[發明專利]低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用系統及工藝

在審

• 申請號: 201810414659.X
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN109027991A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 趙貫甲;馬素霞;尹建國;楊艷霞
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: F22B1/18
• 分類號: F22B1/18;F25B30/04;F25B30/06;F01K11/02;F01K23/06;F01K23/10;B01D53/14
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開了一種低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用系統及工藝，該系統包括分離裝置、乏風氧化裝置、內燃機、余熱鍋爐、汽輪機、吸收式熱泵；熱電冷聯供系統由內燃機、余熱鍋爐、汽輪機、吸收式熱泵組成。該系統將低濃度煤層氣利用溶液低溫吸收和高溫再生方法將煤層氣中甲烷的濃度提升至10%以上，用以穩定煤層氣的濃度，進而穩定燃氣?蒸汽/有機朗肯循環發電和熱泵循環供熱和制冷；同時利用熱泵循環供熱驅動溶液高溫再生和煤層氣的分離，實現低濃度煤層氣的分離增濃和熱電冷聯供的耦合利用。本發明實現了低濃度煤層氣全濃度范圍利用，抽采利用率為100%，同時也實現了系統熱電冷的穩定聯供。

技術領域

本發明涉及一種低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用系統及工藝，屬于資源性氣體分布式利用系統領域。

背景技術

低濃度煤層氣指煤層氣中的甲烷體積濃度低于30%，且濃度和流量均會隨抽采而劇烈波動，考慮到甲烷在常溫常壓下爆炸極限為5%-16%，遠距離輸送安全隱患較大，就地利用為最佳途徑。低濃度煤層氣一般采用內燃機動力循環發電利用，由于排煙溫度較高，往往采用蒸汽動力循環或有機朗肯循環進行能量回收，并結合溴化鋰/水熱泵實現余熱的深度利用。目前，現有的技術已經可以成功利用體積濃度在9%-30%的低濃度煤層氣，但低于9%的低濃度煤層氣尚無有效利用手段。

礦井乏風中甲烷體積濃度一般小于2%，且具有流量大和濃度波動大的特點，一般可以采用氧化的方法將其利用，在無催化劑且完全依靠自熱來維持乏風氧化的情況下，要求甲烷的濃度在0.5%以上。考慮到乏風工況變化劇烈，乏風中甲烷的體積濃度也劇烈波動，常常低于0.5%，對自熱型乏風氧化利用方式提出了挑戰。

現有的煤層氣抽采礦井中70%的為低濃度煤層氣，且濃度隨抽采會發生劇烈波動，當低于9%時，系統無法正常運行。這也是當前我國煤層氣抽采利用率僅為35%左右的主要原因。大量未能利用的煤層氣排放到大氣中，污染了環境。

發明內容

本發明旨在提供一種低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用系統及工藝，實現了低濃度煤層氣全濃度范圍利用，抽采利用率為100%，同時也實現了系統熱電冷的穩定聯供。

本發明將低濃度煤層氣利用溶液低溫吸收和高溫再生方法將煤層氣中甲烷的濃度提升至10%以上，用以穩定煤層氣的濃度，進而穩定燃氣-蒸汽/有機朗肯循環發電和熱泵循環供熱和制冷；同時利用熱泵循環供熱驅動溶液高溫再生和煤層氣的分離，實現低濃度煤層氣的分離增濃和熱電冷聯供的耦合利用。

本發明提供了一種低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用系統，包括：分離裝置、乏風氧化器、內燃機、余熱鍋爐、汽輪機、吸收式熱泵；熱電冷聯供系統由內燃機、余熱鍋爐、汽輪機、吸收式熱泵組成。

分離裝置包括溶液吸收器、溶液分離器和冷卻器；溶液吸收器、溶液分離器和冷卻器依次連接組成一個循環回路，分離裝置將低于9%的煤層氣分離和提濃至10%-20%，便于內燃機燃燒利用；

溶液分離器的出口分別連接乏風氧化器和內燃機，內燃機連接余熱鍋爐和發電機，為余熱鍋爐提供高溫煙氣；乏風氧化器的出口連接余熱鍋爐，為余熱鍋爐提供高溫煙氣；余熱鍋爐的出口連接吸收式熱泵和汽輪機，余熱鍋爐中的高溫煙氣為吸收式熱泵提供高溫熱源；汽輪機通過冷卻器連接吸收式熱泵，循環冷卻水同時也為吸收式熱泵提供低溫熱源；汽輪機驅動發電機發電；吸收式熱泵與溶液分離器連接，為其提供熱量，吸收式熱泵另一端連接下游用戶。

本發明提供了一種低濃度煤層氣分離增濃與熱電冷聯供耦合利用工藝，包括以下步驟：

（1）低濃度煤層氣進入分離裝置中，分離裝置將體積濃度低于9%的煤層氣分離、提濃至10%-20%，便于內燃機燃燒利用；

（2）穩定濃度的煤層氣在內燃機中燃燒發電，排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐加熱與其聯合的蒸汽動力循環或有機朗肯循環；