一種水合反應(yīng)器及利用該反應(yīng)器分離混空煤層氣中甲烷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水合反應(yīng)器及利用該反應(yīng)器分離混空煤層氣中甲焼的方法，屬于 化工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤層氣（CoalBedMethane,簡(jiǎn)稱CBM)，又稱煤礦瓦斯或礦井瓦斯，產(chǎn)生于成煤過(guò) 程，主要W吸附狀態(tài)賦存于煤層中，是一種W甲焼為主要成分的非常規(guī)天然氣資源。
[0003]目前，開采煤層氣的主要方式為地面鉆井和井下抽采。地面鉆井技術(shù)在國(guó)外煤層 氣的開發(fā)中應(yīng)用比較多，而中國(guó)地質(zhì)情況復(fù)雜，大部分煤層的透氣性比較差，受技術(shù)W及地 質(zhì)條件的制約，當(dāng)前中國(guó)煤層氣的開發(fā)中應(yīng)用比較多的還是井下抽采技術(shù)。采用直接鉆 井技術(shù)得到的煤層氣中甲焼含量一般大于90 %，與常規(guī)的天然氣組成相近，可直接利用已 經(jīng)比較成熟的天然氣預(yù)處理工藝加工凈化，然后直接液化儲(chǔ)運(yùn)或加壓后通入天然氣管網(wǎng)。 采用井下抽采技術(shù)得到的煤層氣一般都會(huì)混入空氣，甲焼含量比較低（通常體積分?jǐn)?shù)在 30% -80% )，目前只有很少部分的井下抽采煤層氣得到了有效利用，大部分被直接排入大 氣中，造成了很大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。
[0004]近年來(lái)，許多研究者對(duì)混空煤層氣中甲焼的分離進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)有用于分 離混空煤層氣中甲焼的方法有低溫深冷分離法、膜分離法、變壓吸附分離法和水合物分離 法。然而上述方法卻存在不同的缺陷，制約了混空煤層器中甲焼的分離。
[0005] 低溫深冷分離法是利用煤層氣中各組分的沸點(diǎn)不同，采用低溫精傭和液化的方式 將各組分分離。該分離法要求在一15(TC左右進(jìn)行操作，能耗較高，因?yàn)榛炜彰簩託庵泻酰?需要首先進(jìn)行脫氧，存在爆炸的危險(xiǎn)；膜分離法是根據(jù)混合氣的各組分在一定壓差下透過(guò) 膜的傳遞速率不同而實(shí)現(xiàn)的。但是，目前所研制的膜材料對(duì)煤層氣中的主要組分邸4和成 的分離效果不佳，同時(shí)也存在爆炸的危險(xiǎn)；變壓吸附分離法是利用吸附劑在一定溫度和壓 力下對(duì)混合氣中各組分吸附能力的差異而實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，變壓吸附分離&、成 和〇2等技術(shù)在世界范圍內(nèi)都已普遍使用，但目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有使用變壓吸附分離法分離混 空煤層氣的工業(yè)應(yīng)用的實(shí)例。
[0006] 上述H種分離技術(shù)均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的主要原因在于混空煤層氣極易爆炸，不能保 證分離過(guò)程的安全。水合物分離法是一種新的分離低沸點(diǎn)混合氣體的分離技術(shù)，該技術(shù)是 根據(jù)不同氣體形成水合物的難易程度，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體中各組分的分離。現(xiàn)有水合物分 離法能夠使混空煤層氣的分離在水飽和的環(huán)境下進(jìn)行，但是因?yàn)樗衔锏姆蛛x需要在一定 的壓力下進(jìn)行，前期對(duì)混空煤層氣實(shí)施壓縮升壓處理同樣存在爆炸的危險(xiǎn)。
[0007] 因此，如何避免水合物分離法前期對(duì)混空煤層氣實(shí)施壓縮處理所帶來(lái)的危險(xiǎn)，同 時(shí)又能實(shí)現(xiàn)對(duì)混空煤層氣中甲焼的分離，一直是人們要亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種水合反應(yīng)器及利用該反應(yīng)器分離混空煤 層氣中甲焼的方法，該水合反應(yīng)器運(yùn)用了流體力學(xué)原理，利用水合物工作液在該反應(yīng)器中 不同位置的流動(dòng)與壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了混空煤層氣的吸入、自升壓W及水合分離的過(guò) 程，去掉了現(xiàn)有水合分離法分離混空煤層氣中甲焼需要對(duì)混空煤層氣進(jìn)行壓縮升壓的步 驟，避免了混空煤層氣壓縮和加壓輸送過(guò)程中爆炸的危險(xiǎn)，具有操作安全、實(shí)際工業(yè)應(yīng)用可 行性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 本發(fā)明提供了一種水合反應(yīng)器，所述水合反應(yīng)器具有W下結(jié)構(gòu)：
[0010] 水合反應(yīng)器腔體沿水合物工作液流動(dòng)方向具有入口段、喉管段和穩(wěn)定段，且喉管 段的流通面積均小于入口段和穩(wěn)定段的流通面積，該水合反應(yīng)器腔體對(duì)應(yīng)于喉管段的側(cè)壁 開設(shè)有進(jìn)氣口。
[0011] 在上述水合反應(yīng)器中，所述水合反應(yīng)器的入口段的管道內(nèi)徑為15-50mm，所述喉管 段的內(nèi)徑與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為0. 05-0. 5,所述進(jìn)氣口的直徑與所述喉管段的內(nèi) 徑比值為0. 2-0. 5 ;
[0012] 所述入口段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為1-3,所述喉管段長(zhǎng)度與所述 喉管段的內(nèi)徑比值為1-2. 5,所述穩(wěn)定段的長(zhǎng)度與所述入口段的管道內(nèi)徑比值為3-5。
[0013] 本發(fā)明還提供了一種利用上述水合反應(yīng)器分離混空煤層氣中甲焼的方法，包括W 下步驟：
[0014] 將水合物工作液從入口段送入所述水合反應(yīng)器中，使混空煤層氣通過(guò)進(jìn)氣口與水 合反應(yīng)器連通，利用流經(jīng)喉管段的水合物工作液產(chǎn)生的吸力將待分離混空煤層氣吸入水合 反應(yīng)器，并使二者在流至穩(wěn)定段過(guò)程中被混合而發(fā)生水合反應(yīng)，生成水合物漿液和甲焼貧 氣；
[0015] 將所述水合物漿液和甲焼貧氣送入水合物分離器，使所述甲焼貧氣從水合物分離 器的頂部出口排出而被收集，將所述水合物漿液經(jīng)水合物分離器的底部出口送入水合物化 解器實(shí)施化解，分離并收集甲焼富氣，化解出的脫除氣體的水合物工作液，返回水合物工作 液儲(chǔ)罐供水合反應(yīng)循環(huán)使用。
[0016] 上述混空煤層氣中甲焼的分離方法，主要利用了流體力學(xué)的原理，利用水合物工 作液在水合反應(yīng)器中的不同位置的流動(dòng)與壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了混空煤層氣的吸入、自 升壓W及水合分離的過(guò)程。具體表現(xiàn)在：將水合物工作液從水合反應(yīng)器的入口段注入，當(dāng)其 到達(dá)水合反應(yīng)器的喉管段時(shí)，由于流通截面積急劇縮小，從而使其流速突然增大，使水合反 應(yīng)器內(nèi)的靜壓快速降低，在壓力差的作用下，混空煤層氣被吸入了水合反應(yīng)器中與水合物 工作液混合，當(dāng)混空煤層氣與水合物工作液到達(dá)水合反應(yīng)器的穩(wěn)定段時(shí)，由于流通截面積 的擴(kuò)大，從而使流體的靜壓升高，當(dāng)流體的靜壓大于水合物的生成壓力時(shí)，混空煤層氣中的 甲焼與水合物工作液發(fā)生水合反應(yīng)，形成水合物漿液，而混空煤層氣中所含空氣的一部分 氣相得到富集形成甲焼貧氣。
[0017] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，使水合物工作液進(jìn)入水合反應(yīng)器時(shí)的溫度為 4-15C，壓力為0. 6-5.IMPa。該溫度和壓力下的水合物工作液更有利于在其流經(jīng)喉管段形 成壓力差，從而有利于混空煤層氣被吸入水合反應(yīng)器的穩(wěn)定段，使之與水合物工作液進(jìn)行 水合反應(yīng)，形成水合物漿液。
[0018] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，所述水合物分離器的操作溫度為4-15°C，操作壓力 為0. 6-5.IMPa。在水合物分離器中控制上述操作溫度和操作壓力可W使水合物漿液和混空 煤層氣中的空氣盡可能的分離完全，實(shí)現(xiàn)氣相和液相的分離。
[0019] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，所述水合物化解器的操作溫度為8-23°C，操作壓力 為0. 1-2.IMPa。在水合物化解器中控制上述操作溫度和壓力可W使水合物漿液盡可能的完 全化解得到甲焼富氣和脫除氣體的水合物工作液，實(shí)現(xiàn)混空煤層氣中甲焼和空氣的分離。
[0020] 在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，待分離混空煤層氣被吸入水合反應(yīng)器前的壓力小于 0. 6MPa〇
[0021] 本發(fā)明提供的水合反應(yīng)器運(yùn)用了流體力學(xué)原理，利用水合物工作液在該反應(yīng)器 中不同位置的流動(dòng)與壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了混空煤層氣的吸入、自升壓W及水合分離的 過(guò)程，去掉了現(xiàn)有水合分離法分離混空煤層氣中甲焼需要對(duì)混空煤層氣進(jìn)行壓縮升壓的步 驟，避免了混空煤層氣壓縮和加壓輸送過(guò)程中爆炸的危險(xiǎn)，具有操作安全、實(shí)際工業(yè)應(yīng)用可 行性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明水合反應(yīng)器的示意圖。
[0023] 圖2是利用本發(fā)明水合反應(yīng)器分離混空煤層氣中甲焼的工藝流程圖。
[0024] 附圖標(biāo)記：
[00巧]1-水合物工作液儲(chǔ)罐；2-水合反應(yīng)器；3-水合物分離器；4-水合物化解器；5-高 壓泉；6-冷卻器；7-加熱器；8-減壓閥；9-水合物工作液；10-混空煤層氣；
[0026]Ol-