CN102225745B - 一种低质煤层气制备发电燃气的工艺 - Google Patents

一种低质煤层气制备发电燃气的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低质煤层气制备发电燃气的工艺，将脱硫后的煤层气与水蒸气进行混合，然后加热到一定温度后，在较低的压力(0.05MPa-0.4MPa)和高空速(6000～20000h-1)下，低质煤层气在蜂窝状整型催化剂的床层发生部分氧化和水蒸汽重整反应，生成CO和H2，得到以CH4、CO、H2和H2O为主要组分的高温混合气体；然后利用该高温气体进行蒸汽发电或产生蒸汽利用热量，再冷却，压缩，预热，通入燃气或内燃发电机进行发电，最后对燃气排气蒸汽发电或产生蒸汽而回收热量，经过处理后的煤层气中的氧气含量小于0.2％，可以压缩和预热，最后总的发电效率大约可以提高5～10％，同时提高了安全性。

Description

一种低质煤层气制备发电燃气的工艺
技术领域
本发明涉及含氧的富甲烷气制备燃气技术领域，特别涉及低质煤层气制备发电燃气的方法。
背景技术
煤层气，俗称瓦斯，其主要成分是CH4(甲烷)，与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2～5倍，主要成分为甲烷。1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤层气空气浓度达到5％～16％时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。
我国有比较丰富的煤炭资源，与之伴生的煤层气的规模也就十分巨大。
目前，我国煤层气大部分的甲烷含量比较低，一般情况下CH4平均体积分数为25％～70％，含氧量为3％～12％，同时含有一定硫化物，这样的煤层气我们称为低质煤层气，这种低质煤层气的利用，通常做法是直接把这种煤层气作为民用燃料或发电的燃料。但因煤层气中还有较多的氧气，为了安全考虑，大规模煤层气发电利用的发电机一般要求煤层气中的甲烷的浓度比较高而氧气含量低，否则有出现爆炸的危险，也就对煤层气的要求比较高；另外，由于原始的低质煤层气中含有较多的氧气，如果输送到发电机时被压缩和预热，也可能发生爆炸，有严重安全隐患，所以原始的低质煤层气作为发电燃气时不能被压缩和预热，发电效率较低，能源利用率较低，不利于节能环保。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全可靠，且可以使用不同甲烷浓度的煤层气进行发电的工艺。
本发明采用的技术方案是这样的：一种低质煤层气制备发电燃气的工艺，包括如下步骤：在0.05MPa～0.4MPa压力下，向经过脱硫后的煤层气中加入水蒸汽，进行混合后，预热到300～400℃，再通入装有催化剂的绝热反应器中，进行甲烷部分氧化和甲烷的水蒸汽重整反应，产生蒸汽或利用蒸汽发电机发电回收混合气的热量，再对混合气依次进行冷却、脱水、压缩和预热，最后进入内燃机或燃气发电机组进行发电。
作为优选：加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.2～1.0∶1。
作为优选：所述催化剂载体的主要组分为Al2O3和SiO2，活性组分为Mn、Ni、Co中的一种或多种，活性组分以氧化物形式存在于催化剂中，且所述催化剂为蜂窝状整型催化剂。
作为优选：所述载体和活性组分氧化物的质量分数比分别为70％～94％和5％～20％。
更进一步的：所述蜂窝状整型催化剂的孔密度是7～62孔/平方厘米。
作为优选：所述反应器中的操作空速为6000～20000h-1。
其中，在蜂窝状整型催化剂床层，甲烷与氧发生部分氧化反应，达到除氧的目的，而甲烷与水蒸汽的重整反应吸收部分热量，控制床层的温升。该工艺中的主要化学方程式是：
CH4+1.5O2→CO+2H2O        (1)
CH4+H2O→CO+3H2           (2)
CO+H2O→CO2+H2            (3)
甲烷与氧气发生催化部分氧化反应(1)是放热反应，而甲烷水蒸汽重整反应(2)是吸热反应，因此不需要气体循环就可以控制反应的温度不至于升高太多而导致结碳，造成催化剂失活。
由于上述蜂窝状催化剂床层的外表面积大，催化剂床层的压降小，因此可以采用很高的气空速6000～20000h-1，较低的操作压力0.05MPa～0.4MPa。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：与现有发电技术比较，本工艺的优点主要有：
由于采用的是蜂窝状整体型催化剂，可以采用低的操作压力，提高安全性；蜂窝状整体型催化剂床层的压降小，减少了压缩功的损失；操作的空速高，缩小了设备尺寸，减少设备投资。
由于加入了的水蒸汽量，煤层气中的惰性组分含量较多，再预热就不存在发生爆炸的危险，提高了脱氧过程的安全性。
由于经过蜂窝状整型催化剂后，混合气中的氧气含量小于0.2％，可以对发电燃气进行压缩，并利用低位热源预热发电燃气，因此总的发电效率可以提高5～10％。
另外，经过试验发现，经过本工艺处理后的煤层气中甲烷体积分数大于25％即可用于发电，并能达到较高的发电效率。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
按照图1所示工艺流程，压力为0.05MPa，把原料气低质煤层气和水蒸汽混合后预热到350℃，加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为1.0。其中低质煤层气中各组分的体积分数分别为CH4占25％，N2占60％，O2占15％。然后加入到装有蜂窝状整体催化剂的绝热反应器中，蜂窝状整型催化剂的孔密度是62孔/平方厘米，干气空速为6000h-1，在催化剂床层经过部分氧化反应和水蒸气重整反应后，氧气的体积分数小于0.2％。因此该气体就不存在爆炸的任何危险，可以被压缩到具有较高的压力和预热，能够利用低温热源，提高后工序的发电效率。
反应后各组分的体积分数分别为CH4占0.008％，CO占4.90％，CO2占12.00％，N2占40.06％，H2占42.44％，出口气体的温度为664℃，出口气体压力大于0.045MPa。
实施例2
按照图1所示工艺流程，压力为0.2MPa，把原料气低质煤层气和水蒸汽混合后预热到360℃，加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.4。其中低质煤层气中各组分的体积分数分别为CH4占40％，N2占48％，O2占12％。然后加入到装有蜂窝状整体催化剂的绝热反应器中，蜂窝状整型催化剂的孔密度是50孔/平方厘米，蜂窝状整型催化剂的孔密度是40孔/平方厘米，干气空速为10000h-1，在催化剂床层经过部分氧化反应和水蒸气重整反应后，氧气的体积分数小于0.2％。
反应后各组分的体积分数分别为CH4占12.44％，CO占6.32％，CO2占9.11％，N2占33.44％，H2占38.69％，出口气体的温度为604℃，出口气体压力大于0.195MPa。
实施例3
按照图1所示工艺流程，压力为0.3MPa，把原料气低质煤层气和水蒸汽混合后预热到370℃，加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.5。其中低质煤层气中各组分的体积分数分别为CH4占50％，N2占40％，O2占10％。然后加入到装有蜂窝状整体催化剂的绝热反应器中，蜂窝状整型催化剂的孔密度是20孔/平方厘米，干气空速为8000h-1，在催化剂床层经过部分氧化反应和水蒸气重整反应后，氧气的体积分数小于0.2％。
反应后各组分的体积分数分别为CH4占23.22％，CO占3.50％，CO2占9.65％，N2占29.10％，H2占34.53％，出口气体的温度为581℃，出口气体压力大于0.295MPa。
实施例4
按照图1所示工艺流程，压力为0.4MPa，把原料气低质煤层气和水蒸汽混合后预热到390℃，加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.4。其中低质煤层气中各组分的体积分数分别为CH4占60％，N2占32％，O2占8％。然后加入到装有蜂窝状整体催化剂的绝热反应器中，蜂窝状整型催化剂的孔密度是7孔/平方厘米，干气空速为8000h-1，在催化剂床层经过部分氧化反应和水蒸气重整反应后，氧气的体积分数小于0.2％。
反应后各组分的体积分数分别为CH4占33.60％，CO占2.34％，CO2占7.70％，N2占23.28％，H2占26.18％，出口气体的温度为585℃，出口气体压力大于0.395MPa。
实施例5
按照图1所示工艺流程，压力为0.4MPa，把原料气低质煤层气和水蒸汽混合后预热到400℃，加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.2。其中低质煤层气中各组分的体积分数分别为CH4占70％，N2占24％，O2占6％。然后加入到装有蜂窝状整体催化剂的绝热反应器中，蜂窝状整型催化剂的孔密度是20孔/平方厘米，干气空速为20000h-1，在催化剂床层经过部分氧化反应和水蒸气重整反应后，氧气的体积分数小于0.2％。
反应后各组分的体积分数分别为CH4占11.39％，CO占21.79％，CO2占4.86％，N2占3.26％，H2占58.70％，出口气体的温度为600℃，出口气体压力大于0.385MP。
实施例6
上述实施例所采用的蜂窝状整型催化剂，其制备过程通过包括下述主要步骤的方法制备：
(1)、高温煅烧制得载体：将工业原料的Al2O3和SiO2(Al2O3与SiO2的质量比为1∶2)在球磨机内混合，磨料时间20小时；通过掺杂4％的聚乙烯醇，5％植物油，20％的水，混合均匀后陈腐40小时，挤出蜂窝状整型载体，根据需要，整型出蜂窝状载体的孔密度为7～62孔/平方厘米；将载体在1400℃下煅烧2小时。
(2)、浸渍活性组分：载体煅烧完成后，用浸渍方法引入活性组分，具体方法如下：
将载体放入硝酸镍、硝酸锰和硝酸镁的混合溶液中进行浸渍，溶液总浓度为1mol/l，硝酸镍和硝酸锰物质量之比为4∶1，其中浸渍溶液体积量与载体堆积体积比大于2∶1，浸渍温度为30℃，浸渍时间4小时；
(3)、加热分解：浸渍结束后，放入分解炉中加热分解，分解温度为300℃，分解1小时。最终浸渍法使得到活性组分氧化镍和氧化的质量分数为5％，氧化镁的质量分数为1％，即制得所述的低质煤层气催化燃烧及催化转化双功能催化剂。
必要时，还可进行第二次浸渍活性组分和第二次加热分解，方法同分别同上述(2)步浸渍活性组分的方法和(3)步加热分解的方法，制得所述的蜂窝状整型催化剂。

Claims (4)

1.一种低质煤层气制备发电燃气的工艺，其特征在于：包括如下步骤:在0.05MPa～0.4MPa压力下，向经过脱硫后的煤层气中加入水蒸汽，进行混合后，预热到300～400℃，再通入装有催化剂的绝热反应器中，进行甲烷部分氧化和甲烷的水蒸汽重整反应，产生蒸汽或利用蒸汽发电机发电回收混合气的热量，再对混合气依次进行冷却、脱水、压缩和预热，最后进入内燃机或燃气发电机组进行发电；
所述催化剂载体主要组分为Al2O3和SiO2，活性组分以氧化物形式存在于催化剂中，且所述催化剂为蜂窝状整型催化剂，其制备过程通过包括下述主要步骤的方法制备：
（1）、高温煅烧制得载体：将工业原料的Al2O3和SiO2，Al2O3与SiO2的质量比为1:2，在球磨机内混合，磨料时间20小时；通过掺杂4%的聚乙烯醇，5%植物油，20%的水，混合均匀后陈腐40小时，挤出蜂窝状整型载体，根据需要，整型出蜂窝状载体的孔密度为7～62孔/平方厘米；将载体在1400℃下煅烧2小时；
（2）、浸渍活性组分：载体煅烧完成后，用浸渍方法引入活性组分，具体方法如下：
将载体放入硝酸镍、硝酸锰和硝酸镁的混合溶液中进行浸渍，溶液总浓度为1mol/l，硝酸镍和硝酸锰物质量之比为4:1，其中浸渍溶液体积量与载体堆积体积比大于2:1，浸渍温度为30℃，浸渍时间4小时；
（3）、加热分解：浸渍结束后，放入分解炉中加热分解，分解温度为300℃，分解1小时；最终浸渍法使得到活性组分氧化镍和氧化锰的质量分数为5%，氧化镁的质量分数为1%，即制得所述的低质煤层气催化燃烧及催化转化双功能催化剂。
2.根据权利要求1所述的低质煤层气制备发电燃气的工艺，其特征在于：加入的水蒸汽与低质煤层气的物质的量之比为0.2～1.0:1。
3.根据权利要求1或2所述的低质煤层气制备发电燃气的工艺，其特征在于：进行第二次浸渍活性组分和第二次加热分解，方法分别同权利要求1(2)步浸渍活性组分的方法和(3)步加热分解的方法，制得所述的蜂窝状整型催化剂。
4.根据权利要求1所述的低质煤层气制备发电燃气的工艺，其特征在于：所述反应器中的操作空速为6000～20000h-1。
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