一種煤層氣分離系統及工藝的制作方法

專利名稱：一種煤層氣分離系統及工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于混合氣體的分離純化領域，具體涉及一種煤層氣的分離系統及工藝， 特別適合于含低CH4量煤層氣的分離。
背景技術：
煤層氣俗稱“瓦斯”，與煤炭伴生、以吸附狀態儲存于煤層內的非常規天然氣，熱值是通用煤的2-5倍，煤層氣的主要成分為甲烷，其產生的溫室效應是(X)2的21倍，對臭氧層的破壞力是CO2的7倍。據有關部門估算，全國煤礦瓦斯對空排放量占全部工業生產014排放量的1/3左右。2005年2月《京都議定書》生效，我國面臨“減排”的壓力越來越大。同時煤層氣作為一種不可再生的資源，世界各國已開始直接利用或者濃縮富集加以利用。我國對煤礦瓦斯制定了抽采的強制性措施即“先抽后采”，推出了“煤氣共采、鼓勵利用、超標嚴懲”的政策，突出了瓦斯作為寶貴資源的重要地位，為瓦斯規模化、產業化、工業化開發利用鋪平了道路。煤層氣有兩種抽采方式一種是地面抽采，其甲烷純度高(98%左右)，利用價值較高，可直接加壓進行管網輸運，也可直接進行液化儲運。但更為廣泛的是在已經進行煤炭開采生產的礦井下抽采。這種方式抽采出來的煤層氣甲烷含量較低，通常在30% -70%之間，甚至更低。我國煤礦開采一直以煤炭開采為主要目的，煤層氣(瓦斯氣)的抽放處理僅是出于煤礦安全生產的要求而進行的。從礦井煤層氣中分離提純甲烷對于擴展和提高煤層氣的有效利用率和經濟價值具有重要意義。而我國煤層氣具有數量巨大、產地分散、單井規模小、井下抽采氣濃度低并含氧等特點，一般除就近使用外，還沒有其他有效的利用途徑， 放空浪費情況非常嚴重。如果把煤層氣中的甲烷和空氣分離出來并將提純后的甲烷液化灌裝，這就極大的方便了運輸和利用。目前可應用于從煤層氣中分離提純甲烷的方法一般有低溫液化分離、變壓吸附及膜分離等工藝方案，每種方案均具有自己的特色和應用范圍。然而對于變壓吸附及膜分離等工藝，在分離工藝流程中均需要對原料氣進行加壓，這顯然擴大了煤層氣的爆炸濃度范圍，因此在分離處理礦井煤層氣這種含氧可燃混合物時，安全問題是所有分離技術必須考慮的。根據燃燒理論，甲烷等可燃氣體在空氣內燃爆，存在一個最小的燃爆氧濃度，其對應的點稱為燃爆臨界點，與可燃氣體的爆炸上、下限濃度點構成了一個三角形，通常稱為 Coward爆炸三角形，只要當混合物濃度范圍處于此爆炸三角形內，系統極易發生爆炸。如圖1所示，其中區域I為爆炸三角區；區域II為欠氧區，即增加氧氣(空氣)可爆炸；區域III為欠甲烷區，即增加甲烷可爆炸；區域IV為安全區，不發生爆炸。在常溫常壓下，甲烷與空氣混合爆炸的濃度范圍為5% -15%。這個范圍會隨壓力和溫度的變化而改變，溫度升高和壓力升高均會使爆炸濃度范圍擴大。由于煤礦抽出的瓦斯濃度一般在爆炸極限之內，采取高壓流程，則將使爆炸下限降低，存在不安全因素，因此從礦井煤層氣(空氣和甲烷的混合物)中分離提純甲烷，無論起始混合物中甲烷濃度有多高，隨著甲烷的分離減少，在系統內均會穿過爆炸濃度范圍，這對任何分離提純系統均是非常危險的。因此， 在對煤層氣進行處理的過程中，必須要時刻考慮到可能出現的安全問題，控制甲烷和空氣的含量，以達到開采過程的絕對安全。中國專利CNlOl 104825A公開了一種礦井瓦斯氣的液化天然氣生產方法，該專利所述的方法首先將煤層氣中所含有的氧氣分離，使煤層氣遠離爆炸三角形的爆炸范圍，其所述的脫氧方法是采用催化劑強氧化方法或變壓吸附法進行脫氧處理，所述的催化劑強氧化脫氧工藝是在常壓下、控制溫度600-700°C，將煤層氣通過氧化反應器中的催化劑床的金屬性催化劑，使煤層氣中的氧氣和甲烷發生無明火的氧化反應，并生成(X)2和水；所述的變壓吸附方法是選用空穴直徑大于氧分子直徑而小于甲烷分子直徑的分子篩，吸附煤層氣中的氧氣。脫氧后的煤層氣的含氧量控制在0.5%以下。該專利所述的方法將氧氣脫出后可以通過加壓濃縮的方式得到液化天然氣，然而該專利所述的脫氧方法中，催化劑強氧化脫氧方法只適用于含甲烷濃度較高的煤層氣之用，對于甲烷濃度較低的煤層氣而言，很有可能在燃燒過程中將甲烷全部消耗掉，這樣也就無法達到制備液化天然氣的目的，即便是在燃燒過后依然存有少量的甲烷，但整個燃燒過程畢竟消耗的大部分的甲烷，均是與環保目的或是最大限度的利用資源的目的相違背的， 因此通過催化劑強氧化燃燒的方式并不適合煤層氣的開發利用，尤其是低濃度甲烷煤層氣的開發。該專利所述的另外一種方法即變壓吸附脫氧的方法，該方法雖然最大限度的保存了甲烷的含量，但是受爆炸三角形理論的限制，該方法只能在極低的壓力下進行，這樣會使得該方法的分離效率極低，另一方面由于煤層氣中會含有其他的混合氣體，單純采用空穴直徑大于氧分子直徑而小于甲烷分子直徑的分子篩可能導致分離效果不理想，這樣使得后續的處理程序依然存在極大的安全隱患。中國專利CN101659890A公開了一種煤層氣的脫氧方法及其催化劑，該專利所述的方法是在催化劑的作用下，將煤層氣與!^SO4水溶液進行反應脫氧，所述催化劑為鐵金屬或鐵金屬與堿金屬氫氧化物的混合物。該專利所述的方法在常溫常壓下即可進行，但方法雖然通過將氧氣與!^SO4水溶液反應而除氧，但受制于氧氣的溶解度有限，使得此種除氧方式的效率也有待商榷。由于在煤層氣處理工藝中，安全問題成為首要的考慮要點，因此必須選擇能夠將氧氣完全脫除的工藝進行處理，確保實施的安全。另一方面，經過I^eSO4水溶液的煤層氣在進行后續處理時還需要脫除在此步驟中引入的水蒸氣，否則可能會污染后續設備。

發明內容
為此，本發明所要解決的技術問題在于現有技術中含低濃度甲烷的煤層氣不適于使用燃燒法脫氧的問題，進而提供一種脫O2完全、而CH4損失最低、且CH4分離效果較好的煤層氣分離設備；本發明進一步提供了一種使用上述煤層氣分離設備進行煤層氣CH4分離的工藝。為解決上述技術問題，本發明所述的煤層氣分離提純的系統，包括順次連接的壓縮凈化裝置用于將所述煤層氣進行凈化壓縮預處理；O2脫除裝置用于脫除預處理后的煤層氣中的02，得到無&煤層氣；凈化除油裝置用于除去無&煤層氣中含有的微量油霧；
CH4分離系統用于將無&煤層氣中的CH4與其他組分分離；產品集送系統用于收集并輸送濃縮后的CH4 ；所述O2脫除裝置包括填充有活性還原鐵的第一脫除脫除器，所述活性還原鐵附著于活性物質載體骨架的外表面，所述煤層氣中的A與設置于所述第一脫除器內的活性還原鐵發生反應，脫除其中的02。所述活性物質為活性氧化鋁和/或活性炭。所述第一脫除器內設有多層濾網，所述活性還原鐵填充于所述多層濾網的各層處。所述活性還原鐵與所述活性物質載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增。所述第一脫除器的外部設有冷卻水循環裝置。所述第一脫除器的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。所述第一脫除器至少為并列連接的兩個。所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器相連通的水煤氣生成罐，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器的連通及工作。所述CH4分離系統為膜分離系統或變壓吸附系統。所述膜分離系統包括多級膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產品。所述變壓吸附系統包括多個吸附塔和真空泵，所述吸附塔設有對CH4優先選擇的分子篩實現CH4同其他氣體的分離，所述真空泵用于分子篩的解吸附，得到CH4產品。所述O2脫除裝置脫除裝置還包括連接于所述第一脫除器之后的第二脫除器；所述第二脫除器內填充有含水硫代硫酸鈉，所述含水硫代硫酸鈉附著于活性物質載體骨架的外表面，所述經過第一脫除器的煤層氣中殘余的A與硫代硫酸鈉反應，脫除其中的02。所述活性物質為活性氧化鋁和/或活性炭。所述第二脫除器內設有多層濾網，所述含水硫代硫酸鈉設于所述多層濾網的各層處。所述第二脫除器的底端煤層氣進氣口與所述第一脫除器的頂端剩余氣體出氣口相連通。所述O2脫除裝置還包括連接于所述第二脫除器之后的第三脫除器；所述第三脫除器內設有催化劑，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，所述煤層氣中殘余的A與CH4發生無明火反應，完全除去煤層氣中所含的02。所述&脫除裝置脫除裝置還包括連接于所述第一脫除器之后的第三脫除器；所述第三脫除器內設有催化劑，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，所述煤層氣中殘余的A與部分CH4發生無明火反應，完全除去煤層氣中所含的02。所述催化劑以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于堇青石材料載體外表面，所述煤層氣中殘余的A與部分CH4于200-250°C發生無明火反應。所述催化劑以氧化銅、氧化鈰納米復合物或Au、Pt/Co304或鈀為活性組分，并涂覆于以活性氧化鋁和粘結劑粘結而成的骨架載體外表面，所述煤層氣中殘余的O2與部分CH4于500-600°C發生無明火反應。所述第三脫除器內部設有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至所需的反應溫度。所述第三脫除器的煤層氣進氣口處設有加熱裝置，將所述煤層氣加熱至所需的反應溫度。本發明還提供了一種煤層氣分離提純工藝，包括如下步驟(1)原料氣預處理將煤層氣凈化壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、灰塵和含硫物質；(2)脫除& 凈化后的煤層氣通入所述第一脫除器，煤層氣中的02與設置于所述第一脫除器內的活性還原鐵發生反應，脫除其中的A而其他成分無損失；(3)凈化除油將脫除O2后的煤層氣進行凈化除油處理，去除煤層氣中含有的微粒、水及油霧；(4)CH4分離將凈化后的剩余煤層氣中的CH4分離；(5)產品運輸收集將分離得到的CH4收集并傳輸。所述步驟O)中，所述煤層氣從所述第一脫除器的底部煤層氣進氣口進入，并從頂部剩余氣體出氣口排出。所述步驟O)中，還包括所述活性還原鐵再生的步驟，通入水煤氣使得反應后的所述還原鐵得以再生利用。所述步驟中，凈化后的剩余煤層氣通入所述變壓吸附系統，通過對CH4具有優先選擇性的分子篩的篩選實現CH4的分離，并通過真空泵加壓的方式實現CH4的解吸附，得到CH4廣品。所述步驟中，凈化后的剩余煤層氣通入所述膜分離系統，通過多級膜分離裝置的分離，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產
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ΡΠ O 在所述步驟( 之后、步驟( 之前還包括將經過初步脫A之后的所述煤層氣通入第二脫除器的步驟(2’)，所述煤層氣中剩余的O2與設置于所述第二脫除器內的活性硫代硫酸鈉發生反應，進一步脫除α而其他成分無損失。所述步驟O ’)之后、步驟( 之前還包括將經過進一步脫氧之后的所述煤層氣通入第三脫除器的步驟(2”)，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，殘余的A與CH4 發生無明火反應，完全除去煤層氣中含有的02。所述步驟( 之后、步驟( 之前還包括將經過進一步脫氧之后的所述煤層氣通入第三脫除器的步驟(2”)，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，殘余的A與CH4 發生無明火反應，完全除去煤層氣中含有的02。所述步驟O”)中，當所述第三脫除器內的所述催化劑為以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于堇青石材料載體外表面的結構時，所述煤層氣加熱至200-25(TC發生反應。所述步驟O”)中，當所述第三脫除器內的所述催化劑為以氧化銅、氧化鈰納米復合物或Au、Pt/Co304或鈀為活性組分，并涂覆于以活性氧化鋁和粘結劑粘結而成的骨架載體的結構時，所述煤層氣加熱至500-600°C發生反應。所述步驟O”)中，所述煤層氣在所述第三脫除器中加熱至所需反應溫度。
所述步驟O”)中，所述煤層氣在所述第三脫除器的煤層氣進氣口處加熱至所需反應溫度。本發明的上述技術方案相比現有技術具有以下優點1、本發明所述的第一脫除器以活性還原鐵吸收煤層氣中的O2，可以高效的脫除煤層氣中所含的O2，避免了煤層氣加壓濃縮時的安全隱患，該反應緩和高效且完全不會消耗煤層氣中的CH4,尤為適用于含低濃度CH4煤層氣的開采與利用；2、所述活性還原鐵占所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2;3、所述O2脫除裝置脫除裝置還設有水煤氣生成罐，焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，并通入所述A脫除裝置脫除裝置實現所述活性還原鐵的再生與循環重復利用，而且由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成；4、本發明所述的第二脫除器以活性硫代硫酸鈉吸附煤層氣中的02，利用硫代硫酸鈉較強的還原性質使其與O2發生氧化反應，可以高效的脫除煤層氣中所含的O2，該反應緩和且完全不會消耗煤層氣中的CH4,尤為適用于含低濃度CH4煤層氣的開采與利用，同時由于使用硫代硫酸鈉成本較低，也可以降低煤層氣分離操作的成本；5、本發明所述的第一脫除器和第二脫除器均是針對性吸收煤層氣中含有的O2，一方面完全保留了煤層氣中的CH4，另一方面也避免了燃燒法中產生的氮氧化物污染空氣，本方法不僅高效且清潔環保；6、本發明所述的第三脫除器內涂覆有以堇青石作為載體，以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分的催化劑，使得煤層氣中的CH4和A在加熱至200°C左右時即可發生無明火反應， 由于反應溫度較低，因此該反應在一般的設備中即可完成，同時將煤層氣加熱至200°C所需的耗能也較小，具有節能環保的優點；7、選用變壓吸附系統實現CH4與其他組分氣體的分離，通過選用對有優先選擇權的分子篩可以高效準確將CH4與其他組分氣體分離；8、選用膜分離系統實現CH4與其他組分氣體的分離，具有分離效率高、設備緊湊、 占地面積小、能耗較低、操作簡便、維修保養容易、投資較少等優點；9、實際應用中，可以根據待分離煤層氣中&和CH4的含量合理選擇三個所述的脫除器組合，即可針對性的高效實現煤層氣的分離。


為了使本發明的內容更容易被清楚的理解，下面根據本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明，其中圖1為爆炸三角形理論示意圖；圖2為本發明實施例1所述的設備流程圖；圖3為本發明實施例2所述的設備流程圖；圖4為本發明實施例3所述的設備流程圖；圖5為本發明實施例4所述的設備流程圖；圖6為本發明實施例5所述的設備流程圖中附圖標記表示為1-壓縮凈化裝置，21-第一脫除器，22-第二脫除器，23-第三脫除器，3-水煤氣生成罐，4-加熱裝置，5-空壓機，6-混合氣儲氣罐，7-混合氣凈化裝置， 8-潔凈氣儲氣罐，9-變壓吸附系統，10-產品儲氣罐，11-一段膜處理器，12-二段膜處理器。
具體實施例方式實施例1如圖2所示，本發明所述的煤層氣分離的系統，包括壓縮凈化裝置1、仏脫除裝置、 凈化除油裝置、CH4分離系統以及產品集送系統；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進行預處理，所述壓縮凈化裝置包括除塵設備、除硫設備和除水設備，用于將所述煤層氣進行預處理。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。所述O2脫除裝置用于脫除凈化后的煤層氣中所含的02，而煤層氣中的其他組分氣體無損失；所述O2脫除裝置包括至少兩個設有多層濾網的第一脫除器21，所述第一脫除器 21為罐體結構，所述多層濾網設置于所述第一脫除器21的中上層部分，濾網上填充有活性氧化鋁載體骨架，所述載體骨架外附著有100-200目的活性還原鐵，所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁載體骨架的比例為1.5-3 1，且所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增，形成薄床層結構。所述第一脫除器 21的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。在所述煤層氣進氣口處接有水汽入口，并設有閥門自動調節水汽流量，其目的是控制反應速度以防反應過于激烈。在所述第一脫除器21的外部設有冷卻水循環裝置，用來吸收反應熱和控制反應速率。罐壁上有開孔法蘭結構可以安裝測溫傳感器并輸出電信號給PLC的處理器，通過接口，控制水汽入口閥門和循環水裝置閥門，實現對第一脫除器21內反應速率的控制。所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器21相連通的水煤氣生成罐3，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器21的連通及工作。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續的分離設備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機5，對混合氣進行緩沖以平衡系統壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭脫除器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進入下一級分離系統。所述CH4分離系統用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統選用變壓吸附系統9進行CH4的分離，所述變壓吸附系統9包括順次連接的3-4個吸附塔、控制各個吸附塔之間管道內氣體流量的管道式氣動閥、排氣消音器以及實現分子篩解吸附得到 CH4產品的真空泵。所述產品集送系統用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產品集送系統包括無油螺桿壓縮機、產品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產品濃度傳感器。該系統一方面向吸附塔提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣體，為吸附塔的變壓吸附提供最佳環境；另一方面向產品存儲罐輸送濃縮后的CH4產品；三是可以檢測CH4產品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離設備對煤層氣中的CH4氣進行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預處理將煤層氣依次經過羅茨泵在Iatm大氣壓下加壓進入高效除塵、除水、除硫設備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2、CH4和(X)2等氣體。(2)脫除& 將凈化后的含有剩余氣體O2、隊、CH4、0)2等氣體的煤層氣從所述第一脫除器21底部的煤層氣進氣口通入所述第一脫除器21內，煤層氣中的O2與設置于所述第一脫除器21內的活性還原鐵發生反應脫除02，而其他成分無損失。由于所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增的薄床層結構，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2，脫除A后的剩余煤層氣從所述第一脫除器21頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述凈化除油裝置。當其中一個所述第一脫除器21內的所述活性還原鐵被氧氣氧化為氧化鐵而影響吸附效率時，停止通入煤層氣，同時啟動水煤氣生成罐3，通過焦炭和水在高溫下反應生成水煤氣，并將其通入所述第一脫除器21，可以實現活性還原鐵的再生，同時啟動其他第一脫除器21完成連續的脫O2工作。由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成。(3)凈化除油將脫除02后的煤層氣通過螺桿式空壓機5進行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進氣進行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統壓力波動，實現系統平穩用氣；混合氣儲氣罐6內的煤層氣進入混合氣凈化裝置7進行凈化，以除去混合氣中的油，避免進入脫除器后會毒化分子篩，造成分子篩永久性失效；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C左右，使其中的水汽凝結成水，并將之分離排出系統；所述煤層氣再經過精過濾器濾去大于0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經活性炭脫除器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8連接，以備進入CH4分離系統分離得到產品。(4)CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述變壓吸附系統9，實現CH4氣與其他組分氣體的分離。所述變壓吸附系統9是利用壓力和分子篩對混合氣進行分離，為了使分離的甲烷氣有較高的濃度，吸附器內裝有對甲烷優先選擇的分子篩，所述分子篩選用孔徑為 0. 5nm的5A分子篩，下于20_50°C工作，所述分子篩在760mm汞柱壓力下的隊分離率為1. 37。這是因為混合氣中甲烷所占比例較小，分子篩體積占反應器容積比例較大，使得反應器中剩余空間較小。反應器采用這種分子篩是以吸附甲烷為主，其余混合氣組分均作為富集氣連續排出吸附塔。完成作業的分子篩通過真空泵于0.5mm汞柱壓力下、20°C等溫解吸附，將吸附于分子篩孔穴內的CH4分子抽出來，實現吸附塔內分子篩的解吸附，而經分離后得到CH4氣產品。(5)產品運輸收集將分離得到的CH4產品無油螺桿壓縮機加壓濃縮，并輸送至產品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產品濃度傳感器檢測CH4產品氣的流量、壓力及濃度。同時部分產品氣被輸送至變壓吸附塔處提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣，為吸附塔的吸附提供最佳環境。實施例2如圖3所示，本發明所述的煤層氣分離的系統，包括壓縮凈化裝置1、仏脫除裝置、 凈化除油裝置、CH4分離系統以及產品集送系統；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進行預處理，所述壓縮凈化裝置包括除塵設備、除硫設備和除水設備，用于將所述煤層氣進行預處理。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。所述O2脫除裝置用于脫除凈化后的煤層氣中所含的02，而煤層氣中的其他組分氣體無損失。所述O2脫除裝置包括順次連接的第一脫除器21和第二脫除器22。所述第一脫除器21至少為兩個，且所述第一脫除器21和所述第二脫除器22均為設有多層濾網的罐體結構，所述多層濾網設置于所述罐體的中上層部分。所述第一脫除器21的多層濾網上填充活性炭載體骨架，所述載體外表面附著有 100-200目的活性還原鐵，所述活性還原鐵與所述活性載體骨架的比例為1.5-3 1，且所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性炭載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增， 形成薄床層結構。也可以提高所述第一脫除器21罐體的長徑比，延長所述煤層氣在所述第一脫除器21內的停留時間，提升吸附效率。所述第一脫除器21的煤層氣進氣口位于底部， 剩余氣體出氣口位于頂部。在所述煤層氣進氣口處接有水汽入口，并設有閥門自動調節水汽流量，其目的是控制反應速度以防反應過于激烈。在所述第一脫除器21的外部設有冷卻水循環裝置，用來吸收反應熱和控制反應速率。罐壁上有開孔法蘭結構可以安裝測溫傳感器并輸出電信號給PLC的處理器，通過接口，控制水汽入口閥門和循環水裝置閥門，實現對第一脫除器21內反應速率的控制。所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器21相連通的水煤氣生成罐3，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器21的連通及工作所述第二脫除器22的結構與第一脫除器21相同，但其多層濾網填充的是以活性氧化鋁為載體骨架并附著含水硫代硫酸鈉的結構。所述含水硫代硫酸鈉與所述活性載體骨架的比例為2-5 1。所述第二脫除器22的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。所述第二脫除器的底部煤層氣進氣口與所述第一脫除器21的頂部剩余氣體出氣口相連通。所述第二脫除器22的目的是將從第一脫除器21漏過的&做進一步的吸收，或當第一脫除器21對氧氣的吸附效率下降時作為補充設備完成操作。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續的分離設備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機5，對混合氣進行緩沖以平衡系統壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭脫除器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進入下一級分離系統。所述CH4分離系統用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統選用膜分離系統實現CH4氣與其他組分氣體的分離。所述膜分離系統根據煤層氣組分及流量的不同設置多級多段式膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產品。所述產品集送系統用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產品集送系統包括無油螺桿壓縮機、產品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產品濃度傳感器。該系統向產品存儲罐輸送濃縮后的CH4產品；同時可以檢測CH4產品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離設備對煤層氣中的CH4氣進行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預處理將煤層氣依次經過羅茨泵在Iatm大氣壓下加壓進入高效除塵、除水、除硫設備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2、CH4和(X)2等氣體。(2)脫除A 將凈化后的含有剩余氣體O2、隊、CH4、0)2等氣體的煤層氣從所述第一脫除器21底部的煤層氣進氣口通入所述第一脫除器21內，煤層氣中的O2與設置于所述第一脫除器21內的活性還原鐵發生反應脫除02，而其他成分無損失。由于所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增的薄床層結構，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2，脫除A后的剩余煤層氣從所述第一脫除器21頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第二脫除器。當其中一個所述第一脫除器21內的所述活性還原鐵被氧氣氧化為氧化鐵而影響吸附效率時，停止通入煤層氣，同時啟動水煤氣生成罐3，通過焦炭和水在高溫下反應生成水煤氣，并將其通入所述第一脫除器21，可以實現活性還原鐵的再生，同時啟動其他第一脫除器21完成連續的脫O2工作。由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成。(2') 二次脫除& 將經過所述第一脫除器21吸附去除&的煤層氣從所述第二脫除器22底部的煤層氣進氣口通入所述第二脫除器22，剩余的&與設置于所述第二脫除器 22內的活性硫代硫酸鈉發生反應，進一步吸收其中的&而其他成分無損失。脫除&后的剩余煤層氣從所述第二脫除器22頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述凈化除油系統。(3)凈化除油將脫除02后的煤層氣通過螺桿式空壓機5進行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進氣進行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統壓力波動，實現系統平穩用氣；混合氣儲氣罐6內的煤層氣進入所述混合氣凈化裝置 7進行凈化，以除去混合氣中的油，避免進入膜分離系統后影響濾膜的使用壽命；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C 左右，使其中的水汽凝結成水，并將之分離排出系統；所述煤層氣再經過精過濾器濾去大于 0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經活性炭脫除器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進入CH4分離系統分離得到產品。(4) CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述膜分離系統，實現CH4氣與其他組分氣體的分離，此時煤層氣的主要成分為N2、CO2和CH4。將所述煤層氣通過螺桿式空壓機加壓，并將加壓后的煤層氣通入一級一段膜處理器11，因為在混合氣里CO2屬于快氣，作為滲透氣通過膜被分離出來。包括隊和(X)2的滲余氣進入二段膜處理器12，相比較而言隊為快氣，故 N2作為滲透氣透過，而CH4成為滲余氣體而得到分離。CH4氣經減壓閥減壓后進入產品集送系統。所述膜分離系統應根據實際的煤層氣的不同流量和不同的組分采取不同的級聯方案，如采取一級多段并聯的方式提高產能和分離精度，或采取循環的方法以提高分離純度。(5)產品運輸收集將分離得到的CH4產品無油螺桿壓縮機加壓濃縮，并輸送至產品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產品濃度傳感器檢測CH4產品氣的流量、壓力及濃度。實施例3如圖4所示，本發明所述的煤層氣分離的系統，包括壓縮凈化裝置1、02脫除裝置、 凈化除油裝置、CH4分離系統以及產品集送系統；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進行預處理，所述壓縮凈化裝置1包括除塵設備、除硫設備和除水設備，用于將所述煤層氣進行預處理。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。所述O2脫除裝置用于脫除凈化后的煤層氣中所含的O2，而煤層氣中的其他組分氣體無損失。所述A脫除裝置包括順次連接的第一脫除器21、第二脫除器22和第三脫除器 23。所述第一脫除器21至少為兩個，且所述第一脫除器21和所述第二脫除器22均為設有多層濾網的罐體結構，所述多層濾網設置于所述罐體的中上層部分。所述第一脫除器21的多層濾網上填充有活性炭載體骨架，所述載體外表面附著有100-200目的活性還原鐵，所述活性還原鐵與所述活性炭載體骨架的比例為1.5-3 1， 且所述多層濾網中所述活性還原鐵占所述活性炭載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增，形成薄床層結構。所述第一脫除器21的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。在所述煤層氣進氣口處接有水汽入口，并設有閥門自動調節水汽流量，其目的是控制反應速度以防反應過于激烈。在所述第一脫除器21的外部設有冷卻水循環裝置，用來吸收反應熱和控制反應速率。罐壁上有開孔法蘭結構可以安裝測溫傳感器并輸出電信號給 PLC的處理器，通過接口，控制水汽入口閥門和循環水裝置閥門，實現對第一脫除器21內反應速率的控制。所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器21相連通的水煤氣生成罐3，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器21的連通及工作。所述第二脫除器22的結構與第一脫除器21相同，但其多層濾網填充的是以活性氧化鋁為骨架并混合含水硫代硫酸鈉的結構。所述活性還原鐵與所述活性載體骨架的比例為2-5 1。所述第二脫除器22的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。所述第二脫除器22的底部煤層氣進氣口與所述第一脫除器21的頂部剩余氣體出氣口相連通。所述第二脫除器22的目的是將從第一脫除器21漏過的O2做進一步的吸收，或當第一脫除器21對氧氣的吸附效率下降時作為補充設備完成操作。所述第三脫除器23為罐體結構，其內部充填有催化劑，所述催化劑以!^e2O3. Co3O4. 皿1102作為活性組分并涂覆于堇青石蜂窩陶瓷外部，所述!^e2O3. Co3O4. MnO2活性組分中各組分的比例為1.5-2 1-2 1-2，經加熱后的所述煤層氣中的02與014在所述催化劑的作用下發生無明火反應，即可消耗掉煤層氣中含有的O2，所述第三脫除器23的煤層氣進氣口與所述第二脫除器22的頂部剩余氣體出氣口相連通，在所述煤層氣進氣口處設有電加熱裝置4，并且其外部設有冷卻水循環裝置以控制反應速率。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續的分離設備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機5，對混合氣進行緩沖以平衡系統壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭脫除器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進入下一級分離系統。所述CH4分離系統用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統選用膜分離系統實現CH4氣與其他組分氣體的分離。所述膜分離系統包括多級多段式膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產品。所述產品集送系統用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產品集送系統包括無油螺桿壓縮機、產品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產品濃度傳感器。該系統向產品存儲罐輸送濃縮后的CH4產品；同時可以檢測CH4產品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離設備對煤層氣中的CH4氣進行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預處理將煤層氣依次經過羅茨泵低壓加壓進入高效除塵、除水、除硫設備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有O2、隊、CH4和(X)2等氣體。(2)脫除& 將凈化后的含有剩余氣體O2、隊、CH4、0)2等氣體的煤層氣從所述第一脫除器21底部的煤層氣進氣口通入所述第一脫除器21內，煤層氣中的O2與設置于所述第一脫除器21內的活性還原鐵發生反應脫除02，而其他成分無損失。由于所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增的薄床層結構，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2，脫除A后的剩余煤層氣從所述第一脫除器21頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第二脫除器22。當其中一個所述第一脫除器21內的所述活性還原鐵被氧氣氧化為氧化鐵而影響吸附效率時，停止通入煤層氣，同時啟動水煤氣生成罐3，通過焦炭和水在高溫下反應生成水煤氣，并將其通入所述第一脫除器21，可以實現活性還原鐵的再生，同時啟動其他第一脫除器21完成連續的脫O2工作。由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成。(2') 二次脫除& 將經過所述第一脫除器21吸附去除&的煤層氣從所述第二脫除器22底部的煤層氣進氣口通入所述第二脫除器22，剩余的&與設置于所述第二脫除器 22內的活性硫代硫酸鈉發生反應，進一步吸收其中的&而其他成分無損失。脫除&后的剩余煤層氣從所述第二脫除器22頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第三脫除器23。(2“)深層脫除& 將經過所述第二脫除器22吸附去除&的煤層氣從所述第三脫除器23的煤層氣進氣口通入所述第三脫除器內23，所述煤層氣在所述進口處通過電加熱裝置4加熱至200-250°C，此時通入所述第三脫除器23的煤層氣中的化與CH4在催化劑的作用下發生無明火反應，而煤層氣中的其他組分氣體并不參與反應，由于CH4與&的燃燒反應比例為1 2，因此可進一步完全除去煤層氣中含有的O2，而保留大部分的CH4氣，脫除& 后的剩余煤層氣從所述第三脫除器23的剩余氣體出氣口排出，進入所述凈化除油裝置。
(3)凈化除油將脫除&后的煤層氣通過螺桿式空壓機5進行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進氣進行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖， 減小系統壓力波動，實現系統平穩用氣；混合氣儲氣罐6內的煤層氣進入混合氣凈化裝置 7進行凈化，以除去混合氣中的油，避免進入膜分離系統后影響濾膜的使用壽命；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C 左右，使其中的水汽凝結成水，并將之分離排出系統；所述煤層氣再經過精過濾器濾去大于 0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經活性炭脫除器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進入CH4分離系統分離得到產品。(4) CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述膜分離系統，實現CH4氣與其他組分氣體的分離，此時煤層氣的主要成分為N2、CO2和CH4。將所述煤層氣通過螺桿式空壓機加壓，并將加壓后的煤層氣通入一級一段膜處理器11，因為在混合氣里CO2屬于快氣，作為滲透氣通過膜被分離出來。包括隊和(X)2的滲余氣進入二段膜處理器12，相比較而言隊為快氣，故 N2作為滲透氣透過，而CH4成為滲余氣體而得到分離。CH4氣經減壓閥減壓后進入產品集送系統。所述膜分離系統應根據實際的煤層氣的不同流量和不同的組分采取不同的級聯方案，如采取一級多段并聯的方式提高產能和分離精度，或采取循環的方法以提高分離純度。(5)產品運輸收集將分離得到的CH4產品無油螺桿壓縮機加壓濃縮，并輸送至產品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產品濃度傳感器檢測CH4產品氣的流量、壓力及濃度。實施例4如圖5所示，本發明所述的煤層氣分離的系統，包括壓縮凈化裝置1、仏脫除裝置、 凈化除油裝置、CH4分離系統以及產品集送系統；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進行預處理，所述壓縮凈化裝置1包括除塵設備、除硫設備和除水設備，用于將所述煤層氣進行預處理。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。所述O2脫除裝置用于脫除凈化后的煤層氣中所含的02，而煤層氣中的其他組分氣體無損失。所述A脫除裝置包括順次連接的第一脫除器21、第二脫除器22和第三脫除器 23。所述第一脫除器21至少為并列連接的兩個，且所述第一脫除器21和所述第二脫除器 22均為設有多層濾網的罐體結構，所述多層濾網設置于所述罐體的中上層部分。所述第一脫除器21的多層濾網上填充有活性炭和活性氧化鋁載體骨架，所述載體的外表面附著有100-200目的活性還原鐵，所述活性還原鐵與所述活性炭和活性氧化鋁載體骨架的比例為1.5-3 1，且所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性炭和活性氧化鋁載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增，形成薄床層結構。所述第一脫除器21的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。在所述煤層氣進氣口處接有水汽入口， 并設有閥門自動調節水汽流量，其目的是控制反應速度以防反應過于激烈。在所述第一脫除器21的外部設有冷卻水循環裝置，用來吸收反應熱和控制反應速率。罐壁上有開孔法蘭結構可以安裝測溫傳感器并輸出電信號給PLC的處理器，通過接口，控制水汽入口閥門和循環水裝置閥門，實現對第一脫除器21內反應速率的控制。
所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器21相連通的水煤氣生成罐3，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器21的連通及工作。所述第二脫除器22的結構與第一脫除器21相同，但其多層濾網填充的是以活性氧化鋁為骨架并混合含水硫代硫酸鈉的結構。所述含水硫代硫酸鈉與所述活性載體骨架的比例為2-5 1。所述第二脫除器22的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。 所述第二脫除器22的底部煤層氣進氣口與所述第一脫除器21的頂部剩余氣體出氣口相連通。所述第二脫除器的目的是將從第一脫除器漏過的A做進一步的吸收，或當第一脫除器 21對氧氣的吸附效率下降時作為補充設備完成操作。所述第三脫除器23為罐體結構，所述第三脫除器23內充填有以活性氧化鋁和粘結劑粘結而成的骨架，所述骨架內部設有封閉電加熱裝置4，所述骨架外涂覆有催化劑，所述催化劑為氧化銅、氧化鈰納米復合物或Au、Pt/Co304或JHDO型鈀催化劑。經加熱后的所述煤層氣中的A與CH4在所述催化劑的作用下發生無明火反應，即可消耗掉煤層氣中含有的O2，所述第三脫除器23的煤層氣進氣口與所述第二脫除器23的頂部剩余氣體出氣口相連通，并且其外部設有冷卻水循環裝置以控制反應速率。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續的分離設備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機5，對混合氣進行緩沖以平衡系統壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭脫除器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進入下一級分離系統。所述CH4分離系統用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統選用變壓吸附系統9進行CH4的分離，所述變壓吸附系統9包括順次連接的3-4個吸附塔、控制各個吸附塔之間管道內氣體流量的管道式氣動閥、排氣消音器以及實現分子篩解吸附得到 CH4產品的真空泵。所述產品集送系統用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產品集送系統包括無油螺桿壓縮機、產品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產品濃度傳感器。該系統一方面向吸附塔提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣體，為吸附塔的變壓吸附提供最佳環境；另一方面向產品存儲罐輸送濃縮后的CH4產品；三是可以檢測CH4產品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離設備對煤層氣中的CH4氣進行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預處理將煤層氣依次經過羅茨泵低壓加壓進入高效除塵、除水、除硫設備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有O2、隊、CH4和(X)2等氣體。(2)脫除& 將凈化后的含有剩余氣體O2、隊、CH4、0)2等氣體的煤層氣從所述第一脫除器21底部的煤層氣進氣口通入所述第一脫除器21內，煤層氣中的O2與設置于所述第一脫除器21內的活性還原鐵發生反應脫除02，而其他成分無損失。由于所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增的薄床層結構，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2，脫除A后的剩余煤層氣從所述第一脫除器21頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第二脫除器。當其中一個所述第一脫除器內的所述活性還原鐵被氧氣氧化為氧化鐵而影響吸附效率時，停止通入煤層氣，同時啟動水煤氣生成罐，通過焦炭和水在高溫下反應生成水煤氣，并將其通入所述第一脫除器，可以實現活性還原鐵的再生，同時啟動其他第一脫除器完成連續的脫α工作。由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成。(2’ ) 二次脫除& 將經過所述第一脫除器吸附去除&的煤層氣從所述第二脫除器底部的煤層氣進氣口通入所述第二脫除器，剩余的A與設置于所述第二脫除器內的活性硫代硫酸鈉發生反應，進一步吸收其中的A而其他成分無損失。脫除O2后的剩余煤層氣從所述第二脫除器22頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第三脫除器。(2")深層脫除A 將經過所述第二脫除器吸附去除A的煤層氣從所述第三脫除器的煤層氣進氣口通入所述第三脫除器內，所述煤層氣在所述第三脫除器內通過電加熱裝置加熱至500-600°C，此時煤層氣中殘余的O2與CH4在催化劑的作用下發生無明火反應，而煤層氣中的其他組分氣體并不參與反應，由于CH4與O2的燃燒反應比例為1 2，因此可進一步完全除去煤層氣中含有的02，而保留大部分的CH4氣，脫除O2后的剩余煤層氣從所述第三脫除器23的剩余氣體出氣口排出，進入所述凈化除油裝置。(3)凈化除油將脫除02后的煤層氣通過螺桿式空壓機5進行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進氣進行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統壓力波動，實現系統平穩用氣；混合氣儲氣罐6內的煤層氣進入混合氣凈化裝置7進行凈化，以除去混合氣中的油，避免進入脫除器后會毒化分子篩，造成分子篩永久性失效；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C左右，使其中的水汽凝結成水，并將之分離排出系統；所述煤層氣再經過精過濾器濾去大于0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經活性炭脫除器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進入CH4分離系統分離得到產品。(4)CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述變壓吸附系統9，實現CH4氣與其他組分氣體的分離。所述變壓吸附系統9是利用壓力和分子篩對混合氣進行分離，為了使分離的甲烷氣有較高的濃度，吸附器內裝有對甲烷優先選擇的分子篩，所述分子篩選用孔徑為 0. 5nm的5A分子篩，25atm下于20_50°C工作，所述分子篩在760mm汞柱壓力下的隊分離率為1. 37。這是因為混合氣中甲烷所占比例較小，分子篩體積占反應器容積比例較大，使得反應器中剩余空間較小。反應器采用這種分子篩是以吸附甲烷為主，其余混合氣組分均作為富集氣連續排出吸附塔。完成作業的分子篩通過真空泵于0.5mm汞柱壓力下、20°C等溫解吸附，將吸附于分子篩孔穴內的CH4分子抽出來，實現吸附塔內分子篩的解吸附，而經分離后得到CH4氣產品。(5)產品運輸收集將分離得到的CH4產品無油螺桿壓縮機加壓濃縮，并輸送至產品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產品濃度傳感器檢測CH4產品氣的流量、壓力及濃度。同時部分產品氣被輸送至變壓吸附塔處提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣，為吸附塔的吸附提供最佳環境。
實施例5如圖6所示，本發明所述的煤層氣分離的系統，包括壓縮凈化裝置1、仏脫除裝置、 凈化除油裝置、CH4分離系統以及產品集送系統；所述壓縮凈化裝置1用于將所述煤層氣進行預處理，所述壓縮凈化裝置1包括除塵設備、除硫設備和除水設備，用于將所述煤層氣進行預處理。所選除塵設備為水幕或折返式水槽；除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、N2, CH4和(X)2等氣體。所述O2脫除裝置用于脫除凈化后的煤層氣中所含的02，而煤層氣中的其他組分氣體無損失。所述O2脫除裝置包括順次連接的第一脫除器21和第三脫除器23。所述第一脫除器21至少為兩個，且所述第一脫除器21為設有多層濾網的罐體結構，所述多層濾網設置于所述罐體的中上層部分。所述第一脫除器21的多層濾網上填充有活性炭載體骨架，所述載體外表面附著有100-200目的活性還原鐵，所述活性還原鐵與所述活性炭載體骨架的比例為1.5-3 1， 且所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性炭載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增，形成薄床層結構。所述第一脫除器21的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。在所述煤層氣進氣口處接有水汽入口，并設有閥門自動調節水汽流量，其目的是控制反應速度以防反應過于激烈。在所述第一脫除器21的外部設有冷卻水循環裝置，用來吸收反應熱和控制反應速率。罐壁上有開孔法蘭結構可以安裝測溫傳感器并輸出電信號給 PLC的處理器，通過接口，控制水汽入口閥門和循環水裝置閥門，實現對第一脫除器21內反應速率的控制。所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器21相連通的水煤氣生成罐3，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器21的連通及工作。所述第三脫除器23為罐體結構，其內部充填有催化劑，所述催化劑以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于堇青石陶瓷球外部，所述!^e2O3. Co3O4. MnO2活性組分的中各組分的比例為1.5-2 1-2 1-2，所述堇青石蜂窩陶瓷內部設有封閉電加熱裝置4，加熱后的所述煤層氣中的O2與CH4在所述催化劑的作用下發生無明火反應，即可消耗掉煤層氣中含有的02。所述第三脫除器23的煤層氣進氣口與所述第一脫除器21的頂部剩余氣體出氣口相連通，并且其外部設有冷卻水循環裝置以控制反應速率。所述第三脫除器的目的是將從第一脫除器21漏過的化做進一步的吸收，或當第一脫除器21對&的吸附效率下降時作為補充設備完成操作。所述凈化除油裝置用于除去煤層氣中含有的微量油霧，避免煤層氣中所含的微量油霧污染后續的分離設備，所述凈化除油裝置包括為混合氣加壓的空壓機5，對混合氣進行緩沖以平衡系統壓力的混合氣儲氣罐6，以及混合氣凈化裝置7。所述混合氣凈化裝置7包括順次連接且過濾精度逐漸提升的粗過濾器、精過濾器和超精過濾器，分別設置于所述精過濾器和超精過濾器之前為混合氣體降溫的第一控溫器和第二控溫器，以及吸附油脂的活性炭脫除器，并將凈化后的混合氣收集入潔凈氣儲氣罐8，以進入下一級分離系統。所述CH4分離系統用于將煤層氣中的CH4與其他組分分離，所述CH4分離系統選用變壓吸附系統9進行CH4的分離，所述變壓吸附系統9包括順次連接的3-4個吸附塔、控制各個吸附塔之間管道內氣體流量的管道式氣動閥、排氣消音器以及實現分子篩解吸附得到
CH4產品的真空泵。所述產品集送系統用于輸送濃縮后的CH4并收集，所述產品集送系統包括無油螺桿壓縮機、產品存儲罐10、流量傳感器、壓力傳感器和產品濃度傳感器。該系統一方面向吸附塔提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣體，為吸附塔的變壓吸附提供最佳環境；另一方面向產品存儲罐輸送濃縮后的CH4產品；三是可以檢測CH4產品氣的流量、純度和壓力。利用上述煤層氣分離設備對煤層氣中的CH4氣進行分離提取的工藝流程為(1)原料氣預處理將煤層氣依次經過羅茨泵加壓進入高效除塵、除水、除硫設備中凈化，脫去氣體中大量的水蒸氣、灰塵和含硫物質。所選除塵設備為水幕或折返式水槽； 除硫設備為干式堿性催化劑濾罐或濕式硫酸銅水洗槽；除水設備為有機硅膠吸附和脫吸罐。使得煤層氣中僅含有02、隊、CH4和CO2等氣體。(2)脫除& 將凈化后的含有剩余氣體O2、隊、CH4、0)2等氣體的煤層氣從所述第一脫除器21底部的煤層氣進氣口通入所述第一脫除器21內，煤層氣中的O2與設置于所述第一脫除器21內的活性還原鐵發生反應脫除02，而其他成分無損失。由于所述多層濾網中所述活性還原鐵與所述活性氧化鋁的比例按從上至下的順序逐層遞增的薄床層結構，因此從底部進入的煤層氣有充分的時間與活性還原鐵接觸，并逐層得到高效吸附，因此可高效除去煤層氣中含有的O2，脫除A后的剩余煤層氣從所述第一脫除器21頂部的剩余氣體出氣口排出，進入所述第三脫除器。當其中一個所述第一脫除器內的所述活性還原鐵被O2氧化為氧化鐵而影響吸附效率時，停止通入煤層氣，同時啟動水煤氣生成罐，通過焦炭和水在高溫下反應生成水煤氣，并將其通入所述第一脫除器，可以實現活性還原鐵的再生，同時啟動其他第一脫除器21 完成連續的脫O2工作。由于在煤礦中焦炭很多，焦炭的采集工作很容易完成。(2")深層脫除& 將經過所述第一脫除器吸附去除&的煤層氣從所述第三脫除器23的煤層氣進氣口通入所述第三脫除器23內，所述煤層氣通過設置于所述第三脫除器 23內部的電加熱裝置4加熱至200-250°C，此時煤層氣中的仏與CH4在催化劑的作用下發生無明火反應，而煤層氣中的其他組分氣體并不參與反應，由于CH4與O2的燃燒反應比例為 1 2，因此可進一步完全除去煤層氣中含有的O2，而保留大部分的CH4氣，脫除O2后的剩余煤層氣從所述第三脫除器23的剩余氣體出氣口排出，進入所述凈化除油裝置。(3)凈化除油將脫除02后的煤層氣通過螺桿式空壓機5進行加壓，并輸送至混合氣儲氣罐6，采用混合氣儲氣罐6是為了對進氣進行緩沖，使壓力均衡，降低氣流脈沖，減小系統壓力波動，實現系統平穩用氣；混合氣儲氣罐6內的煤層氣進入混合氣凈化裝置進行凈化，以除去混合氣中的油，避免進入脫除器后會毒化分子篩，造成分子篩永久性失效；所述煤層氣通過粗過濾器除去大于1 μ m的微粒及大部分水，并進入第一控溫器將煤層氣降溫至5°C左右，使其中的水汽凝結成水，并將之分離排出系統；所述煤層氣再經過精過濾器濾去大于0. 01 μ m的顆粒及油水；利用第二控溫器使混合氣降至-10°C左右后進入所述超精過濾器濾去大于0. 001 μ m的油水，最后再經活性炭脫除器吸附剩余微量油霧；將凈化后的煤層氣通入潔凈氣儲氣罐8，以備進入CH4分離系統分離得到產品。(4)CH4分離將凈化后的煤層氣通入所述變壓吸附系統9，實現CH4氣與其他組分氣體的分離。所述變壓吸附系統9是利用壓力和分子篩對混合氣進行分離，為了使分離的甲烷氣有較高的濃度，吸附器內裝有對甲烷優先選擇的分子篩，所述分子篩選用孔徑為 0. 5nm的5A分子篩，25atm下于20_50°C工作，所述分子篩在760mm汞柱壓力下的隊分離率為1. 37。這是因為混合氣中甲烷所占比例較小，分子篩體積占反應器容積比例較大，使得反應器中剩余空間較小。反應器采用這種分子篩是以吸附甲烷為主，其余混合氣組分均作為富集氣連續排出吸附塔。完成作業的分子篩通過真空泵于0.5mm汞柱壓力下、20°C等溫解吸附，將吸附于分子篩孔穴內的CH4分子抽出來，實現吸附塔內分子篩的解吸附，而經分離后得到CH4氣產品。(5)產品運輸收集將分離得到的CH4產品無油螺桿壓縮機加壓濃縮，并輸送至產品存儲罐10收集，并通過流量傳感器、壓力傳感器、產品濃度傳感器檢測CH4產品氣的流量、壓力及濃度。同時部分產品氣被輸送至變壓吸附塔處提供產品氣，以清洗分子篩之間空隙中的不純氣，為吸附塔的吸附提供最佳環境。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種煤層氣分離系統，包括順次連接的壓縮凈化裝置(1)用于將所述煤層氣進行凈化壓縮預處理；O2脫除裝置用于脫除預處理后的煤層氣中的02，得到無A煤層氣；；凈化除油裝置用于除去無A煤層氣中含有的微量油霧；CH4分離系統用于將無A煤層氣中的CH4與其他組分分離；產品集送系統用于收集并輸送濃縮后的CH4 ；其特征在于所述O2脫除裝置包括填充有活性還原鐵的第一脫除器(21)，所述活性還原鐵附著于活性物質載體骨架的外表面，所述煤層氣中的A與設置于所述第一脫除器內的活性還原鐵發生反應，脫除其中的02。
2.根據權利要求1所述的煤層氣分離系統，其特征在于 所述活性物質為活性氧化鋁和/或活性炭。
3.根據權利要求2所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第一脫除器內設有多層濾網，所述活性還原鐵填充于所述多層濾網的各層處。
4.根據權利要求3所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述活性還原鐵與所述活性物質載體骨架的比例按從上至下的順序逐層遞增。
5.根據權利要求4所述的煤層氣分離系統，其特征在于 所述第一脫除器的外部設有冷卻水循環裝置。
6.根據權利要求5所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第一脫除器的煤層氣進氣口位于底部，剩余氣體出氣口位于頂部。
7.根據權利要求6所述的煤層氣分離系統，其特征在于 所述第一脫除器至少為并列連接的兩個。
8.根據權利要求7所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述O2脫除裝置還包括與所述第一脫除器相連通的水煤氣生成罐(3)，通過焦炭與水在高溫條件下生成水煤氣，用于所述活性還原鐵的再生，并通過控制閥控制與所述第一脫除器的連通及工作。
9.根據權利要求1-8任一所述的煤層氣分離系統，其特征在于 所述CH4分離系統為膜分離系統或變壓吸附系統(9)。
10.根據權利要求9所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述膜分離系統包括多級膜分離裝置，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產品。
11.根據權利要求9所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述變壓吸附系統(9)包括多個吸附塔和真空泵，所述吸附塔設有對CH4優先選擇的分子篩實現CH4同其他氣體的分離，所述真空泵用于分子篩的解吸附，得到CH4產品。
12.根據權利要求1-11任一所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述O2脫除裝置脫除裝置還包括連接于所述第一脫除器之后的第二脫除器02)； 所述第二脫除器0 內填充有含水硫代硫酸鈉，所述含水硫代硫酸鈉附著于活性物質載體骨架的外表面，所述經過第一脫除器的煤層氣中殘余的O2與硫代硫酸鈉反應，脫除其中的02。
13.根據權利要求12所述的煤層氣分離系統，其特征在于 所述活性物質為活性氧化鋁和/或活性炭。
14.根據權利要求13所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第二脫除器0 內設有多層濾網，所述含水硫代硫酸鈉設于所述多層濾網的各層處。
15.根據權利要求14所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第二脫除器0 的底端煤層氣進氣口與所述第一脫除器的頂端剩余氣體出氣口相連通。
16.根據權利要求12-15任一所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述O2脫除裝置還包括連接于所述第二脫除器0 之后的第三脫除器03)； 所述第三脫除器內設有催化劑，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，所述煤層氣中殘余的A與CH4發生無明火反應，完全除去煤層氣中所含的02。
17.根據權利要求1-11任一所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述O2脫除裝置脫除裝置還包括連接于所述第一脫除器0 之后的第三脫除器 (23)；所述第三脫除器內設有催化劑，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，所述煤層氣中殘余的A與部分CH4發生無明火反應，完全除去煤層氣中所含的02。
18.根據權利要求16或17所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述催化劑以狗203. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于堇青石材料載體外表面，所述煤層氣中殘余的A與部分CH4于200-250°C發生無明火反應。
19.根據權利要求16或17所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述催化劑以氧化銅、氧化鈰納米復合物或Au、Pt/Co304或鈀為活性組分，并涂覆于以活性氧化鋁和粘結劑粘結而成的骨架載體外表面，所述煤層氣中殘余的A與部分CH4于 500-600 °C發生無明火反應。
20.根據權利要求19所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第三脫除器內部設有加熱裝置G)，將所述煤層氣加熱至所需的反應溫度。
21.根據權利要求19所述的煤層氣分離系統，其特征在于所述第三脫除器的煤層氣進氣口處設有加熱裝置G)，將所述煤層氣加熱至所需的反應溫度。
22.一種煤層氣分離工藝，其特征在于，包括如下步驟(1)原料氣預處理將煤層氣凈化壓縮，去除煤層氣中含有的水蒸氣、灰塵和含硫物質；(2)脫除O2凈化后的煤層氣通入所述第一脫除器(21)，煤層氣中的&與設置于所述第一脫除器內的活性還原鐵發生反應，脫除其中的A而其他成分無損失；(3)凈化除油將脫除O2后的煤層氣進行凈化除油處理，去除煤層氣中含有的微粒、水及油霧；(4)CH4分離將凈化后的剩余煤層氣中的CH4分離；(5)產品運輸收集將分離得到的CH4收集并傳輸。
23.根據權利要求22所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟O)中，所述煤層氣從所述第一脫除器的底部煤層氣進氣口進入，并從頂部剩余氣體出氣口排出。
24.根據權利要求23所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟O)中，還包括所述活性還原鐵再生的步驟，通入水煤氣使得反應后的所述還原鐵得以再生利用。
25.根據權利要求22或23或M所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟(4)中，凈化后的剩余煤層氣通入所述變壓吸附系統，通過對CH4具有優先選擇性的分子篩的篩選實現CH4的分離，并通過真空泵加壓的方式實現CH4的解吸附，得到CH4
26.根據權利要求22或23或M所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟中，凈化后的剩余煤層氣通入所述膜分離系統，通過多級膜分離裝置的分離，利用煤層氣中不同組分的傳遞速度的差異實現各組分的逐級分離，得到CH4產品。
27.根據權利要求2216任一所述的煤層氣分離工藝，其特征在于在所述步驟( 之后、步驟C3)之前還包括將經過初步脫O2之后的所述煤層氣通入第二脫除器0 的步驟(2’)，所述煤層氣中剩余的O2與設置于所述第二脫除器0 內的活性硫代硫酸鈉發生反應，進一步脫除α而其他成分無損失。
28.根據權利要求27所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟(2’ )之后、步驟C3)之前還包括將經過進一步脫O2之后的所述煤層氣通入第三脫除器03)的步驟(2”)，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，殘余的O2與 014發生無明火反應，完全除去煤層氣中含有的02。
29.根據權利要求2216任一所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟( 之后、步驟C3)之前還包括將經過進一步脫氧之后的所述煤層氣通入第三脫除器的步驟O”)，所述煤層氣經加熱后在所述催化劑的作用下，殘余的O2與CH4 發生無明火反應，完全除去煤層氣中含有的02。
30.根據權利要求觀或四所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟O”)中，當所述第三脫除器03)內的所述催化劑為以!^e2O3. Co3O4. MnO2作為活性組分并涂覆于堇青石材料載體外表面的結構時，所述煤層氣加熱至200-25(TC發生反應。
31.根據權利要求28或四所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟O”)中，當所述第三脫除器內的所述催化劑為以氧化銅、氧化鈰納米復合物或Au、Pt/Co304或鈀為活性組分，并涂覆于以活性氧化鋁和粘結劑粘結而成的骨架載體的結構時，所述煤層氣加熱至500-600°C發生反應。
32.根據權利要求30或31所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟O”)中，所述煤層氣在所述第三脫除器中加熱至所需反應溫度。
33.根據權利要求30或31所述的煤層氣分離工藝，其特征在于所述步驟(2”)中，所述煤層氣在所述第三脫除器的煤層氣進氣口處加熱至所需反應溫度。
全文摘要
本發明屬于混合氣體的分離領域，具體涉及一種煤層氣尤其是含低CH4量煤層氣的分離系統及工藝。本發明所述的煤層氣分離系統包括壓縮凈化裝置、O2脫除裝置、凈化除油裝置、CH4分離系統和產品集送系統。所述煤層氣經過O2脫除裝置完全除去其中含有的O2，而最大限度的保留的煤層氣中的CH4，所述CH4分離系統選用變壓吸附系統或膜分離系統，不僅能夠將煤層氣中的各組分分離，而且能耗較低，不僅解決了煤層氣開采過程中的安全隱患，同時可以最大限度的利用煤層氣中含有的CH4。
文檔編號C10L3/10GK102321494SQ20111013609
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者丁琦洋, 魏厚瑗 申請人:北京惟泰安全設備有限公司