專利名稱:變壓吸附法富集煤礦瓦斯氣中甲烷的制作方法
本發(fā)明是關于利用變壓吸附技術將煤礦瓦斯氣分離，使得其中甲烷組份得以富集的方法。
煤礦瓦斯氣是煤礦的伴生氣，每米3煤可產(chǎn)瓦斯氣15～30米3，其典型組份如下(以體積百分數(shù)表示)
CH420～30%
N250～60%
O2+Ar 12～18%
H2O 飽和
由于它的熱值僅1700～2600千卡/米3左右，無法利用。若能將它富集，使甲烷濃度提高到35～50%(體積)，則其熱值約為3000～4300千卡/米3，相當于城市煤氣的熱值水平，可以利用，但是這種富甲烷產(chǎn)品氣中甲烷濃度有限，在工業(yè)上應用往往受到限制，如果能將瓦斯氣中甲烷富集到80%以上，以達到相當于天然氣熱值的水平，即熱值約為6800～8000千卡/米3，這種高濃度的富甲烷氣就可用作化工原料或汽車的內(nèi)燃機用燃料。
本發(fā)明目的在于提供一種能將煤礦瓦斯氣富集而得到甲烷濃度為35～96%(體積)的富甲烷產(chǎn)品的變壓吸附方法。
本發(fā)明另一目的在于提供一種可制高濃度甲烷產(chǎn)品氣和高甲烷提取率的變壓吸附法。
本發(fā)明的其它目的將在下面說明。
眾所周知變壓吸附法是一種從氣體混合物中分離和凈化氣體的技術。是以吸附劑在高壓(吸附壓力)下對吸附質的吸附容量大，而在低壓(解吸壓力)下吸附容量小的特征為依據(jù)，由選擇吸附和解吸再生二個階段組成的交替切換循環(huán)工藝。早先發(fā)展的變壓吸附工藝，例如比較具有代表性的是美國專利3430418所介紹的四塔一次均壓式變壓吸附工藝，它們的特點是在選擇吸附階段氣體混合物在吸附壓力下通過床層，其中雜質組成被吸附在吸附劑上，同時在氣相獲得不含雜質的產(chǎn)品組份，即產(chǎn)品組份都是不易被吸附的組份。解吸再生階段通常分成三個過程，首先是把停止吸附的塔的壓力順著吸附進行的方向減壓，以進一步回收塔內(nèi)死空間里的產(chǎn)品組份。然后逆著吸附進行的方向減壓至常壓和在此壓力下用一部分產(chǎn)品氣沖洗床層，以脫附和清除吸附在吸附劑上的雜質組份。最后用產(chǎn)品氣將沖洗完畢的塔加壓到吸附壓力，以準備再次分離和凈化原料氣。具體地說，每個塔都必須經(jīng)歷吸附、壓力均衡、順向減壓、逆向減壓、沖洗、一次充壓、二次充壓等七個步驟。整個過程是在環(huán)境溫度下進行，并至少有兩個塔組成變壓吸附系統(tǒng)，最多的由十至十二個塔組成的系統(tǒng)。最普遍使用的是四塔系統(tǒng)。這種變壓吸附工藝在從富氫混合物中提純氫和從空氣中富集氧的領域應用最廣。
然而變壓吸附法通常所用的幾種吸附劑對煤礦瓦斯氣中甲烷的吸附能力均比其它組份(除水份外)為強，所要得到的產(chǎn)品組份是易吸附組份，而雜質組份是不易被吸附的組份，這就與典型的變壓吸附工藝在實施過程中每一過程的作用和含義完全相反，也就是說在選擇吸附階段吸附劑上吸附的是產(chǎn)品組份，氣相釋放的是雜質組份即廢氣，而產(chǎn)品組份是在解吸再生階段獲得，即產(chǎn)品組份是從吸附相獲得。本發(fā)明又一目的是提供一種在解吸再生階段獲得產(chǎn)品的變壓吸附方法，并用這種方法從煤礦瓦斯氣中富集甲烷，以獲得各種甲烷濃度的富甲烷產(chǎn)品氣。
變壓吸附方法富集煤礦瓦斯氣中甲烷的基本過程是首先在吸附階段利用吸附劑在環(huán)境溫度同一吸附壓力對瓦斯氣中甲烷與其它組份的吸附能力不同，將通過床層的瓦斯氣中甲烷(和水份)吸附下來，而脫除了甲烷的其余組份(如氮、氧、氬)將作為廢氣從床層出口端排走。吸附壓力最好控制在5～10公斤力/厘米2(表壓)范圍內(nèi)。當甲烷的吸附前沿移動至床層某一規(guī)定的位置時，就停止吸附。接著便是解吸階段，首先是順著吸附氣流方向減壓，即從塔出口方向減壓，其目的是進一步將床層中吸附相中還吸留的氮、氧、氬等組份釋放出來，以提高床層內(nèi)甲烷的濃度，直至床層壓力降低至某一較低的壓力為止，一般控制在0.5～3公斤力/厘米2(表壓)壓力之間，此時甲烷的吸附前沿剛剛在床層出口端突破。上述的減壓過程實際上是分二個步驟完成，首先是壓力均衡步驟，它是利用減壓過程中釋放的廢氣作為另一塔的充壓氣。其次是順向減壓步驟，此步驟所釋放的廢氣中含甲烷濃度必須低于5%，一般控制在0.1～3%范圍，然后直接放至大氣，以保證運轉過程中的安全性和高的甲烷提取率。在順向減壓步驟后，接著利用一部分富甲烷產(chǎn)品氣在順向減壓步驟終時的壓力下從塔進口端通過床層，并從塔出口端流出，這稱為置換步驟，也可稱為產(chǎn)品回流步驟，其目的是用吸附能力強的甲烷把尚殘留在床層內(nèi)的氮、氧、氬組份置換出去，使床層中甲烷濃度大幅度提高。然后是逆著吸附時的氣流方向減壓，即從床層進口方向減壓，直至接近到基本上等于大氣壓力為止，即減壓到0.01～1公斤力/厘米2(表壓)的范圍內(nèi)。這部分排出氣體即為高濃度富甲烷產(chǎn)品氣的一部分。但此時床層中尚殘留有相當一部分甲烷組份，必須用真空泵將其抽出，一方面抽出的氣體中甲烷濃度比較高，以提高最終的產(chǎn)品中甲烷濃度，另一方面是提高甲烷的提取率。再一方面是使床層得到比較徹底的解吸，提高了床層的利用率。要達到較好的解吸效果，塔的真空度不宜低于650毫米汞柱。最后為了使解吸完畢的塔及時轉到吸附階段，還需要使吸附塔從低壓升至吸附壓力，充壓的氣體一部分來自另一個處于壓力衡均步驟的塔中釋放的廢氣，另一部分來自又一個正處于吸附步驟的塔中釋放的廢氣。充壓結束也標志著解吸再生階段的結束。上述的整個過程均處于環(huán)境溫度下。
本發(fā)明至少需要兩個載有選擇性吸附劑的吸附塔，也可以是三塔或四塔。由二個以上的塔組成的各種變壓吸附系統(tǒng)，其中必須有一個塔處于選擇吸附階段，而其它塔則處于解吸再生階段的不同的步驟，它們根據(jù)一定的規(guī)律，在同一時間內(nèi)分別進行著不同的步驟，并實現(xiàn)吸附和解吸的循環(huán)，使產(chǎn)品源源不斷輸出。
本發(fā)明所用的吸附劑可以是硅膠、氧化鋁，A型、X型分子篩、活性碳或碳分子篩。選擇吸附劑的關鍵問題是這種吸附劑對甲烷的吸附能力必須高于瓦斯氣中其它組份(除水外)，尤其是甲烷和氮的分離系數(shù)要大，同時甲烷又能很容易地從吸附劑中脫附出來。在變壓吸附所常用的那些吸附劑中，活性炭和碳分子篩能較好地滿足上述的要求。
由于水份在吸附劑上的吸附能力比甲烷強，所以在富甲烷產(chǎn)品氣中總含有飽和水份，為了得到干燥的富甲烷產(chǎn)品氣，在進變壓吸附塔以前應設一組變溫吸附的干燥器。干燥劑可以是硅膠、氧化鋁或各種型號的分子篩。如果所需富甲烷產(chǎn)品氣允許含有飽和水份，那么在進變壓吸附塔之前可以不設干燥器。
本發(fā)明的具體內(nèi)容將在下面較詳細地說明。
參看附圖。圖1是本發(fā)明整個流程的示意圖。煤礦瓦斯氣從煤層抽出后，約有300毫米水柱的壓力，通過管道10，經(jīng)原料氣壓縮機11，壓縮至5～10公斤力/厘米2(表壓)，經(jīng)管道12至水分離器13，在那里分離掉氣體中析出的水份，然后經(jīng)管道15到干燥器組16。干燥器組16可采用常規(guī)型的變溫干燥器。一般可由兩個干燥器組成，里面充填干燥劑，例如硅膠。再生干燥劑的氣源可采用變壓吸附系統(tǒng)輸出的干燥廢氣(即相當于空氣)，從管道20流經(jīng)蒸汽加熱器21，加熱到約150℃，去再生已飽和了水份的干燥器。攜帶了水的再生廢氣經(jīng)管道23放至大氣。
干燥后的煤礦瓦斯氣中的水含量約相當于露點-30～-40℃，該氣體經(jīng)由管道17進入變壓吸附系統(tǒng)18，濃縮以后的高濃度富甲烷產(chǎn)品氣通過管道19輸出。在變壓吸附系統(tǒng)中于順向減壓步驟時釋放出的廢氣經(jīng)管道24放至大氣。在變壓吸附系統(tǒng)中于置換步驟時釋放出來的氣體，由于該氣體中甲烷濃度相當于煤礦瓦斯中甲烷的濃度，故可作為原料通過管道25返流到原料氣壓縮機11之前的管道10中去。這是本發(fā)明的特點之一，旨在提高甲烷的提取率。原料氣壓縮機11最好采用無油潤滑壓縮機，以免氣體中的油蒸汽污染變壓吸附塔中的吸附劑。
圖2是用于實施本發(fā)明過程的變壓吸附工藝流程圖。這里以三塔流程作為例子來加以說明。該工藝流程可應用于上述圖1中的變壓吸附系統(tǒng)18。由圖2示出，三個裝填有活性炭或碳分子篩的吸附塔A、B和C，它們被并聯(lián)連接在干燥后的原料氣總管17和未被吸附的廢氣總管31之間。自動閥26A、26B和26C分別控制吸附塔A、吸附塔B和吸附塔C的原料氣進料，本發(fā)明中所指的原料氣亦為煤礦瓦斯氣。自動閥27A、27B和27C分別控制不含甲烷的廢氣從上述相應的吸附塔進入廢氣總管31。
被吸附組份即富甲烷產(chǎn)品氣通過逆向減壓和抽真空二個步驟從各吸附塔的進口端的產(chǎn)品氣總管40排出。自動閥門30A、30B和30C將分別控制從相應塔進口端排出的氣體。逆向減壓的排出氣從總管40排出后經(jīng)自動閥41和管道42進入到增壓壓縮機47之前的管道46中。抽真空排出氣是由真空泵45將其從塔中抽出，經(jīng)產(chǎn)品總管40、自動閥43、真空罐44和管道46，進入增壓壓縮機47。真空罐44起到真空泵45的前級抽真空作用，它充分利用了真空泵45在抽真空步驟外的抽空能力。高濃度富甲烷產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮后流進產(chǎn)品罐49，產(chǎn)品罐的壓力可保持在2～8公斤力/厘米2(表壓)，由裝在產(chǎn)品管道19上的調(diào)節(jié)閥54控制其壓力。高濃度富甲烷產(chǎn)品氣最終由管道50、調(diào)節(jié)閥54和管道19輸出系統(tǒng)。一部分高濃度富甲烷產(chǎn)品從管道51回流進塔，經(jīng)調(diào)節(jié)閥52，自動閥53流經(jīng)管道40再分別經(jīng)自動閥30A、30B和30C中之一個進入相應的吸附塔中去置換，置換時的吸附塔壓力由調(diào)節(jié)閥52控制。置換后的氣體從相應塔的出口端中流出后，分別經(jīng)自動閥29A、29B和29C中之一個進入管道33，然后再經(jīng)自動閥34、閥35和管道25，返流到圖1所示的原料氣總管10。閥35主要用于控制置換氣的流量。
自動閥29A、29B和29C還用于各塔之間的壓力均衡和順向減壓。順向減壓步驟時的排出氣經(jīng)管道33、自動閥36和閥37，最后經(jīng)管道24排出放至大氣。閥37主要用于控制順向減壓排出氣的流速。
吸附時的廢氣經(jīng)廢氣總管31、調(diào)節(jié)閥32和管道20用于干燥器的再生之用。調(diào)節(jié)閥32主要用于控制和維持吸附時吸附塔的壓力。
自動閥28A、28B和28C用于各塔壓力的充填，充填的氣體即為來自廢氣總管31的廢氣，經(jīng)閥39并通過二充總管38流往相應的吸附塔去。閥39是用于控制充氣流速。
參見表1的循環(huán)和時間程序就更加容易了解本發(fā)明的實施過程。每個吸附床均需經(jīng)歷八個不同的步驟，各步驟都附有流向的起始和(或)終端。在表1中表示了有關三個吸附塔的所有氣流的流向。
表1 適用于圖2流程的循環(huán)過程各步驟及其時間程序


由表1可見，每個塔在同一時間內(nèi)都在執(zhí)行著互不相同的步驟，在任何時候，總有一個吸附塔處于吸附步驟，并在壓力基本上恒定的情況下將廢氣排出至廢氣總管31。與此同時其它兩個塔中始終有一個吸附塔是在用廢氣充壓，即為隨后的吸附步驟作最后的準備，因此原料氣可以連續(xù)不斷供給，而不是間歇的。與此同時另一個塔正在經(jīng)歷從壓力均衡到抽真空五個步驟，所以輸出的高濃度富甲烷產(chǎn)品氣是繼續(xù)地排往產(chǎn)品總管40，但是通過常規(guī)的自動控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠保證產(chǎn)品氣穩(wěn)定連續(xù)地從管道19輸出。
現(xiàn)在以A塔為例來說明每個塔在一次循環(huán)中所經(jīng)歷的各個步驟，并敘述圖2中參與循環(huán)切換的閥門。也列出各步驟中吸附塔所處的壓力。當然，在以下的敘述中，壓力值和步驟時間都是屬于說明性的，對于那些能在本發(fā)明的實施中采用最理想的壓力和每一步驟的時間，決不加以任何限制。在裝置進行運轉前所有閥門均處于關閉狀態(tài)。
0～6分鐘吸附步驟。A塔在8公斤力/厘米2(表壓)壓力下吸附。閥26A和閥27A開啟，干燥的原料氣(煤礦瓦斯氣)在8公斤力/厘米2(表壓)壓力下從原料氣總管17流入A塔入口端并通過該塔，由未被吸附的氧、氬及氮組成的廢氣從該塔出口端流入廢氣管道31。同時一部分廢氣經(jīng)閥39，通過管道38和閥28B對B塔進行第二次充壓。在吸附步驟中，甲烷被選擇性吸附(同時還少量吸附了其它組份)，使該塔入口端形成甲烷吸附前沿，并逐漸向它的出口端移動。當甲烷吸附前沿移至塔內(nèi)某一定位置時吸附步驟結束。
6～6.5分鐘壓力均衡步驟。原料氣停止輸入，甲烷前沿完全在A塔內(nèi)。閥26A和27A關閉。同時開啟閥29A和閥29C，使A塔和C塔之間進行壓力均衡。于是A塔死空間氣體從該塔出口端釋放并流向剛抽好真空的C塔，最后使C塔壓力上升到約3.5公斤力/厘米2(表壓)壓力左右，此時A塔內(nèi)被吸附的甲烷因降壓而被脫附向塔出口端移動，但又被塔出口端尚未吸附過甲烷的活性碳所吸附，而其吸附前沿仍未達到出口端。
6.5～7分鐘順向減壓步驟。當A塔與C塔壓力已達平衡時，關閉閥29C，同時開啟閥36，使A塔死空間內(nèi)氣體進一步朝出口端釋放，即順著吸附流動的方向減壓，釋放氣的流速由閥37控制，A塔壓力進一步下降，甲烷吸附前沿因降壓而繼續(xù)向塔出口端移動。當A塔壓力降至1公斤力/厘米2(表壓)時，正好甲烷吸附前沿在塔出口端突破，此時應控制甲烷濃度必須在5%(體積)以下，否則會產(chǎn)生爆炸危險的因素。
7～9分鐘置換步驟。當A塔順向減壓結束時，即關閉閥36，開啟閥53、閥30A和閥34，產(chǎn)品罐內(nèi)具有4公斤力/厘米2(表壓)壓力的高濃度甲烷產(chǎn)品氣通過管道51，閥52，降至1公斤力/厘米2(表壓)壓力流入A塔去置換尚殘存于塔內(nèi)的氧、氬和氮組份，以達到進一步富集甲烷的作用。置換量的大小由閥35控制，置換壓力由閥52控制。置換后的氣體經(jīng)管道25輸出。
9～9.5分鐘逆向減壓步驟。置換步驟結束后，關閉閥29A、閥34、閥53，開啟閥41，進入逆向減壓步驟，此時A塔內(nèi)死空間氣體及被吸附的甲烷組份從塔進口端釋放，并經(jīng)產(chǎn)品總管40及管道42，進入管道46，由增壓機47不斷抽至產(chǎn)品罐49去，此時的釋放氣中甲烷濃度可達80%(體積)以上，即可作為產(chǎn)品氣。
9.5～12分鐘抽真空步驟。當A塔壓力降至大氣壓力時逆向減壓結束，此時關閉閥41，開啟閥43，A塔內(nèi)尚殘留在活性炭上的相當一部分甲烷經(jīng)產(chǎn)品總管40迅速被抽進已有一定真空度的真空罐44內(nèi)，再由真空泵45抽走，抽出的氣體即為產(chǎn)品氣，其中甲烷濃度可達80%(體積)以上。此時A塔的真空度為700(毫米汞柱)。
12～12.5分鐘一次充壓步驟。A塔已完成了它的吸附、廢氣的釋放、產(chǎn)品的回收及解吸過程。并準備開始依次增壓，首先是利用剛完成吸附步驟的B塔的死空間氣體進行第一次充壓。關閉閥30A和閥43，開啟閥29A和閥29B。由于A塔進口端已封死，來自B塔的死空間氣體經(jīng)管道33不斷流往A塔，直至兩塔的壓力相等，此時的壓力約為3.5公斤力/厘米2(表壓)左右。
12.5～18分鐘二次充壓步驟。A塔的一次充壓結束后，壓力尚達不到吸附壓力，此時關閉閥29A和閥29B。開啟閥28A，利用正處于吸附步驟所釋放出的廢氣經(jīng)閥39，管道38對A塔進行第二次充壓，直至基本上等于吸附壓力為止，此時A塔壓力約為8公斤力/厘米2(表壓)，也就是說它已完成了最后的增壓。
就這樣A塔已完成了整個18分鐘的循環(huán)，現(xiàn)準備開啟閥26A和閥27A，以再輸入原料氣進行吸附。A塔的循環(huán)過程是所有塔A、B、C的代表，這些塔以三分之一的循環(huán)關系相繼進行吸附過程，以使原料氣和產(chǎn)品氣連續(xù)不斷。在本過程中，塔的吸附步驟順序安排依次是A、B、C，當然也可以是A、C、B等其它的排列方案，這里并沒有什么實質上的區(qū)別。
上述的三塔變壓吸附工藝流程是按照表1的循環(huán)過程各步驟及其時間程序表實施的，也可以按照表2的循環(huán)過程各步驟及其時間程序表實施，表2與表1不同之處在于在吸附步驟和壓力均衡步驟之間增
表2 適用于圖2裝置的循環(huán)過程各步驟及其時間程序


加了一個步驟，稱為隔離步驟，當運轉到該步驟時，與該塔相連的所有閥門全部關閉，處于封閉狀態(tài)，保持著上一個步驟終即吸附步驟終時床層的狀態(tài)，直至下一個步驟即壓力均衡步驟開始時才結束。安排此步驟的目的是為了適應三塔之間在同一時間內(nèi)執(zhí)行不同步驟的新的排列方式，與表1的排列方式并無實質上的區(qū)別，不過這樣的排列使二充步驟在時間上安排不如表1的寬裕，由此會引起塔壓的較大波動，而采用隔離步驟也使得床層利用率下降。
本發(fā)明的變壓吸附工藝流程亦可采用兩個塔或四個塔的組合形式，如圖3、圖4所示。相應流程的循環(huán)過程各步驟及其時間程序表如表3、表4所示。
表3 適用于圖3流程的循環(huán)過程各步驟及其時間程序


表4 適用于圖4流程的循環(huán)過程步驟及其時間程序


本發(fā)明還可以將逆向減壓排出氣和抽真空排出氣分別收集，前者用作置換回流到塔中，后者供產(chǎn)品輸出，這樣在同樣操作條件下，可獲得更好的效果，但流程較復雜。
本發(fā)明的技術關鍵在于解吸手段，在生產(chǎn)高濃度甲烷產(chǎn)品氣時置換步驟必不可少，所謂置換即利用逆向減壓和抽真空步驟中所收集起來產(chǎn)品中的一部分重新回流到剛順向減壓結束的塔中去?；亓髁空忌鲜霎a(chǎn)品量的比例稱之為回流率，在本發(fā)明的操作中回流率是一個很重要的因素，回流率越大，產(chǎn)品純度越高，裝置利用率越低?；亓髀试叫?，產(chǎn)品純度就越低，裝置利用率就越高。本發(fā)明的技術可以在回流率從0到0.9之間任意調(diào)節(jié)，生產(chǎn)甲烷濃度從65～95%之間各種規(guī)格的富甲烷產(chǎn)品氣。
當置換時的回流率控制在0時，產(chǎn)品中甲烷濃度約為50～65%(體積)，這種情況屬于本發(fā)明的一種特例。根據(jù)這種情況，當產(chǎn)品中甲烷濃度僅需要控制在50～65%(體積)范圍內(nèi)時，可以省略置換步驟。
當僅需生產(chǎn)甲烷濃度為35～50%(體積)的富甲烷產(chǎn)品氣時，不僅可省掉置換步驟，而且可用沖洗步驟來代替抽真空步驟，即用正處于順向減壓步驟的那個塔釋放出來的氣體從被沖洗的塔的出口端向進口端方向沖洗，沖洗出來的排出氣即為產(chǎn)品氣的一部分，上述情況屬于本發(fā)明的又一種特例，此時可省掉真空泵?，F(xiàn)以圖4的工藝流程及表4的循環(huán)過程各步驟及其時間程序來簡要說明以沖洗步驟代替抽真空步驟的過程，仍以A塔為例，0至4分鐘A塔處于吸附步驟，繼之的4至5分鐘處于壓力均衡步驟，由于省略了置換步驟，所以繼之而來的順向減壓步驟的時間可安排為5至8分鐘，接著是逆向減壓步驟，時間為8至9分鐘，再接著是第9分鐘至第12分鐘，這時應以沖洗步驟代之，關自動閥36，開啟自動閥29A、29D、30A、41，用正值順向減壓步驟的D塔排出氣，經(jīng)自動閥29D和29A以沖洗床層A，沖洗后的氣體經(jīng)自動閥30A和管道40，自動閥41和管道42輸往管道46，與逆向減壓排出氣一起，作為產(chǎn)品氣經(jīng)壓縮機增壓后輸出。或者逆向減壓和沖洗的排出氣最后經(jīng)管道42直接輸出，此時排出的產(chǎn)品氣的壓力為在0.01～1公斤力/厘米2(表壓)范圍內(nèi)。
為了使本發(fā)明在實施過程中氣流更穩(wěn)定而增高一些緩沖容器或提高必要的自動控制水平都是可以的，并沒有使本發(fā)明發(fā)生實質性變化。
應用圖2的三塔變壓吸附工藝流程及表2的循環(huán)各步驟及其時間順序表，進行的下列試驗可進一步說明和了解本發(fā)明的特點
試驗1
使用三個吸附塔，每個塔的內(nèi)徑為81毫米，吸附劑層高800毫米，內(nèi)裝粒度為20～40目的活性炭約2360克，以選擇吸附甲烷。
含甲烷20%(體積)的煤礦瓦斯氣被壓縮到8公斤力/厘米2(表壓)，溫度為28℃，進變壓吸附系統(tǒng)之前未預先脫除其中的飽和水，其水含量為0.4%(體積)。原料氣為0.59標米3/時，吸附壓力為8公斤力/厘米2(表壓)，總循環(huán)時間縮短為2分鐘(與表2的周期相比較)，試驗結果如表5所示。
表5 變壓吸附生產(chǎn)高濃度甲烷產(chǎn)品試驗結果

試驗2
利用和試驗1相同的系統(tǒng)，但原料為含甲烷30.4%(體積)的煤礦瓦斯氣，壓縮至8公斤力/厘米2(表壓)，以1.1標米3/時的流量不經(jīng)預處理就送入系統(tǒng)，溫度為29℃，省去置換步驟，其它各步驟終的壓力值同于試驗1。富甲烷產(chǎn)品氣以0.52標米3/時的流量及0.01公斤力/厘米2(表壓)的壓力輸出，其甲烷濃度為63.9%(體積)，甲烷提取率為99.4%。
應用圖4的四塔變壓吸附工藝流程及表4的循環(huán)各步驟及其時間程序表，進行的如下試驗亦可進一步說明和了解本發(fā)明的特點
試驗3
使用四個吸附塔，每個塔的內(nèi)徑為81毫米，吸附劑層高800毫米，內(nèi)裝粒度為20～40目的活性炭3147克。
原料氣為含甲烷29.6%(體積)的煤礦瓦斯氣，壓縮至8公斤力/厘米2(表壓)，溫度為18℃，進變壓吸附系統(tǒng)之前未預先脫除其中的飽和水，其水含量為0.23%(體積)總循環(huán)周期時間為16分鐘，試驗結果如表6所示。
表6 變壓吸附生產(chǎn)低濃度甲烷產(chǎn)品試驗結果

權利要求
1、從氣體混合物中分離和富集氣體的變壓吸附法，通常的變壓吸附工藝由一系列裝有吸附劑的塔組成，其中每個塔都必須經(jīng)歷吸附，壓力均衡，順向減壓，逆向減壓，沖洗，一次充壓，二次充壓等七個步驟，本發(fā)明的特征是一種從解吸階段獲得產(chǎn)品的變壓吸附法，用于分離煤礦瓦斯氣，從中富集甲烷，以生產(chǎn)含甲烷35～96%(體積)的富甲烷產(chǎn)品氣，產(chǎn)品組份是易吸附的組份，本發(fā)明的變壓吸附法的每一個塔都必須經(jīng)歷以下步驟
a吸附步驟煤礦瓦斯氣在變壓吸附系統(tǒng)中幾個裝填有吸附劑訴吸附塔中一個塔內(nèi)得到分離，不易被吸附的組份是氧，氬，氮，它們從塔出口端釋放，易被吸附的組份是甲烷和飽和水份，吸留在塔內(nèi)，此時甲烷得到初步富集
b壓力均衡步驟在步驟(a)結束后，該塔與某一已結束抽真空步驟的吸附塔在出口端相連通，使已吸附的塔內(nèi)氣體輸往另一塔，直至兩個塔壓力相等為止，此時甲烷組份仍留在塔內(nèi)
c順向減壓步驟在步驟(b)之后，已吸附的塔進一步順著出口端方向減壓，直至甲烷組份剛剛在出口端突破，此時塔壓已降低至稍高于大氣壓的某一中間壓力，塔內(nèi)甲烷組份又一次得到富集
d置換步驟利用產(chǎn)品氣的一部分，在順向減壓終的壓力下，從剛結束步驟(c)的塔的進口端向出口端方向通過，置換掉一部分尚殘留在床層內(nèi)的其它組份，此時甲烷組份又得到更進一步的富集
e逆向減壓步驟在步驟(d)之后，使已得到富集的甲烷氣逆向從塔的進口端排走，直至塔壓降到基本上等于大氣壓力為止，這部分排出的富甲烷氣即為產(chǎn)品氣的一部分
f抽真空步驟在步驟(e)之后，塔內(nèi)壓力已為大氣壓力，但還吸留有一部分甲烷組份，這部分氣體將通過抽真空把它抽出，此時塔壓低于大氣壓，抽出氣亦為產(chǎn)品氣的一部分
g一次充壓步驟利用另一剛處于壓力均衡步驟的塔的不含甲烷的塔頂釋放氣向上述已完成步驟(f)的塔進行充壓，是從塔的出口往進口方向，使它的壓力升至與供給氣源塔的壓力相等為止
h二次充壓步驟利用另一處于吸附步驟的塔的不含甲烷的塔頂釋放氣向上述已完成步驟(g)的塔進行再次充壓，是從塔的出口端往進口端方向，使它的壓力升至基本上等于吸附壓力為止。
2、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是至少需要二個裝填吸附劑的吸附塔。
3、根據(jù)權利要求
1和2的變壓吸附法，其特征是，吸附塔內(nèi)裝填有對甲烷組份有較好選擇吸附的活性炭或碳分子篩作為吸附劑。
4、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是在吸附步驟時的吸附壓力控制在5～10公斤力/厘米2(表壓)范圍內(nèi)。
5、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是在順向減壓步驟結束時的壓力控制在0.5～3公斤力/厘米2(表壓)范圍內(nèi)。
6、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是置換步驟的操作壓力控制在0.5～3公斤力/厘米2(表壓)范圍內(nèi)。
7、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是抽真空步驟時的操作壓力不低于真空度650毫米汞柱。
8、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是在順向減壓步驟時所釋放出的廢氣中甲烷濃度必須低于5%，控制在0.1～3%范圍。
9、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是產(chǎn)品氣由步驟(e)和步驟(f)的排出氣組成，可在2～8公斤力/厘米2(表壓)壓力下輸出。
10、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是在置換步驟中所提供的置換氣是來自于步驟(e)和步驟(f)的排出氣，并經(jīng)壓縮機壓縮到高于或等于置換所需壓力，最終控制在置換所需壓力下回流到塔中去。
11、根據(jù)權利要求
10的變壓吸附法，其特征是在置換步驟中回流率控制在0～0.9的范圍內(nèi)，可生產(chǎn)含甲烷濃度從65%至96%范圍內(nèi)各種規(guī)格的富甲烷產(chǎn)品氣。
12、根據(jù)權利要求
11的變壓吸附法，其特征是在置換步驟中，通過床層從塔出口端排放的氣體需返回原料氣壓縮機的進口處重復利用。
13、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是抽真空步驟在一個循環(huán)周期時間內(nèi)是間斷操作的，而真空泵是連續(xù)運轉的，為了充分利用真空泵在變壓吸附過程中正值不處在步驟(f)時的那部分能力，必須在真空泵進口管道上設一個真空罐。
14、根據(jù)權利要求
1和2的變壓吸附法，其特征是當采用三個吸附塔的組合形式時，可以在步驟(a)與步驟(b)之間增加一個步驟，稱為隔離步驟。
15、根據(jù)權利要求
1和9的變壓吸附法，可以將步驟(e)和步驟(f)的排出氣分別收集，前者用作置換回流到塔中，后者供產(chǎn)品輸出。
16、根據(jù)權利要求
1和11的變壓吸附法，其特征是當置換時的回流率控制在0時，產(chǎn)品中甲烷濃度在50～65%(體積)范圍內(nèi)，當不需要生產(chǎn)甲烷濃度高于65%以上的產(chǎn)品時，步驟(d)可以省掉。
17、根據(jù)權利要求
16的變壓吸附法，其特征是當僅需生產(chǎn)甲烷濃度為35～50%(體積)的富甲烷產(chǎn)品氣時，不僅可省掉步驟(d)，而且可用沖洗步驟來代替抽真空步驟，沖洗出來的排出氣即為產(chǎn)品氣的一部分，并與逆向減壓排出氣匯合在一起作為產(chǎn)品氣輸出，此時可省略真空泵。
18、根據(jù)權利要求
17的變壓吸附法，其特征是產(chǎn)品氣的輸出壓力為0.01～1公斤力/厘米2(表壓)。
19、根據(jù)權利要求
1的變壓吸附法，其特征是所處理的原料氣為煤礦瓦斯氣，它可以在進變壓吸附裝置之前用任何方法預先除掉水，或根本不用除水，前者所得產(chǎn)品氣是干燥的，后者所得的產(chǎn)品氣是含有飽和水份的。
專利摘要
本發(fā)明是提供一種變壓吸附法富集煤礦瓦斯氣中甲烷，它是一種從解吸階段獲得產(chǎn)品氣的變壓吸附法。為了生產(chǎn)高濃度甲烷的產(chǎn)品氣，過程中利用部分產(chǎn)品氣回流去置換床層，以達到進一步富集床層內(nèi)甲烷的濃度。為了提高甲烷的提取率，把置換后的排出氣作為原料加以回收是必要的。本發(fā)明的方法可使低熱值的棄之不用的煤礦瓦斯氣富集到具有高熱值并有廣泛用途的富甲烷氣體。
文檔編號B01D53/04GK85103557SQ85103557
公開日1986年10月29日 申請日期1985年4月29日
發(fā)明者龔肇元, 王寶林, 陶鵬萬, 古共偉 申請人:化學工業(yè)部西南化工研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan