[发明专利]一种微量氢气无分馏定量富集系统及其富集方法

说明书

技术领域

本发明属于油气勘探领域中的地球化学分析，是对测试材料进行富集、浓缩，具体来说，本发明涉及对天然气中提取氢气并进行富集后进行分析的系统及其方法。

背景技术

油气成因属于油气勘探领域的基础性研究内容之一。在地球化学家们的努力之下，有机成因成为主导当今油气成因的主要理论。同时，油气成因研究中的有机-无机相互作用引起了越来越多的学者的重视。幔源富氢流体对有机质成烃的贡献已经通过模拟试验得到了证实。但如何确定氢气的幔源成因，成为该研究领域的瓶颈。氢气的稳定同位素组成研究，可以很好的判断氢气的成因。但是，由于油区生产井和幔源流体活动区中氢气的含量变化比较大，含量最低的仅有0.01％左右，而目前国内文献公开报道氢气同位素组成的氢气含量最低为0.38％，这是因为氢气浓度低于1％时，由于设备误差导致数值的可信度不高。因此，如何把天然气中浓度很低的氢气通过无同位素分馏富集起来，满足准确测试同位素组成的要求，成为技术关键。对氢气进行无分馏富集的技术尚未见文献报道。

目前，比较先进的技术有S.P.辛与A.马尔霍特拉2003年申报的中国发明专利“用于自热重整的氢气富集方案”，专利号：CN1323937C，其流程原理见图2.其工作原理为：天然气经管线系统201进入加热器203进行加热，随后经管线204进入热压喷射泵213，泵入自热重整器206，氧化气体经管线202进入加热器203后，经管线205进入重整器206，重整器206内利用水和天然气中的烃类气体在高温(约1000℃)条件下发生燃烧反应。产物含有部分水蒸气和大量氢气，以及部分烃类气体，经管线207进入废热锅炉208，将热量重新利用，含有的部分烃类气体经管线204冲进进入喷射泵213。水蒸汽与氢气的混合气体经管线209排出废热锅炉208。水经管线215重新进入喷射泵213重新利用，氢气经冷却泵210冷却后经管线211排除系统。

该技术存在的主要问题是：(1)处理过程中，引入氧化气体与烃类气体发生反应，将烃类气体中的氢原子变成氢气后，改变了原天然气中氢气的浓度和同位素组成；(2)处理过程中需要高温条件，对能耗要求比较高；(3)由于改变了原天然气中氢气的浓度和同位素组成，失去了原天然气中氢气的同位素地球化学意义。

Priscoe，Michae D于2002年申报的美国专利“Hydrogen to steam reforming of natural gas to synthesis gas”专利号：US6749829的工作原理如图3.天然气经进样口301进入预热器302预热后，经进样管路303进入高温反应器304，在催化剂305的催化下发生初步反应，形成的包含CO、H₂等还原性气体的产物经管路306进入整流反应器307中，氧化性气体经管路308进入整流反应器307发生反应后，产物经管路309和压缩机316压入氢气分离器315，分离出的氢气经管路317排出。整流反应器307中的废热经废热转化器310处理后输入到废热回收器311中重新利用。氢气分离器315中的废气经凝缩分离器314处理，水从管路318中排出，热气体经管路313进入冷却器312后进入废热回收器311重新利用。

该技术存在的主要问题是：(1)利用高温进行反应，能耗高；(2)反应器304内将烃类气体中的氢和水中的氢转化为H₂，改变了原来天然气中氢气的含量和同位素组成，失去了其原来包含的地化信息；(3)氢气富集的倍数未知。

Rytter，Erling等2001年申请的欧洲发明专利“Method and reactor for reformation of natural gas and simultaneous production of hydrogen”专利号：EP1441981的工作原理如图4所示。天然气经进样口402进入重整器401，与经氧气进样口403进入的氧化性气体首先在无催化剂燃烧器404中发生反应，生成含有CO和水蒸汽的气体产物，随后，这些气体进入催化剂舱405发生费-托反应，将烃类气体上的氢生成H₂，经过半透膜406，将气水分离，氢气经氢气排气口407排出，水蒸汽和其他气体经放气孔408排出系统。

该技术存在的主要问题为：(1)利用高温反应，能耗大；(2)发生的费-托反应将烃类气体上的氢原子转移出来形成H₂，改变了原来天然气中氢气的含量及其同位素组成，失去了天然气中氢气的地化意义；(3)天然气中原来氢气的富集倍数未知。