[发明专利]一种移动式低浓度煤层气浓缩装置及浓缩方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低浓度煤层气浓缩装置及浓缩方法，尤其是采用移动式两级变压吸附技术，实现低浓度煤层气（煤矿瓦斯）浓缩的装置及浓缩方法。

背景技术

煤层气，又被称为煤矿瓦斯，是一种与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，主要成分为CH₄。我国煤层气资源丰富，居世界第三，埋深2000m以浅煤层气地质资源量约36万亿立方米。甲烷浓度在1%-30%之间的煤层气，称为低浓度煤层气，其主要通过煤矿瓦斯抽放系统进行开采。低浓度煤层气的开发利用可以有效减少风排瓦斯的数量，改善矿井安全生产条件，提高瓦斯事故防范水平，还可以有效减排温室气体并产生巨大的经济效益。

煤层气是一种优质洁净的能源，1立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料，在我国目前能源结构依然以煤为主的状况下，开发利用煤层气资源具有重要现实意义。

抽采煤层气同时也是预防煤矿瓦斯事故的重要手段，在采煤之前先开采煤层气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%，加大煤层气的利用率，对于提高瓦斯事故防范水平，具有明显的安全效应。

煤层气是一种对生态环境破坏性极强的温室气体，其温室效应约为二氧化碳的21倍，若直接排放到大气中，将会对环境造成极大的破坏。

煤层气的综合利用对于改善和优化我国日趋严峻的能源结构，改善矿井安全生产条件，保障煤矿安全生产、降低煤矿生产成本、减少大气污染具有重要的经济与社会效益。

近年来，我国煤层气抽采量逐年提高，由2005年的22.3亿立方米增加到2011年的115亿立方米。2012年上半年，我国煤层气抽采量达到64.3亿立方米，同比增长22.8%，其中，煤矿瓦斯抽采50.6亿立方米，利用16.3亿立方米，根据《煤矿安全规程》第一百四十八条相关规定，煤层气利用时甲烷含量不得低于30%，因此，导致在煤矿瓦斯总排量中占较大比例的低浓度煤层气被空放，煤层气整体利用率仅为32.3%，尤其是广大中小煤矿，由于煤矿煤层气抽放过程中，受钻孔与抽放系统密闭不严等因素影响，煤层气利用率更低。2010年前，我国对煤层气的利用基本上只局限于甲烷浓度在30%以上的部分，造成我国低浓度煤层气利用率偏低的主要原因是缺乏有效的、经济的低浓度煤层气利用技术及装备，尤其是适合中小煤矿煤层气抽放特点、可在矿井各抽放地点以及矿井之间移动的低浓度煤层气浓缩利用技术与装备，这也成为制约我国煤层气产业发展的根本原因。

目前，我国低浓度煤层气利用方式主要是提纯后民用和发电、内燃机直接发电、催化氧化气轮机发电等方式，提纯方法主要有低温深冷法、膜分离法与变压吸附法三种，其中：

①低温深冷法产品气甲烷浓度与回收率高，但装置运行成本与一次性投资额大，并只在分离大量气流时才具有经济性，不适合中小规模低浓度煤层气抽采浓缩提纯处理；

②Mehra工艺与金属基液体吸收剂工艺，前者利用碳氢溶剂分离氮气，后者利用金属基液体吸收剂分离甲烷与氮气，但两者均仅处于试验研究阶段，没有投入商业化运行，技术发展不够成熟；

③膜分离法具有灵活便捷的技术优点，但受膜材料选择与制膜工艺影响，现阶段气体分离效果不够理想，另外投资成本高，限制了其大规模的推广；

④变压吸附法操作方便，工艺实用性强，近些年得到较快应用，如变压吸附提取低浓度煤层气甲烷技术，产品气中CH₄含量≥96%以上，O₂≤0.1%，使用效果良好，但该类技术只适合应用于地面固定式、大规模低浓度煤层气处理，同时设备投资大，运行成本高，对于中低规模低浓度煤层气处理来说，由于低浓度煤层气抽采量有限，大型变压吸附浓缩技术工艺运行时间、服务年限与运行经济性多与现场实际需求不符。

综上所述，我国现阶段缺乏适用于中小规模低浓度煤层气抽采、经济有效的煤层气浓缩技术与装备，致使大量煤层气被排空，导致低浓度利用率极低。因此，结合国内中小煤矿瓦斯抽放随采随抽、移动抽放、抽采规模有限等特点，研究和开发单位能耗低、移动方便、性能优良的低浓度煤层气浓缩利用技术与装备，对于有效控制我国煤矿瓦斯灾害，提高低浓度煤层气利用率，改善能源消耗结构、减少环境污染具有重要现实意义。

发明内容