采用水合物法提纯低浓度煤层气的流程模拟及（火用）经济性评价

摘要

煤层气是一种清洁的非常规天然气资源，主要成分是 CH4。我国是世界上第三大煤层气储量国，每年开采的煤层气中约 65%为低浓度煤层气。高效利用低浓度煤层气可以节约能源、保障煤矿安全、减少环境污染，具有重要现实意义。气体水合物法提纯低浓度煤层气具有原料简单、储气密度大、储运安全、能耗低等特点，是一种有良好应用前景的新方法。目前关于该方法提纯煤层气的研究以实验为主，但是实验周期长，此外受实验装置限制无法实现连续多级提纯，而且对提纯过程的能耗情况缺乏深入认识。针对以上问题，本文根据自主研发的煤层气提纯实验系统，采用某软件对气体水合物法提纯低浓度煤层气进行单级提纯、二级串联提纯、二级并联提纯的流程模拟，研究不同提纯流程的设备?损失，通过改变操作条件分析系统?效率的变化规律，并采用?分析法对能源装置进行综合评价，得出以下几点结论：　　① 当 CH4回收率为46.1%，操作条件为：T=283.4K、P=2.6MPa时，低浓度煤层气（30.0%CH4+70.0% N2，1.00mol/s）经过单级提纯后产品气的CH4浓度提高至47.2%，经过二级串联和二级并联提纯后产品气的CH4浓度均为72.0%。　　② 通过计算三种提纯流程的?损和局部分析操作单元中的物流?值，发现水合物法提纯低浓度煤层气工艺流程的?损主要集中在水合物生成单元，气体水合物生成过程中的不可逆?损失是造成反应器?损的关键因素。在水合物分解单元中，气体水合物受热分解出 CH4浓度较高的产品气，分解单元内的物理?和化学?均增加。　　③ 经过二级提纯后产品气的单位?高于单级提纯的产品气单位?，达到了585.62 kJ/mol，与原料气相比提高了 140.0%。单级、二级串联和二级并联提纯流程的产品?效率分别为39.67%、17.50%、26.56%，其中二级并联提纯流程的?损最低。因此，如果产品气要满足天然气的使用要求，二级并联提纯流程的性能最优。　　④ 在单级、二级串联和二级并联三种提纯流程中，产品?效率和系统?损率随着CH4回收率的升高而增加。当CH4回收率相同时，单级提纯流程的产品?效率最大。产品?效率随着原料气流量的升高而减小，当原料气入口流量相同时，三种提纯流程的产品?效率的大小关系为：单级提纯流程＞二级并联提纯流程＞二级串联提纯流程。此外，预冷单元中换热器出口热流温度的升高对系统的产品?效率和?损影响不大。　　⑤ 通过?经济分析发现低浓度煤层气经二级并联提纯后具有天然气品质，可直接出售，其产品气的利润单价约为成本单价的 3 倍，具有很好的经济效益，提高CH4回收率有利于降低产品气的成本单价。

目录

1 绪 论

1.1.1 概述

1.1.2 煤层气的开发利用现状

1.2 煤层气的分离与提纯

1.2.1 变压吸附法

1.2.2 低温精馏法

1.2.3 膜分离法

1.2.4 气体水合物法

1.3.1 热力学研究进展

1.3.2 动力学研究进展

1.3.3 工艺流程研究进展

1.3.4 经济性评价研究进展

1.4 本文的主要工作

1.5 本文的创新点

2 流程模拟的单元模型与物性模型

2.1 单元操作模型

2.2 物性模型

2.3 物性计算

2.4 小结

3 水合物法提纯低浓度煤层气的流程设计

3.1 模拟提纯系统及参数

3.2.1 单级提纯流程设计

3.2.2 二级串联提纯流程设计

3.2.3 二级并联提纯流程设计

3.3 设备选型

3.3.1 压缩机结构及参数设计

3.3.2 换热器结构及参数设计

3.3.3 冷却器结构及参数设计

3.4 小结

4 单级提纯流程操作单元的?损计算

4.1 水合物法提纯低浓度煤层气的?分析方法研究

4.1.1 系统?能描述与简化

4.1.2 ?值的计算

4.1.3 ?经济学分析

4.2.1 压缩机1的?损计算

4.2.2 压缩机2的?损计算

4.2.3 涡轮的?损计算

4.3.1 换热器1的?损计算

4.4.2 冷却器1的?损计算

4.4.1 反应器1的?损计算

4.5.1 分解器1的?损计算

4.6 小结

5 三种提纯流程的?分析结果与讨论

5.1 三种流程CH4提浓效果对比

5.2.1 单级提纯流程?损

5.2.2 二级串联提纯流程?损

5.2.3 二级并联提纯流程?损

5.2.4 三种流程?计算对比

5.3 操作条件对系统?的影响

5.3.1 CH4回收率对系统?的影响

5.3.2 原料气流量对系统?的影响

5.3.3 换热器热流出口温度对系统?的影响

5.4 最优提纯流程的?经济性分析

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢