[发明专利]低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用系统及工艺

说明书

本发明公开了一种低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用系统及工艺，该系统包括分离装置、乏风氧化装置、内燃机、余热锅炉、汽轮机、吸收式热泵；热电冷联供系统由内燃机、余热锅炉、汽轮机、吸收式热泵组成。该系统将低浓度煤层气利用溶液低温吸收和高温再生方法将煤层气中甲烷的浓度提升至10%以上，用以稳定煤层气的浓度，进而稳定燃气‑蒸汽/有机朗肯循环发电和热泵循环供热和制冷；同时利用热泵循环供热驱动溶液高温再生和煤层气的分离，实现低浓度煤层气的分离增浓和热电冷联供的耦合利用。本发明实现了低浓度煤层气全浓度范围利用，抽采利用率为100%，同时也实现了系统热电冷的稳定联供。

技术领域

本发明涉及一种低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用系统及工艺，属于资源性气体分布式利用系统领域。

背景技术

低浓度煤层气指煤层气中的甲烷体积浓度低于30%，且浓度和流量均会随抽采而剧烈波动，考虑到甲烷在常温常压下爆炸极限为5%-16%，远距离输送安全隐患较大，就地利用为最佳途径。低浓度煤层气一般采用内燃机动力循环发电利用，由于排烟温度较高，往往采用蒸汽动力循环或有机朗肯循环进行能量回收，并结合溴化锂/水热泵实现余热的深度利用。目前，现有的技术已经可以成功利用体积浓度在9%-30%的低浓度煤层气，但低于9%的低浓度煤层气尚无有效利用手段。

矿井乏风中甲烷体积浓度一般小于2%，且具有流量大和浓度波动大的特点，一般可以采用氧化的方法将其利用，在无催化剂且完全依靠自热来维持乏风氧化的情况下，要求甲烷的浓度在0.5%以上。考虑到乏风工况变化剧烈，乏风中甲烷的体积浓度也剧烈波动，常常低于0.5%，对自热型乏风氧化利用方式提出了挑战。

现有的煤层气抽采矿井中70%的为低浓度煤层气，且浓度随抽采会发生剧烈波动，当低于9%时，系统无法正常运行。这也是当前我国煤层气抽采利用率仅为35%左右的主要原因。大量未能利用的煤层气排放到大气中，污染了环境。

发明内容

本发明旨在提供一种低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用系统及工艺，实现了低浓度煤层气全浓度范围利用，抽采利用率为100%，同时也实现了系统热电冷的稳定联供。

本发明将低浓度煤层气利用溶液低温吸收和高温再生方法将煤层气中甲烷的浓度提升至10%以上，用以稳定煤层气的浓度，进而稳定燃气-蒸汽/有机朗肯循环发电和热泵循环供热和制冷；同时利用热泵循环供热驱动溶液高温再生和煤层气的分离，实现低浓度煤层气的分离增浓和热电冷联供的耦合利用。

本发明提供了一种低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用系统，包括：分离装置、乏风氧化器、内燃机、余热锅炉、汽轮机、吸收式热泵；热电冷联供系统由内燃机、余热锅炉、汽轮机、吸收式热泵组成。

分离装置包括溶液吸收器、溶液分离器和冷却器；溶液吸收器、溶液分离器和冷却器依次连接组成一个循环回路，分离装置将低于9%的煤层气分离和提浓至10%-20%，便于内燃机燃烧利用；

溶液分离器的出口分别连接乏风氧化器和内燃机，内燃机连接余热锅炉和发电机，为余热锅炉提供高温烟气；乏风氧化器的出口连接余热锅炉，为余热锅炉提供高温烟气；余热锅炉的出口连接吸收式热泵和汽轮机，余热锅炉中的高温烟气为吸收式热泵提供高温热源；汽轮机通过冷却器连接吸收式热泵，循环冷却水同时也为吸收式热泵提供低温热源；汽轮机驱动发电机发电；吸收式热泵与溶液分离器连接，为其提供热量，吸收式热泵另一端连接下游用户。

本发明提供了一种低浓度煤层气分离增浓与热电冷联供耦合利用工艺，包括以下步骤：

（1）低浓度煤层气进入分离装置中，分离装置将体积浓度低于9%的煤层气分离、提浓至10%-20%，便于内燃机燃烧利用；

（2）稳定浓度的煤层气在内燃机中燃烧发电，排出的高温烟气进入余热锅炉加热与其联合的蒸汽动力循环或有机朗肯循环；