一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统和方法.pdf

一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统和方法，系统包括二氧化碳捕集系统，电厂烟气通过二氧化碳捕集系统与二氧化碳储罐连接，二氧化碳储罐出口分成两路，一路与二氧化碳压注系统连接，另一路和第三流量控制器连接，二氧化碳压注系统依次经注入井、采出井、采出气净化装置与采出气储罐连接，采出气储罐出口分成两路，一路和第二流量控制器连接，另一路和第一流量控制器连接，第一、第三流量控制器连接后再通过气体成分分析装置与甲烷催化重整反应器反应通道连接，反应通道生成合成气H2、CO，第二流量控制器与甲烷催化重整反应器加热通道连接，加热通道与二氧化碳捕集系统连接，方法实现二氧化碳和煤层气的高效就地利用。

权利要求书
1.  一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统，包括二氧化碳捕集系 统(1)，其特征在于：二氧化碳捕集系统(1)烟气入口与电厂烟气管道 连接，二氧化碳捕集系统(1)出口与二氧化碳储罐(2)入口连接，二氧 化碳储罐(2)出口分成两路，一路与二氧化碳压注系统(3)入口连接， 另一路与第三流量控制器(10)入口连接，二氧化碳压注系统(3)出口 与注入井(4)连接，注入井(4)产生的CH4、CO2进入采出井(5)，采 出井(5)与采出气净化装置(6)入口连接，采出气净化装置(6)出口 与采出气储罐(7)入口连接，采出气储罐(7)出口分成两路，一路和第 二流量控制器(9)的入口连接，另一路和第一流量控制器(8)入口连接， 第一流量控制器(8)出口和第三流量控制器(10)出口连接后，再和气 体成分分析装置(11)入口连接，气体成分分析装置(11)出口与甲烷催 化重整反应器(12)反应通道入口连接，甲烷催化重整反应器(12)反应 通道出口生成合成气H2、CO，第二流量控制器(9)出口与甲烷催化重整 反应器(12)加热通道入口连接，甲烷催化重整反应器(12)加热通道出 口与二氧化碳捕集系统(1)尾气入口连接。

2.  根据权利要求1所述二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统的合成 方法，其特征在于，包括以下步骤：
坑口电厂的烟气经风机引入二氧化碳捕集系统(1)进行烟气CO2捕 集，捕集的CO2经过压缩液化后引入二氧化碳储罐(2)进行储存，二氧 化碳储罐(2)中的CO2一部分经过二氧化碳压注系统(3)压入注入井(4)， 进入煤层孔隙的CO2通过吸附置换的方式驱替煤层中的甲烷CH4，经过采 出井(5)排出，驱采出的煤层气成分是甲烷CH4、二氧化碳CO2、粉尘 和气体杂质，粉尘和气体杂质经过采出气净化装置(6)进行脱除，经过 净化后的CH4和CO2气体压入采出气储罐(7)进行存储，采出气储罐(7) 中的CH4、CO2混合气体一部分流经第一流量控制器(8)和气体成分分 析装置(11)进入甲烷催化重整反应器(12)的反应通道进行催化重整， 生产合成气H2和CO；另一部分流经第二流量控制器(9)进入甲烷催化 重整反应器(12)的加热通道，与空气混合后燃烧为催化重整反应提供温 度条件；
二氧化碳储罐(2)向甲烷催化重整反应器(12)的反应通道补充部 分CO2，补充的CO2流量由第三流量控制器(10)控制，第一流量控制器 (8)和第三流量控制器(10)的流量是根据气体成分分析仪(11)的分 析结果进行自动调控的，要求维持原料气摩尔比CH4/CO2＝1，第二流量控 制器(9)的流量是根据甲烷催化重整反应器(12)的温度测量结果来自 动控制的，要求维持CH4/CO2干重整转化所需要的反应温度；
甲烷催化重整反应器(12)加热通道出口排出的尾气引入二氧化碳捕 集系统(1)进行二氧化碳回收，甲烷催化重整反应器(12)反应通道出 口生成的合成气(H2+CO)作为下游纯氢气生产，或者通过费托合成制燃料， 或羟基合成制醇类化工合成工艺的原料气。

3.  根据权利要求1所述二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统，其特 征在于：所述的甲烷催化重整反应器(12)采用的催化剂为使氧化铝负载 的贵金属催化剂或使负载型的镍金属催化剂，贵金属催化剂包括铂、钌或 钯，载体为氧化铝，催化剂采用稀土和碱金属以及碱土金属改性。

4.  根据权利要求3所述二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统，其特 征在于：所述的催化剂的制备采用浸渍法，浸渍好的催化剂经过晾干或者 100℃以下干燥，900℃以下焙烧，得到催化剂的氧化形态，在催化剂工 业应用时，需要经过含有氢气的气氛还原。

说明书一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统和方法
技术领域
本发明属于温室气体减排以及煤层气开发利用技术领域，特别涉及一 种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统和方法。
背景技术
向煤层中注入二氧化碳可以提高煤层甲烷气的采收率，甲烷气产出的 同时二氧化碳被封存在煤层中，这一技术叫做二氧化碳驱替煤层气增采技 术(CO2-ECBM)。通过注入二氧化碳驱采出的煤层气的主要成分是甲烷 CH4和二氧化碳CO2，两者的比例与二氧化碳注入强度、煤层压力以及煤 层瓦斯气含量等因素有密切关系，其中也可能会有少量的氧气。通常地， 为了获得纯度较高的甲烷气，需要对采出煤层气中的二氧化碳进行脱除回 注。煤层气的二氧化碳脱除工艺增加了系统运行能耗。因此，寻求一种能 直接利用CH4/CO2混合气体的工艺是十分有意义的。
煤层甲烷CH4和二氧化碳CO2是两种最为重要的温室气体，两者在特 定温度和催化条件下，可以通过干重整反应生成H2和CO，即合成气，该 反应为吸热反应，其主反应式为：
CH4+CO2＝2H2+2CO
同时如果煤层气存在氧气，也不需要脱除，因为甲烷和氧气可以发生 部分氧化重整，化学反应表达如下：
CH4+1/2O2＝2H2+CO
该反应为放热反应，此放热反应和前面的吸热反应耦合，有助于反应 能量供应，同时氧气的存在有助于抑制积碳，延长催化剂寿命。
可见，寻求一种新型的系统集成工艺，对驱采出的甲烷CH4和二氧化 碳CO2混合气体不经分离而直接进行高效利用，通过干重整工艺生产具有 广泛用途的合成气，实现二氧化碳和煤层甲烷两大温室气体的高产值利 用，是十分有意义的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二氧化碳 驱替煤层气制合成气的系统和方法，实现二氧化碳和煤层气的高效就地利 用，提高二氧化碳驱替煤层气工艺的经济性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统，包括二氧化碳捕集系统1， 二氧化碳捕集系统1烟气入口与电厂烟气管道连接，二氧化碳捕集系统1 出口与二氧化碳储罐2入口连接，二氧化碳储罐2出口分成两路，一路与 二氧化碳压注系统3入口连接，另一路与第三流量控制器10入口连接， 二氧化碳压注系统3出口与注入井4连接，注入井4产生的CH4、CO2进 入采出井5，采出井5与采出气净化装置6入口连接，采出气净化装置6 出口与采出气储罐7入口连接，采出气储罐7出口分成两路，一路和第二 流量控制器9的入口连接，另一路和第一流量控制器8入口连接，第一流 量控制器8出口和第三流量控制器10出口连接后，再和气体成分分析装 置11入口连接，气体成分分析装置11出口与甲烷催化重整反应器12反 应通道入口连接，甲烷催化重整反应器12反应通道出口生成合成气H2、 CO，第二流量控制器9出口与甲烷催化重整反应器12加热通道入口连接， 甲烷催化重整反应器12加热通道出口与二氧化碳捕集系统1尾气入口连 接。
所述系统的合成方法，包括以下步骤：
坑口电厂的烟气经风机引入二氧化碳捕集系统1进行烟气CO2捕集， 捕集的CO2经过压缩液化后引入二氧化碳储罐2进行储存，二氧化碳储罐 2中的CO2一部分经过二氧化碳压注系统3压入注入井4，进入煤层孔隙 的CO2通过吸附置换的方式驱替煤层中的甲烷CH4，经过采出井5排出， 驱采出的煤层气成分是甲烷CH4、二氧化碳CO2、粉尘和气体杂质，粉尘 和气体杂质经过采出气净化装置6进行脱除，经过净化后的CH4和CO2气体压入采出气储罐7进行存储，采出气储罐7中的CH4、CO2混合气体 一部分流经第一流量控制器8和气体成分分析装置11进入甲烷催化重整 反应器12的反应通道进行催化重整，生产合成气H2和CO；另一部分流 经第二流量控制器9进入甲烷催化重整反应器12的加热通道，与空气混 合后燃烧为催化重整反应提供温度条件；
二氧化碳储罐2向甲烷催化重整反应器12的反应通道补充部分CO2， 补充的CO2流量由第三流量控制器10控制，第一流量控制器8和第三流 量控制器10的流量是根据气体成分分析仪11的分析结果进行自动调控 的，要求维持原料气摩尔比CH4/CO2＝1，第二流量控制器9的流量是根据 甲烷催化重整反应器12的温度测量结果来自动控制的，要求维持CH4/CO2干重整转化所需要的反应温度；
甲烷催化重整反应器12加热通道出口排出的尾气引入二氧化碳捕集 系统1进行二氧化碳回收，甲烷催化重整反应器12反应通道出口生成的 合成气(H2+CO)作为下游纯氢气生产，或者通过费托合成制燃料，或羟基 合成制醇类化工合成工艺的原料气。
所述的甲烷催化重整反应器12采用的催化剂为使氧化铝负载的贵金 属催化剂或使负载型的镍金属催化剂，贵金属催化剂包括铂、钌或钯，载 体为氧化铝，催化剂采用稀土和碱金属以及碱土金属改性。
所述的催化剂的制备采用浸渍法，浸渍好的催化剂经过晾干或者 100℃以下干燥，900℃以下焙烧，得到催化剂的氧化形态，在催化剂工 业应用时，需要经过含有氢气的气氛还原。
本发明有以下优点：
1)省却二氧化碳驱替煤层气工艺中的二氧化碳脱除回注系统，实现 采出气中的甲烷CH4和二氧化碳CO2不经分离而直接利用，降低了煤层气 驱采系统的投资和运行能耗。即使煤层气含有氧气，也不需要分离，可以 直接进行干法和氧化重整。
2)实现煤层甲烷CH4和二氧化碳CO2两大温室气体的高效利用，温 室减排效益显著。与单纯的煤层CO2封存相比，本发明CO2利用方法更具 经济性。
3)通过甲烷/二氧化碳干重整获得的低氢碳比合成气(H2+CO)在化 工合成领域具有广泛的应用，即可以通过费托合成工艺合成清洁的发动机 燃料，也可以通过羟基合成工艺合成各种醇类产品，下游应用十分广泛， 提高二氧化碳驱替煤层气生产工艺的经济性。
附图说明
附图为本发明二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照附图，一种二氧化碳驱替煤层气制合成气的系统，包括二氧化碳 捕集系统1，二氧化碳捕集系统1烟气入口与电厂烟气管道连接，二氧化 碳捕集系统1出口与二氧化碳储罐2入口连接，二氧化碳储罐2出口分成 两路，一路与二氧化碳压注系统3入口连接，另一路与第三流量控制器10 入口连接，二氧化碳压注系统3出口与注入井4连接，注入井4产生的 CH4、CO2进入采出井5，采出井5与采出气净化装置6入口连接，采出 气净化装置6出口与采出气储罐7入口连接，采出气储罐7出口分成两路， 一路和第二流量控制器9的入口连接，另一路和第一流量控制器8入口连 接，第一流量控制器8出口和第三流量控制器10出口连接后，再和气体 成分分析装置11入口连接，气体成分分析装置11出口与甲烷催化重整反 应器12反应通道入口连接，甲烷催化重整反应器12反应通道出口生成合 成气H2、CO，第二流量控制器9出口与甲烷催化重整反应器12加热通道 入口连接，甲烷催化重整反应器12加热通道出口与二氧化碳捕集系统1 尾气入口连接。
所述系统的合成方法，包括以下步骤：
坑口电厂的烟气经风机引入二氧化碳捕集系统1进行烟气CO2捕集， 捕集的CO2经过压缩液化后引入二氧化碳储罐2进行储存，二氧化碳储罐 2中的CO2一部分经过二氧化碳压注系统3压入注入井4，进入煤层孔隙 的CO2通过吸附置换的方式驱替煤层中的甲烷CH4，经过采出井5排出， 驱采出的煤层气成分是甲烷CH4、二氧化碳CO2、粉尘和气体杂质，粉尘 和气体杂质经过采出气净化装置6进行脱除，防止甲烷重整反应器中的催 化剂中毒，经过净化后的CH4和CO2气体压入采出气储罐7进行存储，采 出气储罐7中的CH4、CO2混合气体一部分流经第一流量控制器8和气体 成分分析装置11进入甲烷催化重整反应器12的反应通道进行催化重整， 生产合成气H2和CO；另一部分流经第二流量控制器9进入甲烷催化重整 反应器12的加热通道，与空气混合后燃烧为催化重整反应提供温度条件；
甲烷和二氧化碳干重整反应的主反应式为CH4+CO2＝2H2+2CO，因此 原料气中CH4和CO2的摩尔比应为1:1，由采出井5排出的气体中甲烷CH4比CO2的比重大，因此需要从二氧化碳储罐2向甲烷催化重整反应器12 的反应通道补充部分CO2，补充的CO2流量由第三流量控制器10控制， 第一流量控制器8和第三流量控制器10的流量是根据气体成分分析仪11 的分析结果进行自动调控的，要求维持原料气摩尔比CH4/CO2＝1，第二流 量控制器9的流量是根据甲烷催化重整反应器12的温度测量结果来自动 控制的，要求维持CH4/CO2干重整转化所需要的反应温度；
甲烷催化重整反应器12加热通道出口排出的尾气引入二氧化碳捕集 系统1进行二氧化碳回收，甲烷催化重整反应器12反应通道出口生成的 合成气(H2+CO)作为下游纯氢气生产，或者通过费托合成制燃料，或羟基 合成制醇类化工合成工艺的原料气。
所述的甲烷催化重整反应器12采用的催化剂为使氧化铝负载的贵金 属催化剂或使负载型的镍金属催化剂，贵金属催化剂包括铂、钌或钯，载 体为氧化铝，尤其是稳定的alpha-氧化铝，催化剂采用稀土和碱金属以及 碱土金属改性，从而增加催化剂的抗积碳性和抗烧结性能。
所述的催化剂的制备采用浸渍法，浸渍好的催化剂经过晾干或者 100℃以下干燥，900℃以下焙烧，得到催化剂的氧化形态，在催化剂工 业应用时，需要经过含有氢气的气氛还原。