一種低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚨闹谱鞣椒?

專利名稱：一種低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚨闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含氧的富甲烷氣制備燃?xì)饧夹g(shù)領(lǐng)域，特別涉及低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
煤層氣，俗稱瓦斯，其主要成分是CH4(甲烷)，與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2 5倍，主要成分為甲烷。1立方米純煤層氣的熱值相當(dāng)于1. 13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。煤層氣空氣濃度達(dá)到5% 16%時(shí)，遇明火就會(huì)爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞性極強(qiáng)。我國(guó)有比較豐富的煤炭資源，與之伴生的煤層氣的規(guī)模也就十分巨大。目前，我國(guó)煤層氣大部分的甲烷含量比較低，一般情況下CH4平均體積分?jǐn)?shù)為 25 % 70 %，含氧量為3 % 12 %，同時(shí)含有一定硫化物，這樣的煤層氣我們稱為低質(zhì)煤層氣，這種低質(zhì)煤層氣的利用，通常做法是直接把這種煤層氣作為民用燃料或發(fā)電的燃料。但因煤層氣中還有較多的氧氣，為了安全考慮，大規(guī)模煤層氣發(fā)電利用的發(fā)電機(jī)一般要求煤層氣中的甲烷的濃度比較高而氧氣含量低，否則有出現(xiàn)爆炸的危險(xiǎn)，也就對(duì)煤層氣的要求比較高；另外，由于原始的低質(zhì)煤層氣中含有較多的氧氣，如果輸送到發(fā)電機(jī)時(shí)被壓縮和預(yù)熱，也可能發(fā)生爆炸，有嚴(yán)重安全隱患，所以原始的低質(zhì)煤層氣作為發(fā)電燃?xì)鈺r(shí)不能被壓縮和預(yù)熱，發(fā)電效率較低，能源利用率較低，不利于節(jié)能環(huán)保。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種安全可靠，且可以使用不同甲烷濃度的煤層氣進(jìn)行發(fā)電的工藝。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的一種低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚕ㄈ缦虏襟E在0. 05MPa 0. 4MPa壓力下，向經(jīng)過(guò)脫硫后的煤層氣中加入水蒸汽，進(jìn)行混合后， 預(yù)熱到300 400°C，再通入裝有催化劑的絕熱反應(yīng)器中，進(jìn)行甲烷部分氧化和甲烷的水蒸汽重整反應(yīng)，產(chǎn)生蒸汽或利用蒸汽發(fā)電機(jī)發(fā)電回收混合氣的熱量，再對(duì)混合氣依次進(jìn)行冷卻、脫水、壓縮和預(yù)熱，最后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。作為優(yōu)選加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0. 2 1. 0 1。作為優(yōu)選所述催化劑載體的主要組分為Al2O3和SiO2，活性組分為MruNi、Co中的一種或多種，活性組分以氧化物形式存在于催化劑中，且所述催化劑為蜂窩狀整型催化劑。作為優(yōu)選所述載體和活性組分氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為70% 94%和5% 20%。更進(jìn)一步的所述蜂窩狀整型催化劑的孔密度是7 62孔/平方厘米。作為優(yōu)選所述反應(yīng)器中的操作空速為6000 200001^。
其中，在蜂窩狀整型催化劑床層，甲烷與氧發(fā)生部分氧化反應(yīng)，達(dá)到除氧的目的， 而甲烷與水蒸汽的重整反應(yīng)吸收部分熱量，控制床層的溫升。該工藝中的主要化學(xué)方程式是CH4+1. 502 — C0+2H20(1)CH4+H20 — C0+3H2(2)C0+H20 — 0)2+H2(3)甲烷與氧氣發(fā)生催化部分氧化反應(yīng)(1)是放熱反應(yīng)，而甲烷水蒸汽重整反應(yīng)(2) 是吸熱反應(yīng)，因此不需要?dú)怏w循環(huán)就可以控制反應(yīng)的溫度不至于升高太多而導(dǎo)致結(jié)碳，造成催化劑失活。由于上述蜂窩狀催化劑床層的外表面積大，催化劑床層的壓降小，因此可以采用很高的氣空速6000 200001Γ1，較低的操作壓力0. 05MPa 0. 4MPa。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)比較，本工藝的優(yōu)點(diǎn)主要有由于采用的是蜂窩狀整體型催化劑，可以采用低的操作壓力，提高安全性；蜂窩狀整體型催化劑床層的壓降小，減少了壓縮功的損失；操作的空速高，縮小了設(shè)備尺寸，減少設(shè)備投資。由于加入了的水蒸汽量，煤層氣中的惰性組分含量較多，再預(yù)熱就不存在發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，提高了脫氧過(guò)程的安全性。 由于經(jīng)過(guò)蜂窩狀整型催化劑后，混合氣中的氧氣含量小于0. 2 %，可以對(duì)發(fā)電燃?xì)膺M(jìn)行壓縮，并利用低位熱源預(yù)熱發(fā)電燃?xì)猓虼丝偟陌l(fā)電效率可以提高5 10 %。另外，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)本工藝處理后的煤層氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)大于25%即可用于發(fā)電，并能達(dá)到較高的發(fā)電效率。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。實(shí)施例1 按照?qǐng)D1所示工藝流程，壓力為0. 05MPa，把原料氣低質(zhì)煤層氣和水蒸汽混合后預(yù)熱到350°C，加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為1.0。其中低質(zhì)煤層氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占25%，隊(duì)占60%, 占15%。然后加入到裝有蜂窩狀整體催化劑的絕熱反應(yīng)器中，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是62孔/平方厘米，干氣空速為eoooh—1，在催化劑床層經(jīng)過(guò)部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于0. 2%。因此該氣體就不存在爆炸的任何危險(xiǎn)，可以被壓縮到具有較高的壓力和預(yù)熱，能夠利用低溫?zé)嵩?，提高后工序的發(fā)電效率。
反應(yīng)后各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占0. 008%，CO占4. 90%，CO2占12. 00%, N2 占40. 06%，H2占42. 44%，出口氣體的溫度為664°C，出口氣體壓力大于0. 045MPa。實(shí)施例2按照?qǐng)D1所示工藝流程，壓力為0. 2MPa，把原料氣低質(zhì)煤層氣和水蒸汽混合后預(yù)熱到360°C，加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0. 4。其中低質(zhì)煤層氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占40%，隊(duì)占48%, 占12%。然后加入到裝有蜂窩狀整體催化劑的絕熱反應(yīng)器中，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是50孔/平方厘米，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是40孔/平方厘米，干氣空速為lOOOOtT1，在催化劑床層經(jīng)過(guò)部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于0. 2%。反應(yīng)后各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占12. 44%，CO占6. 32%，CO2占9. 11 %，N2 占33. 44%，H2占38. 69%，出口氣體的溫度為604°C，出口氣體壓力大于0. 195MPa。實(shí)施例3按照?qǐng)D1所示工藝流程，壓力為0. 3MPa，把原料氣低質(zhì)煤層氣和水蒸汽混合后預(yù)熱到370°C，加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0.5。其中低質(zhì)煤層氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占50%，隊(duì)占40%, 占10%。然后加入到裝有蜂窩狀整體催化劑的絕熱反應(yīng)器中，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是20孔/平方厘米，干氣空速為SOOOtT1，在催化劑床層經(jīng)過(guò)部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于0. 2%。反應(yīng)后各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占23. 22%，CO占3. 50%，CO2 ^ 9. 65%, N2 占29. 10%, H2占34. 53%，出口氣體的溫度為581°C，出口氣體壓力大于0. 295MPa。實(shí)施例4按照?qǐng)D1所示工藝流程，壓力為0. 4MPa，把原料氣低質(zhì)煤層氣和水蒸汽混合后預(yù)熱到390°C，加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0. 4。其中低質(zhì)煤層氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占60%，N2占32%，O2占8%。然后加入到裝有蜂窩狀整體催化劑的絕熱反應(yīng)器中，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是7孔/平方厘米，干氣空速為SOOOh—1，在催化劑床層經(jīng)過(guò)部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于0. 2%。反應(yīng)后各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占33. 60%，CO占2. ，CO2 ^ 7. 70%, N2 占23. 28%, H2占26. 18%，出口氣體的溫度為585°C，出口氣體壓力大于0. 395MPa。實(shí)施例5按照?qǐng)D1所示工藝流程，壓力為0. 4MPa，把原料氣低質(zhì)煤層氣和水蒸汽混合后預(yù)熱到400°C，加入的水蒸汽與低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0.2。其中低質(zhì)煤層氣中各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占70%，N2占M%，O2占6%。然后加入到裝有蜂窩狀整體催化劑的絕熱反應(yīng)器中，蜂窩狀整型催化劑的孔密度是20孔/平方厘米，干氣空速為200001^,在催化劑床層經(jīng)過(guò)部分氧化反應(yīng)和水蒸氣重整反應(yīng)后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)小于0. 2%。反應(yīng)后各組分的體積分?jǐn)?shù)分別為CH4占11. 39%，CO占21. 79%, CO2占4. 86%,N2 占3. 26%, H2占58. 70%，出口氣體的溫度為600°C，出口氣體壓力大于0. 385MP。實(shí)施例6上述實(shí)施例所采用的蜂窩狀整型催化劑，其制備過(guò)程通過(guò)包括下述主要步驟的方法制備(1)、高溫煅燒制得載體將工業(yè)原料的Al2O3和SiO2(Al2C)3與SW2的質(zhì)量比為1 2)在球磨機(jī)內(nèi)混合，磨料時(shí)間20小時(shí)；通過(guò)摻雜4%的聚乙烯醇，5%植物油，20%的水，混合均勻后陳腐40小時(shí)，擠出蜂窩狀整型載體，根據(jù)需要，整型出蜂窩狀載體的孔密度為7 62孔/平方厘米；將載體在1400°C下煅燒2小時(shí)。(2)、浸漬活性組分載體煅燒完成后，用浸漬方法引入活性組分，具體方法如下將載體放入硝酸鎳、硝酸錳和硝酸鎂的混合溶液中進(jìn)行浸漬，溶液總濃度為lmol/ 1，硝酸鎳和硝酸錳物質(zhì)量之比為4 1，其中浸漬溶液體積量與載體堆積體積比大于
2 1，浸漬溫度為30°C，浸漬時(shí)間4小時(shí)；(3)、加熱分解浸漬結(jié)束后，放入分解爐中加熱分解，分解溫度為300°C，分解1 小時(shí)。最終浸漬法使得到活性組分氧化鎳和氧化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1 %，即制得所述的低質(zhì)煤層氣催化燃燒及催化轉(zhuǎn)化雙功能催化劑。必要時(shí)，還可進(jìn)行第二次浸漬活性組分和第二次加熱分解，方法同分別同上述(2) 步浸漬活性組分的方法和( 步加熱分解的方法，制得所述的蜂窩狀整型催化劑。
權(quán)利要求
1.一種低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚕涮卣髟谟诎ㄈ缦虏襟E在0.05MI^ 0. 4MPa壓力下，向經(jīng)過(guò)脫硫后的煤層氣中加入水蒸汽，進(jìn)行混合后，預(yù)熱到300 400°C，再通入裝有催化劑的絕熱反應(yīng)器中，進(jìn)行甲烷部分氧化和甲烷的水蒸汽重整反應(yīng)，產(chǎn)生蒸汽或利用蒸汽發(fā)電機(jī)發(fā)電回收混合氣的熱量，再對(duì)混合氣依次進(jìn)行冷卻、脫水、壓縮和預(yù)熱， 最后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚕涮卣髟谟诩尤氲乃羝c低質(zhì)煤層氣的物質(zhì)的量之比為0.2 1.0 1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に嚕涮卣髟谟谒龃呋瘎┹d體主要組分為Al2O3和SiO2，活性組分為Mn、Ni、Co中的一種或多種，活性組分以氧化物形式存在于催化劑中，且所述催化劑為蜂窩狀整型催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に?，其特征在于所述載體和活性組分氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為70% 94%和5% 20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に?，其特征在于所述蜂窩狀整型催化劑的孔密度是7 62孔/平方厘米。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に?，其特征在于所述反?yīng)器中的操作空速為6000 200001Γ1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低質(zhì)煤層氣制備發(fā)電燃?xì)獾墓に?，將脫硫后的煤層氣與水蒸氣進(jìn)行混合，然后加熱到一定溫度后，在較低的壓力(0.05MPa-0.4MPa)和高空速(6000～20000h-1)下，低質(zhì)煤層氣在蜂窩狀整型催化劑的床層發(fā)生部分氧化和水蒸汽重整反應(yīng)，生成CO和H2，得到以CH4、CO、H2和H2O為主要組分的高溫混合氣體；然后利用該高溫氣體進(jìn)行蒸汽發(fā)電或產(chǎn)生蒸汽利用熱量，再冷卻，壓縮，預(yù)熱，通入燃?xì)饣騼?nèi)燃發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，最后對(duì)燃?xì)馀艢庹羝l(fā)電或產(chǎn)生蒸汽而回收熱量，經(jīng)過(guò)處理后的煤層氣中的氧氣含量小于0.2％，可以壓縮和預(yù)熱，最后總的發(fā)電效率大約可以提高5～10％，同時(shí)提高了安全性。
文檔編號(hào)C10L3/00GK102225745SQ20101024037
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者馮雅晨, 劉玉成, 張新波, 李澤軍 申請(qǐng)人:西南化工研究設(shè)計(jì)院