Способ получения метана из метановоздушной смеси и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способу получения метана из метановоздушной смеси и может быть использовано для утилизации шахтного метана, выделяющегося при отработке газоносных пластов полезных ископаемых. Сущность: после сжатия метановоздушную смесь пропускают через водный раствор гидрохинона при давлении не менее 3 МПа и температуре не выше +2°С, где отделяют воздух с образованием клатратов метана с гидрохиноном, которые затем нагревают, после чего выделившийся из них метан направляют на утилизацию, а водный раствор гидрохинона повторно используют в цикле. Описано устройство для получения метана из метановоздушной смеси. Технический результат: снижение энергозатрат и упрощение технологии способа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области промышленности и может быть использовано для утилизации шахтного метана, выделяющегося при отработке газоносных пластов полезных ископаемых. Обеспечивает использование более простой и дешевой технологии утилизации.

Известны способ получения метана из метановоздушной смеси и устройство для его осуществления (патент РФ №2104990, МПК 6 С07С 9/04, опубл. 1998.02.20). Сущность изобретения: предварительно очищенную от механических примесей и влаги метановоздушную смесь, например шахтный газ, подают на конверсию в присутствии водяного пара и катализатора конверсии, после которой газ, лишенный кислорода и содержащий СО, CO₂ и H₂, проходит теплообменники и осушитель и идет на обработку абсорбцией растворителем. Газ с уменьшенным количеством СО₂ попадает в метанатор, в котором происходит образование бинарного газа, содержащего азот и метан. Осушенный в абсорберах газовый поток, пройдя ряд теплообменников и охлаждаясь, поступает на низкотемпературное разделение в ректификационную колонну (разделитель). Недостатками данного изобретения является сложность и высокие затраты энергии на получение метана.

Известен способ подготовки к утилизации метана при дегазации, принятый за прототип (а.с. СССР №1270372, МПК E21F 7/00, опубл. 1986.11.15, бюл. №42). Способ включает бурение дегазационных скважин из подземных выработок и их вакуумирование, транспортировку метано-воздушной смеси от скважины на поверхность, согласно изобретению с целью повышения эффективности утилизации каптируемого метана последний переводят в гидратное состояние в охлаждаемых емкостях, которые устанавливают в выработке возле дегазационных скважин, при этом транспортировку метана от скважины на поверхность осуществляют в теплоизоляционном сосуде. Недостатками данного изобретения являются высокие затраты энергии на создание давления до 10 МПа, а также сложность, связанная с необходимостью бурения дегазационных скважин и транспортировкой метана на поверхность в теплоизоляционных сосудах. Техническим результатом изобретения является снижение затрат, а также упрощение технологии за счет исключения ряда операций.

Технический результат в части способа достигается тем, что в способе получения метана из метановоздушной смеси, заключающемся в подаче в смеситель сжатой метановоздушной смеси, получении газогидратов, разделении на метан и воздух, утилизации метана в виде топлива, согласно изобретению из канала выхода метановоздушной смеси шахтного ствола после сжатия метановоздушную смесь пропускают через водный раствор гидрохинона при давлении не менее 3 МПа и температуре не выше +2°С в смесителе, где отделяют воздух с образованием клатратов метана с гидрохиноном, которые затем направляют в нагреватель для разделения их на метан и водный раствор гидрохинона, который после охлаждения повторно используют в цикле.

Технический результат в части устройства достигается тем, что в устройстве для получения метана из метановоздушной смеси, содержащем компрессор, разделитель со смесителем и теплообменник, согласно изобретению разделитель дополнительно содержит соединенные между собой нагреватель и резервуар для сбора водного раствора гидрохинона, связанные трубопроводами со смесителем через теплообменник, причем смеситель содержит смотровые окна, расположенные по высоте на одной из сторон смесителя, разгрузочный люк, расположенный в основании смесителя, клапан, расположенный в верхней части смесителя, а нагреватель выполнен в виде герметизированной емкости с расположенными в верхней ее части приемным люком и патрубком для отвода метана, а в нижней ее части установлен патрубок для отвода водного раствора гидрохинона.

Применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет снизить затраты за счет более высокой сорбционной емкости водного раствора гидрохинона по сравнению с водой и использования метановоздушной смеси шахтного ствола.

Изобретение поясняется чертежом, где:

1 - канал выхода метановоздушной смеси, например шахтный ствол;

2 - перекрытие канала, например ляды шахтного ствола.

3 - канал компрессора для подачи метановоздушной смеси;

4 - компрессор для сжатия метановоздушной смеси;

5 - трубопроводы;

6 - смеситель, заполненный водным раствором гидрохинона с воздушным зазором в верхней части, выполненный в виде герметизированной емкости;

7 - клапан, расположенный в верхней части смесителя 6;

8 - смотровые окна, расположенные с одной из сторон смесителя 6 по его высоте;

9 - разгрузочный люк, расположенный в нижней части смесителя 6;

10 - приемный люк нагревателя 11;

11 - нагреватель, выполненный в виде герметизированной емкости;

12 - резервуар для сбора водного раствора гидрохинона;

13 - входной патрубок, расположенный в нижней части смесителя 6;

14 - теплообменник, расположенный между резервуаром 12 и смесителем 6, соединенный с ними трубопроводами 5;

15 - патрубок для отвода раствора гидрохинона;

16 - патрубок для отвода метана на утилизацию.

Способ получения метана из метановоздушной смеси осуществляют следующим образом, например, при использовании для утилизации шахтной метановоздушной смеси. Выдаваемая, например, из шахты, метановоздушная смесь проходит предварительную механическую очистку. После этого ее сжимают и пропускают через водный раствор гидрохинона. Разделяют воздух и метан за счет образования клатратов метана с гидрохиноном. При этом давление в емкости с водным раствором гидрохинона при пропускании метановоздушной смеси поддерживают не менее 3 МПа, а температуру - не выше +2°С. Это позволит осуществить наиболее эффективное образование клатратов. Клатраты (от лат. clathratus - защищенный решеткой; соединения включения), вещества, в которых молекулы соединения-хозяина» образуют пространственный каркас, а молекулы соединения-«гостя» располагаются в полостях каркаса, например в клатрате Cl₂·6H₂O молекулы Cl₂ занимают полости каркаса, образованного Н₂О. Гидрохинон (пара-дигидроксибензол), С₆Н₄(ОН)₂, светло-серые кристаллы, t_пл 174°С. Промежуточный продукт в производстве красителей, проявляющее вещество в фотографии, антиоксидант, ингибитор полимеризации. Метан, CH₄, бесцветный газ, t_кип 164°С. Основной компонент природных (77-99%), попутных нефтяных (31-90%), рудничного и болотного газов. Горит бесцветным пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Сырье для получения многих ценных продуктов химической промышленности - формальдегида, ацетилена, сероуглерода, хлороформа, синильной кислоты, сажи. Применяется как топливо. После образования клатратов метана с гидрохиноном их подвергают нагреванию. Выделившийся метан из клатратов метана с гидрохиноном направляют на утилизацию, например, в виде топлива. Раствор гидрохинона после охлаждения используют вновь, образуя замкнутую циркуляционную систему (повторно используют в цикле).

Устройство для получения метана из метановоздушной смеси расположено у канала для выхода метановоздушной смеси 1, например шахтного ствола. Шахтный ствол закрывают перекрытием 2, например лядами, для снижения утечек метановоздушной смеси. Метановоздушную смесь подводят к компрессору 4 для сжатия через канал 3 компрессора. Разделитель включает нагреватель 11, смеситель 6 и резервуар 12 для сбора водного раствора гидрохинона. Компрессор 4 связан трубопроводом 5 через входной патрубок 13 со смесителем 6. Патрубок 13 располагают в нижней части смесителя для обеспечения более полного взаимодействия водного раствора гидрохинона с подаваемой метановоздушной смесью. Смеситель 6 выполнен герметизированным для снижения потерь метановоздушной смеси. Смеситель 6 заполняют водным раствором гидрохинона с оставлением в верхней части воздушного зазора для обеспечения беспрепятственного выхода воздуха при превышении предельного давления через клапан 7. Для визуального контроля за процессом образования клатратов и их объемом на одной из сторон смесителя 6 по его высоте расположены смотровые окна 8. Для гравитационной разгрузки полученных клатратов метана с гидрохиноном в основании смесителя 6 выполнен разгрузочный люк 9. Непосредственно под разгрузочным люком 9 размещен приемный люк 10 нагревателя 11, предназначенный для перевалки клатратов из смесителя 6 в нагреватель 11. Нагреватель 11 выполнен в виде герметизированной емкости для снижения утечек метана при нагревании клатратов. В верхней части нагревателя 11 для беспрепятственного выхода метана 11 расположен патрубок 16 для отвода метана на утилизацию, например для использования в шахтных котельных или в виде автомобильного топлива. В нижней части нагревателя 11 закрепляют патрубок 15 для отвода раствора гидрохинона в резервуар 12 для сбора водного раствора гидрохинона. Между резервуаром 12 и смесителем 6, соединенными трубопроводами 5, установлен теплообменник 14, предназначенный для охлаждения водного раствора гидрохинона перед подачей в смеситель 6.

Устройство для получения метана из метановоздушной смеси работает следующим образом. Из канала для выхода метановоздушной смеси 1, например шахтного ствола, подают метановоздушную смесь через канал 3 компрессора к компрессору 4 для сжатия. Перекрытие 2 закрыто и служит для снижения утечек метановоздушной смеси. От компрессора 4 через трубопровод 5 через входной патрубок 13 сжатую метановоздушную смесь подают в смеситель 6. В смесителе 6 метановоздушная смесь проходит через водный раствор гидрохинона. За счет поддержания температуры не выше +2°С и давления не ниже 3 МПа в смесителе 6 происходит образование клатратов метана и гидрохинона (при более высокой температуре и более низком давлении образование клатратов затруднено). Отделенный воздух удаляется через клапан 7, установленный на определенное максимальное давление, например 3 МПа. Через смотровые окна 8 визуально контролируют процесс образования клатратов. После заполнения рабочего объема смесителя 6 клатратами подачу метановоздушной смеси прекращают, перекрытие 2 открывают для возможности осуществления выхода метановоздушной смеси из шахтного ствола (при работающей шахте и использовании ствола для выдачи исходящей струи воздуха). Клатраты через разгрузочный люк 9, расположенный в нижней части смесителя 6, разгружают в нагреватель 11 через приемный люк 10, расположенный в верхней части смесителя. После разгрузки разгрузочный люк 9 закрывают и подачу метановоздушной смеси возобновляют после добавления в смеситель 9 необходимого количества водного раствора гидрохинона и закрытия перекрытия 2. Объем водного раствора гидрохинона и его концентрацию устанавливают исходя из предполагаемых объемов прокачиваемой метановоздушной смеси и концентрации в ней метана, подлежащего утилизации. После загрузки клатратов приемный люк 10 закрывают. В нагревателе 11 производят нагревание полученных клатратов для отделения водного раствора гидрохинона от метана. Метан отводят через патрубок 16, расположенный в верхней части нагревателя 11 на дальнейшую утилизацию в виде топлива. Через патрубок 15 отводят раствор гидрохинона в резервуар 12. После этого отделенный раствор гидрохинона прокачивают, например, с помощью насоса (на чертеже условно не показан) через теплообменник 14, охлаждают и используют вновь в цикле утилизации метана.

Применение предлагаемого способа получения метана из метановоздушной смеси и устройства для его осуществления обеспечивает следующие преимущества:

- упрощение технологии получения метана;

- снижение энергозатрат на получение метана;

- повышение эффективности утилизации шахтной метановоздушной смеси.

1. Способ получения метана из метановоздушной смеси, заключающийся в подаче в смеситель сжатой метановоздушной смеси, получении газогидратов, разделении на метан и воздух, утилизации метана в виде топлива, отличающийся тем, что из канала выхода метановоздушной смеси шахтного ствола после сжатия метановоздушную смесь пропускают через водный раствор гидрохинона при давлении не менее 3 МПа и температуре не выше +2°С, где отделяют воздух с образованием клатратов метана с гидрохиноном, которые затем направляют в нагреватель для разделения их на метан и водный раствор гидрохинона, который после охлаждения повторно используют в цикле.

2. Устройство для получения метана из метановоздушной смеси, содержащее компрессор, разделитель со смесителем и теплообменник, отличающееся тем, что разделитель дополнительно содержит соединенные между собой нагреватель и резервуар для сбора водного раствора гидрохинона, связанные трубопроводами со смесителем через теплообменник, причем смеситель содержит смотровые окна, расположенные по высоте на одной из сторон смесителя, разгрузочный люк, расположенный в основании смесителя, клапан, расположенный в верхней части смесителя, а нагреватель выполнен в виде герметизированной емкости с расположенными в верхней ее части приемным люком и патрубком для отвода метана, а в нижней ее части установлен патрубок для отвода водного раствора гидрохинона.