一種煤層氣水合物的製備及能量回收系統的製作方法

2023-10-29 02:28:07

一種煤層氣水合物的製備及能量回收系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種煤層氣水合物冷卻分離及能量回收裝置，包括煤層氣增壓泵、冷媒換熱器、尾氣冷量回收、未反應煤層氣冷量回收、水合物反應器、水合物分解器、飽和吸收液冷量回收、吸收液循環泵等。將煤層氣加壓、經過鹽水和液氮多級冷卻，從反應器底部通入煤層氣與從頂部噴霧進入的吸收液進行逆流接觸反應，飽和甲烷吸收漿液從反應器下部經過出料泵泵入分解器、該飽和吸收漿液與進入分解器的吸收液逆流間接熱交換，經過鹽水冷卻後重新泵入水合物反應器內，水合物分解器經過排氣閥排出的甲烷進入LNG生產系統。通過回收尾氣排放氣中的冷量、未反應煤層氣中的冷量和飽和吸收液中的冷量，從而大大降低了煤層氣水合物中提取甲烷的生產成本。
【專利說明】一種煤層氣水合物的製備及能量回收系統【技術領域】
[0001]本發明涉及一種煤層氣水合物分離甲烷及能量回收系統裝置，屬於煤層氣水合物製備及能量回收利用【技術領域】。
【背景技術】
[0002]我國擁有豐富的煤層氣資源，據估算埋深在2000m以內的煤層氣資源量約為30~35X1012m3。隨著技術發展和開採成本的降低，煤層氣開發正快速向規模化、產業化發展，逐漸形成年產200~300 X 108m3的生產能力。隨著煤層氣開發規模的不斷擴大，傳統工業技術直接影響著煤層氣產業鏈的形成，已成為煤層氣工業發展的瓶頸所在，應用新技術如水合物技術等對採出煤層氣進行處理與儲運，無疑會為煤層氣工業的發展注入新的生機在標準狀況下，Im3的甲烷水合物可攜帶150~170m3的甲烷氣。研究表明，甲烷水合物可在2~6MPa，O~20°C的條件下製備，常壓_15°C以上穩定儲存，加熱或降壓即可實現其分解。以固態形式出現的氣體儲運技術是完全不同於管道(氣態形式)輸送、液化(液態形式)技術的新型儲運技術，其溫和的儲氣條件和相對較高的儲氣能力使煤層氣的固態儲運方式成為可能，水合物的分解需要吸收大量熱量。據報導，挪威已成功地開發了在-15°C和常壓下以水合物狀態輸送天然氣的技術，成本較低溫(_160°C )液化輸送約減少26%。甲烷是一種強烈的溫室氣體，其溫室效應約為C02的21倍，在大氣環境中，甲烷對全球溫室效應的貢獻率高達18%，僅次於C02。世界煤炭開採活動每年排放的甲烷達360~580億m3，約佔全球甲烷排放量的5%~8%。我國煤層氣年排放量約為80~100億m3,約佔全球煤層氣排放量的1/4。1999年，在全國1000多座高瓦斯和瓦斯突出礦井中，僅有158座煤礦建立了煤層氣井下抽放系統和地面輸氣系統，年抽放煤層氣7.4億m3，全國平均井下煤層氣抽放率僅為23%。而由於缺乏利用設施和有效的利用途徑，煤層氣年利用量不到5億m3。另外，由於抽放管路與方法不合理，相當部分甲烷濃度低於30%的煤層氣因無工業應用價值、常規提純成本高而直接排放到大氣中，既造成環境汙染，又浪費資源。因此，利用水合物方法，對抽放煤層氣進行提純是一種可行的途徑，抽放系統流出的煤層氣經脫水後加壓，在反應器中低溫水合後，脫水冷凍成固體水合物，非水合氣體則由反應器中排出。煤層氣形成水合物的生成過程也就是除去非水合氣體的提純過程。以固態形式儲運煤層氣，具有安全性高、成本低等特點，有可能成為一種重要的氣體儲運方式。
[0003]煤層氣水合物是一種煤層氣中的甲烷與水反應生成的籠形化合物、氣體甲烷與液態水需要預先被冷卻至-5~15°C、在3MPa以上，水分子、主體分子、通過氫鍵作用、形成具有一定尺寸空穴的晶格主體，較小的氣體分子、客體分子，主要是甲烷CH4、包容在空穴中，從而形成外觀類似雪花或者冰的固態化合物，其密度為0.905~0.910g/cm3。標準狀況下，I體積典型的水合物包含164體積的甲烷，即甲烷體積被縮小164倍。
[0004]據估計，中國煤層氣儲量約為31.54萬億m3，被認為是最有前景的新能源之一。大量文獻報導了煤層氣水合物的合成、生成機理，在不含矽、鋁、鐵氧化物等條件下水合物的生成過程中，影響生成速率的因素，如壓力、溫度、過冷度、攪拌速率、氣液接觸界面面積、表面活性劑種類、添加量等；水合物誘導時間與過冷度的關係、如甲烷水合物靜態和動態條件下定容合成/分解過程，水合物合成過程中的誘導時間及生長速率等；水合物定容合成/分解過程中壓力-溫度變化曲線，過冷度對水合物晶體表面能的影響；在相同的壓力(3MPa)條件下，對比了溫度1°C和5°C時水合物合成實驗結果，過冷度對煤層氣中不同組分生成水合物的轉化率的影響；過冷度作為合成的驅動力對水合物的組分的影響；過冷度對甲烷水合物誘導時間的影響；推導了水合物在成核以後生成的動力學方程，引入了有效面積分率、壓力指數、過冷度校正參數，得到了氣水體系水合物生成的改進的動力學方程。但是對於煤層氣水合物在製備過程中的能量如冷(熱)量的平衡和回收，鮮有文獻報導。因此本發明專利旨在充分回收煤層氣水合物生產過程中的能量，降低水合物的生產成本，這對於煤層氣水合物的產業化具有重要意義

【發明內容】

[0005]本發明的一個目的在於為了解決煤層氣水合物提取甲烷時回收成本過高等問題，而提供一種煤層氣水合物回收甲烷系統，該回收裝置具有能量回收利用系統，它將煤層氣水合物反應器頂部排出的尾氣通過循環與初始進入的煤層氣進行逆流間接換熱，從而回收其冷量，達到降低煤層氣初始溫度的目的；將水合物反應器頂部排出的未完全反應的煤層氣通過循環與初始進入的煤層氣進行混合直接換熱，從而回收其冷量，並降低煤層氣初始溫度；將水合物反應器下端排出的甲烷飽和吸收液通過與來自分解器中的吸收液逆流間接接觸，從而回收飽和吸收液中的冷量，且達到降低循環吸收液溫度的目的。煤層氣通過三級冷卻，即預冷(循環氣冷量回收)、鹽水冷卻和液氮冷卻後，從水合物反應器底部氣體分布器進入反應器；反應器內反應熱通過冷卻盤管中的冷凍鹽水帶走，並控制溫度。反應器內冷卻盤管由銅金屬材料製備，金屬表面的低溫及導熱性，可加速水合物晶核的生長。
[0006]本發明的技術方案
[0007]煤層氣水合物甲烷分離及能量回收裝置，包括未吸收煤層氣循環管路、氣泵、換熱器、冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、氣體增加泵、冷媒(液氮)冷卻器、水合物反應器、水合物分解器、吸收液循環管路、吸收液儲槽、吸收液循環泵、換熱器、冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、吸收液循環泵、尾氣冷量回收循環管路、甲烷(高濃度)氣體排出閥、尾氣(含氮氣、氧氣等)排出閥、飽和吸收液回收冷量管路,水合物反應器內吸收液為含質量百分數15-30%的四氫呋喃水溶液。
[0008]所述的氣泵將0.1MPa、含甲烷30%的煤層氣增壓至0.3~0.4MPa，所述的換熱器將室溫至35°C的新鮮煤層氣與吸收尾氣進行間接接觸、通過熱交換回收吸收尾氣中0°C左右的低溫冷量、對新鮮煤層氣進行預冷；與循環的未反應的煤層氣(0°C左右)、進行直接接觸和混合、將新鮮的煤 層氣預冷並降低溫度；所述的換熱器冷媒為氯化鈣冷凍鹽水，將煤層氣冷卻至0°C左右；所述的氣體增加泵將0.3~0.4MPa的煤層氣增壓至0.7~0.8MPa;所述的液氮冷卻器將煤層氣從(TC降低至_25°C，增加過冷度；所述的水合物反應器目的在於提供足夠的煤層氣中甲烷氣體與吸收液之間的氣液接觸面積，以便加快水合物生成速度；水合物反應器中的反應熱通過塔內冷卻盤管中的冷凍鹽水移除，吸收液主要為10-15%的四氫呋喃水溶液，吸收液通過塔頂噴霧進入反應器，與通過塔底氣體分布器逆流而上的甲烷接觸，氣液相界面發生質量和熱量傳遞，反應熱通過冷卻盤管內的冷凍鹽水移除；氣相中的甲烷通過氣液界面進入液相、經過誘導期、成核期、晶體生長期，生成的甲烷水合物、從反應器下端被排出，通過管路進入分解器，塔頂未反應的氧氣和氮氣及少量甲烷通過換熱器回收冷量後排出，水合物反應器頂部出料中含較高甲烷氣體時，通過循環管路返回進料端，與新鮮煤層氣進行直接混合，回收循環氣中的冷量；所述管路為甲烷飽和吸收液通過換熱器回收冷量，進入分解器，水合物通過25~30°C熱水分解，頂部甲烷通過排出閥進入LNG ；從分解器解析的吸收液通過儲槽，經過循環泵被泵入換熱器，與甲烷飽和吸收液進行熱交換，再進入冷卻器通過冷凍鹽水冷卻後，被循環泵打入水合物反應器，從塔頂噴霧進入反應器；新鮮的吸收液通過冷卻器及液體循環泵被補充至水合物反應器。
[0009]本發明所公開的煤層氣水合物製備及能量回收:將30%左右的煤層氣製備成水合物，主要能量消耗有:1、將煤層氣壓力從常壓增壓至約0.7~0.8MPa,氣體增壓泵功率消耗所需的能量。2、將煤層氣從室溫及35°C用冷媒(循環尾氣、循環未反應的煤層氣)先冷卻、再用冷凍鹽、液氮降溫至_25°C所需的熱負荷；3、煤層氣水合物液體噴霧動力消耗、氣液反應生成熱的移出、需供應的熱負荷；4、將甲烷吸收液從室溫至35°C降溫至O~:TC所需的熱負荷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為煤層氣水合物分離及能力回收系統流程示意圖(實施例)，其中110為未吸收煤層氣循環管路、I為氣泵、2為換熱器、3為冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、4為氣泵、5為冷媒(液氮)冷卻器、6為水合物反應器、7為水合物分解器、111為吸收液循環管路、8為吸收液儲槽、9為吸收液循環泵、10為換熱器、11為冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、12為吸收液循環泵、112為尾氣冷量回收循環管路、13為甲烷(高濃度)氣體排出閥、14為尾氣(含氮氣、氧氣等)排出閥、113為飽和吸收液回收冷量管路，15、16為冷卻器，17為氣泵，18為熱媒，19為冷媒，20為飽和吸收液出料泵，21為吸收液噴嘴。
【具體實施方式】
[0011]本發明的實施例中 所用的冷凍鹽水為氨製冷壓縮機系統的氯化鈣鹽水，製冷劑為液氨；本發明使用的液氮用於煤層氣氣體冷卻，目的是加大氣體過冷度，促進氣液相水合反應速度；
[0012]實施例1
[0013]圖1為煤層氣水合物分離及能力回收系統流程示意圖(實施例)，其中110為未吸收煤層氣循環管路、I為氣泵、2為換熱器、3為冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、4為氣泵、5為冷媒(液氮)冷卻器、6為水合物反應器、7為水合物分解器、111為吸收液循環管路、8為吸收液儲槽(吸收液為含質量百分數15-30%的四氫呋喃水溶液)。9為吸收液循環泵、10為換熱器、11為冷媒(冷凍鹽水)冷卻器、12為吸收液循環泵、112為尾氣冷量回收循環管路、13為甲烷(高濃度)氣體排出閥、14為尾氣(含氮氣、氧氣等)排出閥、113為飽和吸收液回收冷量管路，15、16為冷卻器，17為氣泵，18為熱媒，19為冷媒，20為飽和吸收液出料泵，21為吸收液噴嘴。
[0014]所述的氣泵I將0.1MPa、含甲烷30%的煤層氣增壓至0.3~0.4MPa，所述的換熱器2是將室溫至40°C的新鮮煤層氣與吸收尾氣112進行間接接觸、通過熱交換回收吸收尾氣中(TC左右的低溫冷量、對新鮮煤層氣進行預冷、熱交換；或者與循環的煤層氣110為(TC左右、進行直接接觸、混合、將新鮮的煤層氣預冷、降低溫度；所述的換熱器3為氯化鈣冷凍鹽水冷卻器，將煤層氣冷卻至(TC左右；所述的氣泵4將0.3~0.4MPa的煤層氣增壓至0.7~
0.SMPa;所述的液氮冷卻器將煤層氣從(TC降低至_25°C，增加過冷度；所述的水合反應器6目的在於提供足夠的煤層氣中甲烷氣體與吸收液之間的接觸面積，以便加快水合物生成速度；水合反應器6中的反應熱通過塔內冷卻盤管中的冷凍鹽水移除，吸收液通過塔頂噴霧進入反應器，與通過塔底氣體分布器逆流而上的甲烷接觸，氣液相界面發生質量和熱量傳遞，通過冷卻盤管內的冷凍鹽水將反應熱量移除；氣相中的甲烷進入液相、經過誘導期、成核期、晶體生長期、生成固體水合物、通過管路113進入分解器7，塔頂未反應的氧氣和氮氣及少量甲烷通過換熱器2回收冷量後排出，水合反應器6塔頂出料中含較高甲烷氣體時，通過循環管路HO返回進料端，與新鮮煤層氣進行直接混合回收循環氣中的冷量；所述管路113為甲烷飽和吸收液通過換熱器10回收冷量，進入分解器7通過25~30°C熱水分解水合物，甲烷通過排出閥 13進入LNG ;從分解器7解析的吸收液通過儲槽8，經過循環泵9被泵如換熱器10，與甲烷飽和吸收液進行熱交換，再進入冷卻器11通過冷凍鹽水冷卻後，被循環泵打入水合反應器6塔頂；新鮮的吸收液通過冷卻器11及循環泵12被補充至水合反應器6。
【權利要求】
1.一種煤層氣水合物中甲烷及能量回收系統，其特徵在於包括水合物生成及其甲烷提取裝置、水合物反應器頂部經排氣閥排出的未反應煤層氣循環及冷量回收、水合物反應器頂部排出的尾氣冷量回收、水合物反應器下端經過出料閥排出的飽和吸收液冷量回收、水合物反應器內金屬冷卻盤管冷卻系統。
2.根據權利要求1所述水合物生成及其甲烷提取裝置包括氣泵、多級冷媒換熱器、氣體增壓泵、水合物反應器、水合物分解器、吸收液循環泵、吸收液冷卻器。
3.根據權利要求2所述的氣泵，其特徵為將煤層氣從常壓加壓至0.3~0.4MPa並以循環水冷卻。所述多級冷媒換熱器，其特徵為I)採用低溫循環煤層氣為冷媒、2)採用低溫尾氣排放氣為冷媒、3)採用冷凍鹽水為冷媒、4)採用液氮為冷媒，分別對進入水合物反應器的煤層氣進行多級冷卻，從25°C~35°C~100°C冷卻至0°C至_25°C。所述氣體增壓泵，其特徵為將煤層氣從0.3~0.4MPa增壓至0.8~1.0MPa並以循環水冷卻，對因氣體加壓導致的溫度升高進行降溫。
4.根據權利要求3所述水合物反應器，其特徵為反應器頂部側面經過排氣閥有尾氣排出口及煤層氣循環氣排出返回口，反應器底部側面有吸收液排出口，反應器底部有煤層氣進口氣體分布器，反應器頂部有吸收液進口噴嘴。所述水合物反應器內吸收液為含質量百分數15 - 30%的四氫呋喃水溶液。
5.根據權利要求4所述的水合物反應器頂部未反應煤層氣經過排氣閥排出進行冷量回收，其特徵在於直接與進料煤層氣進行混合、將冷量傳遞給進料煤層氣。從水合物反應器生成的飽和甲烷吸收液從下部經過出料閥經過吸收液循環泵及吸收液換熱器後、泵入水合物分解器。
6.根據權利要求5所述的水合物反應器頂部經過排氣閥排出的尾氣冷量回收裝置，其特徵在於該尾氣間接與初始煤層氣進行接觸、將冷量透過換熱器器壁傳導至初始進口煤層氣。所述水合物分解器內分解的甲烷從分解器上部經排氣閥排出後進入LNG生產系統。
7.根據權利要求6所述的水合物反應器下端經過出料閥排出的飽和吸收液進入冷量回收裝置，其特徵在於該導出的吸收液與從分解器解析甲烷後的吸收液進行間接接觸、將冷量通過換熱器器壁傳導至循環(被解析的)吸收液。
8.根據權利要求7所述的水合物反應器內金屬冷卻盤管冷卻裝置，其特徵在於從冷卻盤管下方流進冷凍鹽水、從上方流出冷凍鹽水，反應器內反應液的溫度控制在O~:TC以內，以便移除反應熱，反應器內冷卻盤管由銅金屬材料製備，金屬表面的低溫及導熱性，可加速水合物晶核的生長。
【文檔編號】C10L3/08GK103881775SQ201410134600
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】魯伊恆, 陳穎, 馬雙春, 馮文權, 魏風 申請人:安徽理工大學