CN105498648B - 一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法 - Google Patents

一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，该水合反应器具有以下结构：水合反应器腔体沿水合物工作液流动方向具有缩径段、喉管段、扩大段、稳定段，且喉管段的流通面积均小于缩径段、扩大段和稳定段的流通面积，该水合反应器腔体对应于喉管段的侧壁开设有进气口。本发明提供的水合反应器运用了流体力学原理，利用水合物工作液在该反应器中不同位置的流动与压力的变化规律，实现了混空煤层气的吸入、自升压以及水合分离的过程，避免了混空煤层气升压和加压输送过程中爆炸的危险性，具有操作安全、实际工业应用可行性强的优点。

Description

一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的 方法
技术领域
本发明涉及一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，属于化工技术领域。
背景技术
煤层气(Coal Bed Methane，简称CBM)，又称煤矿瓦斯或矿井瓦斯，产生于成煤过程，主要以吸附状态赋存于煤层中，是一种以甲烷为主要成分的非常规天然气资源。
目前，开采煤层气的主要方式为地面钻井和井下抽采。地面钻井技术在国外煤层气的开发中应用比较多，而中国地质情况复杂，大部分煤层的透气性比较差，受技术以及地质条件的制约，当前中国煤层气的开发中应用比较多的还是井下抽采技术。采用直接钻井技术得到的煤层气中甲烷含量一般大于90％，与常规的天然气组成相近，可直接利用已经比较成熟的天然气预处理工艺加工净化，然后直接液化储运或加压后通入天然气管网。采用井下抽采技术得到的煤层气一般都会混入空气，甲烷含量比较低(通常体积分数在30％-80％)，目前只有很少部分的井下抽采煤层气得到了有效利用，大部分被直接排入大气中，造成了很大的资源浪费和环境污染。
近年来，许多研究者对混空煤层气中甲烷的分离进行了大量的研究，现有用于分离混空煤层气中甲烷的方法有低温深冷分离法、膜分离法、变压吸附分离法和水合物分离法。然而上述方法却存在不同的缺陷，制约了混空煤层器中甲烷的分离。
低温深冷分离法是利用煤层气中各组分的沸点不同，采用低温精馏和液化的方式将各组分分离。该分离法要求在－150℃左右进行操作，能耗较高，因为混空煤层气中含氧，需要首先进行脱氧，存在爆炸的危险；膜分离法是根据混合气的各组分在一定压差下透过膜的传递速率不同而实现的。但是，目前所研制的膜材料对煤层气中的主要组分CH4和N2的分离效果不佳，同时也存在爆炸的危险；变压吸附分离法是利用吸附剂在一定温度和压力下对混合气中各组分吸附能力的差异而实现的。经过几十年的发展，变压吸附分离H2、N2和O2等技术在世界范围内都已普遍使用，但目前在国内还没有使用变压吸附分离法分离混空煤层气的工业应用的实例。
上述三种分离技术均未实现工业化的主要原因在于混空煤层气极易爆炸，不能保证分离过程的安全。水合物分离法是一种新的分离低沸点混合气体的分离技术，该技术是根据不同气体形成水合物的难易程度，从而实现混合气体中各组分的分离。现有水合物分离法能够使混空煤层气的分离在水饱和的环境下进行，但是因为水合物的分离需要在一定的压力下进行，前期对混空煤层气实施压缩升压处理同样存在爆炸的危险。
因此，如何避免水合物分离法前期对混空煤层气实施压缩处理所带来的危险，同时又能实现对混空煤层气中甲烷的分离，一直是人们要亟待解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于，提供一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，该水合反应器运用了流体力学原理，利用水合物工作液在该反应器中不同位置的流动与压力的变化规律，实现了混空煤层气的吸入、自升压以及水合分离的过程，去掉了现有水合分离法分离混空煤层气中甲烷需要对混空煤层气进行压缩升压的步骤，避免了混空煤层气升压和加压输送过程中爆炸的危险性，具有操作安全、实际工业应用可行性强的优点。
本发明提供了一种水合反应器，所述水合反应器具有以下结构：
水合反应器腔体沿水合物工作液流动方向具有缩径段、喉管段、扩大段、稳定段，且喉管段的流通面积均小于缩径段、扩大段和稳定段的流通面积，该水合反应器腔体对应于喉管段的侧壁开设有进气口。
在上述水合反应器中，所述缩径段入口的管道内径为15-50mm，所述喉管段的内径与所述缩径段入口的管道内径比值为0.05-0.5，所述进气口的直径与所述喉管段的内径比值为0.2-0.5；
所述缩径段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-3，所述喉管段的长度与所述喉管段的内径比值为1-2.5，所述扩大段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-2，所述稳定段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为3-5。
本发明还提供了一种利用上述水合反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，包括以下步骤：
将水合物工作液从缩径段送入所述水合反应器中，使混空煤层气通过进气口与水合反应器连通，利用流经喉管段的水合物工作液产生的吸力将待分离混空煤层气吸入水合反应器，并使二者在流至扩大段过程中被混合而发生水合反应，生成水合物浆液和甲烷贫气；在扩大段未完全反应的混空煤层气和水合物工作液进入稳定段中进一步完成水合反应；
将所述水合物浆液和甲烷贫气送入水合物分离器，使所述甲烷贫气从水合物分离器的顶部出口排出而被收集，将所述水合物浆液经水合物分离器的底部出口送入水合物化解器实施化解，分离并收集甲烷富气，化解出的脱除气体的水合物工作液，返回水合物工作液储罐供水合反应循环使用。
上述混空煤层气中甲烷的分离方法，主要运用了流体力学的原理，利用水合物工作液在水合反应器中的不同位置的流动与压力的变化规律，实现了混空煤层气的吸入、自升压以及水合分离的过程。具体表现在：将水合物工作液从水合反应器的缩径段注入，由于缩颈段流通截面积的减小，水合物工作液的流速不断增加，当到达水合反应器的喉管段时，流速达到最大，使水合反应器内的静压最低，在压力差的作用下，混空煤层气被吸入了水合反应器中与水合物工作液混合，当混空煤层气与水合物工作液到达水合反应器的扩大段时，由于流通截面积的扩大，从而使流体的静压升高，当流体的静压大于水合物的生成压力时，混空煤层气中的甲烷与水合物工作液发生水合反应，形成水合物浆液，在扩大段未完全发生水合反应的混空煤层气和水合物工作液，则进入稳定段中进一步完成水合反应，而混空煤层气中所含空气的一部分气相得到富集形成甲烷贫气。
在本发明的具体实施方式中，使水合物工作液进入水合反应器时的温度为4-15℃，压力为0.6-5.1MPa。该温度和压力下的水合物工作液更有利于在其流经喉管段形成压力差，从而有利于混空煤层气被吸入水合反应器的稳定段，使之与水合物工作液进行水合反应，形成水合物浆液。
在本发明的具体实施方式中，所述水合物分离器的操作温度为4-15℃，操作压力为0.6-5.1MPa。在水合物分离器中控制上述操作温度和操作压力可以使水合物浆液和混空煤层气中的空气尽可能的分离完全，实现气相和液相的分离。
在本发明的具体实施方式中，所述水合物化解器的操作温度为8-23℃，操作压力为0.1-2.1MPa。在水合物化解器中控制上述操作温度和压力可以使水合物浆液尽可能的完全化解得到甲烷富气和脱除气体的水合物工作液，实现混空煤层气中甲烷和空气的分离。
在本发明的具体实施方式中，待分离混空煤层气被吸入水合反应器前的压力小于0.6MPa。
本发明提供的水合反应器运用了流体力学原理，利用水合物工作液在该反应器中不同位置的流动与压力的变化规律，实现了混空煤层气的吸入、自升压以及水合分离的过程，去掉了现有水合分离法分离混空煤层气中甲烷需要对混空煤层气进行压缩升压的步骤，避免了混空煤层气升压和加压输送过程中爆炸的危险，具有操作安全、实际工业应用可行性强的优点。
附图说明
图1是本发明水合反应器的示意图。
图2是利用本发明水合反应器分离混空煤层气中甲烷的工艺流程图。
附图标记：
1-水合物工作液储罐；2-水合反应器；3-水合物分离器；4-水合物化解器；5-高压泵；6-冷却器；7-加热器；8-减压阀；9-水合物工作液；10-混空煤层气；
01-缩径段；02-喉管段；03-扩大段；04-稳定段；05-进气口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的水合反应器具有以下结构：水合反应器腔体沿水合物工作液流动方向具有缩径段01、喉管段02、扩大段03、稳定段04，且喉管段02的流通面积均小于缩径段01、扩大段03和稳定段04的流通面积，该水合反应器腔体对应于喉管段02的侧壁开设有进气口05。
进一步地，缩径段01入口的管道内径为15-50mm，喉管段02的内径与缩径段01入口的管道内径比值为0.05-0.5，进气口05的直径与喉管段02的内径比值为0.2-0.5；
缩径段01的长度与缩径段01入口的管道内径比值为1-3，喉管段02的长度与喉管段02的内径比值为1-2.5，扩大段03的长度与缩径段01入口的管道内径比值为1-2，稳定段04的长度与缩径段01入口的管道内径比值为3-5。
利用如图1所示的水合反应器分离混空煤层气中的甲烷，其具体分离方法结合图2进行说明：
将水合物工作液储罐1中的水合物工作液9经高压泵5和冷却器6后，从缩径段01送入水合反应器2中，使水合物工作液9进入水合反应器2时的温度为4-15℃，压力为0.6-5.1MPa。使混空煤层气10通过进气口05与水合反应器2连通，待分离混空煤层气10被吸入水合反应器2前的压力小于0.6MPa，利用流经喉管段02的水合物工作液9产生的吸力将待分离混空煤层气10吸入水合反应器2，并使二者在流至扩大段03过程中被混合而发生水合反应，生成水合物浆液和甲烷贫气；在扩大段03未完全反应的混空煤层气10和水合物工作液9进入稳定段04中进一步完成水合反应；
将水合物浆液和甲烷贫气送入水合物分离器3，水合物分离器3的操作温度为4-15℃，操作压力为0.6-5.1Mpa，使所述甲烷贫气从水合物分离器3的顶部出口排出而被收集，将水合物浆液经水合物分离器3的底部出口，经加热器7和减压阀8后送入水合物化解器4实施化解，水合物化解器4的操作温度为8-23℃，操作压力为0.1-2.1Mpa，分离并收集甲烷富气，化解出的脱除气体的水合物工作液，返回水合物工作液储罐1中供水合反应循环使用。
在本发明中，水合物工作液的选择可以根据混空煤层气中甲烷浓度的高低而选择，可以是四丁基溴化铵或者四丁基氟化铵的水溶液，也可以是添加了能够提高水合物生成速度的其它的化学物质，这些物质的加入与否和浓度的高低均不影响本发明的技术方案。
实施例
水合物工作液为四丁基溴化铵(英文缩写：TBAB)，其浓度为10wt％；
混空煤层气的组成如下表1所示：
表1 混空煤层气的组成
组成 CH4 空气(O2、N2)
含量，mol％ 37.52 62.48
采用如图1所示的水合反应器分离混空煤层气中的甲烷，其具体分离方法请参照上述分离方法的说明，涉及的工艺参数如下：
1)混空煤层气的压力为0.5MPa。
2)水合物工作液进入水合反应器的水合物工作液的温度为8℃，压力为3.0MPa。
3)水合物工作液经过水合反应器的喉管时的压力为0.4MPa。
4)水合物工作液与混空煤层气中的甲烷形成的流体在水合反应器的稳定段的压力为2.5MPa。
5)水合物分离器的操作温度为9℃，操作压力为2.4MPa。
6)水合物化解器的操作温度为10℃，操作压力为0.2MPa。
经图2的工艺流程分离得到的甲烷贫气和甲烷富气的组成，如下表2所示：
表2 甲烷富气和甲烷贫气的组成
组成 CH4 空气(O2、N2)
甲烷富气的含量，mol％ 65.277 36.218
甲烷贫气的含量，mol％ 13.751 86.249
由表2所示，甲烷富气中甲烷的摩尔分率为65.277mol/L，甲烷的回收率达到了80％，该结果表明：上述水合物分离法能够有效将混空煤层气中甲烷进行分离。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种水合反应器，其特征在于，所述水合反应器具有以下结构：
水合反应器腔体沿水合物工作液流动方向具有缩径段、喉管段、扩大段、稳定段，且喉管段的流通面积均小于缩径段、扩大段和稳定段的流通面积，该水合反应器腔体对应于喉管段的侧壁开设有进气口；
所述缩径段入口的管道内径为15-50mm，所述喉管段的内径与所述缩径段入口的管道内径比值为0.05-0.5，所述进气口的直径与所述喉管段的内径比值为0.2-0.5；
所述缩径段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-3，所述喉管段的长度与所述喉管段的内径比值为1-2.5，所述扩大段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-2，所述稳定段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为3-5。
2.一种利用权利要求1所述的水合反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将水合物工作液从缩径段送入所述水合反应器中，使混空煤层气通过进气口与水合反应器连通，利用流经喉管段的水合物工作液产生的吸力将待分离混空煤层气吸入水合反应器，并使二者在流至扩大段过程中被混合而发生水合反应，生成水合物浆液和甲烷贫气；在扩大段未完全反应的混空煤层气和水合物工作液进入稳定段中进一步完成水合反应；
将所述水合物浆液和甲烷贫气送入水合物分离器，使所述甲烷贫气从水合物分离器的顶部出口排出而被收集，将所述水合物浆液经水合物分离器的底部出口送入水合物化解器实施化解，分离并收集甲烷富气，化解出的脱除气体的水合物工作液，返回水合物工作液储罐供水合反应循环使用；
所述缩径段入口的管道内径为15-50mm，所述喉管段的内径与所述缩径段入口的管道内径比值为0.05-0.5，所述进气口的直径与所述喉管段的内径比值为0.2-0.5；
所述缩径段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-3，所述喉管段的长度与所述喉管段的内径比值为1-2.5，所述扩大段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为1-2，所述稳定段的长度与所述缩径段入口的管道内径比值为3-5。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使水合物工作液进入水合反应器时的温度为4-15℃，压力为0.6-5.1MPa。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水合物分离器的操作温度为4-15℃，操作压力为0.6-5.1MPa。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水合物化解器的操作温度为8-23℃，操作压力为0.1-2.1MPa。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，待分离混空煤层气被吸入水合反应器前的压力小于0.6MPa。
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