[发明专利]一种煤层气水合物的制备及能量回收系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤层气水合物分离甲烷及能量回收系统装置，属于煤层气水合物制备及能量回收利用技术领域。

背景技术

我国拥有丰富的煤层气资源,据估算埋深在2000m以内的煤层气资源量约为30～35×10¹²m³。随着技术发展和开采成本的降低,煤层气开发正快速向规模化、产业化发展,逐渐形成年产200～300×10⁸m³的生产能力。随着煤层气开发规模的不断扩大,传统工业技术直接影响着煤层气产业链的形成,已成为煤层气工业发展的瓶颈所在,应用新技术如水合物技术等对采出煤层气进行处理与储运,无疑会为煤层气工业的发展注入新的生机在标准状况下,1m³的甲烷水合物可携带150～170m³的甲烷气。研究表明,甲烷水合物可在2～6MPa,0～20℃的条件下制备,常压-15℃以上稳定储存,加热或降压即可实现其分解。以固态形式出现的气体储运技术是完全不同于管道(气态形式)输送、液化(液态形式)技术的新型储运技术,其温和的储气条件和相对较高的储气能力使煤层气的固态储运方式成为可能，水合物的分解需要吸收大量热量。据报道,挪威已成功地开发了在-15℃和常压下以水合物状态输送天然气的技术,成本较低温(-160℃)液化输送约减少26%。甲烷是一种强烈的温室气体,其温室效应约为CO2的21倍,在大气环境中,甲烷对全球温室效应的贡献率高达18%,仅次于CO2。世界煤炭开采活动每年排放的甲烷达360～580亿m³,约占全球甲烷排放量的5%～8%。我国煤层气年排放量约为80～100亿m³,约占全球煤层气排放量的1/4。1999年，在全国1000多座高瓦斯和瓦斯突出矿井中,仅有158座煤矿建立了煤层气井下抽放系统和地面输气系统,年抽放煤层气7.4亿m³,全国平均井下煤层气抽放率仅为23%。而由于缺乏利用设施和有效的利用途径,煤层气年利用量不到5亿m³。另外,由于抽放管路与方法不合理,相当部分甲烷浓度低于30%的煤层气因无工业应用价值、常规提纯成本高而直接排放到大气中,既造成环境污染,又浪费资源。因此,利用水合物方法,对抽放煤层气进行提纯是一种可行的途径,抽放系统流出的煤层气经脱水后加压,在反应器中低温水合后,脱水冷冻成固体水合物,非水合气体则由反应器中排出。煤层气形成水合物的生成过程也就是除去非水合气体的提纯过程。以固态形式储运煤层气,具有安全性高、成本低等特点,有可能成为一种重要的气体储运方式。

煤层气水合物是一种煤层气中的甲烷与水反应生成的笼形化合物、气体甲烷与液态水需要预先被冷却至-5～15℃、在3MPa以上，水分子、主体分子、通过氢键作用、形成具有一定尺寸空穴的晶格主体,较小的气体分子、客体分子,主要是甲烷CH₄、包容在空穴中,从而形成外观类似雪花或者冰的固态化合物,其密度为0.905～0.910g/cm³。标准状况下,1体积典型的水合物包含164体积的甲烷，即甲烷体积被缩小164倍。

据估计,中国煤层气储量约为31.54万亿m³,被认为是最有前景的新能源之一。大量文献报导了煤层气水合物的合成、生成机理，在不含硅、铝、铁氧化物等条件下水合物的生成过程中,影响生成速率的因素,如压力、温度、过冷度、搅拌速率、气液接触界面面积、表面活性剂种类、添加量等；水合物诱导时间与过冷度的关系、如甲烷水合物静态和动态条件下定容合成/分解过程,水合物合成过程中的诱导时间及生长速率等；水合物定容合成/分解过程中压力-温度变化曲线,过冷度对水合物晶体表面能的影响；在相同的压力(3MPa)条件下,对比了温度1℃和5℃时水合物合成实验结果,过冷度对煤层气中不同组分生成水合物的转化率的影响；过冷度作为合成的驱动力对水合物的组分的影响；过冷度对甲烷水合物诱导时间的影响；推导了水合物在成核以后生成的动力学方程,引入了有效面积分率、压力指数、过冷度校正参数,得到了气水体系水合物生成的改进的动力学方程。但是对于煤层气水合物在制备过程中的能量如冷(热)量的平衡和回收，鲜有文献报导。因此本发明专利旨在充分回收煤层气水合物生产过程中的能量，降低水合物的生产成本，这对于煤层气水合物的产业化具有重要意义

发明内容