[发明专利]一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，属于化工技术领域。

背景技术

煤层气(Coal Bed Methane，简称CBM)，又称煤矿瓦斯或矿井瓦斯，产生于成煤过程，主要以吸附状态赋存于煤层中，是一种以甲烷为主要成分的非常规天然气资源。

目前，开采煤层气的主要方式为地面钻井和井下抽采。地面钻井技术在国外煤层气的开发中应用比较多，而中国地质情况复杂，大部分煤层的透气性比较差，受技术以及地质条件的制约，当前中国煤层气的开发中应用比较多的还是井下抽采技术。采用直接钻井技术得到的煤层气中甲烷含量一般大于90％，与常规的天然气组成相近，可直接利用已经比较成熟的天然气预处理工艺加工净化，然后直接液化储运或加压后通入天然气管网。采用井下抽采技术得到的煤层气一般都会混入空气，甲烷含量比较低(通常体积分数在30％-80％)，目前只有很少部分的井下抽采煤层气得到了有效利用，大部分被直接排入大气中，造成了很大的资源浪费和环境污染。

近年来，许多研究者对混空煤层气中甲烷的分离进行了大量的研究，现有用于分离混空煤层气中甲烷的方法有低温深冷分离法、膜分离法、变压吸附分离法和水合物分离法。然而上述方法却存在不同的缺陷，制约了混空煤层器中甲烷的分离。

低温深冷分离法是利用煤层气中各组分的沸点不同，采用低温精馏和液化的方式将各组分分离。该分离法要求在－150℃左右进行操作，能耗较高，因为混空煤层气中含氧，需要首先进行脱氧，存在爆炸的危险；膜分离法是根据混合气的各组分在一定压差下透过膜的传递速率不同而实现的。但是，目前所研制的膜材料对煤层气中的主要组分CH₄和N₂的分离效果不佳，同时也存在爆炸的危险；变压吸附分离法是利用吸附剂在一定温度和压力下对混合气中各组分吸附能力的差异而实现的。经过几十年的发展，变压吸附分离H₂、N₂和O₂等技术在世界范围内都已普遍使用，但目前在国内还没有使用变压吸附分离法分离混空煤层气的工业应用的实例。

上述三种分离技术均未实现工业化的主要原因在于混空煤层气极易爆炸，不能保证分离过程的安全。水合物分离法是一种新的分离低沸点混合气体的分离技术，该技术是根据不同气体形成水合物的难易程度，从而实现混合气体中各组分的分离。现有水合物分离法能够使混空煤层气的分离在水饱和的环境下进行，但是因为水合物的分离需要在一定的压力下进行，前期对混空煤层气实施压缩升压处理同样存在爆炸的危险。

因此，如何避免水合物分离法前期对混空煤层气实施压缩处理所带来的危险，同时又能实现对混空煤层气中甲烷的分离，一直是人们要亟待解决的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于，提供一种水合反应器及利用该反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，该水合反应器运用了流体力学原理，利用水合物工作液在该反应器中不同位置的流动与压力的变化规律，实现了混空煤层气的吸入、自升压以及水合分离的过程，去掉了现有水合分离法分离混空煤层气中甲烷需要对混空煤层气进行压缩升压的步骤，避免了混空煤层气压缩和加压输送过程中爆炸的危险，具有操作安全、实际工业应用可行性强的优点。

本发明提供了一种水合反应器，所述水合反应器具有以下结构：

水合反应器腔体沿水合物工作液流动方向具有入口段、喉管段和稳定段，且喉管段的流通面积均小于入口段和稳定段的流通面积，该水合反应器腔体对应于喉管段的侧壁开设有进气口。

在上述水合反应器中，所述水合反应器的入口段的管道内径为15-50mm，所述喉管段的内径与所述入口段的管道内径比值为0.05-0.5，所述进气口的直径与所述喉管段的内径比值为0.2-0.5；

所述入口段的长度与所述入口段的管道内径比值为1-3，所述喉管段长度与所述喉管段的内径比值为1-2.5，所述稳定段的长度与所述入口段的管道内径比值为3-5。

本发明还提供了一种利用上述水合反应器分离混空煤层气中甲烷的方法，包括以下步骤：

将水合物工作液从入口段送入所述水合反应器中，使混空煤层气通过进气口与水合反应器连通，利用流经喉管段的水合物工作液产生的吸力将待分离混空煤层气吸入水合反应器，并使二者在流至稳定段过程中被混合而发生水合反应，生成水合物浆液和甲烷贫气；