瓦斯水合分离鼓泡强化装置及基于该装置的瓦斯水合分离提纯强化装置及瓦斯提纯强化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭领域。
【背景技术】
[0002]煤矿瓦斯又称煤层瓦斯，煤层气是一种以烷烃为主的多组分混合烃类干气，其中CH4占绝大多数，另有少量的C2H6、C3H8和C4Hiq,这种CH4干气里有75%的碳、25%的氢，以及一些非烃类气体，如NH3、CO2、CO和H2S等，是主要存在于煤矿的伴生气体，也是造成煤矿井下事故的主要原因之一。其中，瓦斯的主要成分CH4是一种理想的气体燃料，它无色无味，每立方米纯CH4的发热量为34000KJ，也就是说Im3CH4完全燃烧后，能产生相当于Ikg无烟煤提供的热量，与燃煤相比，瓦斯燃烧产物主要为二氧化碳和水，其燃烧所产生的污染，大体上只有石油的1/40，煤炭的1/800，是常规天然气最现实可靠的洁净、高效、优质和安全的补充或替代能源。
[0003]近年来，我国瓦斯排放量随着煤炭产量的增加和开采深度的加深正逐年提高，据资料统计2003年我国矿井瓦斯排放量首次突破100亿m3，到2011年矿井瓦斯排放量已达近151亿m3，但全国瓦斯利用量仅53亿m3，利用率仅为35%。我国煤矿瓦斯抽采总量的65%被直接排放到大气中，这不仅对大气环境造成了严重地污染，同时也浪费了宝贵的清洁能源。因此，将煤矿瓦斯分离提纯充分的利用起来，对缓解常规油气供应紧张状况、改善我国的能源结构、保护大气环境和实现国民经济可持续发展均具有十分重要的意义。
[0004]鉴于煤矿瓦斯巨大的资源前景和环境效应，国内外许多科技工作者对瓦斯分离提纯做了大量研究，变压吸附法、低温分离法、膜分离法、水合物法等分离技术被相继提出，其中水合物分离技术作为一种新型的分离手段，与传统分离方法相比，有其独特的优点:①水合物法具有压力损失小，分离效率高等优点；②水合物法可以在0°C以上的温度下进行，可以节省大量制冷所需的能量，且水合物法对气体预处理要求低。水合物法可处理烷烃成分浓度30%甚至更低的瓦斯气体，且原料气不需要脱硫脱水即可固化，节省了预处理成本，扩大了应用范围；③水合物法可以简化工艺流程，节省设备投资;④分离产物储存容易，安全性好。
[0005]瓦斯水合分离速率、分离浓度和甲烷回收率是瓦斯水合化分离技术得以应用的关键。目前提高水合物生长速率的促进手段主要有搅拌、添加表面活性剂和晶种等方法。但是搅拌方法机械耗能消耗大，且阻碍水合物聚集;而单一的添加促进剂的化学方法影响气液接触降低水合物含气率，影响瓦斯水合分离速率，且瓦斯水合分离效果不明显。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决目前瓦斯水合分离速率低，及瓦斯水合分离效果不明显的问题，提出了瓦斯水合分离鼓泡强化装置及基于该装置的瓦斯水合分离提纯强化装置及瓦斯提纯强化方法。
[0007]瓦斯水合分离鼓泡强化装置，该装置用于使瓦斯气体中的甲烷形成甲烷水合物；该装置包括水合反应釜1、n个透明反应皿2、n个鼓泡喷头3、支架4、n个一号T形接头5、一个二号T形接头51、n个底托6、导管7、进气管8、促进剂溶液9和顶盖10;n为大于等于3的整数；
[0008]顶盖10上开有进气孔10-1和循环孔10-2，所述循环孔10-2用于气体循环;所述顶盖10用于密封水合反应釜I;水合反应釜I内部为空腔，且顶端开口；
[0009]η个透明反应皿2、n个鼓泡喷头3、支架4、n个一号T形接头5、一个二号T形接头51、n个底托6、导管7和进气管8构成反应装置;所述反应装置位于水合反应釜I内；
[0010]促进剂溶液9位于透明反应皿2内；η个底托6由上至下等间隔依次排列，且由支架4固定;η个透明反应皿2分别放置在η个底托6上;η个一号T形接头5均固定在支架4上，且所述η个一号T形接头5通过导管7连通，所述导管7还通过二号T形接头51与进气管8的一端连通；所述进气管8的另一端与所述进气孔10-1连通;所述一号T形接头5的循环孔连通鼓泡喷头3的入气孔;所述鼓泡喷头3的出气面朝上，且位于透明反应皿2中的促进剂溶液9内。
[0011]基于瓦斯水合分离鼓泡强化装置的瓦斯水合分离提纯强化装置，该装置包括m套瓦斯水合分离鼓泡强化装置、温度控制箱ll、m个温度传感器12、m个压力传感器13、残气储罐14、瓦斯储罐15、循环阀门16、气体循环栗17、气体干燥筒18、空气压缩机19、气相色谱仪
20、数据采集器21、工控机22、开气阀门24、进气阀门25、一号阀门26、检测阀门27、二号阀门28和三号阀门29;m为大于等于I的整数；
[0012]m套瓦斯水合分离鼓泡强化装置、m个温度传感器12、m个压力传感器13均放置在温度控制箱11内，温度控制箱11用于调节瓦斯水合分离鼓泡强化装置内的温度；
[0013]温度传感器12用于通过测温孔10-3监测瓦斯水合分离鼓泡强化装置中的瓦斯气体温度;还用于将监测到的瓦斯气体温度传给至数据采集器21;压力传感器13用于通过进气孔10-1监测瓦斯水合分离鼓泡强化装置中的瓦斯气体压力;还用于将监测到的瓦斯气体压力传给至数据采集器21;数据采集器21用于将采集的瓦斯气体温度和瓦斯气体压力传送至工控机22;工控机22用于实时监测采集的瓦斯气体温度和瓦斯气体压力；
[0014]三号阀门29用于控制残气储罐14工作;残气储罐14用于收集瓦斯气体中的其余成分的气体;瓦斯储罐15用于提供瓦斯；
[0015]气体循环栗17用于使瓦斯储罐15中的瓦斯进入水合反应釜内；气体干燥筒18用于干燥处于循环过程中的瓦斯;空气压缩机19用于驱动气体循环栗17和气体干燥筒18工作；
[0016]循环阀门16、一号阀门26和检测阀门27处于关闭状态时，瓦斯储罐15中的瓦斯，依次经过进气阀门25、气体循环栗17、开气阀门24和m套瓦斯水合分离鼓泡强化装置中的循环孔10-2进入水合反应釜I内，待压力传感器13监测到水合反应釜I内的瓦斯气体压力达到设定值时，关闭空气压缩机19、进气阀门25和气体循环栗17，同时，开启循环阀门16和一号阀门26，瓦斯气体在气体干燥筒18、开气阀门24、水合反应爸1、循环阀门16和一号阀门26构成的循环通路中循环流动;此时瓦斯气体与促进剂溶液反应得到甲烷水合物和剩余气体;剩余气体为其余成分气体或包含其余成分气体和低含量甲烷的瓦斯；
[0017]检测阀门27和二号阀门28用于在反应过程每隔1min开启一次，使气相色谱仪20监测剩余气体中瓦斯气体的浓度。
[0018]基于瓦斯水合分离鼓泡强化装置的瓦斯水合分离提纯强化装置的瓦斯提纯强化方法，该提纯强化方法包括下述步骤:
[0019]步骤一、检查基于瓦斯水合分离鼓泡强化装置的瓦斯水合分离提纯强化装置的气密性；
[0020]步骤二、关闭进气截止阀24，开启进气截止阀10min-15min，排除所述瓦斯水合分离提纯强化装置内的空气；
[0021]步骤三、设定温度控制箱11内的温度低于甲烷水合物形成时的温度值;所述甲烷水合物形成时的温度值表示在固定压力下形成甲烷水合物时对应的相平衡温度值；
[0022]步骤四、开启气体循环栗17、气体干燥筒18和空气压缩机19，瓦斯储罐15内的瓦斯气体经进气阀门25、气体循环栗17、开气阀门24和m套瓦斯水合分离鼓泡强化装置中的循环孔10-2进入水合反应釜I内的促进剂溶液9内，瓦斯气体与促进剂溶液反应;待压力传感器13监测到瓦斯水合分离鼓泡强化装置中的瓦斯气体压力达到设定分离压力时，关闭空气压缩机19、进气阀门25和气体循环栗17;开启循环阀门16、