一种安全利用煤层气的方法及装置与流程

本发明涉及煤层气利用技术领域，具体涉及一种安全利用煤层气的方法及装置。

背景技术：

我国是煤炭消费大国，在煤炭开采过程中会产生大量的煤层气和乏风气，其主要成分是甲烷和空气。根据开采方式的不同，可将煤层气分为地面钻井开采的煤层气(cbm)和煤矿井下抽采煤层气(cmm)两种。地面钻井开采的煤层气是在采煤之前利用地面井开采出的煤层气，其特点是ch4含量高，一般体积分数在90％以上，并且开采规模大，产量稳定，煤层气采出后经脱水处理后，即可直接输入天然气管道，与天然气共混共输。井下抽采煤层气(cmm)主要是为了保证煤矿安全生产而抽出的煤层气，是在煤炭开采中或开采后从煤体及围岩中抽取的煤层气，这种煤层气由于混入大量空气致使煤层气稀释，且这种煤层气中甲烷体积分数变化较大，一般情况下煤层气中的甲烷体积分数为1.5～15％。

目前针对甲烷体积分数在15％以下的低浓度煤层气的主要利用方式有以下几种方式：

(1)热逆流氧化技术

热逆流氧化技术能够在反应温度为900～1200℃条件下，处理甲烷体积分数为0.25～1.2％的煤层气，但该法的反应温度较高，因此对设备的材质要求较高，设备投资大。

(2)直接燃烧发电

该法将甲烷体积分数在10％左右的煤层气直接通入燃气轮机，燃烧后产生的热量用于发电，但该法投资较大，且对甲烷浓度的稳定性有较高要求，不适于处理甲烷浓度变化大的煤层气。

(3)催化逆流方式

这种方式能使煤层气在350℃以下发生催化氧化反应，处理效率高，但催化剂中采用贵金属，造价较为昂贵，而且催化剂的稳定性难以保障，此外，由于反应温度较低，对热量的回收效率也较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种安全利用煤层气的方法及装置，采用本发明提供的方法能够安全处理甲烷体积分数为1.5～15％的煤层气，避免爆炸，且处理方法简便，能耗低。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种安全利用煤层气的方法，包括如下步骤：

当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时，将所述煤层气加热后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；

当煤层气中甲烷的体积分数为2～4％时，将所述煤层气与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；

当煤层气中甲烷的体积分数为4～15％时，将所述煤层气稀释后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。

优选地，所述催化剂包括活性组分、助剂和载体，所述活性组分和所述助剂均以金属氧化物形式负载在所述载体上；所述活性组分中的金属元素包括cu或fe，所述助剂中的金属元素包括mn、la、zr和ti中的一种或几种；所述载体包括氧化铝或二氧化硅。

优选地，所述催化剂为球型催化剂，所述催化剂的粒径为20～250μm。

优选地，所述催化剂的预热温度为350～450℃。

优选地，所述煤层气的加热温度在350℃以上。

优选地，所述催化燃烧反应的体积空速为1000～10000h^-1，压力为10～100kpa。

本发明提供了一种安全利用煤层气的方法，包括如下步骤：当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时，将煤层气加热后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；当煤层气中甲烷的体积分数为2～4％时，将所述煤层气与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；当煤层气中甲烷的体积分数为4～15％时，将所述煤层气稀释后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。本发明将催化剂提前预热，能够激发催化剂的催化活性，同时防止催化燃烧反应时，温度急剧上升造成的爆炸。在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时，由于煤层气中甲烷含量极低，不易与催化剂反应，本发明先将煤层气加热后，使煤层气中的甲烷达到一定温度，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；当煤层气中甲烷的体积分数为2～4％时，所述煤层气可以与预热的催化剂直接发生催化燃烧反应；当煤层气中甲烷的体积分数为4～15％时，煤层气中甲烷含量较高，若直接与预热的催化剂混合，易引发爆炸，本发明先将所述煤层气稀释后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应，能够保证催化燃烧反应安全进行。由实施例可知，采用本发明提供的方法，能够实现甲烷的体积分数为1.5～15％的煤层气的安全处理，且操作简便，能耗较低，适宜工业化生产。

本发明还提供了一种安全利用煤层气的装置，包括依次连通的气体混合器1、低温换热器4和流化床反应器6。

优选地，所述安全利用煤层气的装置还包括引风机2和甲烷传感器3，所述引风机2与所述气体混合器1的入口相通，所述甲烷传感器3与所述气体混合器1的出口相连，用于对所述气体混合器1出口输出的混合气体中的甲烷体积分数进行检测。

优选地，所述安全利用煤层气的装置还包括高温换热器7，所述高温换热器7与所述流化床反应器6的出口相通。

优选地，所述流化床反应器6中的流化床包括鼓泡流化床、循环流化床或湍动流化床。

本发明提供的安全利用煤层气的装置包括依次连通的气体混合器1、低温换热器4和流化床反应器6，具有体系压降低、处理量大、抗甲烷浓度和反应温度波动能力强、催化剂容易更换以及运行稳定的优点，能够实现甲烷的体积分数为1.5～15％的煤层气的安全处理和热能的高效利用。

附图说明

图1为本发明安全利用煤层气的装置的结构示意图，图中，1-气体混合器，2-引风机，3-甲烷传感器，4-低温换热器，5-加热器，6-流化床反应器，7-高温换热器，8-浓度控制器，9-温度控制器，10-温度控制器。

具体实施方式

本发明提供了一种安全利用煤层气的方法，包括如下步骤：

当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时，将所述煤层气加热后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；

当煤层气中甲烷的体积分数为2～4％时，将所述煤层气与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应；

当煤层气中甲烷的体积分数为4～15％时，将所述煤层气稀释后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。

本发明根据煤层气中甲烷的体积分数，设置不同的处理方式，能够保证在处理煤层气的同时，实现安全生产。在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时，将所述煤层气加热后，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。

在本发明中，所述催化剂优选包括活性组分、助剂和载体，所述活性组分和所述助剂优选均以金属氧化物形式负载在所述载体上。在本发明中，所述活性组分中的金属元素包括cu或fe，所述助剂中的金属元素包括mn、la、zr和t中的一种或几种；所述载体包括氧化铝或二氧化硅。在本发明中，所述催化剂中活性组分的重量百分含量优选为10～50％，更优选为10～30％，最优选为15～20％；所述催化剂中助剂的重量百分含量优选为20～50％，更优选为20～40％，最优选为20～30％。

在本发明中，所述催化剂优选为球型催化剂，所述催化剂的粒径优选为20～250μm，更优选为20～210μm，最优选为30～200μm；所述催化剂的磨损强度优选在1.0wt％/h(采用astm-d5757-00标准)以下。在本发明中，采用较小颗粒尺寸和较高耐磨机械强度的催化剂，能够具有较长的使用周期和较好的传热、传质能力，同时本发明采用的催化剂中不含贵金属元素，造价较低，具有反应温度窗口宽，耐高温能力强，使用寿命长等优点。

在本发明中，所述催化剂的预热温度优选为350～450℃，更优选为350～380℃，最优选为360℃。

在本发明中，所述催化剂的预热过程优选是向盛放有催化剂的反应容器中通入空气，在空气存在条件下，对催化剂进行加热。所述通入空气过程中，催化剂的反应体积空速优选为500～1000h^-1，更优选为500～800h^-1，最优选为700h^-1。本发明将催化剂在空气中加热，能够避免催化剂加热过程中的爆炸危险。

在本发明中，所述煤层气的加热温度优选在350℃以上，更优选为350～425℃，最优选为400℃。

将所述煤层气加热且将所述催化剂预热后，本发明将所述煤层气和催化剂混合，发生催化燃烧反应。本发明中，如无特殊说明，所述煤层气和催化剂混合的方式是指煤层气与催化剂以流体形式进行混合。在本发明中，所述催化燃烧反应的体积空速优选为1000～10000h^-1，更优选为3000～5000h^-1，最优选为4000～5000h^-1；所述催化燃烧反应的压力优选为10～100kpa，更优选为10～30kpa，最优选为10kpa；所述催化燃烧反应的温度优选为500～650℃，更优选为550～650℃，最优选为600～650℃。本发明将催化燃烧反应条件设置在上述范围，能够保证煤层气的充分催化燃烧。

在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数为2～4％时，无需对所述煤层气进行其他处理，直接将所述煤层气与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。在本发明中，所述催化剂的类型以及催化剂的预热过程、预热温度和催化燃烧反应条件优选参照当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时的处理方案，这里不再赘述。

在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数为4～15％时，将所述煤层气稀释，再与预热的催化剂混合，发生催化燃烧反应。在本发明中，所述稀释优选是指将煤层气中的甲烷体积分数稀释为2～4％，更优选为2.5～3.5％，最优选为3％；所述稀释采用的气体优选为空气，本发明对所述稀释方式没有特殊的限定，采用本领域常规的稀释方式即可。在本发明中，所述催化剂的类型以及催化剂的预热过程、预热温度和催化燃烧反应条件优选参照当煤层气中甲烷的体积分数为1.5～2％时的处理方案，这里不再赘述。

在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数为2％时，对所述煤层气可加热后与预热的催化剂混合发生催化燃烧反应，也可不加热直接与预热的催化剂混合发生催化燃烧反应；当所述煤层气中甲烷的体积分数为4％时，对所述煤层气可稀释后与预热的催化剂混合发生催化燃烧反应，也可不稀释直接与预热的催化剂混合发生催化燃烧反应。

本发明还提供了一种安全利用煤层气的装置，包括依次连通的气体混合器1、低温换热器4和流化床反应器6。

本发明提供的装置包括气体混合器1，在本发明中，所述气体混合器1用于将空气与煤层气混合均匀，若混合不均匀，气体进入流化床反应器后甲烷浓度波动剧烈，流化床反应器内温度也会剧烈波动，有爆炸的危险或造成热能利用率低。本发明对于所述气体混合器1没有特殊的限定，能够保证所述气体混合顺利进行即可。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括引风机2，所述引风机2与所述气体混合器1的入口相通，在本发明中，所述引风机2的作用是引入空气，用于对催化剂预热，或是用于稀释煤层气。本发明对于所述引风机2没有特殊的限定，能够保证所述空气顺利进入气体混合器1中即可。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括甲烷传感器3，所述甲烷传感器3与所述气体混合器1的出口相连，用于对所述气体混合器1出口输出的混合气体中的甲烷体积分数进行检测。本发明对于所述甲烷传感器3没有特殊的限定，能够保证所述甲烷检测顺利进行即可。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括浓度控制器8，所述浓度控制器8一端与所述甲烷传感器3相连，另一端与所述引风机2相连。在本发明中，所述浓度控制器8能够根据甲烷传感器3的检测结果，控制引风机2的转速来调节进入气体混合器1中的空气的量，进而调节气体混合器1出口处的煤层气中甲烷的体积分数。

本发明提供的装置包括与气体混合器1出口连通的低温换热器4，在本发明中，所述低温换热器4用于对甲烷体积分数为1.5～2％的煤层气进行加热。在本发明中，当煤层气中甲烷的体积分数在2～15％时，低温换热器4作为一个管道输送煤层气，并不需要加热。本发明对于所述低温换热器4没有特殊的限定，能够保证对所述煤层气加热顺利进行即可。

本发明提供的装置包括与低温换热器4出口连通的流化床反应器6。在本发明中，所述流化床反应器6中的流化床优选包括鼓泡流化床、循环流化床或湍动流化床。在本发明中，所述流化床反应器6用于盛放催化剂并作为所述催化燃烧反应的反应器。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括加热器5，所述加热器5在流化床反应器6的入口处，在本发明中，所述加热器5用于对所述催化剂和流化床反应器6进行预热，当煤层气通入流化床反应器6后即可关闭加热器5，进行催化燃烧反应。本发明对于所述加热器5没有特殊的限定，能够保证所述预热处理顺利进行即可。

作为本发明的一个实施例，所述流化床反应器6具有两个出口，其中一个出口与低温换热器4相通，另外一个出口连通有高温换热器7；流化床反应器6中催化燃烧反应产生的部分高温气体(温度为500～650℃)进入低温换热器4中用于对低温换热器4中的煤层气进行加热，经低温换热器4的出口排出；剩余高温气体进入高温换热器7中回收再利用，经高温换热器7的出口排出。本发明对于所述高温换热器7没有特殊的限定，能够保证所述高温气体中的热量回收再利用顺利进行即可。

作为本发明的一个实施例，所述回收再利用的方式可以为将低温软化水通入高温换热器7中，借助催化燃烧反应产生的高温气体将低温软化水加热成高温水蒸气，然后将高温水蒸气用于取暖、制冷以及放电中的一种或几种。在本发明中，所述低温软化水的温度优选为25℃，所述软化水的硬度优选为1～50ppm，更优选为1～25ppm，最优选为10ppm；所述低温软化水的流速优选为5～30t/h。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括温度控制器9，所述温度控制器9的一端与低温换热器4的出口相连，另一端与流化床反应器6的入口相连，用来控制所述流化床反应器6进入低温换热器4的高温气体流量，保证所述低温换热器4能够将甲烷体积分数为1.5～2％的煤层气加热到所需的温度。

作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括温度控制器10，所述温度控制器10一端与高温换热器7的出口相连，另一端与流化床反应器6的入口相连。在本发明中，所述温度控制器10用来控制所述流化床反应器6进入高温换热器7的高温气体流量，保证所述高温换热器7能够将通入的热量高效回收再利用。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

在流化床反应器6中放入1000kg催化剂cuo0.10(mno2)0.10(tio2)0.10(γ-al2o3)0.70，催化剂的粒径为30～200μm，打开引风机2，向装置内通入700m³空气，催化剂反应体积空速控制在700h^-1，打开加热器5，使流化床反应器6的入口温度控制在450℃，对催化剂和流化床进行预热；关闭加热器5，关闭引风机2，在气体混合器1中通入甲烷体积分数为1.5％的煤层气，煤层气的加入量为500nm³，利用温度控制器9控制流化床反应器6进入低温换热器4的热气导出量，将煤层气在低温换热器4中预热到425℃；然后逐渐将煤层气通入流化床反应器6中，反应压力为10kpa，煤层气与催化剂在鼓泡流化床中发生甲烷催化燃烧反应，反应温度迅速升高至500～550℃；在高温换热器7中通入软化水，逐步调大煤层气和软化水的通入量，当煤层气通入5000nm³后，软化水流量为10t/h，催化燃烧反应空速达5000h^-1，达到稳态操作，在高温换热器7的出口处获得高温热水，用于取暖。

实施例2

在流化床反应器6中放入2000kg催化剂cuo0.10(fe2o3)0.10(mno2)0.10(tio2)0.10(sio2)0.60，催化剂的粒径为30～250μm，打开引风机2，向装置内通入1000m³空气，催化剂反应体积空速控制在500h^-1，打开加热器5，使流化床反应器6的入口温度控制在400℃，待流化床反应器和催化剂温度均达到400℃后，关闭加热器5，关闭引风机，在气体混合器1中通入甲烷体积分数为2.8％的煤层气，煤层气的加入量为1000nm³，反应压力为15kpa，煤层气与催化剂在鼓泡流化床中发生甲烷催化燃烧反应，反应温度迅速升高至620～650℃；在高温换热器7中通入软化水，逐步调大煤层气和软化水的通入量，当煤层气通入8000nm³后，软化水流量为20t/h，催化燃烧反应空速达4000h^-1，达到稳态操作，在高温换热器7的出口处获得高温热水，用于取暖。

实施例3

在流化床反应器6中放入5000kg催化剂cuo0.10(fe2o3)0.15(mno2)0.20(tio2)0.10(γ-al2o3)0.55，催化剂的粒径为50～250μm，打开引风机2，向装置内通入4000m³空气，催化剂反应体积空速控制在800h^-1，打开加热器5，使流化床反应器6的入口温度控制在350℃，对催化剂和流化床进行预热；关闭加热器5，在气体混合器1中通入甲烷体积分数为10％的煤层气，煤层气的加入量为1000m³，将引风机2内的空气通入气体混合器1中，通入空气的量为2000m³，通过浓度控制器8，使煤层气中甲烷体积分数控制在3.3％；混合后的煤层气经低温换热器4，通入流化床反应器6中，反应压力为25kpa，煤层气与催化剂在湍动流化床中发生甲烷催化燃烧反应，反应温度迅速升高至600～650℃；在高温换热器7中通入软化水，逐步调大煤层气和软化水的通入量，当煤层气通入10000nm³，空气通入量达到20000nm³，软化水流量为8t/h，催化燃烧反应空速达6000h^-1，达到稳态操作，在高温换热器7的出口处获得高温水蒸气，用于发电。

实施例4

在流化床反应器6中放入2000kg催化剂(fe2o3)0.25(mno2)0.10(tio2)0.10(γ-al2o3)0.55，催化剂的粒径为20～200μm，打开引风机2，向装置内通入2000m³空气，催化剂反应体积空速控制在1000h^-1，打开加热器5，使流化床反应器6的入口温度控制在380℃，对催化剂和流化床进行预热；关闭加热器5，在气体混合器1中通入甲烷体积分数为6％的煤层气，煤层气的加入量为500nm³/h，将引风机2内的空气通入气体混合器1中，通入空气的量为500nm³/h，通过浓度控制器8，使煤层气中甲烷体积分数控制在3％；混合后的煤层气经低温换热器4，通入流化床反应器6中，反应压力为30kpa，煤层气与催化剂在快速流化床中发生甲烷催化燃烧反应，反应温度迅速升高至625～650℃；在高温换热器7中通入软化水，逐步调大煤层气和软化水的通入量，当煤层气通入10000nm³，空气通入量达到10000nm³，软化水流量为6t/h，催化燃烧反应空速达10000h^-1，在高温换热器7的出口处获得高温水蒸汽，用于制冷。

由以上实施例可知，采用本发明提供的安全利用煤层气的方法，能够实现对甲烷体积分数为1.5～15％的煤层气的安全处理，且处理温度较低，催化剂造价低，同时还能够实现煤层气燃烧热能的高效回收利用，具有显著的经济效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。