变压吸附提浓低浓度煤矿瓦斯气中甲烷的抑爆及脱氧技术

发布时间:2020-06-30 00:00  点击:8967  来源:四川省绿色节能成果转移转化平台

 技术鉴定情况       “国家专利发明证书”; “科学技术成果鉴定证书”;“变压吸附提浓煤矿瓦斯气甲烷方法所用的吸附材剂及抑爆材料的防爆、隔爆性能安全评价”。

技术应用条件或范围    煤矿矿井抽采的浓度在5%以上,流量200~50000Nm /h的中低浓度瓦斯气
技术推广障碍及建议
障碍:1、有关企业及部门对煤矿瓦斯提纯利用经济价值、社会价值认识和重视度不够;
2、对新技术的认同度不高,还需要进一步沟通了解;
3、国家和地方瓦斯利用政策补贴落实不到位;
4、项目申请手续繁多,程序复杂、涉及部门多,造成建设进度缓慢;
5、项目资金有一定难度。
建议:1、政府有关部门加强排放监管,强化瓦斯利用力度;
      2、由权威部门组织考察、调研、研讨,指导推广;
      3、加强瓦斯利用政策补贴的落实,补贴与能效利用挂钩;
      4、简化项目审批手续,提高工作效率;
      5、对项目贷款实行优惠政策;
      6、进一步透明化,加强和推动CDM项目。
典型用户        山西瑞阳煤层气有限公司、河南省瓦斯治理研究院有限公司
 
该技术经济效益好,投资回报率高,一般2~5年可全部收回投资成本(对于浓度特别低,规模较小的项目回报期可在5-10年)。且对环境保护、煤矿生产安全、能源结构调整、解决当地就业、带动地方经济发展、增加税收等多方面具有积极的作用。具有良好的经济、环保和社会效益。
一、主要技术内容
将煤矿矿井抽采的中低浓度含氧瓦斯气,通过常温物理吸附的方法,对低浓度瓦斯气进行富集瓦斯气中甲烷、瓦斯气吸附脱氧、脱氧瓦斯气浓缩(变压吸附法)或深冷制LNG等工艺流程,将低浓度含氧瓦斯气甲烷进行充分回收后制成达到国家标准的车用压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)作为清洁能源,以满足市场能源需求,同时减少温室气体直接排放到大气中造成的大气污染。
实例表明,应用该技术提纯煤矿中低浓度瓦斯气,运行成本低,流程短、操作简单、装置运行安全、投资回报率高,具有较好的经济价值和社会价值。极具行业内推广和产业化推广价值。
其技术原理为:运行常温变压吸附气体分离方式,利用特殊专用吸附剂,采用成熟的变压吸附工艺,对低浓度含氧瓦斯气首先通过低压下的变压吸附方式将低浓度瓦斯气甲烷富集,确保甲烷含量40%以上(此时对瓦斯气压缩的安全性得到相应的保证)后直接压缩到一定压力后采用吸附脱出瓦斯气中的氧气,再直接采用变压吸附或深冷将甲烷和氮气进行有效分离生产压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)。整个低浓度瓦斯气回收甲烷过程的瓦斯气富集甲烷、瓦斯气脱氧、提浓甲烷均采用常温变压吸附脱氧,达到生产压缩天然气的目的;如果生产液化天然气,则须在瓦斯气脱氧后进行深冷液化,一方面利用甲烷与氮气沸点的不同,将甲烷从氮气中分离出来,另一方面将甲烷液化生产出LNG。
 
二、关键技术
从低浓度含氧瓦斯气中回收甲烷生产天然气,关键技术有:变压吸附技术、专用吸附剂、脱氧技术、瓦斯气富集甲烷技术及生产过程的安全技术。
1、变压吸附技术
吸附是指:当两种相态不同的物质接触时,其中密度较低物质的分子在密度较高的物质表面被富集的现象和过程。
具有吸附作用的物质(一般为密度相对较大的多孔固体)被称为吸附剂,被吸附的物质(一般为密度相对较小的气体或液体)称为吸附质。
吸附按其性质的不同可分为四大类,即:化学吸附、活性吸附、毛细管凝缩和物理吸附。变压吸附(PSA)气体分离装置中的吸附主要为物理吸附
物理吸附是指依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力(包括范德华力和电磁力)进行的吸附。其特点是:吸附过程没有化学反应,吸附过程进行得极快,参与吸附的各相物质间的动态平衡在瞬间即可完成,并且这种吸附是完全可逆的。
变压吸附气体分离工艺过程之所以得以实现是由于吸附剂在这种物理吸附中所具有的两个基本性质:一是对不同组分的吸附能力不同,二是吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加,随吸附温度的上升而下降。利用吸附剂的第一个性质,可实现对混合气体中某些组分的优先吸附而使其它组分得以提纯;利用吸附剂的第二个性质,可实现吸附剂在低温、高压下吸附而在高温、低压下解吸再生,从而构成吸附剂的吸附与再生循环,达到连续分离气体的目的。
2、专用吸附剂
变压吸附工艺技术经过近50年的发展,工艺技术趋于成熟,但变压吸附的关键的是吸附剂的性能,特殊性能的吸附剂能达到特殊情况的气体分离。长期以来,瓦斯气中的甲烷不能有效的分离回收,主要原因有安全问题,同时也有吸附剂分离效果的问题,即如何研制出有效的将瓦斯气中低浓度甲烷富集到较高浓度、氧气与其它气体分离、氮气与甲烷的分离等专用高效吸附剂。
常规吸附剂对氧气的吸附剂能力较低、对氮气与甲烷的分离系数很低,为此需要研制出特效吸附剂,使吸附剂对氧气的能力较强,而基本不吸附甲烷,从而可采用变压吸附技术将瓦斯气中的氧气有效脱出,同时保证甲烷的高加收率。此外,还需要研制出甲烷与氮气高分离度的专用吸附剂,使分离回收的甲烷纯度高,且运行费用低。
目前已成功的研发出了甲烷与氮气分离比高的的专用吸附剂和吸附氧气而不吸附剂甲烷的脱氧专用吸附剂。
3、脱氧技术
针对低浓度瓦斯气中的氧气存在,造成在回收过程的较大安全隐患,为此首先考虑如何有效脱氧,据可查询的资料显示,以前就瓦斯气脱氧问题主要集中在利用甲烷与氧气反应生产二氧化碳和水达到脱氧目的的燃烧脱氧、催化脱氧,以及利用焦炭与氧反应的焦炭燃烧脱氧等。上述的几种方法均严重的存在脱氧过程消耗瓦斯气中的本已含量较低的甲烷,造成甲烷的回收率较低,而且甲烷(或焦炭)与氧气反应后的产物复杂,使分离回收甲烷的工艺流程复杂、能耗高,采用相应技术回收的甲烷经济效益非常差。
经过长期的研究,最终研发高效的专用脱氧吸附剂,该吸附剂充分吸附瓦斯气中氧气时基本不吸附剂甲烷。再采用成熟的变压吸附工艺技术,可使瓦斯气变压吸附脱氧过程甲烷的收率高,能耗低。同时在瓦斯气脱氧过程,瓦斯气中的氧气迅速被专用吸附剂吸附,而甲烷基本不被吸附而被隔离在吸附剂外,达到瓦斯气中的甲烷与氧气的有效隔离,瓦斯气气相中氧气含量越来越低,其安全也得到充分的保证。
4、瓦斯气富集甲烷技术
同样采用高效分离甲烷和氮气的专用吸附剂,运用成熟的变压吸附工艺技术,将低浓度含氧瓦斯气的甲烷从低含量提高到较高的含量,确保甲烷在安全的浓度范围后在进行压缩即脱氧和提浓(或深冷)。
5、生产过程的安全技术
根据瓦斯气爆炸的三要素(可燃物、助燃物和起始反应能);公司有针对性的研究开发了相应的吸附剂和工艺技术。
A 在控制起始反应能方面
1)专门研制的两种专用吸附剂具有无尘、导热和导电的特性。使系统运行过程中,及时将可能产生的热量、电荷移除系统,确保系统没有能引起爆炸的最低能量,从而确保了系统的安全。
2)在管道及空塔设备中填加特种抑爆材料(国家消防认证),有效的把可能产生的静电及装置及时移走,最大限度避免了火花的产生,保障了系统的安全运行;
3.)采用特殊工艺,是系统始终处于爆炸条件之外,从而确保系统的安全与稳定。
B 在控制助燃剂(氧气含量)方面公司有针对性的开发研制的脱氧专用吸附剂,只吸附氧分子,而不吸附甲烷分子,既保证了甲烷的有效浓缩,同时将爆炸的助燃剂——氧气有效分离,保证了系统的安全运行。
工艺流程图

中低浓度的瓦斯经处理后,可以得到满足市场要求的压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)以满足不同的市场需求。工艺流程如下:
 
 

 
 
 

 

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