，采用溶劑吸收或通用的分離方法分離N2/C02，將回收后的二氧化碳循環(huán)使用。3、一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲垸的方法，其特征在于主要包括的步驟為原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收，所述的工質(zhì)氣體置換采用常壓置換操作方式，即在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷；具體工藝步驟1)吸附原料煤層氣在常溫下進(jìn)入吸附塔，原料氣中的強(qiáng)吸附組分甲烷在吸附劑床層中得到富集，弱吸附組分氮?dú)鈩t從塔頂流出，當(dāng)吸附塔中甲垸的濃度分布前沿移至靠近塔頂?shù)形创┩肝剿r(shí)，停止進(jìn)氣，吸附階段結(jié)束；2)均壓吸附步驟結(jié)束后，該吸附塔與另一再生后的吸附塔相連通，用該塔內(nèi)的氮?dú)鉃榻Y(jié)束再生步驟的吸附塔充壓；3)順向減壓在完成均壓步驟后，將吸附塔壓力順向減至常壓，此時(shí)的甲烷濃度分布前沿應(yīng)仍未穿透吸附塔頂端；4)二氧化碳常壓置換吸附塔壓力減至大氣壓后，進(jìn)氣路切換到二氧化碳?xì)怏w開(kāi)始置換步驟，二氧化碳持續(xù)進(jìn)入吸附塔，將被吸附的甲垸置換出來(lái)；甲垸得到進(jìn)一步富集，并在塔頂流出成為產(chǎn)品氣，當(dāng)二氧化碳的濃度分布前沿接近吸附塔頂端時(shí)，停止通入二氧化碳，置換步驟結(jié)束；5)再生置換步驟結(jié)束后，采用以副產(chǎn)品氮?dú)獯祾呋虺檎婵辗绞绞刮剿偕?)—次充壓再生步驟后，將吸附塔與另外一個(gè)完成吸附步驟的吸附塔相連通，進(jìn)行均壓操作，完成對(duì)再生后吸附塔的第一次充壓；7)二次充壓均壓結(jié)束后，利用處于吸附步驟的吸附塔在吸附步驟中產(chǎn)生的帶有壓力的副產(chǎn)品氣氮?dú)鈱?duì)吸附塔進(jìn)行二次充壓，使塔內(nèi)壓力升至吸附壓力；8)工質(zhì)回收以抽真空方法再生吸附塔，將抽出來(lái)的二氧化碳送入緩沖罐，加壓后循環(huán)使用；或以氮?dú)獯祾叻椒ㄔ偕?，釆用溶劑吸收或通用的分離方法分離N2/C02，將回收后的二氧化碳循環(huán)使用。4、據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于原料煤層氣在常溫下進(jìn)入吸附塔的吸附壓力為0J-1.0MPa。全文摘要本發(fā)明涉及一種含二氧化碳置換的變壓吸附濃縮煤層氣甲烷的方法。主要包括的步驟原料氣吸附、工質(zhì)氣體置換、床層再生、副產(chǎn)品氣充壓和工質(zhì)氣體回收等，其中，工質(zhì)氣體置換采用帶壓置換或常壓置換操作方式，即在吸附壓力下以二氧化碳置換吸附甲烷，或在常壓下以二氧化碳置換吸附甲烷。本發(fā)明使甲烷成為塔頂產(chǎn)品，從而提高了產(chǎn)品氣甲烷的濃度和收率，從甲烷濃度為20％的煤層氣得到的產(chǎn)品氣，甲烷濃度可達(dá)90％以上，回收率高達(dá)90％。適用于不同甲烷含量的煤層氣，可以較低的成本將低甲烷濃度的煤層氣變成高品質(zhì)的天然氣燃料，產(chǎn)品氣可利用管道輸送，亦可裝罐儲(chǔ)存。文檔編號(hào)B01D53/047GK101549240SQ20091006858公開(kāi)日2009年10月7日申請(qǐng)日期2009年4月23日優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日發(fā)明者劉聰敏,理周,周亞平,艷孫,偉蘇申請(qǐng)人:天津大學(xué)