CN204746024U - 一种煤层气浓缩装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种煤层气浓缩装置，包括配气***、吸附***、冷源供应***、真空泵、氮气收集***和甲烷收集***，配气***、真空泵和氮气收集***均与吸附***连接，甲烷收集***与真空泵连接，冷源供应***安装在吸附***上，吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔均包括吸附管，吸附管上由内向外依次设有电加热套和保温炉，保温炉上设有用于测量吸附管内温度的热电偶，吸附管出口安装有压力表。本实用新型解决了采用单纯变压吸附存在吸附剂性能差、分离系数低，及采用单纯变温吸附不能将甲烷很好提浓的问题；能保证浓缩过程连续性，缩短了煤层气浓缩时间，甲烷回收率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种浓缩装置，尤其是涉及一种煤层气浓缩装置。
背景技术
我国是一个产煤大国，煤层气储量十分丰富。据估计，深埋在2000m以内的煤层气储量为34.5万亿m3，占世界煤层气储量的12.5％，居世界第三。煤层气的主要成分是甲烷，其产生的温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏是二氧化碳的7倍。据有关部门估算，全国煤矿低浓度煤层气对空排放量占全部工业生产甲烷排放量的1/3左右。在煤层气开采过程中，由于各种因素的制约，大量低浓度的煤层气遗留在矿井之中，成为煤矿安全生产的最大隐患。因此，如何高效利用煤矿瓦斯作为洁净的能源和化工原料具有重要的战略意义。
在煤层气的综合利用上，其关键点在于如何将低浓度乏气富集成高浓度矿物资源。变压吸附工艺是现今煤层气浓缩技术中的主流研究方向，其优势在于设备投资少、能耗低、吸附剂成本低等，但由于吸附剂性能较差对甲烷和氮气的分离系数较低，提浓甲烷的难度较大，从而制约着变压吸附的大规模应用。
变温吸附是利用吸附剂的平衡吸附量随温度的升高而降低的特性，采用低温吸附、高温脱附的操作方式。在甲烷吸附过程中，温度是影响甲烷吸附特征的主要物理参数，经测定表明，在压力为5MPa时，温度每升高1℃，甲烷吸附量下降0.12cm3/g；煤炭科学研究总院重庆研究院的实验表明，温度每升高1℃，煤吸附甲烷的能力下降8％。因此，降低温度能够显著增加甲烷在吸附剂上的饱和吸附量，从而提高吸附剂对甲烷的分离特性，但是单纯的变温吸附也不能将甲烷很好的提浓。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种煤层气浓缩装置，其将变压吸附和变温吸附两者集成一体，能有效解决现有技术采用单纯变压吸附方式存在吸附剂性能差、分离系数低，以及采用单纯变温吸附方式不能将甲烷很好提浓的问题；能够保证浓缩过程的连续性，缩短了煤层气的浓缩时间，提高了甲烷的吸附量，使得甲烷回收率大大提高；同时结构简单，设计合理，使用操作方便。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种煤层气浓缩装置，其特征在于：包括配气***、吸附***、冷源供应***、真空泵、氮气收集***和甲烷收集***，所述配气***、真空泵和氮气收集***均与吸附***连接，所述甲烷收集***与真空泵连接，所述冷源供应***安装在吸附***上，所述吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的结构相同且均包括吸附管，所述吸附管上由内向外依次设置有电加热套和保温炉，所述保温炉上设置有用于测量吸附管内温度的热电偶，所述吸附管的出口安装有压力表，所述第一吸附塔的吸附管进口连接有第一电磁阀，所述第一吸附塔的吸附管出口连接有第二电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管进口连接有第三电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管出口连接有第四电磁阀，所述第三吸附塔的吸附管进口连接有第五电磁阀，所述第三吸附塔的吸附管出口连接有第六电磁阀，所述第一吸附塔的吸附管进口与第一电磁阀之间通过管道连接有第七电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管进口与第三电磁阀之间通过管道连接有第八电磁阀，所述第三吸附塔的吸附管进口与第五电磁阀之间通过管道连接有第九电磁阀，所述第七电磁阀、第八电磁阀和第九电磁阀通过第二手动阀均与真空泵的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管出口与第二电磁阀之间通过管道连接有第十电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管出口与第四电磁阀之间通过管道连接有第十一电磁阀，所述第三吸附塔的吸附管出口与第六电磁阀之间通过管道连接有第十二电磁阀，所述第十电磁阀、第十一电磁阀和第十二电磁阀通过管道均连接。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述冷源供应***包括低温冷却液循环泵、第一冷却环、第二冷却环和第三冷却环，所述第一冷却环安装在第一吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第二冷却环安装在第二吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第三冷却环安装在第三吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述低温冷却液循环泵通过第十三电磁阀与第一冷却环的进口连接，所述第一冷却环的出口通过第十四电磁阀与低温冷却液循环泵连接，所述低温冷却液循环泵通过第十五磁阀与第二冷却环的进口连接，所述第二冷却环的出口通过第十六电磁阀与低温冷却液循环泵连接，所述低温冷却液循环泵通过第十七电磁阀与第三冷却环的进口连接，所述第三冷却环的出口通过第十八电磁阀与低温冷却液循环泵连接。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述配气***包括第一气路单元和第二气路单位，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器、稳压阀、质量流量计、第一止回阀和第二过滤器组成，所述第一过滤器、稳压阀、质量流量计、第一止回阀和第二过滤器通过管道依次连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器依次通过第二止回阀、第一手动阀和第一转子流量计与第一电磁阀、第三电磁阀及第五电磁阀均连接。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述氮气收集***包括氮气收集器，所述氮气收集器依次通过甲烷检测仪、第二转子流量计和第四手动阀与第二电磁阀、第四电磁阀及第六电磁阀均连接。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述甲烷收集***包括甲烷收集器，所述甲烷收集器通过第三转子流量计和第三手动阀与真空泵的出口连接。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：每个保温炉上的热电偶的数量为多个。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述第一电磁阀、第七电磁阀、第二电磁阀、第十电磁阀、第三电磁阀、第八电磁阀、第四电磁阀、第十一电磁阀、第五电磁阀、第九电磁阀、第六电磁阀和第十二电磁阀均采用型号为CWX-25S的微型电动球阀。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述低温冷却液循环泵采用型号为BILON-T-504的低温冷却液循环泵。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述真空泵采用型号为ANJ2005的微型真空泵。
上述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述甲烷检测仪为固定式甲烷检测仪。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1、本实用新型结构简单，设计合理，使用操作方便。
2、本实用新型将变压吸附和变温吸附两者集成一体，能有效解决现有技术采用单纯变压吸附方式存在吸附剂性能较差、分离系数较低，以及采用单纯变温吸附方式不能将甲烷很好提浓的问题，且浓缩效率好。
3、本实用新型吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，当其中一个吸附塔处于吸附状态，另外两个吸附塔处于均压状态，或者是另外两个吸附塔中一个处于加压状态、一个处于解压状态，这样可以使在任何时刻三个吸附塔中，有一个吸附塔处于吸附状态，能够保证浓缩过程的连续性，缩短了煤层气浓缩时间，同时可以提高甲烷的吸附量，使得甲烷回收率大大提高；但是再多的吸附塔会增加制作成本，使得浓缩装置体积大。
4、本实用新型甲烷和氮气两种气体不采用混气罐混合，解决了采用混气罐混合气体压力无法有效控制、气体浓度与质量流量计配气浓度差别较大，导致操作过程中吸附塔内的压力供应不足或压力不稳的问题。
5、本实用新型氮气收集和甲烷收集分别采用氮气收集***、甲烷收集***两个不同的收集***，且氮气收集***和甲烷收集***两者之间无连接，可确保检测准确性。
6、本实用新型不局限于煤层气浓缩吸附过程，也可以根据不同气体的吸附要求，分别实现变压吸附、变温吸附和变压变温耦合吸附的独立操作，如应用于CO2捕集、烟道气除杂等吸附操作中。
下面通过附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为图1的A处放大图。
附图标记说明:
1—第一过滤器；2—稳压阀；3—质量流量计；
4—第一止回阀；5—第二过滤器；6—第二止回阀；
7—第一手动阀；8—第一转子流量计；9—第二手动阀；
10—真空泵；11—第三手动阀；12—第三转子流量计；
13—吸附管；14—压力表；15—第四手动阀；
16—第二转子流量计；17—甲烷检测仪；18—保温炉；
19—电加热套；20-1—第一冷却环；20-2—第二冷却环；
20-3—第三冷却环；21—第一电磁阀；22—第七电磁阀；
23—第二电磁阀；24—第十电磁阀；25—第三电磁阀；
26—第八电磁阀；27—第四电磁阀；28—第十一电磁阀；
29—第五电磁阀；30—第九电磁阀；31—第六电磁阀；
32—第十二电磁阀；33—第十三电磁阀；34—第十四电磁阀；
35—第十五磁阀；36—第十六电磁阀；37—第十七电磁阀；
38—第十八电磁阀；39—低温冷却液循环泵；40—热电偶；
41—氮气收集器；42—甲烷收集器。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型包括配气***、吸附***、冷源供应***、真空泵10、氮气收集***和甲烷收集***，所述配气***、真空泵10和氮气收集***均与吸附***连接，所述甲烷收集***与真空泵10连接，所述冷源供应***安装在吸附***上，所述吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的结构相同且均包括吸附管13，所述吸附管13上由内向外依次设置有电加热套19和保温炉18，所述保温炉18上设置有用于测量吸附管13内温度的热电偶40，所述吸附管13的出口安装有压力表14，所述第一吸附塔的吸附管进口连接有第一电磁阀21，所述第一吸附塔的吸附管出口连接有第二电磁阀23，所述第二吸附塔的吸附管进口连接有第三电磁阀25，所述第二吸附塔的吸附管出口连接有第四电磁阀27，所述第三吸附塔的吸附管进口连接有第五电磁阀29，所述第三吸附塔的吸附管出口连接有第六电磁阀31，所述第一吸附塔的吸附管进口与第一电磁阀21之间通过管道连接有第七电磁阀22，所述第二吸附塔的吸附管进口与第三电磁阀25之间通过管道连接有第八电磁阀26，所述第三吸附塔的吸附管进口与第五电磁阀29之间通过管道连接有第九电磁阀30，所述第七电磁阀22、第八电磁阀26和第九电磁阀30通过第二手动阀9均与真空泵10的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管出口与第二电磁阀23之间通过管道连接有第十电磁阀24，所述第二吸附塔的吸附管出口与第四电磁阀27之间通过管道连接有第十一电磁阀28，所述第三吸附塔的吸附管出口与第六电磁阀31之间通过管道连接有第十二电磁阀32，所述第十电磁阀24、第十一电磁阀28和第十二电磁阀32通过管道均连接。其中，吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，当其中一个吸附塔处于吸附状态，另外两个吸附塔处于均压状态，或者是另外两个吸附塔中一个处于加压状态、一个处于解压状态，这样可以使在任何时刻三个吸附塔中，有一个吸附塔处于吸附状态，能够保证浓缩过程的连续性，缩短了煤层气浓缩时间，同时可以提高甲烷的吸附量，使得甲烷回收率大大提高；但是再多的吸附塔会增加制作成本，使得浓缩装置体积大。甲烷和氮气两种气体不采用混气罐混合，解决了采用混气罐混合气体压力无法有效控制、气体浓度与质量流量计配气浓度差别较大，导致操作过程中吸附塔内的压力供应不足或压力不稳的问题。氮气收集和甲烷收集分别采用氮气收集***、甲烷收集***两个不同的收集***，且氮气收集***和甲烷收集***两者之间无连接，可确保检测准确性。
如图1所示，所述冷源供应***包括低温冷却液循环泵39、第一冷却环20-1、第二冷却环20-2和第三冷却环20-3，所述第一冷却环20-1安装在第一吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第二冷却环20-2安装在第二吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第三冷却环20-3安装在第三吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述低温冷却液循环泵39通过第十三电磁阀33与第一冷却环20-1的进口连接，所述第一冷却环20-1的出口通过第十四电磁阀34与低温冷却液循环泵39连接，所述低温冷却液循环泵39通过第十五磁阀35与第二冷却环20-2的进口连接，所述第二冷却环20-2的出口通过第十六电磁阀36与低温冷却液循环泵39连接，所述低温冷却液循环泵39通过第十七电磁阀37与第三冷却环20-3的进口连接，所述第三冷却环20-3的出口通过第十八电磁阀38与低温冷却液循环泵39连接。本实施例中，所述低温冷却液循环泵39采用型号为BILON-T-504的低温冷却液循环泵，温度范围为-30℃～25℃，控温精度±0.1℃，能够满足***的冷量和精度需求；冷源采用工业酒精，采用罐装方式。
如图1所示，所述配气***包括第一气路单元和第二气路单位，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器1、稳压阀2、质量流量计3、第一止回阀4和第二过滤器5组成，所述第一过滤器1、稳压阀2、质量流量计3、第一止回阀4和第二过滤器5通过管道依次连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器依次通过第二止回阀6、第一手动阀7和第一转子流量计8与第一电磁阀21、第三电磁阀25及第五电磁阀29均连接。实验室中原料气甲烷和氮气均由钢瓶供气，经稳压阀2稳定气体压力后，通过质量流量计3控制气体流量。为了防止气体回流，加装了第一止回阀4。
如图1所示，所述氮气收集***包括氮气收集器41，所述氮气收集器41依次通过甲烷检测仪17、第二转子流量计16和第四手动阀15与第二电磁阀23、第四电磁阀27及第六电磁阀31均连接。实验过程中，顶部富氮气体经甲烷检测仪17，可以在线监测气体中甲烷浓度，监测后的气体进入氮气收集器41中储存。
如图1所示，所述甲烷收集***包括甲烷收集器42，所述甲烷收集器42通过第三转子流量计12和第三手动阀11与真空泵10的出口连接。
如图1所示，每个保温炉18上的热电偶40的数量为多个，确保温度测量准确性。
本实施例中，所述第一电磁阀21、第七电磁阀22、第二电磁阀23、第十电磁阀24、第三电磁阀25、第八电磁阀26、第四电磁阀27、第十一电磁阀28、第五电磁阀29、第九电磁阀30、第六电磁阀31和第十二电磁阀32均采用型号为CWX-25S的微型电动球阀，该种阀门密封性较好，能够适应短期高低压变换操作过程，不易漏气。
本实施例中，所述真空泵10采用型号为ANJ2005的微型真空泵，其具有稳压功能，能够在在指定的真空度下维持恒定。
本实施例中，所述甲烷检测仪17为固定式甲烷检测仪。
本实用新型的工作原理为：选择活性炭作为吸附剂装填于吸附管13内，装填高度以实际实验要求为准；关闭出口阀门，向***通入一定压力的氮气，待压力恒定后，维持一小时，保证***不漏气，以检查***气密性；打开真空泵10，抽真空1～2小时，使得吸附剂再生。然后配气，甲烷和氮气分别由钢瓶供气，分别经稳压阀2调节压力，由质量流量计3测定流量，混合气体经第一转子流量计8以特定的流量进入吸附***。第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔可按不同操作顺序保持吸附的连续性，用该实验装置浓缩模拟煤层气时，加压、低温时处于吸附状态，真空或常压、常温时进行脱附。吸附管13周围安装有冷却环，通过冷热液体的切换可以实现高低温操作的转换，且在保温炉18上设置有热电偶40可以实现吸附管13内温度的实时测量；冷却环外设置有保温炉18，大大降低了温度的散失。塔顶脱附气体由甲烷检测仪17测定甲烷浓度，实时检测甲烷穿透情况，由氮气收集器41收集后经气相色谱检测后用于产品回收率的计算；底部由真空泵10抽真空解吸模拟煤层气，由甲烷收集器42收集，再由气相色谱检测其产品浓度。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种煤层气浓缩装置，其特征在于：包括配气***、吸附***、冷源供应***、真空泵(10)、氮气收集***和甲烷收集***，所述配气***、真空泵(10)和氮气收集***均与吸附***连接，所述甲烷收集***与真空泵(10)连接，所述冷源供应***安装在吸附***上，所述吸附***包括并联设置的第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔，所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的结构相同且均包括吸附管(13)，所述吸附管(13)上由内向外依次设置有电加热套(19)和保温炉(18)，所述保温炉(18)上设置有用于测量吸附管(13)内温度的热电偶(40)，所述吸附管(13)的出口安装有压力表(14)，所述第一吸附塔的吸附管进口连接有第一电磁阀(21)，所述第一吸附塔的吸附管出口连接有第二电磁阀(23)，所述第二吸附塔的吸附管进口连接有第三电磁阀(25)，所述第二吸附塔的吸附管出口连接有第四电磁阀(27)，所述第三吸附塔的吸附管进口连接有第五电磁阀(29)，所述第三吸附塔的吸附管出口连接有第六电磁阀(31)，所述第一吸附塔的吸附管进口与第一电磁阀(21)之间通过管道连接有第七电磁阀(22)，所述第二吸附塔的吸附管进口与第三电磁阀(25)之间通过管道连接有第八电磁阀(26)，所述第三吸附塔的吸附管进口与第五电磁阀(29)之间通过管道连接有第九电磁阀(30)，所述第七电磁阀(22)、第八电磁阀(26)和第九电磁阀(30)通过第二手动阀(9)均与真空泵(10)的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管出口与第二电磁阀(23)之间通过管道连接有第十电磁阀(24)，所述第二吸附塔的吸附管出口与第四电磁阀(27)之间通过管道连接有第十一电磁阀(28)，所述第三吸附塔的吸附管出口与第六电磁阀(31)之间通过管道连接有第十二电磁阀(32)，所述第十电磁阀(24)、第十一电磁阀(28)和第十二电磁阀(32)通过管道均连接。
2.按照权利要求1所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述冷源供应***包括低温冷却液循环泵(39)、第一冷却环(20-1)、第二冷却环(20-2)和第三冷却环(20-3)，所述第一冷却环(20-1)安装在第一吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第二冷却环(20-2)安装在第二吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第三冷却环(20-3)安装在第三吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述低温冷却液循环泵(39)通过第十三电磁阀(33)与第一冷却环(20-1)的进口连接，所述第一冷却环(20-1)的出口通过第十四电磁阀(34)与低温冷却液循环泵(39)连接，所述低温冷却液循环泵(39)通过第十五磁阀(35)与第二冷却环(20-2)的进口连接，所述第二冷却环(20-2)的出口通过第十六电磁阀(36)与低温冷却液循环泵(39)连接，所述低温冷却液循环泵(39)通过第十七电磁阀(37)与第三冷却环(20-3)的进口连接，所述第三冷却环(20-3)的出口通过第十八电磁阀(38)与低温冷却液循环泵(39)连接。
3.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述配气***包括第一气路单元和第二气路单位，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器(1)、稳压阀(2)、质量流量计(3)、第一止回阀(4)和第二过滤器(5)组成，所述第一过滤器(1)、稳压阀(2)、质量流量计(3)、第一止回阀(4)和第二过滤器(5)通过管道依次连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器依次通过第二止回阀(6)、第一手动阀(7)和第一转子流量计(8)与第一电磁阀(21)、第三电磁阀(25)及第五电磁阀(29)均连接。
4.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述氮气收集***包括氮气收集器(41)，所述氮气收集器(41)依次通过甲烷检测仪(17)、第二转子流量计(16)和第四手动阀(15)与第二电磁阀(23)、第四电磁阀(27)及第六电磁阀(31)均连接。
5.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述甲烷收集***包括甲烷收集器(42)，所述甲烷收集器(42)通过第三转子流量计(12)和第三手动阀(11)与真空泵(10)的出口连接。
6.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：每个保温炉(18)上的热电偶(40)的数量为多个。
7.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述第一电磁阀(21)、第七电磁阀(22)、第二电磁阀(23)、第十电磁阀(24)、第三电磁阀(25)、第八电磁阀(26)、第四电磁阀(27)、第十一电磁阀(28)、第五电磁阀(29)、第九电磁阀(30)、第六电磁阀(31)和第十二电磁阀(32)均采用型号为CWX-25S的微型电动球阀。
8.按照权利要求2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述低温冷却液循环泵(39)采用型号为BILON-T-504的低温冷却液循环泵。
9.按照权利要求1或2所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述真空泵(10)采用型号为ANJ2005的微型真空泵。
10.按照权利要求5所述的一种煤层气浓缩装置，其特征在于：所述甲烷检测仪(17)为固定式甲烷检测仪。
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