本發(fā)明屬于煤層氣處理領(lǐng)域，尤其涉及一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、煤層氣是一種以甲烷為主要成分的非常規(guī)天然氣，作為儲量豐富的清潔能源，其不僅具有極高的能源利用價值，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃料供給、發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動及化工原料合成等多個領(lǐng)域，還對煤礦安全生產(chǎn)有著至關(guān)重要的意義——通過開采利用煤層氣，能夠顯著降低煤礦井下瓦斯積聚引發(fā)的爆炸風(fēng)險，保障采礦作業(yè)的安全開展。
2、在煤層氣開采及利用過程中，存在大量甲烷含量≤10%的低濃度煤層氣。這類低濃度煤層氣若直接排放，不僅會造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)，其含有的甲烷作為強(qiáng)效溫室氣體，還會對生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響；同時，低濃度煤層氣中夾雜的氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾入s質(zhì)，也限制了其直接利用的可能性，因此亟需通過高效的分離提純技術(shù)，將其中的甲烷提取出來，實(shí)現(xiàn)能源的回收再利用。
3、目前，變壓吸附（psa）工藝憑借分離效率高、操作靈活便捷、運(yùn)行成本相對可控等突出優(yōu)勢，已成為煤層氣甲烷分離提純領(lǐng)域的主流技術(shù)之一，在高濃度煤層氣處理中得到了廣泛應(yīng)用。但現(xiàn)有的psa工藝應(yīng)用于低濃度煤層氣處理時，因低濃度煤層氣中氧氣含量相對較高，通常達(dá)到3%～8%，而psa分離過程需要特定的壓力環(huán)境作為支撐，必須通過壓縮機(jī)對低濃度煤層氣進(jìn)行加壓處理，在此加壓過程中，煤層氣中的氧分壓會隨之顯著升高，一旦氧分壓達(dá)到甲烷爆炸極限對應(yīng)的閾值，就極易引發(fā)劇烈的爆炸事故，給生產(chǎn)過程帶來嚴(yán)重的安全隱患。
4、同時，現(xiàn)有部分技術(shù)方案未對低濃度煤層氣中的氧氣進(jìn)行針對性脫除，無法從源頭降低氧分壓升高的風(fēng)險；另一部分方案則缺乏對各級壓縮過程中氧分壓的精準(zhǔn)控制手段，難以穩(wěn)定將氧分壓控制在安全范圍內(nèi)。這些缺陷導(dǎo)致低濃度煤層氣的psa處理始終被安全風(fēng)險所制約，無法實(shí)現(xiàn)甲烷的高效、穩(wěn)定分離提純，嚴(yán)重限制了psa工藝在低濃度煤層氣處理領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，也阻礙了低濃度煤層氣這一寶貴能源的資源化利用進(jìn)程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明目的在于提供一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法及其系統(tǒng),以解決現(xiàn)有低濃度煤層氣處理方法因加壓導(dǎo)致氧分壓升高易引發(fā)安全風(fēng)險且分離效率不足的技術(shù)問題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法及其系統(tǒng)的具體技術(shù)方案如下：
3、一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，包括以下步驟：
4、s1、一級初分：將低濃度煤層氣通入一級psa吸附塔，所述一級psa吸附塔內(nèi)填充吸附劑對氣體進(jìn)行初步分離，得到一級初分氣體；
5、s2、二級除氧：將一級初分氣體通入二級psa吸附塔，所述二級psa吸附塔內(nèi)填充金屬基材吸附劑對氣體中的氧氣進(jìn)行吸附，得到二級除氧氣體；
6、s3、三級精分：將二級除氧氣體通入三級psa吸附塔，所述三級psa吸附塔內(nèi)填充復(fù)合分子篩吸附劑去除氣體中雜志，得到高純度甲烷氣體。
7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，s1中采用的吸附劑為活性炭或分子篩吸附劑，所述一級psa吸附塔內(nèi)壓縮壓力為0.2～0.4mpa，壓縮后的氣體氧分壓≤5kpa。
8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，s2中所述金屬基材吸附劑吸附飽和后通過脫附再生實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，s2中所述金屬基材吸附劑的吸附溫度為20～40℃，吸附壓力為0.3～0.5mpa，所述金屬基材吸附劑吸附飽和后脫附再生方式為升溫脫附或降壓脫附，脫附溫度為100～150℃或脫附壓力為0.05～0.1mpa。
10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述三級psa吸附塔內(nèi)壓縮壓力為0.5～0.8mpa，壓縮后的氣體氧分壓≤3kpa。
11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述低濃度煤層氣中氧氣含量為3%～8%，甲烷含量為5%～15%。
12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，s3得到的高純度甲烷氣體中甲烷濃度≥95%。
13、一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的系統(tǒng)，用于上述低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，包括依次連接的一級psa吸附塔、二級psa吸附塔和三級psa吸附塔；
14、所述一級psa吸附塔內(nèi)填充活性炭或分子篩作為吸附劑，所述二級psa吸附塔內(nèi)填充金屬基材作為吸附劑，所述三級psa吸附塔內(nèi)填充復(fù)合分子篩作為吸附劑。
15、有益效果：
16、本發(fā)明方法采用三級psa分級處理邏輯，配套系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)置依次連接的三級psa吸附塔，形成針對性分離流程：一級psa吸附塔先對低濃度煤層氣進(jìn)行初步分離，為后續(xù)除氧奠定基礎(chǔ)；二級psa吸附塔專門填充金屬基材吸附劑，聚焦氣體中氧氣的定向吸附，從源頭減少氧氣帶來的安全隱患；三級psa吸附塔進(jìn)一步深度凈化，確保雜質(zhì)徹底脫除。三級流程層層遞進(jìn)、分工明確，有效解決了低濃度煤層氣因氧氣含量高導(dǎo)致的分離安全問題，保障工藝運(yùn)行安全性。
17、一級吸附塔采用通用吸附劑實(shí)現(xiàn)初步除雜，二級吸附塔以金屬基材吸附劑針對性脫除氧氣，三級吸附塔用復(fù)合分子篩吸附劑深度凈化殘留雜質(zhì)。吸附劑選型與分級處理流程高度適配，形成初步篩選、靶向脫除、深度提純的協(xié)同分離效應(yīng)，能夠高效分離低濃度煤層氣中的氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾入s質(zhì)，最終獲得高純度甲烷氣體，分離效率遠(yuǎn)超單一吸附或非分級處理方式。
18、本發(fā)明通過三級psa方法與專用系統(tǒng)的協(xié)同作用，能夠從低濃度煤層氣中高效分離提純甲烷，將原本難以直接利用的低品位能源轉(zhuǎn)化為高價值的甲烷產(chǎn)品，顯著提升了煤層氣資源的資源化利用率，避免了能源浪費(fèi)與溫室氣體排放。其核心設(shè)計既貼合低濃度煤層氣的組分特點(diǎn)，又通過精準(zhǔn)的流程與系統(tǒng)匹配實(shí)現(xiàn)了高效轉(zhuǎn)化，兼具環(huán)保意義與實(shí)際應(yīng)用價值，為低濃度煤層氣的合理利用提供了可靠方案。
1.一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，s1中采用的吸附劑為活性炭或分子篩吸附劑，所述一級psa吸附塔內(nèi)壓縮壓力為0.2～0.4mpa，壓縮后的氣體氧分壓≤5kpa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，s2中所述金屬基材吸附劑吸附飽和后通過脫附再生實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，s2中所述金屬基材吸附劑的吸附溫度為20～40℃，吸附壓力為0.3～0.5mpa，所述金屬基材吸附劑吸附飽和后脫附再生方式為升溫脫附或降壓脫附，脫附溫度為100～150℃或脫附壓力為0.05～0.1mpa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，所述三級psa吸附塔內(nèi)壓縮壓力為0.5～0.8mpa，壓縮后的氣體氧分壓≤3kpa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，所述低濃度煤層氣中氧氣含量為3%～8%，甲烷含量為5%～15%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，s3得到的高純度甲烷氣體中甲烷濃度≥95%。
8.一種低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的系統(tǒng)，用于權(quán)利要求1-7中任一所述低濃度煤層氣psa安全分離甲烷的方法，其特征在于，包括依次連接的一級psa吸附塔、二級psa吸附塔和三級psa吸附塔；