一種混空煤層氣中甲烷的分離方法及其系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種混空煤層氣中甲烷的分離方法及其系統(tǒng)，屬于化工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤層氣（Coal Bed Methane，簡(jiǎn)稱CBM)，又稱煤礦瓦斯或礦井瓦斯，產(chǎn)生于成煤過(guò) 程，主要以吸附狀態(tài)賦存于煤層中，是一種以甲烷為主要成分的非常規(guī)天然氣資源。
[0003] 目前，開(kāi)采煤層氣的主要方式為地面鉆井和井下抽采。地面鉆井技術(shù)在國(guó)外煤層 氣的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用比較多，而中國(guó)地質(zhì)情況復(fù)雜，大部分煤層的透氣性比較差，受技術(shù)以及地 質(zhì)條件的制約，當(dāng)前中國(guó)煤層氣的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用比較多的還是井下抽采技術(shù)。采用直接鉆 井技術(shù)得到的煤層氣中甲烷含量一般大于90 %，與常規(guī)的天然氣組成相近，可直接利用已 經(jīng)比較成熟的天然氣預(yù)處理工藝加工凈化，然后直接液化儲(chǔ)運(yùn)或加壓后通入天然氣管網(wǎng)。 采用井下抽采技術(shù)得到的煤層氣一般都會(huì)混入空氣，甲烷含量比較低（通常體積分?jǐn)?shù)在 30% -80% )，目前只有很少部分的井下抽采煤層氣得到了有效利用，大部分被直接排入大 氣中，造成了很大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。
[0004] 近年來(lái)許多研究者對(duì)混空煤層氣中甲烷的分離和回收進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)有用 于分離混空煤層氣中甲烷的方法有低溫深冷分離法、膜分離法、變壓吸附分離法和水合物 分離法。然而上述方法卻存在不同的缺陷，制約了混空煤層氣中甲烷的回收。
[0005] 低溫深冷分離技術(shù)是利用煤層氣中各組分的沸點(diǎn)不同，采用低溫精餾和液化的方 式將各組分分離。該分離技術(shù)要求在一 150°C左右進(jìn)行操作，能耗較高，因?yàn)榛炜彰簩託庵?含氧，需要首先進(jìn)行脫氧，存在爆炸的危險(xiǎn)；膜分離技術(shù)是根據(jù)混合氣的各組分在一定壓差 下透過(guò)膜的傳遞速率不同而實(shí)現(xiàn)的。但是，目前所研制的膜材料對(duì)煤層氣中的主要組分ch 4 和n2的分離效果不佳，同時(shí)也存在爆炸的危險(xiǎn)；變壓吸附分離技術(shù)是利用吸附劑在一定溫 度和壓力下對(duì)混合氣中各組分吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，變壓吸附分 離H 2、隊(duì)和02等技術(shù)在世界范圍內(nèi)都已普遍使用，但目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有使用變壓吸附分離 法分離混空煤層氣的工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例。
[0006] 上述三種分離技術(shù)均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的主要原因在于混空煤層氣極易爆炸，不能保 證分離過(guò)程的安全。水合物分離法是一種新的分離低沸點(diǎn)混合氣體的分離技術(shù)，原理是根 據(jù)不同氣體形成水合物的難易程度，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體中各組分的分離?，F(xiàn)有水合物分離 法能夠使混空煤層氣的分離在水飽和的環(huán)境下進(jìn)行，但是因?yàn)樗衔锏姆蛛x需要在一定的 壓力下進(jìn)行，前期對(duì)混空煤層氣實(shí)施壓縮升壓過(guò)程中同樣存在爆炸的危險(xiǎn)同樣難以采用。
[0007] 因此，如何研究出一種新的分離方法，實(shí)現(xiàn)混空煤層氣中甲烷的分離和利用，很有 必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種混空煤層氣中甲烷的分離方法及其系 統(tǒng)，該方法不需要現(xiàn)有水合物分離法分離混空煤層氣中甲烷需要對(duì)混空煤層氣壓縮升壓的 步驟，避免了混空煤層氣壓縮過(guò)程和高壓流動(dòng)過(guò)程爆炸的危險(xiǎn)，具有操作安全、實(shí)際工業(yè)應(yīng) 用可行性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 本發(fā)明提供了一種混空煤層氣中甲烷的分離方法，包括使混空煤層氣發(fā)生水合反 應(yīng)，并收集甲烷富氣的過(guò)程，其中，
[0010] 實(shí)現(xiàn)水合反應(yīng)的水合反應(yīng)器具有以下結(jié)構(gòu)：水合反應(yīng)器腔體沿水合物工作液流動(dòng) 方向具有入口段、喉管段和穩(wěn)定段，且喉管段的流通面積均小于入口段和穩(wěn)定段的流通面 積，該水合反應(yīng)器腔體對(duì)應(yīng)于喉管段的側(cè)壁開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口；
[0011] 所述分離方法包括：將水合物工作液從入口段送入所述水合反應(yīng)器中，使混空煤 層氣通過(guò)進(jìn)氣口與水合反應(yīng)器連通，利用流經(jīng)喉管段的水合物工作液產(chǎn)生的吸力將待分離 混空煤層氣吸入水合反應(yīng)器，并使二者在流至穩(wěn)定段過(guò)程中被混合而發(fā)生水合反應(yīng)，生成 水合物漿液和甲烷貧氣；
[0012] 將所述水合物漿液和甲烷貧氣送入水合物分離器，使所述甲烷貧氣從水合物分離 器的頂部出口排出而被收集，將所述水合物漿液經(jīng)水合物分離器的底部出口送入水合物化 解器實(shí)施化解，分離并收集甲烷富氣，化解出的脫除氣體的水合物工作液供水合反應(yīng)循環(huán) 使用。
[0013] 上述混空煤層氣中甲烷的分離方法，主要利用了流體力學(xué)的原理，利用水合物工 作液在水合反應(yīng)器中的不同位置的流動(dòng)與壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了混空煤層氣的吸入、自 升壓以及水合分離的過(guò)程。具體表現(xiàn)在：將水合物工作液從水合反應(yīng)器的入口段注入，當(dāng)其 到達(dá)水合反應(yīng)器的喉管段時(shí)，由于流通截面積急劇縮小，從而使其流速突然增大，使水合反 應(yīng)器內(nèi)的靜壓快速降低，在壓力差的作用下，混空煤層氣被吸入了水合反應(yīng)器中與水合物 工作液混合，當(dāng)混空煤層氣與水合物工作液到達(dá)水合反應(yīng)器的穩(wěn)定段時(shí)，由于流通截面積 的擴(kuò)大，從而使流體的靜壓升高，當(dāng)流體的靜壓大于水合物的生成壓力時(shí)，混空煤層氣中的 甲烷與水合物工作液發(fā)生水合反應(yīng)，形成水合物漿液，而混空煤層氣中所含空氣的一部分 氣相得到富集形成甲烷貧氣。
[0014] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，使水合物工作液進(jìn)入水合反應(yīng)器時(shí)的溫度為 4-15°C，壓力為0. 6-5. IMPa。該溫度和壓力下的水合物工作液更有利于在其流經(jīng)喉管段形 成壓力差，從而有利于混空煤層氣被吸入氣體水合反應(yīng)器的穩(wěn)定段，使之與水合物工作液 進(jìn)行水合反應(yīng)，形成水合物漿液。
[0015] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，所述水合反應(yīng)器的入口段的管道內(nèi)徑為15-50mm，所 述喉管段的內(nèi)徑與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為〇. 05-0. 5,所述進(jìn)氣口的直徑與所述喉管 段的內(nèi)徑比值為0.2-0. 5 ;
[0016] 所述入口段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為1-3,所述喉管段長(zhǎng)度與所述 喉管段的內(nèi)徑比值為1-2. 5,所述穩(wěn)定段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為3-5。
[0017] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，所述水合物分離器的操作溫度為4_15°C，操作壓力 為0. 6-5. IMPa。在水合物分離器中控制上述操作溫度和操作壓力可以使水合物漿液和混空 煤層氣中的空氣盡可能的分離完全，實(shí)現(xiàn)氣相和液相的分離。
[0018] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，所述水合物化解器的操作溫度為8_23°C，操作壓力 為0. 1-2. IMPa。在水合物化解器中控制上述操作溫度和壓力可以使水合物漿液盡可能的完 全化解得到甲烷富氣和脫除氣體的水合物工作液，實(shí)現(xiàn)混空煤層氣中甲烷和空氣的分離。
[0019] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，待分離混空煤層氣被吸入水合反應(yīng)器前的壓力小于 0. 6MPa〇
[0020] 本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述混空煤層氣中甲烷的分離方法的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括水 合物工作液儲(chǔ)罐、水合反應(yīng)器、水合物分離器、水合物化解器、加熱器和/或減壓閥；
[0021] 其中，水合反應(yīng)器腔體沿水合物工作液流動(dòng)方向具有入口段、喉管段和穩(wěn)定段，且 喉管段的流通面積均小于入口段和穩(wěn)定段的流通面積，該水合反應(yīng)器腔體對(duì)應(yīng)于喉管段的 側(cè)壁開(kāi)設(shè)有進(jìn)氣口；
[0022] 所述水合物工作液儲(chǔ)罐設(shè)有入口和出口，所述水合物工作液儲(chǔ)罐的出口與所述水 合反應(yīng)器的入口段連通；
[0023] 所述水合反應(yīng)器穩(wěn)定段設(shè)有用于排出水合物漿液和甲烷貧氣的出口，其與所述水 合物分離器的入口連通，所述水合物分離器的頂部設(shè)有甲烷貧氣排放口，底部設(shè)有水合物 漿液出口；
[0024] 所述水合物分離器的水合物漿液出口與水合物化解器的入口連通，且二者間設(shè)置 有加熱器和/或減壓閥，所述水合物化解器的脫除氣體的水合物工作液出口與所述水合物 工作液儲(chǔ)罐的入口連通。
[0025] 在上述系統(tǒng)中，所述水合反應(yīng)器的入口段的管道內(nèi)徑為15_50mm，所述喉管段的內(nèi) 徑與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為〇. 05-0. 5,所述進(jìn)氣口的直徑與所述喉管段的內(nèi)徑比值 為 0· 2-0. 5 ;
[0026] 所述入口段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為1-3,所述喉管段長(zhǎng)度與所述 喉管段的內(nèi)徑比值為1-2. 5,所述穩(wěn)定段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為3-5。
[0027] 本發(fā)明提供的混空煤層氣中甲烷的分離方法，采用了構(gòu)造改良的水合反應(yīng)器，巧 妙地借助水合反應(yīng)器中流通面積改變提供混空煤層氣所需要的水合條件（水合生成壓 力），即，在利用水合物工作液流過(guò)喉管段所產(chǎn)生的壓力降（甚至達(dá)到局部真空）將混空 煤層氣吸入水合反應(yīng)器后，并在流向穩(wěn)定段過(guò)程中由于壓力增大以及二者在壓力驅(qū)動(dòng)下的 充分混合而促使混空煤層氣中的甲烷盡可能全部發(fā)生水合，達(dá)到分離甲烷的目的。相比于 目前對(duì)混空煤層氣進(jìn)行分離的工藝，本發(fā)明的分離方法不需要對(duì)待分離的混空煤層氣進(jìn)行 壓縮升壓，不僅省去了壓縮設(shè)備的投入，大幅降低了能耗，水合反應(yīng)時(shí)也無(wú)需額外的攪拌機(jī) 構(gòu)，而且對(duì)操作空間及操作工序的要求都顯著降低，實(shí)現(xiàn)了混空煤層氣中甲烷的分離，為該 技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了可能。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是本發(fā)明分離混空煤層氣中甲烷的工藝流程圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明分離混空煤層氣中甲烷系統(tǒng)中的水合反應(yīng)器。
[0030] 附圖標(biāo)記：
[0031] 1-水合物工作液儲(chǔ)罐；2-水合反應(yīng)器；3-水合物分離器；4-水合物化解器；5-高 壓泵；6