专利名称：一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明提出一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法及装置。
背景技术：
煤层气是一种以吸附状态为主、生成并储存在煤系地层中的非常规天然气，其成分与常规天然气基本相同(主要成分为CH4，亦含N2、CO2等成分，煤层气因种类不同，各成分含量有一定的变化)，完全可以与常规天然气混输、混用，可作为与常规天然气同等的优质能源和化工原料。据最新一轮评价，我国陆上埋深2000米以浅的煤层气资源量为31.46万亿立方米，相当于450亿吨标煤或310亿吨石油。开发利用这一优质洁净能源，可以在一定程度上优化我国的能源结构，改善煤矿安全生产条件，减少温室气体排放和保护大气环境。与常规天然气相比，煤层气分布面积广，气压较低，存在单井产气量低、使用周期短的难题，尚未有经济的汇集储运方法，大规模开采的难度较高。此外，部分煤层气因N2、CO2含量较高，热值偏低，需要富集以提高其利用价值。
水合物是小分子气体(N2、CO2、CH4、C2H6、C3H8等)和水在一定的温度、压力条件下形成的一种呈类冰结晶的笼形包合物。它是一种理想固溶体，水合物的理论储气能力为1∶164，即在标准条件下，1单位体积天然气水合物可容纳164倍体积的天然气，能量密度较高。在相同条件下，不同气体因形成水合物的趋势不同，通过控制水合物的生成条件，可实现混合气体中组分的分离。利用水合物的储气特点和对混合气体的分离能力进行气体储运和气体分离已受到广泛关注。目前，已有文献报导的水合物气体储运或气体分离技术主要用于天然气和炼厂气，利用水合物进行煤层气富集和储运的技术尚未见报导。
在相同的温度、压力条件下，煤层气的主要成分中，N2最难形成水合物，CH4和CO2形成水合物的能力相近且生成条件较为温和，如附图1所示。煤层气中所含CO2、H2S等酸性气体可采用酸性气体洗涤装置加以脱除。鉴于此，本发明提出一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法及装置。
为简化计算，本发明说明书及实施例中均假设煤层气经过加压水洗处理，进入水合物生成系统的气体为CH4和N2混合气体。不同压力，不同温度条件下，CH4和N2混合气体的气相—水合物相平衡组成图示于附图2。附图2显示。水合物对煤层气中的CH4和N2组分表现出良好的富集效果。
发明内容
本发明涉及一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法及装置，其概念流程图如附图3所示。本发明的特征在于利用热泵原理设计的气体压缩—膨胀系统，3塔串联的水合物生成系统和较为温和的操作条件(控制生成水合物的温度为260～285K，压力为2～10MPa)。
其中，气体压缩—膨胀系统由单台或同轴串联的多台压缩机、换热器、加压水洗装置、脱水器、膨胀透平组成。每两台压缩机之间设置换热器以降低气体温度，回收热量供水合物生成装置的其它部分使用。以上设备均为标准设备，实施时可根据设计具体选型。
该气体压缩—膨胀系统采用三级压缩时，可实现对煤层气的27倍等温加压。一般来说，煤层气的井口压力为0.2～0.6MPa，压缩后的煤层气压力可达到5.4～16.2MPa，通过调节膨胀比，可以实现对水合物生成塔中温度和压力的调节和控制。如果煤层气的井口压力较高，可根据压力要求相应减少压缩级数。
水合物生成系统由3个串联的水合物生成塔1、塔2、塔3组成，工作状态分别为水合物生成态、中间冷却态、待卸载态。气体压缩—膨胀系统产生的低温煤层气自底部进入塔1，调节和控制水合物生成塔的压力，使之高于水合物生成温度对应的平衡压力，气体在上升过程中与水接触生成水合物。未生成水合物的气体自塔1顶部排出后，经管道自底部进入塔2，对塔2中的水进行初步冷却，同时使气体进一步生成水合物，以N2为主要成分的剩余尾气自塔2顶部排出。部分尾气作为返回气经第三级压缩机加压后，重新返回水合物生成系统，部分尾气可作为燃料。当塔1中水合物生成完全后，塔1的工作状态自水合物生成态切换为待卸载态。塔2切换为水合物生成态，塔3切换为中间冷却态。如此设计有利于充分利用低温煤层气中的冷量。
为促进煤层气生成水合物，对水合物生成塔进行了特殊设计(如附图3所示)(1)用隔板(或丝网)将水合物生成塔分隔成若干个塔室；(2)采用隔板时，每一塔室可作为一个独立的水合物生成单元，各塔室通过隔板上设置的泡罩相互连接，可根据单塔的气体处理量和操作压力确定隔板的设置，隔板的设计可参考化工常见塔式装备；(3)采用丝网的目的是不断地分散气泡，提高气—液传热和传质效率；(4)水合物生成塔外部设置冷却盘管，为生成水合物提供补充冷量；(5)如果需要在塔中分解已生成的水合物，可在水合物生成塔中增设加热盘管，将气体压缩—膨胀系统回收的热量用于水合物的分解。
水合物生成塔各塔室加注经降温冷却的水之后的工作状态及操作过程如下。1.水合物生成态低温煤层气自水合物生成塔底部进入塔室a，自下而上逐一通过各层隔板(或丝网)，未生成水合物的气体经塔顶排出后，进入处于中间冷却态的另一水合物生成塔。塔室a中浆态或固态水合物生成完毕后，切换煤层气进气阀门，使之从塔室b的下部进入。其他塔室(c，d，e，...)均按此操作。当全部塔室充满水合物后，关闭全部进气阀门，工作状态切换为待卸载态。根据需要，可进行水合物分解或卸载操作。入塔煤层气自各塔室底部进入并经泡罩的分配，通过气体搅拌增强气液接触的同时，延长了气体与水的接触时间，可提高水合物的生成速率。为促进水合物的生成，还可选用专利01130135.X、00130866.1所述促进剂。水合物生成塔内无需采用增强气液接触的机械搅拌措施，可使塔的结构简化。
2.中间冷却态从水合物生成塔的塔顶排出的低温气体自塔底进入并依次通过各塔室，使各塔室中的水温逐渐降低。若温度仍不能达到生成水合物的要求，可向冷却盘管中通入冷却介质进一步降温。达到生成水合物要求的温度条件后，可将工作状态切换为水合物生成态，通入煤层气进行水合物生成操作。
3.待卸载态若以水合物形态进行煤层气运输，可用备用水台物生成塔替换处于待卸载态的水合物生成塔。若以压缩气形态进行煤层气运输，可向加热盘管中通入加热介质并进行减压，使水合物分解析出富集后的煤层气，装入气瓶进行运输。
如果3塔串联构成的单级煤层气富集过程仍不能达到富集的要求，则可设置多级富集，将上一级富集过程生成的水合物解析后，进入下一级富集过程，以提高煤层气中CH4的富集程度。煤层气富集系统设置的级数可根据附图4所示的CH4-N2混合气体气相—水合物相的平衡组成图确定。
此外，需要说明的是，本发明中设置的酸性气体洗涤装置为加压水洗装置，使用该方法可将煤层气中所含CO2、H2S等酸性气体的含量降低至1％以下。本发明概念流程中涉及的阀门均为双向阀门，可根据不同的要求，在两个不同的管路间进行切换。
针对煤层气生产的特点，本发明可设计成适合不同煤层气产量的车载或船载移动系统。如果以水合物形态进行运输，则可在车载或船载平台上设置多组并联水合物生成塔，待全部水合物生成完全后，运至处理中心进行集中处理或分装。如果以压缩气形态进行运输，可配置为水合物生成系统+气瓶运输车，通过气瓶运输车连接煤层气井和用户。
图1CH4、CO2、N2、H2S水合物的平衡温度-压力2不同压力下CH4(1)-N2(2)混合气体气相-水合物相的平衡组成-温度3本发明设计的利用水合物进行煤层气富集和储运的概念流程4CH4(1)-N2(2)混合气体气相-水合物相的平衡组成图(P＝3MPa)具体实施方式
实施例1本实施例为将本发明用于CH4含量较高的煤层气(CH485％，CO25％，N210％)，使用纯水为介质，为简化计算，假定加压水洗装置已将CO2全部脱除，控制水合物生成温度为273K，生成压力为3MPa。由附图2可获得该操作条件下本发明对煤层气的单级富集效果，详见下表。
实施例2本实施例为将本发明用于CH4含量较低的煤层气(CH465％，CO25％，N230％)，使用纯水为介质，为简化计算，假定加压水洗装置已将CO2全部脱除，控制水合物生成温度为273K，生成压力为4MPa。由附图2可获得该操作条件下本发明对煤层气的单级富集效果，详见下表。
实施例3本实施例为将本发明用于CO2含量较高的煤层气(CH465％，CO215％，N220％)，使用纯水为介质，为简化计算，假定加压水洗装置已将CO2全部脱除，控制水合物生成温度为277K，生成压力为5MPa。由附图2可获得该操作条件下本发明对煤层气的单级富集效果，详见下表。
实施例4本实施例为将本发明用于CH4含量较低的煤层气(CH450％，N250％)，使用纯水为介质，控制水合物生成压力为3MPa，调节生成温度，采用2级富集操作，由附图4可获得本发明可使煤层气中CH4含量富集到90％(V/V)以上。
权利要求
1.一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法，其特征在于通过控制水合物的生成条件，使煤层气中的甲烷(CH4)在水合物生成装置中以水合物的形式被富集，煤层气中的氮气(N2)以气体的形式被分离，若煤层气中酸性气体(CO2、H2S等)的含量较高，则需设置酸性气体洗涤装置，可选用标配加压水洗装置。
2.权利要求1中所述水合物的生成条件，其特征在于控制生成水合物生成温度为260～285K，生成压力为2～10MPa。
3.权利要求1中所述水合物生成装置，其特征在于设置的气体压缩-膨胀系统和水合物生成系统。
4.权利要求3中所述气体压缩-膨胀系统，其特征在于单级或多级压缩一级膨胀构成的热泵系统，各压缩机间设置换热器回收余热。
5.权利要求3中所述水合物生成系统，其特征在于3个水合物生成塔的连接方式及其切换方法。
6.权利要求5中所述水合物生成塔，其特征在于水合物生成塔的特殊设计。
7.权利要求1、2、3、4、5、6中所述煤层气富集和储运方法，其特征在于该方法可根据煤层气单井产气量进行配置，产气量较低时，可取消气体压缩—膨胀系统的膨胀透平，生成水合物所需冷量可全部由水合物生成塔外设置的制冷设备提供，可选用标配制冷装置。
8.权利要求1、2、3、4、5、6中所述水合物生成装置还可用于天然气、炼厂气、焦炉煤气中轻烃组分的富集和储运。
全文摘要
本发明提出一种利用水合物进行煤层气富集和储运的方法及装置。此方法的技术方案是利用煤层气中甲烷(CH
文档编号F17C11/00GK1873285SQ20051007334
公开日2006年12月6日 申请日期2005年6月2日 优先权日2005年6月2日
发明者赵月红, 许志宏, 温浩, 何险峰, 王卫华 申请人:中国科学院过程工程研究所