一種制造煤層氣水合物的方法技術

本發明專利技術涉及一種制造煤層氣水合物的方法。煤層氣經氣體分布器形成微細氣泡自內循環流反應器底部進入，與低溫、高壓水流接觸發生水合反應生成煤層氣水合物漿料，反應熱通過制冷單元移除。反應器設有內循環器形成浮力調節區，促進氣—水—水合物的多相體系分離效率，實現傳熱傳質過程的精細控制，提高水合物含氣量。未反應完的氣體流經內循環器后與水、水合物實現分離，之后循環回反應器；水合物漿料流經內循環器后實現液—固分離分別從輕相和重相流道流動。水合物漿料排放進入中間儲罐進行氣－液及液—固分離；漿料濃集后，經分離得到“干”的水合物產品。分離出的未反應氣體和低溫水循環回反應系統。本發明專利技術能連續、穩定、高效地制造水合物。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種能夠連續、穩定、高效地制造煤層氣水合物的方法。屬于煤層氣儲運領域，利用本專利技術的技術和裝置能夠安全、便捷地收集儲運煤層氣，提高煤層氣的利用效果。
技術介紹
煤層氣是非常規天然氣能源資源，一種潔凈能源，煤層氣的有效利用有利于環境保護和國民經濟的可持續發展。能源在國民經濟中具有特別重要的戰略地位。我國目前能源供需矛盾尖銳，結構不合理；能源利用效率低；一次能源消費以煤為主，化石能源的大量消費造成嚴重的環境污染。能源需求中油氣所占比重的攀升進而促使對國外石油和天然氣的依賴程度在快速增大，已成為危及國家戰略安全的重要因素，能源資源結構和能源消費結構正在給現代化進程帶來巨大困難。煤層氣是賦存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質顆粒表面為主、部分游離于煤孔隙中或溶解于煤層水中的烴類氣體。世界煤層氣儲量約占天然氣儲量的30％以上，世界上已發現的26個最大的天然氣田中，就有16個是煤層氣田，其煤層氣儲量占天然氣儲量的77％。世界主要產煤國都十分重視開發煤層氣。煤層氣開發已成為世界各國發展新能源的新趨勢。煤層氣是除常規天然氣以外，資源量最大、最為現實的潔凈能源。煤層氣是燃燒值高而且潔凈的燃料氣，不僅可以用作燃料，也可以作為化工原料和發電。煤層氣與常規天然氣相比，其氣體成分和用途均大致相同，但是煤層氣中甲烷濃度高低不一，有的煤層氣甲烷含量達95％以上，有的僅30％～50％乃至更低。>煤層氣主要成分為甲烷，是一種具有強烈溫室效應的氣體。據測算，所有人類活動造成的溫室效應，20％是由甲烷引起的，而我國煤礦排放的甲烷占全球的35％以上。如果煤層氣得以充分利用，將大大減少溫室氣體的排放，如利用1000m3煤層氣，相當于減排約15t二氧化碳。而煤層氣替代煤炭的燃燒利用可以大大削減大氣污染物排放總量，每年可節約煤炭2000萬t，二氧化硫排放減少75.6萬t，煙塵排放減少186萬t，同時還減少煤灰占地產生的環境問題，避免了煤炭加工、運輸時產生的揚塵等大氣污染，有利于改善人類賴于生存的環境。煤層氣有多種利用途經。但是其利用目的的實現，必須要以煤層氣順利抵達用戶為前提。煤層氣利用中面臨的問題主要有：(1)遠距離運輸問題中國在煤層氣開發區域，尚未建立與之相配套的長輸管線，致使開發與市場脫節，在眾多地區出現“點天燈”現象。規模以上礦區開采出的煤層氣也因為無管道往外運輸，都是自采自用，主要用來解決礦區的供電、供暖問題。煤層氣的運輸問題限制了煤層氣的規模化利用。另外，氣態煤層氣體積龐大，進行遠距離運輸需要大面積鋪設管網或者多次運輸，耗費的成本巨大。同時，一定體積的氣態煤層氣質量很小，釋放的能量不足以支持大能耗的工業生產需求，要想滿足工業生產需求就要不斷補充，這給生產帶來極大的不便。(2)煤層氣進管網問題煤層氣和天然氣管網一般都是由國有大企業進行建設，在運營中存在壟斷性，其他企業生產的煤層氣要利用其管道輸送存在很大的困難。另外，對于甲烷濃度小于90％的煤層氣不能直接進入管道，需要經過脫水、脫硫、提純等處理，使甲烷濃度達到95％左右后接入管網，但是技術要求高，成本大。因此，要使煤層氣利用形成規模化必須解決的問題就是“采出煤層氣的有效輸送問題”。(3)管線壓力不同的連接問題煤層氣在從井口到用戶輸送的每一個環節中均需要進行增壓處理，導致成本增加。另外，在采用壓力管道輸送煤層氣時，由于有大量的O2存在以及煤層氣加壓的同時伴有溫度的升高，因此有可能存在煤層氣輸送過程在燃、爆極限范圍內運行的情況，導致重大的安全問題。(4)小規模氣井能源資源的浪費問題對于單井開采規模小的氣井，不論是管道輸運、CNG、LNG，都存在成本高、收益小的問題，使得煤層氣資源無法得到很好利用，而往往不得不將其廢棄，特別在開發初期，導致大量煤層氣空排。我國煤層氣氣源充足，埋深2000m以淺的煤層氣資源總量約30～35萬億m3，與陸上常規天然氣資源總量(30萬億m3)相當，居世界第三位。為了解決煤層氣儲運面臨的問題，實現煤層氣的安全、便捷、可靠的儲運，以便滿足工業、民用、發電和車用等行業和領域的需要，本專利提出一種新型的煤層氣儲運技術。本專利技術的技術原理是利用煤層氣中甲烷的特性，以水合物態儲運煤層氣。圖1是甲烷—水形成水合物的多元體系相圖。本專利技術通過創造適宜的壓力—溫度條件，促使煤層氣中與水反應形成甲烷水合物。煤層氣水合物是煤層氣與水形成的非化學計量比晶態固體，能量密度大，使用安全、經濟。以水合物態儲運對煤層氣加以利用，能夠實現煤層氣的安全儲運，顯著降低煤層氣儲運費用。魯伊恒和陳穎等(CN103881775A)提出了一種煤層氣水合物的制備及能量回收系統，主要在于甲烷水合物提取時的能量利用，并未深入探討煤層氣水合物的制備方法和裝置。該專利中提出的冷卻盤管移熱在效率和穩定操作上仍然存在問題。此外裝置太過復雜，僅制冷系統就有多種方式，因此其工業化方面存在一些障礙。Dong-LiangZhong等人提出了采用甲烷水合物提純氣體的研究，主要集中于實驗室研究，難以顯示出產業化的前景。JingCai等人采用鼓泡方法對煤層氣水合物分離方法進行了實驗室研究，也沒有表現出工業化前景。張建文和楊林(ZL201310558066.8)提出以鼓泡為中心，結合調晶器對形貌加以調整，提高制造效率。制備過程中熱質傳遞和體系停留時間難以控制，盡管提出了并流和逆流工藝流程，但生產過程波動劇烈，難以控制。
技術實現思路
本專利技術的目的在于為煤層氣能源資源的有效利用提供一種安全、便捷的水合物儲運技術，能夠通過本專利技術的方法和裝置持續、穩定、高效率地生產煤層氣水合物。一種制造煤層氣水合物的方法，其特征在于應用如下裝置：該裝置包括2個工藝變化控制單元、2個節流閥、2個內循環流反應器、2個進口閥、2個排放閥、2個輸送泵、儲冷單元、制冷單元、中間儲罐、添加劑儲罐、水罐、分離機、中控系統；A)內循環流反應器連接到工藝變換控制單元的兩端形成回路；工藝變換控制單元由輸送泵連接變送器，變送器連接邏輯控制器控制的6個控制閥構成；實現并流和逆流生產過程交替進行；B)內循環流反應器，以下簡稱為反應器，由三段構成：內循環流反應器下段安裝有氣流分布器；反應器的冷凍劑出口與冷凍劑入口連接到制冷單元的兩端形成回路；反應器下部設有進口管與煤層氣源連接，進口管與輸送相連；中段為反應列管和殼本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種制造煤層氣水合物的方法，其特征在于應用如下裝置：該裝置包括2個工藝變化控制單元、2個節流閥、2個內循環流反應器、2個進口閥、2個排放閥、2個輸送泵、儲冷單元、制冷單元、中間儲罐、添加劑儲罐、水罐、分離機、中控系統；A)內循環流反應器連接到工藝變換控制單元的兩端形成回路；工藝變換控制單元由輸送泵連接變送器，變送器連接邏輯控制器控制的6個控制閥構成；實現并流和逆流生產過程交替進行；B)內循環流反應器，以下簡稱為反應器，由三段構成：內循環流反應器下段安裝有氣流分布器；反應器的冷凍劑出口與冷凍劑入口連接到制冷單元的兩端形成回路；反應器下部設有進口管與煤層氣源連接，進口管與輸送相連；中段為反應列管和殼側形成的反應段；煤層氣、水在反應管內流動并進行水合反應，殼側提供冷量移除反應管內的水合反應熱；上段為多相分離區，設有內循環器實現多相分離；內循環器與氣體出口之間的空間用以調節反應器內的壓力；氣體出口設有節流閥；C)制冷單元設有五個回路：一路與內循環流反應器連通，一路與另一內循環流反應器連通，一路與中間儲罐連通，一路與水罐連通，一路與儲冷單元連通；D)內循環流反應器在工藝變換單元控制下形成串聯和并聯兩種生產工藝；E)內循環流反應器經排放閥、中間儲罐、分離機、水罐和輸送泵形成水循環回路；一共有2個水循環回路，2個水循環回路對稱布置；添加劑儲罐連接到水罐上；F)中控系統控制工藝變換單元、內循環流反應器、儲冷單元、中間儲罐、輸送泵及各個閥門。...

【技術特征摘要】
1.一種制造煤層氣水合物的方法，其特征在于應用如下裝置：該裝置包括
2個工藝變化控制單元、2個節流閥、2個內循環流反應器、2個進口閥、2個排放
閥、2個輸送泵、儲冷單元、制冷單元、中間儲罐、添加劑儲罐、水罐、分離機、
中控系統；
A)內循環流反應器連接到工藝變換控制單元的兩端形成回路；工藝變換控制單
元由輸送泵連接變送器，變送器連接邏輯控制器控制的6個控制閥構成；實現并流
和逆流生產過程交替進行；
B)內循環流反應器，以下簡稱為反應器，由三段構成：內循環流反應器下段安
裝有氣流分布器；反應器的冷凍劑出口與冷凍劑入口連接到制冷單元的兩端形成回
路；反應器下部設有進口管與煤層氣源連接，進口管與輸送相連；中段為反應列管
和殼側形成的反應段；煤層氣、水在反應管內流動并進行水合反應，殼側提供冷量
移除反應管內的水合反應熱；上段為多相分離區，設有內循環器實現多相分離；內
循環器與氣體出口之間的空間用以調節反應器內的壓力；氣體出口設有節流閥；
C)制冷單元設有五個回路...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張建文，辛亞男，周峰，李曉云，楊林，
申請(專利權)人：北京化工大學，中能冰氣能源科技北京有限公司，成都乾能科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11