[發明專利]一種提高煤層氣利用效率的設備和方法

在審

• 申請號: 201810203009.0
• 申請日: 2018-03-12
• 公開（公告）號: CN108286705A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 賈志剛;王鵬;馮璐瑤
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: F23C13/02
• 分類號: F23C13/02;F22B31/00;F22G3/00;B01D53/04
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 崔亞松

一種提高煤層氣利用效率的設備和方法，所述設備包括：煤層氣輸送管道、甲烷常壓吸附單元、催化劑預熱單元與催化氧化反應器；所述催化氧化反應器包括催化燃燒單元、煤層氣預熱單元與余熱回收單元；所述催化劑預熱單元用于預熱所述催化燃燒單元中的催化劑床層；所述煤層氣預熱單元的入口與所述煤層氣輸送管道的出口相連，所述煤層氣預熱單元的出口與所述催化燃燒單元的入口相連。本發明可以實現超低濃度瓦斯高效、經濟地利用，以大幅度提高煤層氣效率。

技術領域

本發明屬于清潔能源技術領域，具體涉及一種提高煤層氣利用效率的設備和方法。

背景技術

煤層氣也稱為瓦斯，是一種清潔能源，目前利用起來的煤層氣較少，預計到2020年末，也僅有30％的煤層氣總資源能夠得到利用。如圖1所示，濃度低于10％的瓦斯(稱為超低濃度瓦斯)，包括風排瓦斯(濃度在 0.2％左右)都沒有得到利用，而直接排放到大氣。

目前，國內煤礦每年排放到大氣的超低濃度瓦斯中有300億立方米甲烷。如果把它們作為燃料使用可以替代近一億噸燃煤，減排二氧化硫93 萬噸，NOx 52萬噸，減排顆粒物126萬噸。甲烷是重要的溫室氣體，排放300億立方米甲烷相當于排放二氧化碳5.5億噸。因此，減排這些瓦斯有重大的意義，而把這些超低濃度瓦斯作為燃料加以利用，更可以補充國內天然氣供應量的不足。

超低濃度瓦斯的濃度低、風量大會加大瓦斯利用的成本，影響瓦斯利用效率。變壓吸附(PSA)方法可以提高超低濃度瓦斯濃度，但給超低濃度瓦斯加壓所消耗的電量巨大，故經濟上不可行。CN104014223A公開了一種乏風甲烷吸附器，采用變溫吸附方法吸附風排瓦斯中的甲烷，其中采用了很多小濾芯，并且吸附材料的厚度較薄，該技術方案是基于實驗室的小規模裝置實驗提出的，在大規模的工業生產中還要突破很多技術問題。另外，該吸附器僅能將甲烷濃度提高到1％，表明結構設計上還不完善。

CN103306717A公布了一種先吸附濃縮，再蓄熱式氧化的方案。把風排瓦斯的濃度先濃縮到1％，再進入蓄熱式氧化裝置中氧化，瓦斯氧化釋放出的熱量再進行發電、供熱等余熱利用。

該方法存在的問題是：

1)瓦斯浪費大。瓦斯氧化裝置需要消耗全部瓦斯的20％，來維持其 1100-1200℃的操作溫度。

2)熱量利用率低。該裝置排放到大氣中煙氣的溫度在130℃以上，帶走了大量的熱量。

3)發電效率低。摻混到風排瓦斯中的較高濃度瓦斯直接在瓦斯發電機發電，每立方米可以至少發電3.5kWh，而摻混到風排瓦斯中，制蒸汽發電每立方米瓦斯僅能發電2.5kWh。摻混越多，發電損失越大。

4)設備效率低、占地面積大。氧化裝置用大量蜂窩陶瓷蓄熱體蓄積瓦斯氧化釋放出的熱量，設備占地較大。國內多數煤礦都建在山區，平地少，實施該技術的占地成本非常高。

5)超低濃度瓦斯利用規模受限制。煤礦中濃度高的瓦斯流量相小，且不穩定，而風排瓦斯的流量大、濃度低。沒有足夠的可摻混高濃度瓦斯，影響風排瓦斯的利用(風排瓦斯中的甲烷總量占全部煤層氣的50％以上)。

6)造成大量固態廢棄物、污染環境。每臺蓄熱氧化裝置都使用幾十立方米的蜂窩陶瓷蓄熱體。一個項目的氧化裝置所用蓄熱體總量在 1000立方米左右。這些蓄熱體要1-2年更換一次，造成大量固廢棄物，形成新的環境污染。

7)設備的投資大、經濟效益差。蓄熱氧化技術發電的投資為1.1萬元 /kW，不僅遠遠高于火電的0.45萬元/kW，也高于低濃度瓦斯發電的0.65萬元/kW，投資回報期通常在6年以上。這也阻礙了該技術在國內煤礦大規模應用。

另外，該方法中的瓦斯濃度較低(低于1.0％)，如果瓦斯濃度升高，蓄熱式裝置內部溫度難以控制，會燒毀裝置，因此該方法在技術上還有待完善。

發明內容