PL227951B1 - Urzadzenie do wzbogacania gazu palnego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wzbogacania gazu palnego do którego doprowadza się gaz źródłowy stanowiący mieszaninę gazu palnego z powietrzem celem wzbogacenia i odbioru wzbogaconego gazu palnego.

Aby efektywnie wykorzystywać gaz palny, niezbędnym jest jego wzbogacenie do odpowiedni ego stopnia, przez usunięcie powietrza z gazu źródłowego zawierającego gaz palny. Z dokumentu patentowego nr JP 58-198591 znane jest urządzenie oraz sposób wzbogacania gazu palnego. Jako gaz źródłowy w tym rozwiązaniu jest wykorzystany gaz znany jako gaz kopalniany, obecny w kopalniach węgla, który zawiera metan jako gaz palny. Zastosowano tu naturalny zeolit, posiadający wolne tempo adsorpcji dla metanu w porównaniu z azotem, jest wykorzystywany jako adsorbent, tzn. innymi słowy wykorzystywany jest adsorbent, który adsorbuje azot, tlen i dwutlenek węgla szybciej niż metan. Z aproponowano wynalazek dotyczący urządzenia i metody wzbogacania metanu przy wykorzystaniu następującej techniki. Mianowicie, pewną ilość gazu kopalnianego wprowadza się pod określonym ciśnieniem do kolumny adsorpcyjnej z adsorbentem za pomocą np. sprężarki. W trakcie tego procesu tlen, azot i dwutlenek węgla znajdujące się w gazie kopalnianym są adsorbowan e jako pierwsze w dolnej części kolumny adsorpcyjnej, a metan posiadający niższy współczynnik adsorpcji - w górnej części kolumny adsorpcyjnej. Następnie metan jest uwalniany w górnej części kolumny adsorpcyjnej do ciśnienia atmosferycznego. Z gazu kopalnianego jako gazu źródłowego, metan jest więc wzbogacany przez usunięcie powietrza za pomocą adsorbentu. W rezultacie tak wzbogacony metan może być wykorzystywany jako paliwo.

W innym rozwiązaniu, znanym z opisu patentowego US 2010/0005958 zaproponowano inst alację zawierającą kolumnę adsorpcyjną, instalację do podawania gazu źródłowego i do odbioru gazu odlotowego oraz czujnik stężenia gazu. Czas zakończenia adsorpcji zmienia się w zależności od stężenia gazu odprowadzanego z kolumny.

Kolejne znane rozwiązanie ujawniono w opisie patentowym nr US 2009/0260518, gdzie ujawniono instalację w której czujnik stężenia gazu znajduje się na linii wlotu gazu do układu rozdziału.

Znane urządzenia służące do wzbogacania gazu kopalnianego zawierają kolumnę adsor pcyjną wypełnioną adsorbentem do adsorbowania gazu palnego, elementy podające i odbierające do podawania gazu źródłowego zawierającego mieszaninę gazu palnego i powietrza do kolumny adsorpcyjnej i do odbierania z kolumny adsorpcyjnej gazu odlotowego, tj. części gazu źródłowego, który nie został zaadsorbowany, elementy odbioru do desorbowania gazu palnego zaadso rbowanego poprzez redukcję ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej oraz poboru desorbowan ego gazu przez kanał poboru.

W opisanym zestawieniu, gdy gaz źródłowy jest wprowadzany do kolumny adsorpcyjnej, wchodzi on w reakcję z adsorbentem, tak że gaz palny znajdujący się w gazie źródłowym jest adsorbowany. Niezaadsorbowane części gazu źródłowego zostaną przekazane jako gaz odlotowy poza kolumnę adsorpcyjną. W rezultacie, w kolumnie adsorpcyjnej wyłącznie gaz palny znajdujący się w gazie źródłowym zostanie wzbogacony w procesie adsorpcji.

Kiedy adsorbent osiągnie limit adsorpcji, gaz palny zacznie być uwalniany do gazu odlotowego. Dlatego podawanie gazu źródłowego podlega zatrzymaniu zanim gaz palny zacznie być uwalniany do gazu odlotowego. Odwrotnie, przy redukcji ciśnienia w kolumnie adsorpcyjnej, gaz palny jest wydzi elany z kolumny adsorpcyjnej i pobierany przez kanał odbioru. Ponieważ odebrany gaz palny był w ybiórczo adsorbowany w kolumnie adsorpcyjnej, został on wzbogacony do stężenia wyższego niż stężenie tego gazu w gazie źródłowym.

Procesy adsorpcji i desorpcji są powtarzane sekwencyjnie, dlatego wzbogacony gaz palny będzie sekwencyjnie pobierany przez kanał odbioru.

Niekiedy elementy sterowania do sekwencyjnego wykonywania procesu adsorpcji gazu palnego i wymienionego procesu desorpcji gazu palnego ustawione są na ustalony czas zakończenia procesu adsorpcji, który upłynął od momentu rozpoczęcia procesu adsorpcji. Alternatywnie czas zakończenia procesu adsorpcji może być ustawiony jako czas, w którym stężenie gazu palnego w gazie odlotowym w procesie adsorpcji osiągnęło ustalony poziom.

Jednakże, jeśli czas zakończenia procesu adsorpcji ocenia się w sposób powyższy, przełączenie procesów adsorpcji i desorpcji nie może być przeprowadzone efektywnie, np. w momencie gdy występuje zmiana stężenia gazu palnego w gazie źródłowym.

PL 227 951 B1

Przykładowo, jeśli czas zakończenia procesu adsorpcji ocenia się w oparciu o upływ czasu adsorpcji, w przypadku gdy stężenie gazu palnego w gazie źródłowym jest niższe niż przewidywane stężenie, proces adsorpcji zostanie zatrzymany, choć adsorbent z kolumny adsorpcyjnej nie osiągnął jeszcze granicznego momentu nasycenia. I odwrotnie, jeśli stężenie gazu palnego jest wyższe niż przewidywane, duża ilość gazu palnego zostanie utracona jako uwolniona niepotrzebnie do gazu odlotowego. Następnie, jeśli czas zakończenia procesu adsorpcji oceniany jest w oparciu o stężenie gazu palnego w gazie odlotowym, przewidywany czas zakończenia adsorpcji i rzeczywisty czas zakończenia adsorpcji mogą się znacznie różnić. Z tego powodu występuje pewna niedogodność - potrzeba monitorowania stężenia gazu palnego w gazie odlotowym przez niepotrzebnie długi okres, lub niemożność wykrycia stężenia gazu palnego umożliwiającego właściwe określenie zakończenia procesu adsorpcji, jeśli stężenie gazu palnego jest już wysokie w momencie rozpoczęcia monitorowania.

Również czas wyodrębnienia gazowego metanu przez adsorbent może być czasem różny w zależności od czynników, takich jak pogorszenie zdolności adsorbującej adsorbentu lub pogorszenie wydajności dmuchawy, itp. Także w tym wypadku stężenie metanu w momencie zakończenia adsorpcji będzie różne.

W sytuacji opisanej powyżej, w przypadku wystąpienia zmian w charakterystyce adsorpcji z powodu np. pogorszenia adsorbentu, następuje czasem nagłe rozpoczęcie uwalniania metanu do gazu odlotowego po rozpoczęciu usuwania go przez adsorbent lub redukcja ilości przepływu gazu ze względu na pogorszenie wydajności dmuchawy. W takim wypadku może dojść do syt uacji, gdzie potrzebny będzie czas, do wyodrębnienia gazu palnego przez adsorbent. Z tego pow odu, jeśli czas zakończenia adsorpcji oceniany jest w oparciu o upływ okresu adsorpcji, w przypadku gdy ilość gazu palnego podana do adsorbentu została zmniejszona ze względu na np. ogran iczenie wydajności dmuchawy, proces adsorpcji może być ukończony przedwcześnie, choć adso rbent z kolumny adsorpcyjnej nie osiągnął jeszcze granicy nasycenia. Odwrotnie, w przypadku gdy nastąpiło zmniejszenie zdolności adsorpcyjnej z powodu pogorszenia adsorbentu, duża ilość gazu palnego może zostać utracona jako uwolniona nieumyślnie do gazu odlotowego. Ponadto, jeśli czas zakończenia procesu adsorpcji oceniany jest w oparciu o stężenie gazu palnego w gazie odlotowym, przewidywany czas zakończenia adsorpcji i rzeczywisty czas zakończenia adsorpcji będą się różnić. Stąd występuje pewna niedogodność - potrzeba monitorowania stężenia gazu palnego w gazie odlotowym przez niepotrzebnie długi okres, lub niemożność wykrycia stężenia gazu palnego umożliwiającego właściwe określenie zakończenia procesu adsorpcji, jeśli stężenie gazu palnego jest już wysokie w momencie rozpoczęcia monitorowania.

W celu uniknięcia wystąpienia powyższych sytuacji w jakimkolwiek przypadku, ustala się pewien zakres tolerancji dla oceny czasu zakończenia adsorpcji. Jednak, gdy dokona się oceny przy takim marginesie tolerancji, gdy proces będzie zbyt bezpiecznie przeprowadzony, może to spowodować następujące problemy: stężenie materiału źródłowego, które nie osiąga pożądanego wysokiego stężenia, istotna strata materiału źródłowego lub zmniejszenie wydajności działania urządzenia do wzbogacania gazu palnego. Zatem istnieje potrzeba poprawy tego stanu rzeczy pod kątem oszczędzania energii i zagadnień ochrony środowiska, takich jak globalne ocieplenie.

Niniejszy wynalazek opracowano dla rozwiązania wyżej opisanych problemów, a jego celem jest opracowanie techniki wzbogacania gazu palnego, umożliwiającej efektywne wzbogacenie gazu palnego do wyższego stężenia przy ograniczeniu strat z gazu źródłowego.

Według wynalazku, urządzenie do wzbogacania gazu palnego zawiera:

- kolumnę adsorpcyjną wypełnioną adsorbentem do adsorbowania gazu palnego;

- zespół zasilania do podawania gazu źródłowego zawierającego gaz palny i powietrze do kolumny adsorpcyjnej przez kanał zasilania;

- zespół wylotowy do oddawania przez kanał wylotowy poza kolumnę adsorpcyjną części gazu źródłowego, który nie został zaadsorbowany;

- zespół środków odbioru do desorbowania gazu palnego zaadsorbowanego, poprzez redukcję ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej poniżej ciśnienia atmosferycznego zawierający kanał odbioru zdesorbowanego gazu;

- zespół środków sterowania procesem adsorpcji gazu palnego, do sekwencyjnego sterowania zespołem zasilania gazem źródłowym kolumny adsorpcyjnej, zespołem wylotowym gazu odlotowego z kolumny adsorpcyjnej oraz zespołem odbioru zdesorbowanego gazu palnego.

PL 227 951 B1

Według wynalazku urządzenie do wzbogacania gazu palnego charakteryzuje się tym, że zespół środków sterowania zawiera:

- zespół pomiarowy stężenia gazu palnego w gazie źródłowym podawanym do kolumny adsorpcyjnej;

- zespół ustawiania parametrów pracy dla zmiennego czasu zakończenia adsorpcji za pomocą środków sterowania dla zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o stężenie gazu palnego zmierzone przez środki pomiarowe.

Rozwiązanie według wynalazku stanowi jeden z podstawowych elementów procesu adsorpcji w wyżej opisanym urządzeniu do wzbogacania gazu. Możliwe jest więc wzbogacanie gazu palnego przez przeprowadzanie kolejno procesu adsorpcji i procesu desorpcji.

Zgodnie z powyższym, im większe jest stężenie gazu palnego w gazie źródłowym, tym krótszy jest okres podawania gazu palnego wymagany do wyodrębniania przez adsorbent w kolumny adsorpcyjnej. Wynika z tego, iż im czas zakończenia procesu adsorpcji jest krótszy, tym większe jest stęż enie gazu palnego w gazie źródłowym. Dlatego, ustawiając właściwie czas zakończenia adsorpcji w oparciu o stężenie gazu palnego w gazie źródłowym, możliwe jest terminowe zakończenie procesu adsorpcji z dokładnym uchwyceniem momentu nasycenia adsorbentu w procesie adsorpcji, nawet jeśli nastąpi zmiana w składzie gazu źródłowego.

Ponieważ zaproponowano środki wykrywające do wykrywania i pomiaru stężenia gazu palnego w gazie źródłowym podawanym do kolumny adsorpcyjnej w procesie adsorpcji, możliwe jest określenie stężenia gazu palnego w gazie źródłowym, który ma być podany dla efektywnego procesu adsorpcji.

W oparciu o dane o stężeniu gazu palnego w gazie źródłowym zmierzone przez środki pomiarowe, urządzenie ustawiające parametry działania może ustawić różny czas zakończenia adsorpcji. Dzięki temu możliwe jest właściwe ustawienie czasu zakończenia adsorpcji, co pozwala ograniczyć stratę materiału źródłowego i efektywnie wzbogacić gaz palny do wyższego stężenia.

W urządzeniu według wynalazku zespół ustawiania parametrów pracy korzystnie zawiera zespół zbierania danych, w postaci bazy danych odnośnie zależności między stężeniami gazu palnego w gazie źródłowym, a czasami zakończenia adsorpcji.

Kiedy środki wykrywania i pomiaru określą stężenie gazu palnego w gazie źródłowym i nastąpi konieczność zmiany czasu zakończenia adsorpcji, należy zdecydować, jak zmienić ten czas. W przypadku, gdy rodzaj adsorbentu i współczynnik przepływu pozostają te same, okres adsorpcji od początku procesu do jego zakończenia jest reprezentowany przez funkcję liniową stężenia gazu palnego w gazie źródłowym. Jeśli istnieje zespół do zbierania i gromadzenia takich zależności w postaci bazy danych, urządzenie ustawiające parametry działania może wykorzystać te dane i ustalić właściwy czas zakończenia adsorpcji, odpowiadający stężeniu gazu palnego w obecnym gazie źródłowym i wprowadzić na tej podstawie nowe ustawienie.

W innej odmianie rozwiązania według wynalazku urządzenie do wzbogacania gazu palnego zawiera:

- kolumnę adsorpcyjną wypełnioną adsorbentem do adsorbowania gazu palnego;

- zespół zasilania do podawania gazu źródłowego zawierającego gaz palny i powietrze do kolumny adsorpcyjnej przez kanał zasilania;

- zespół wylotowy do oddawania przez kanał wylotowy poza kolumnę adsorpcyjną części gazu źródłowego, który nie został zaadsorbowany;

- zespół odbioru do desorbowania gazu palnego zaadsorbowanego, poprzez redukcję ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej poniżej ciśnienia atmosferycznego zawierający kanał odbioru zdesorbowanego gazu;

- zespół środków sterowania procesem adsorpcji gazu palnego, do sekwencyjnego sterowania zespołem zasilania gazem źródłowym kolumny adsorpcyjnej, zespołem wylotowym gazu odlotowego z kolumny adsorpcyjnej, oraz zespołem odbioru zdesorbowanego gazu palnego.

Według tego rozwiązania, urządzenie charakteryzuje się tym, że zawiera w zespole środków sterowania:

- środki wykrywania i pomiaru stężenia gazu palnego odbieranego przez zespół odbioru z kolumny adsorpcyjnej;

- zespół ustawiania parametrów pracy dla zmiennego czasu zakończenia adsorpcji dla zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o zmierzone stężenie gazu palnego.

PL 227 951 B1

Ze względu na to, że rozwiązanie według wynalazku dotyczy podstawowego schematu procesu adsorpcji w wyżej opisanym urządzeniu do wzbogacania gazu, możliwe jest wzbogacanie gazu palnego przez prowadzenie kolejno procesu adsorpcji i procesu desorpcji.

Zgodnie z powyższym ponieważ zaproponowano środki pomiarowe do określania stężenia g azu palnego odprowadzanego z kolumny adsorpcyjnej w procesie adsorpcji, możliwe jest także określenie stężenia gazu palnego w gazie odlotowym.

Zgodnie z powyższym, w celu zmiany odpowiednich procesów zwykle zostanie ustawiony czas zakończenia adsorpcji, a zmiana zostanie oceniona na podstawie tego, czy okres adsorpcji osiągnął ustawioną wartość czy nie. Pod tym względem, im wyższe jest stężenie gazu palnego w gazie odlotowym, tym większe są możliwości osiągnięcia momentu nasycenia adsorbentu w k olumnie adsorpcyjnej. Zatem czas zakończenia adsorpcji można ocenić w oparciu o stężenie gazu palnego w gazie odlotowym.

Skoro zaproponowano urządzenie ustawiające parametry działania do ustawiania zmiennego czasu zakończenia adsorpcji, tak by środki sterujące zakończyły proces adsorpcji na podstawie stężenia gazu palnego określonego przez opisane wyżej środki pomiarowe, możliwe jest ustalenie, czy właściwie ustawiono czas zakończenia absorpcji w oparciu o stężenie gazu palnego w gazie odlotowym oraz ustawienie różnego czasu zakończenia adsorpcji na podstawie tych danych.

Ponadto, zmianę odpowiednich procesów można ewentualnie ocenić biorąc pod uwagę wartość progową dla stężenia gazu palnego w gazie wylotowym. Również w tym przypadku możliwa jest oc ena, czy czas zakończenia adsorpcji jest właściwie ustawiony zgodnie ze stężeniem gazu palnego w gazie odlotowym oraz zmienne ustawienie czasu zakończenia adsorpcji w oparciu o taką ocenę. Dzięki temu możliwe jest właściwe ustawienie czasu zakończenia adsorpcji, co pozwala ograniczyć stratę materiału źródłowego i efektywnie wzbogacić gaz palny do wyższego stężenia.

W korzystnej wersji tego rozwiązania według wynalazku, urządzenie może także zawierać:

- zespół środków sterowania czasem zakończenia adsorpcji, gdzie czas zakończenia adsorpcji oceniany jest przez zespół środków sterowania w oparciu o wartość progową stężenia gazu palnego odbieranego z kolumny adsorpcyjnej (2);

- zespół zbierania danych (65) w postaci bazy danych, odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego, a wartością korekcji stężenia gazu w celu skorygowania wartości progowej; oraz

- zespół regulacji parametrów pracy (63) zmiennie według czasu zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o dane z zespołu zbierania danych (65) odnośnie zależności uzyskanych wcześniej.

Kiedy określone zostanie stężenie gazu palnego w gazie odlotowym, należy zdecydować, jak zmienić ten czas adsorpcji. Jeśli gaz źródłowy ma nie zmieniony skład, istnieje zależność czasu adsorpcji od jego początku do zakończenia procesu polegająca na tym, że im większa jest zdolność adsorbująca adsorbentu, tym dłuższy jest ten okres, oraz im większa jest ilość podawanego gazu źródłowego, tym okres jest krótszy. Stąd, nie można zawsze decydować o zmianie czasu w oparciu o właściwość adsorbentu lub w oparciu o różnicę w ilości podawanego gazu źródłowego, itp.

Zatem dane odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego i wartością zmiany stężenia gazu w celu skorygowania wartości progowej są przechowywane w bazie danych, a czas zakończenia adsorpcji jest ustalany w oparciu o te dane. Dzięki temu czas zakończenia adsorpcji można określić bez konieczności wychwycenia indywidualnych właściwości adsorbentu ani różnic w ilości podawanego gazu źródłowego, a urządzenie ustawiające parametry działania zmiennie ustawia czas zakończenia adsorpcji na podstawie danych odnośnie zależności uzyskanych wcześniej.

W urządzeniu według wynalazku, czas zakończenia adsorpcji, w którym zespół środków sterowania kończy proces adsorpcji, ustala się korzystnie na podstawie upływu okresu czasu od początku procesu adsorpcji, przy czym urządzenie według wynalazku korzystnie jest wyposażone w zespół zbierania danych, w postaci bazy danych odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego, a upływem okresu czasu; gdzie w zespole regulacji parametrów pracy ustawia się zmienną regulację parametrów pracy w oparciu o zależności ustalone wcześniej.

Dalej, podobnie jak powyżej, przy konfiguracji, gdzie dane odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego zmierzonym przez środki pomiarowe, a upływem okresu, są gromadzone w postaci bazy danych, a czas zakończenia adsorpcji jest zmiennie ustawiany w oparciu o te dane, czas zakończenia adsorpcji można określić bez konieczności wychwycenia indywidualnych właściwości

PL 227 951 B1 adsorbentu ani różnic między ilością podawanego gazu źródłowego, a zespół ustawiający parametry działania ustala właściwy czas zakończenia adsorpcji na podstawie danych odnośnie korelacji uzyskanych wcześniej.

W rozwiązaniu według wynalazku, nawet jeśli nastąpi zmiana w składzie gazu źródłowego, gaz palny może być skutecznie wzbogacony do wyższego stężenia przy ograniczeniu strat materiału źródłowego.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania na załączonych rysunkach:

Fig. 1. Schemat przedstawiający urządzenie do wzbogacania gazu zgodnie pierwszym przykładem wykonania;

Fig. 2. Wykres przedstawiający charakterystykę adsorpcyjną adsorbentu metanu w prezentowanym rozwiązaniu;

Fig. 3. Schemat blokowy prezentujący działanie urządzenia do wzbogacania gazu palnego zgodnie z pierwszym przykładem wykonania;

Fig. 4. Schemat blokowy prezentujący działanie urządzenia do wzbogacania gazu palnego w procesie adsorpcji;

Fig. 5. Wykres zmian w stężeniu metanu w gazie odlotowym OG w odniesieniu do zakończonych okresów w procesie adsorpcji metanu;

Fig. 6. Wykres zmian stężenia metanu we wzbogaconym gazie palnym PG w odniesieniu do zakończonych okresów w procesie desorpcji; oraz

Fig. 7. Tabela zmian w stężeniu metanu we wzbogaconym gazie palnym PG w odniesieniu do ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej 2 w procesie desorpcji metanu.

Poniżej przedstawiono przedmiot wynalazku w przykładach wykonania urządzenia do wzbogacania gazu palnego 100, zwanego dalej „urządzenie 100”. Przykłady wykonania zostaną opisane z odniesieniami do załączonych rysunków.

P r z y k ł a d I

Rysunek Fig. 1 przedstawia schemat urządzenia 100. Urządzenie 100, jak pokazano na Fig. 1, składa się z kolumny adsorpcyjnej 2 wypełnionej adsorbentem 21, zespołu zasilania 3 do podawania gazu źródłowego G, oraz zespołu wylotowego 4 do wylotu gazu odlotowego OG, zespołu odbioru 5 do gromadzenia wzbogaconego gazu palnego PG i środków sterowania 6 do sterowania działaniem zespołu zasilania 3, zespołu wylotowego 4 i zespołu odbioru 5. Ponadto w urządzeniu znajdują się środki pomiarowe 33 na wejściu do określania stężenia gazu palnego w gazie źródłowym G podawanym do kolumny adsorpcyjnej 2 oraz środki pomiarowe 43 na wyjściu do wykrywania gazu palnego poza kolumną adsorpcyjną 2.

Kolumna adsorpcyjna. Kolumna adsorpcyjna 2 wypełniona jest adsorbentem 21 zdolnym do adsorpcji gazu palnego, tak by gaz palny znajdujący się w mieszaninie w gazie źródłowym G podaw anym do kolumny adsorpcyjnej 2 można selektywnie zaadsorbować. Gaz źródłowy G jest gazem zawierającym gaz palny i powietrze. Gaz źródłowy G może być na przykład gazem kopalnianym zawi erającym metan i powietrze. Nie ma szczególnych ograniczeń odnośnie gazu palnego, pod warunkiem, że jest to gaz posiadający właściwości palne. W niniejszych rozważaniach gaz źródłowy G jest gazem kopalnianym i ów gaz źródłowy G zawiera metan i powietrze. Gaz kopalniany jest gazem obecnym w kopalniach węgla. Zazwyczaj, choć różnie w zależności od warunków, w skład gazu kopalnianego wchodzi metan - ok. 20-40% objętościowych i powietrze, zawierające głównie azot i tlen - ok. 60-80% objętościowych.

Adsorbent. Nie zakłada się ograniczeń odnośnie adsorbentu 21, pod warunkiem, że ma on zdolność selektywnej adsorpcji gazu palnego, takiego jak metan. Jako adsorbentu 21 korzystne jest użycie adsorbentu metanu 21a - jednego z grupy, do której należą węgiel aktywny, zeolit, żel krzemionkowy, związek metaloorganiczny taki jak fumaran miedzi, etylen miedzi, cykloheksanodikarboksylan miedzi, itp., o przeciętnej średnicy porów wynoszącej 4,5-15 A określanej metoda MP, oraz zdolności adsorbowania metanu w wysokości 20 Nml/g lub większej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 298 K. Zwykle przeciętna średnica porów wynosi od 4,5 do 10 A, najlepiej od 5 do 9,5 A. Korzystną ilością zaadsorbowanego metanu jest wartość 25 Nml/g lub większa. Przykładowo, węgiel aktywny można przygotować w następujący sposób. Poddać karbonizacji łupiny orzecha kok osowego lub węgiel z orzecha kokosowego w temperaturze 600°C w atmosferze azotu, aby uzyskać karbid. Następnie rozetrzeć na cząsteczki o średnicy od 1 do 3 mm. Tak powstały materiał wykorz ystywany jest jako materiał węglowy. Za pomocą reaktora aktywacji przepływu należy aktywować matePL 227 951 B1 riał węglowy w temperaturze 860°C w atmosferze składającej się w 10-15% z pary wodnej, w 15 do 20% z dwutlenku węgla i w pozostałej części z azotu.

Przy użyciu powyżej opisanego adsorbentu metanu 21a zdolnego do selektywnej adsorpcji metanu pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 298 K, możliwe jest efektywne zaadsorbowanie przez adsorbent 21 a metanu nawet pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 298 K.

Jeśli zdolność adsorbowania metanu pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 298 K jest mniejsza niż 20 Nml/g, wydajność procesu adsorpcji metanu pod niższym ciśnieniem, w szczególności zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego, ulegnie pogorszeniu, tak, że stężenie metanu po wzbogaceniu będzie mniejsze. W celu utrzymania zdolności adsorbującej niezbędne będzie zwiększenie ilości adsorbentu metanu 21, co prowadzi do rozbudowy urządzenia. Choć nie istnieje górny limit opisanej powyżej ilości zaadsorbowanego metanu, ilość zaadsorbowanego metanu przez obecnie dostępny adsorbent metanu 21a wynosi ok. 40 Nml/g lub mniej. Jeśli przeciętna średnica porów, jak określa metoda MP, jest mniejsza niż 4,5 A, spowoduje to zwiększenie ilości zaadsorbowanego tlenu i azotu. Efektem będzie zmniejszenie stężenia metanu w metanie po wzbogaceniu lub zmniejszenie współczynnika adsorpcji, jako że przeciętna średnica porów jest zbliżona do średnicy cząsteczki metanu, co może spowodować pogorszenie zdolności adsorpcji metanu lub całkowitą niezdolność adsorpcji. Z drugiej strony, jeśli przeciętna średnica porów, jak określa metoda MP, jest większa niż 15 A, zdolność adsorpcji metanu pod niższym ciśnieniem, w szczególności zbliżonym do ciśnienia atmosferycznego ulegnie pogorszeniu, tak że stężenie metanu po wzbogaceniu będzie mniejsze. W celu utrzymania zdolności adsorbującej niezbędne będzie zwiększenie ilości adsorbentu metanu 21, co prowadzi do rozbudowy urządzenia.

Dlatego, korzystne jest użycie adsorbentu metanu 21 a - jednego z grupy, do której należy węgiel aktywny, zeolit, żel krzemionkowy, związek metaloorganiczny o przeciętnej 5 średnicy porów wynoszącej 4,5-15 A, jak określa metoda MP, oraz ilości zaadsorbowanego metanu w wysokości 20 Nml/g lub większej pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 298 K.

Całkowita objętość porów adsorbentu metanu 21a o średnicy, jak określa HK, wynoszącej 10 A lub mniej powinna stanowić 50% lub więcej, lepiej o 70% lub więcej, a najlepiej o 80% lub więcej. W takim przypadku, gdy adsorbent o przeciętnej średnicy porów wynoszącej 10 A lub mniej zdolny do selektywnej adsorpcji metanu zajmuje 50% lub więcej całkowitej objętości porów, możliwe jest zwiększenie wielkości adsorpcji przy podciśnieniu atmosferycznym (ok. 0,1 MPa), tak że metan zostanie efektywnie zaadsorbowany nawet pod takim podciśnieniem. To znaczy, jak pokazano na rysunku fig. 2, adsorbent metanu 3a o przeciętnej średnicy porów wynoszącej 10 A lub mniej ma większą zdolność adsorpcji przy podciśnieniu ok. 0,1 MPa, niż adsorbent metanu 3b o przeciętnej średnicy porów większej niż 10 A. Zatem można to odpowiednio wykorzystać do adsorpcji metanu przy podciśnieniu w przypadku urządzenia 100. W praktyce, objętość porów o przeciętnej średnicy większej niż 4 A, będącej granicą, a mniejszej niż 10 A powinna stanowić 50% lub więcej całkowitej objętości porów. Korzystnie będzie, jeśli adsorbent metanu 21a będzie miał objętość porów dla przeciętnej średnicy porów większą niż 4 A a mniejszą niż 10 A w ilości 50% lub więcej.

Z drugiej strony, adsorbent metanu 21 a powinien mieć taką ilość zaadsorbowanego azotu w temperaturze 77 K, że ilość zaadsorbowanego azotu pod ciśnieniem względnym 0,013 odpowiadająca przeciętnej średnicy porów o objętości 10 A, jak określa HK, wynosi 50% lub więcej, jeszcze lepiej 70% lub więcej, a najlepiej 80% lub więcej. W tym przypadku wielkość adsorpcji pod ciśnieniem względnym 0,99 odpowiada całkowitej objętości porów, zaś wielkość adsorpcji pod ciśnieniem względnym 0,013 odpowiada objętości porów 10 A lub mniejszej. Stosunek powyższych wartości oznacza wysoki stosunek porów o rozmiarze 10 A lub mniej, jak w opisanym powyżej przypadku. W rezultacie, jeśli jako gaz źródłowy G zostanie użyta mieszanka metanu i powietrza, można będzie łatwo i wydajnie przeprowadzić proces wzbogacania metanu pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego.

Zespół zasilania. Do kolumny adsorpcyjnej 2 dołączony jest stale zespół zasilania 3 do podawania gazu źródłowego G do kolumny. Zespół zasilania 3 zawiera kanał zasilania 30 do podawania gazu źródłowego G i dmuchawę 31a do wprowadzania gazu źródłowego G do kanału zasilania 30. Dalej, na kanale zasilania 30 znajduje się zawór przełączania 32 do przełączania w tryb zasilania i zatrzymywania oraz dostosowywania podawanej ilości, a także środki pomiaru stężenia metanu 33a do określania stężenia metanu w podawanym gazie źródłowym G.

Dmuchawa 31a znajduje się na kanale zasilania 30. Jest tak skonfigurowana, aby podawać gaz źródłowy G przez kanał zasilania 30 do kolumny adsorpcyjnej 2, aby metan znajdujący się w gazie

PL 227 951 B1 źródłowym G został zaadsorbowany przez adsorbent metanu 21 a wewnątrz kolumny adsorpcyjnej 2. Nie ma ograniczeń odnośnie dmuchawy 31a, pod warunkiem, że jest ona zdolna do podawania gazu źródłowego G bez podwyższania ciśnienia.

Zawór kanału zasilania 32 umożliwia regulację podawania gazu źródłowego G przez zespół przełączników 64 w środkach sterowania 6, które zostaną opisane później.

Zespół wylotowy. Do kolumny adsorpcyjnej 2 jest dołączony zespół wylotowy 4 do wylotu gazu odlotowego OG, stanowiącego część gazu źródłowego G podawanego przez zespół zasilania 3, która nie została zaadsorbowana przez adsorbent 21. Zespół wylotowy 4 składa się z kanału wylotowego 40 do usuwania gazu odlotowego OG (gazu o bardzo niskim stężeniu metanu i zawierającego głównie azot i tlen). W skład kanału wylotowego 40 wchodzi również zawór przełączania (zawór kanału wylotowego) 42 do uruchamiania procesu usuwania gazu odlotowego OG do kanału wylotowego 40, przełączania w tryb usuwania i zatrzymywania oraz dostosowywania wydalanej ilości, a także środki pomiarowe stężenia metanu 43a dla określenia stężenia metanu w wydalanym gazie odlotowym OG.

Zawór przełączania kanału wylotowego 42 umożliwia dostosowanie wylotu gazu odlotowego OG przez zespół sterowania 64 wchodzący w skład środków sterowania 6, które zostaną opisane później.

Środki zasilania/wylotu 31 w niniejszym wynalazku składają się zasadniczo z zespołu wlotu i zespołu wylotu i pełni także rolę elementu wprowadzającego gaz źródłowy G do kolumny adsorpcyjnej 2 pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego bez podwyższania ciśnienia w celu adsorpcji metanu znajdującego się w gazie źródłowym. Odpowiada też za usuwania gazu odlotowego OG przez kanał wylotowy 40 poza kolumnę adsorpcyjną 2. Oznacza to, że środki zasilania/wylotu 31 umożliwiają wprowadzanie gazu źródłowego G do kolumny adsorpcyjnej 2 pod ciśnieniem zbliżonym do atmo sferycznego bez podwyższania ciśnienia w celu adsorpcji metanu znajdującego się w gazie źródłowym G. Odpowiada też za usuwanie gazu odlotowego OG przez kanał wylotowy 40.

Zespół odbioru gazu. Do kolumny adsorpcyjnej 2 jest stale dołączony zespół odbioru 5 do gromadzenia metanu jako części gazu źródłowego podawanego przez zespół zasilania 3 i zaadsorbowanego przez adsorbent 21 jako wzbogacony gaz palny PG o wysokim stężeniu. Zespół odbioru 5 składa się z kanału odbioru 50 do przemieszczania gazu palnego PG o wysokim stężeniu, pompy próżniowej 51a jako głównej części środków odbioru 51 do gromadzenia gazu palnego PG o wysokim stężeniu z kolumny adsorpcyjnej do kanału odbioru 50 oraz zbiornika 54 do magazynowania gazu palnego PG o wysokim stężeniu przekazanego do kanału odbioru 50. W kanale odbioru 50 znajduje się również zawór przełączania zawór 52 umożliwiający dostosowanie przepływu wzbogaconego gazu palnego PG przez zespół przełączników 64 w środkach sterowania 6, który zostanie opisany później.

Zbiornik może być dowolny, pod warunkiem, że możliwe jest w nim bezpieczne magazynowanie wzbogaconego gazu palnego PG o wysokim stężeniu. Wskazane jest użycie adsorpcyjnego zbiornika na gaz.

Środki odbioru 51 sprawiają, że metan zaadsorbowany przez adsorbent metanu 21a w kolumnie adsorpcyjnej 2, jest desorbowany przez zmniejszenie ciśnienia w kolumnie adsorpcyjnej 2 do niższego niż atmosferyczne. Ten desorbowany, wzbogacony gaz palny PG o wysokim stężeniu jest odbierany przez kanał odbioru 50 oraz jest magazynowany w zbiorniku 54.

Środki sterowania. Operacje przełączania wyżej opisanego zaworu kanału podawania 32, oraz zaworu przełączania kanału wylotowego 42 a także zaworu kanału odbioru 52 są sterowane przez zespół sterowania 64 w środkach sterowania 6.

Środki sterowania 6 zawierają:

zespół pomiarowy stężenia gazu 61 w oparciu o dane wyjściowe uzyskane przez odpowiednie środki pomiaru stężenia metanu 33a, 43a;

zespół zegara 62 do pomiaru okresu, który upłynął od zmiany nastawy zaworu przełączania 32, 42, 52;

urządzenie ustawiające parametry działania 63 dla przełączenia odpowiedniego zaworu przełączania 32, 42, 52;

zespół przełączników 64, dla sterowania zmianą odpowiedniego zaworu przełączania w oparciu o czas ustawiony przez urządzenie ustawiające parametry działania 63;

zespołu zbierania danych 65 do zbierania, w postaci baz, danych sterujących wejściem 65a obrazujących związek między stężeniem metanu w gazie źródłowym G a czasem podawania gazu źródłowego do kolumny adsorpcyjnej oraz danych sterujących wyjściem 65b obrazujących stężenie metanu w gazie odlotowym OG oraz wielkość korekcji dla czasu podawania gazu źródłowego G do kolumny adsorpcyjnej.

PL 227 951 B1

Środki sterujące 5 są tak skonfigurowane, by działały z nośnikiem, procesorem, mikrokomputerem z sekcją wejścia i wyjścia lub komputerem kierowanym przez komputer lub kombinacją powyższych. Komputer wykonując określony program steruje zespołem pomiarowym stężenia gazu 61, zegarem 62, urządzeniem ustawiającym parametry działania 63, zespołem przełączników 64 tak, aby regulowały one działanie elementu zasilania/wylotu 31, środków odbioru 51, zaworu przełączania kanału podawania 32, zaworu przełączania kanału wydalania 42, oraz zaworu przełączania kanału poboru 52, oraz innych składowych elementów urządzenia.

Środki pomiaru stężenia metanu 33a, jako elementy pomiarowe na wejściu 33 zawierają w szczególności czujnik gazu zawierający półprzewodnikowe urządzenie do wykrywania zmian stężenia metanu w gazie źródłowym G. Wykrywają one metan w gazie źródłowym G i przekazują dane o stężeniu wyjściowym do środków sterowania 6. Po otrzymaniu danych wyjściowych środki sterowania 6 sterują urządzeniem ustawiającym parametry działania 63 tak, że korzystają one z baz danych z danymi sterującymi wejściem 65a zbieranych w elemencie zbierania danych 65 w celu uzyskania danych o stężeniu metanu i okresie adsorpcji do momentu nasycenia adsorbentu 21 w przypadku zaadsorbowania metanu z kolumny adsorpcyjnej 2, a następnie ustawia okres zakończenia adsorpcji od rozpoczęcia podawania gazu źródłowego G do momentu upływu okresu adsorpcji. Dzięki temu środki sterowania 6 mogą odnieść się do czasu zakończenia adsorpcji ustawionego przez zegar 62 w urządzeniu ustawiającym parametry działania 63 i ustalić czas zakończenia procesu adsorpcji.

Środki pomiaru stężenia metanu 43a jako elementy wykrywające na wyjściu 43 składają się w szczególności z czujnika gazu zawierającego półprzewodnikowe urządzenie do wykrywania zmian stężenia metanu w gazie źródłowym G. Wykrywają metan w gazie źródłowym G i przekazują stężenie wyjściowe do środków sterowania 6. Po otrzymaniu danych wyjściowych środki sterowania 6 sprawi ają, że urządzenie ustawiające parametry działania 63 korzysta z bazy danych z danymi sterującymi wyjściem 65b zbieranymi w elemencie zbierania danych 65 w celu uzyskania wielkość korekcji dla okresu adsorpcji w kolumnie adsorpcyjnej 2 metanu i korygują okres zakończenia adsorpcji od rozpoczęcia podawania gazu źródłowego G do momentu upływu okresu adsorpcji, aby w ten sposób zmienić czas zakończenia adsorpcji ustawiony przez urządzenie ustawiające parametry działania 63. Dzięki temu przy następnym cyklu procesu adsorpcji można ustawić bardziej odpowiedni czas zakończenia adsorpcji.

Sterowanie procesem. Dalej, w oparciu o rysunki fig. 3 i fig. 4, zostanie opisany proces wzbogacania gazu przez urządzenie 100. Urządzenie 100 przeprowadza proces adsorpcji (#A), proces desorpcji (#B) oraz proces podwyższania ciśnienia (#C) dla metanu.

Proces adsorpcji. Jak pokazano na rysunku fig. 4, najpierw zespół sterowania 64 otwiera zawór przewodu zasilania 32 i zawór przewodu wylotowego 42, ze stanu zamknięcia zaworu przewodu podawania 32, zawór przewodu wylotowego 42 i zawór przewodu odbioru 52 (#1).

Następnie dmuchawa 31a pracuje tak, by podawać gaz źródłowy G przez przewód zasilania 30 do kolumny adsorpcyjnej 2. Dzięki temu metan jest zaadsorbowany przez adsorbent 21 a a część gazu źródłowego G podawana do kolumny adsorpcyjnej 2, a nie zaadsorbowana przez adsorbent metanu 21 a, jest usuwana przez przewód wylotowy 40 poza kolumnę adsorpcyjną 2 (#2).

W dalszej kolejności zespół zegara 62 środków sterowania 6 rozpoczyna odmierzanie prawidłowego czasu, a środki pomiaru stężenia metanu 33a, jako element pomiarowy na wejściu 33, określają stężenie metanu w podawanym gazie źródłowym G (#3). Jeśli określone stężenie metanu jest w normie, nastąpi odniesienie do danych sterujących wejściem 65a w elemencie zbierania danych 65, w celu uzyskania informacji o okresie adsorpcji odpowiadającemu temu stężeniu metanu i zostanie ustawiony czas zakończenia adsorpcji (#4).

Następnie środki pomiaru stężenia metanu 43a jako element pomiarowy na wyjściu 43 monitorują stężenie metanu w gazie odlotowym OG (#5). Zegar 62 kontynuuje odmierzanie prawidłowego czasu w celu oceny, czy upłynął już ustawiony okres zakończenia adsorpcji (#6).

Element pomiarowy stężenia metanu 43a wykrywa i mierzy stężenie metanu w gazie odlotowym OG kierowanym do przewodu wylotowego 40, a zespół zegara kontynuuje odmierzanie prawidłowego czasu. Jeśli zmierzone stężenie metanu przekroczy ustaloną wartość stężenia (#5a) lub nadejdzie czas zakończenia adsorpcji odmierzany przez zespół zegara 62, (#6b), następuje zakończenie procesu adsorpcji. Z drugiej strony, jeśli zmierzone stężenie metanu jest mniejsze niż ustalone stężenie (#5b) i nie nadejdzie czas zakończenia adsorpcji (#6b), trwa nadal odmierzanie prawidłowego czasu przez zegar 62 i monitorowanie stężenia metanu przez element pomiarowy na wyjściu 43. Odpowiednia powyższa wartość pro10

PL 227 951 Β1 gowa jest przechowywana jako parametr kontrolny w urządzeniu ustawiającym parametry działania 63 w elemencie sterowania 6. Jest ona aktualizowana przy każdym cyklu procesu adsorpcji.

Po zakończeniu procesu adsorpcji w oparciu o stężenie wyjściowe metanu zmierzone przez środki pomiaru stężenia metanu 43a w momencie przejścia do procedury zakończenia, urządzenie ustawiające parametry działania 63 korzysta z danych sterujących wyjściem 65b w elemencie zbierania danych, 65 w celu określenia czasu zakończenia adsorpcji i koryguje czas zakończenia adsorpcji (#7). Zespół zegara 63 kończy odmierzanie prawidłowego czasu, podawanie gazu źródłowego G zostaje wstrzymane, po czym proces adsorpcji zostaje zakończony (#8).

Możliwa jest selektywna adsorpcja metanu przez adsorbent metanu 21 a przy podawaniu gazu źródłowego G do kolumny adsorpcyjnej 2 przy podciśnieniu atmosferycznym. Możliwe jest również uniknięcie strat cennego metanu do gazu wylotowego OG. To znaczy, że do momentu upływu ustalonego czasu, metan zostanie zaadsorbowany całkowicie, bez strat poza kolumnę adsorpcyjną 2. Ponieważ stężenie metanu w gazie odlotowym OG jest niskie, nie ma zagrożenia wybuchem.

Proces adsorpcji: ustawianie czasu zakończenia adsorpcji. Czas zakończenia adsorpcji w kroku #4 może być ustawiony na przykład w opisany niżej sposób.

Kiedy środki pomiaru stężenia metanu 33a jako element wykrywający i pomiarowy, na wejściu 33 wykryją metan znajdujący się w gazie źródłowym G, wynik ten zostanie przekazany jako stężenie wyjściowe do środków sterowania 6. Po otrzymaniu tych danych środki sterowania 6 ustalają stężenie metanu za pomocą zespołu pomiarowego stężenia gazu 61. Z drugiej strony w zespole zbierania danych 65 w postaci bazy danych zbierane są dane sterujące wejściem 65a w celu określenia związku między stężeniem metanu w gazie źródłowym G, a czasem procesu adsorpcji (okresem od rozpoczęcia procesu adsorpcji do momentu wyczerpania zdolności adsorpcyjnej, czyli nasycenia adsorbentu 21 znajdującego się w kolumnie adsorpcyjnej 2 dla każdego rodzaju adsorbentu 21 i dla każdego ustalonego współczynnika przepływu gazu źródłowego G. Z danych sterujących wejściem 65a zbieranych w zespole zbierania danych 65, urządzenie ustawiające parametry działania 63 otrzymuje dane o okresie adsorpcji odpowiadającemu aktualnym warunkom działania i o stężeniu metanu w gazie źródłowym G.

Przykładowo, jeśli ilością 206,7 g węgla aktywnego o następującej charakterystyce adsorpcji wypełni się cylindryczną kolumnę adsorpcyjną o objętości 0,333 L i przeprowadzi się proces adsorpcji, w którym współczynnik przepływu gazu źródłowego wyniesie 1000 Nm³/h, to zaistnieje następujący związek między stężeniem metanu C (%) a okresem adsorpcji T (sekundy):

T = -1,8935 C + 143,61

Na podstawie tych obserwacji dane o okresach adsorpcji są przechowywane w postaci bazy danych jak pokazano w Tabeli 1 poniżej.

Stężenie wyjściowe zmierzone przez element pomiarowy na wejściu 33 wynosi 23% w odniesieniu do stężenia metanu. W takim wypadku czas zakończenia adsorpcji zostanie ustawiony na 100 sekund od rozpoczęcia adsorpcji. Dlatego proces adsorpcji zostanie przeprowadzony z czasem zakończenia adsorpcji ustawionym na 100 sekund.

Węgiel aktywny. Właściwość materiału: węgiel aktywny z łupiny orzecha kokosowego, średnica porów: 8,5 A (przeciętna średnica porów określona metodą MP), objętość porów: 0,45 ml/g (objętość określona metodą HK) jako stosunek objętości porów o przeciętnej średnicy porów 10 A lub mniej w odniesieniu do całkowitej objętości porów: 83% (stosunek ilości zaadsorbowanego azotu pozostaje ten sam pod ciśnieniem 0,013), powierzchnia: 1025 m²/g (powierzchnia określona metodą BET), ilość zaadsorbowanego metanu pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze 298 K: 27 Nml/g

Tabela 1

Stężenie gazu (%)	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
Okres adsorpcji (sek.)	106	104	102	100	98	96	94	92	91	89	87

PL 227 951 Β1

Proces adsorpcji: korygowanie zakończenia procesu adsorpcji. Czas zakończenia adsorpcji w kroku #7 (ustawianie czasu zakończenia adsorpcji, który zostanie użyty w następnym cyklu) można korygować np. w następujący sposób.

Środki pomiaru stężenia metanu 43a jako element pomiarowy na wyjściu 43 mierzą stężenie metanu w gazie odlotowym OG i przekazują dane o stężeniu wyjściowym do środków sterowania 6. Po otrzymaniu danych wyjściowych środki sterowania 6 uzyskują dane o stężeniu metanu z zespołu obliczającego stężenie gazu 61. Z drugiej strony, ze względu na czynniki, takie jak pogorszenie wydajności adsorpcyjnej adsorbentu 21 i pogorszenie wydajności dmuchawy, itp. okres wyodrębniania metanu przez adsorbent będzie różny, a zatem stężenie metanu w momencie zakończenia procesu adsorpcji będzie różne. Dlatego element zbierający dane 65 zbiera, w postaci bazy danych, dane sterujące wyjściem zawierające wartości korekcji do skorygowania związku funkcji między stężeniem metanu znajdującego się w gazie odlotowym OG w momencie zakończenia procesu adsorpcji, a okresem adsorpcji, a także wartość progową stężenia gazu w celu odniesienia ich jako wartości progowych w krokach #5, #6 do wartości odpowiadających stężeniu metanu w aktualnym gazie odlotowym OG. Z odpowiednich danych kontrolnych wejścia 65a i wyjścia 65b, zbieranych w zespole 65, urządzenie ustawiające parametry działania 63 uzyskuje wartości korekcji okresu adsorpcji i stężenia gazu celem skorygowania okresu adsorpcji i stężenia gazu do wartości odpowiadających stężeniu metanu w aktualnym gazie odlotowym OG. Dzięki wykorzystaniu tych wartości progowych nowego okresu adsorpcji i stężenia gazu w następnym cyklu procesu adsorpcji, możliwe jest zastosowanie właściwych parametrów procesu adsorpcji.

Przykładowo, w przypadku działania wyżej opisanej kolumny adsorpcyjnej według podobnych zasad jak powyżej, jeśli aktualna wartość progowa dla okresu adsorpcji wynosi 110 sekund, a aktualna wartość progowa dla stężenia metanu 2,5%, nowe wartości progowe dla okresu adsorpcji i stężenia gazu do zastosowania w następnym cyklu zostaną skorygowane jak pokazano w Tabeli 2 poniżej. Przyjmijmy, że stężenie gazu w gazie odlotowym wynosi 2,0% w momencie zakończenia procesu adsorpcji. W takim przypadku, w następnym cyklu procesu adsorpcji zastosowane zostaną ustawienia początkowe odpowiednio skorygowane do wartości okresu adsorpcji wynoszącej 112 sekund, a stężenia gazu 2,6%. Dzięki temu możliwy jest efektywny proces adsorpcji przez ograniczenie stężenia metanu w gazie odlotowym.

Tabela 2

Stężenie gazu (%)	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,1	3,3	3,5
Wartość korekcji okresu adsoipcji (sek.)	2,0	2,0	2,0	1,0	0	-1,0	-2,0	-3,0
Wartość korekcji stężenia gazu (%)	0,20	0,15	0,10	0,05	0	-0,05	-0,10	-0,15

Proces desorpcji. Jak pokazano na rysunku fig. 1, po zatrzymaniu podawania gazu źródłowego G do kolumny adsorpcyjnej 2 zespół przełączników sterujących 64 w środkach sterowania 6 zamyka zawór przełączania przewodu zasilania 32 i zawór przełączania przewodu wylotowego 42, a otwiera zawór przełączania przewodu odbioru 52 i tak steruje pompą próżniową 51 a, że ciśnienie w kolumnie adsorpcyjnej jest zmniejszane do podciśnienia atmosferycznego, tym samym powodując desorpcję zaadsorbowanego metanu przez adsorbentu metanu 21 a. Następnie, po wzbogaceniu, zespół sterowania odbiera gaz palny PG o wysokim stężeniu przez przewód odbioru 50 i magazynuje go w zbiorniku 54. Po zredukowaniu ciśnienia w kolumnie adsorpcyjnej do ustalonego ciśnienia, odbiera12

PL 227 951 B1 nie wzbogaconego gazu palnego PG jest wstrzymane, a zawór przełączania przewodu odbioru 52 jest zamykany. Kroki te wzięte razem opisują proces desorpcji metanu.

Zgodnie z powyższym, metan można wzbogacić do wysokiego stężenia adsorbując metan na adsorbencie metanu 21a i ograniczając stężenie metanu w gazie odlotowym OG. Możliwe jest uzyskanie stężenia metanu w gazie źródłowym G i gazie odlotowym PG będącego poza zakresem wybuchu.

To znaczy, że, jak pokazano na rysunku fig. 6, od rozpoczęcia procesu desorpcji metanu do jego zakończenia, z upływem czasu, stężenie metanu we wzbogaconym gazie palnym PG wzrasta. Podobnie, jak pokazano w tabeli fig. 7, z upływem czasu, ciśnienie w kolumny adsorpcyjnej 2 jest stopniowo redukowane do ciśnienia zbliżonego do atmosferycznego, w związku z czym stężenie metanu we wzbogaconym gazie palnym PG wzrasta. Innymi słowy, jeśli następuje redukcja ciśnienia w procesie desorpcji a ciśnienie w kolumnie adsorpcyjnej 2 jest bliskie próżni z upływem określonego czasu, stężenie metanu w pobranym wzbogaconym gazie palnym PG stopniowo wzrasta. Stąd wynika, że możliwe jest niedopuszczenie do bardzo wysokiego stężenia metanu we wzbogaconym gazie palnym PG zawierającego się w zakresie wybuchu. Również w przypadku gazu odlotowego OG stężenie metanu w tym gazie jest utrzymywane na niskim poziomie, jak opisano powyżej, co sprawia, że jest ono poza zakresem wybuchu.

Proces podwyższania ciśnienia. Następnie zespół przełączników 64 w środkach sterowania 6 otwiera zawór przełączania przewodu wylotowego 42 w celu podawania powietrza do kolumny adsorpcyjnej przez przewód wylotowy 40, a następnie zamyka zawór przełączania przewodu wylotowego 42.

Ciśnienie w kolumnie adsorpcyjnej 2 zostaje podwyższone do ciśnienia zbliżonego do atmosferycznego, co ułatwia adsorpcję metanu w przeprowadzanym procesie.

W wyżej opisanym przykładzie wykonania urządzenia, w podciśnieniu, nawet w przypadku wystąpienia zmiany w stężeniu metanu w gazie źródłowym, metan może być efektywnie zaadsorb owany z gazu źródłowego G przez adsorbent metanu 21a, tak więc gaz palny PG jako produkt zostanie w sposób wydajny i bezpieczny wzbogacony do wysokiego stężenia. Ponadto, nawet jeśli nastąpi zmiana w stężeniu metanu w gazie odlotowym OG spowodowana np. zmianą odnośnie zdolności adsorpcyjnej kolumny adsorpcyjnej, można efektywnie przeprowadzić proces adsorpcji metanu, tak że możliwe jest niedopuszczenie do wartości stężenia zawierającej się w zakresie wybuchu.

Drugi przykład wykonania. W poprzednim przykładzie wykonania, gdy przeprowadzany jest proces adsorpcji, czas zakończenia adsorpcji ustawiany jest tylko raz, w momencie rozpoczęcia podawania gazu źródłowego G. Zamiast tego czas można ustawiać wiele razy. Wystąpienie istotnej zmiany w stężeniu metanu w podawanym gazie źródłowym G może spowodować istotną modyfikację czasu zakończenia adsorpcji. Dlatego, takie odchylenie można skorygować w kroku 3# i #4 i ponownie ustawić czas zakończenia.

Czas zakończenia adsorpcji może być, jak w powyższym przypadku, ponownie ustawiony za pomocą środków wykrywających zespołu sterującego 33 na przykład następująco.

Dane o stężeniu metanu w gazie źródłowym G są uzyskiwane przez zespół pomiaru stężenia gazu. Jeśli wystąpi istotne odchylenie od tego stężenia metanu kiedy upłynie ustalony czas od rozp oczęcia procesu adsorpcji, obliczane jest przewidywane stężenie metanu dla kolumny adsorpcyjnej 2 w momencie wystąpienia odchylenia. Oprócz przewidywanego stężenia metanu uzyskiwane są dane o całkowitej wielkości adsorpcji - ilości metanu, która może być zaadsorbowana przez kolumnę adsorpcyjną 2 do stanu jej nasycenia. Różnica między powyższymi danymi stanowi przewidywaną pozostałą wielkość adsorpcji. Poprzez obliczenia uzyskiwana jest wartość korekcji okresu adsorpcji do momentu nasycenia w przypadku, gdy gaz źródłowy G o odchylonym stężeniu metanu ma być zaadsorbowany w kolumnie adsorpcyjnej 2 z przewidywaną pozostałą wielkością adsorpcji. Okres od m omentu wystąpienia odchylenia w stężeniu metanu do momentu upływu okresu adsorpcji zostanie ustawiony przez element ustawiający parametry działania jako nowy czas zakończenia adsorpcji.

Jeśli powyżej opisany proces ponownego ustawiania czasu zostanie precyzyjnie przeprowadzony, możliwe jest dotrzymanie czasu zakończenia adsorpcji w czasie rzeczywistym zgodnie ze zmianą właściwości podawanego gazu źródłowego G.

Gdy stężenie metanu w gazie źródłowym G ma być zmierzone, zostanie ustawiony okres, który upłynął od rozpoczęcia podawania gazu źródłowego G i w tym ustawionym czasie można uzyskać stężenie wyjściowe metanu. W powyższym przypadku można osiągnąć cel przez uzyskanie stężenia wyjściowego metanu dla każdego ustawionego okresu i monitorowanie wymienionych danych. Dane

PL 227 951 B1 o stężeniu wyjściowym metanu można otrzymać wykorzystując dane wyjściowe z czujnika w momencie upływu ustalonego okresu lub wykorzystując średnią wartość z danych wyjściowych z czujnika uzyskaną podczas ustawionego okresu.

Trzeci przykład wykonania. W poprzednim przykładzie wykonania czas zakończenia adsorpcji do następnego cyklu jest korygowany w oparciu o stężenie wyjściowe metanu w gazie źródłowym OG w momencie zakończenia adsorpcji. Alternatywnie, wartość stężenia wyjściowego metanu można uzyskać po upływie ustalonego okresu od rozpoczęcia wyodrębnienia metanu w gazie odlotowym OG. Na podstawie tego stężenia metanu można skorygować czas zakończenia adsorpcji do zastosowania w następnym cyklu. Mianowicie, w sytuacji, gdy występuje nagłe uwolnienie metanu do gazu odlotowego OG od rozpoczęcia wyodrębnienia przez adsorbent 21 lub zmniejszenie szybkości przepływu gazu spowodowane pogorszeniem wydajności dmuchawy ze względu na np. obniżenie wydajności adsorpcyjnej wynikające z np. pogorszenia adsorbentu 21, przypuszczalnie wyodrębnienie przez adsorbent potrwa dłużej. W takim przypadku możliwe jest wyeliminowanie ryzyka nieumyślnego uwolnienia dużej ilości metanu lub pogorszenia efektywności działania.

Czas zakończenia adsorpcji może być, jak w powyższym przypadku, ponownie ustawiony za pomocą środków pomiarowych na wyjściu 43 następująco.

Dane o stężeniu metanu w gazie odlotowym OG są uzyskiwane przez część obliczającą stężenie gazu. Określa się, o ile wzrosło stężenie po upływie ustalonego czasu od nasycenia adsorbentu 21. Element sterowania w urządzeniu ustawiającym parametry działania ocenia, czy wartość ta os iągnie wartość ustalonego stężenia metanu w aktualnie ustawionym czasie zakończenia adsorpcji. W przypadku stwierdzenia, że stężenie metanu jest wysokie, czas zakończenia adsorpcji zostanie ponownie ustawiony na wcześniejszy. Natomiast w przypadku stwierdzenia, że stężenie metanu jest niskie, czas zakończenia adsorpcji zostanie ponownie ustawiony na późniejszy.

Jeśli powyżej opisany proces ponownego ustawiania czasu zostanie precyzyjnie przeprowadzony, możliwe jest dotrzymanie czasu zakończenia adsorpcji w czasie rzeczywistym zgodnie ze zmianą właściwości podawanego gazu odlotowego OG.

Gdy stężenie metanu w gazie odlotowym OG ma być wykryte, zostanie ustawiony okres, który upłynął od rozpoczęcia nasycania metanem i w tym ustawionym czasie można uzyskać stęże nie wyjściowe metanu. W powyższym przypadku można osiągnąć cel przez uzyskanie stężenia wyjściowego metanu dla każdego ustawionego okresu i monitorowanie owych danych. Stężenie metanu można ocenić w urządzeniu ustawiającym parametry działania odnosząc się do wartości absolutnej stężenia metanu lub wartości absolutnej stężenia wyjściowego metanu. Alternatywnie, oceny można także dokonać w oparciu o wielkość zmiany.

Inne przykłady wykonania. W przypadku wszystkich opisanych wyżej wykonań od pierwszego do trzeciego, można zastosować osuszacz, aby usunąć wilgoć z gazu źródłowego, co umożliwi właściwą adsorpcję gazu palnego przez adsorbent 21. Dokładniej mówiąc, można usunąć wilgoć z gazu źródłowego G przez umieszczenie osuszacza w kanale zasilania 30. Ponadto możliwe jest również uniknięcie zmniejszenia wydajności adsorpcji gazu palnego spowodowanego przez wodę dzięki umieszczeniu w kolumnie adsorpcyjnej 2 adsorbentu wody zdolnego do selektywnej adsorpcji wody.

(2) W przypadku wszystkich wyżej opisanych wykonań kolumna adsorpcyjna 2 wypełniona jest adsorbentem 21. Można zastosować pojedynczy adsorbent lub mieszaninę dwóch lub więcej rodzajów adsorbentów.

(3) Możliwe jest przeprowadzenie procesu oczyszczania dla podawanego wzbogaconego gazu palnego PG jako produktu do kolumny adsorpcyjnej po zakończeniu procesu adsorpcji, aby tym samym oczyścić wszelki gaz, taki jak powietrze, nadal pozostające w kolumnie. W celu przeprowadzenia takiego procesu, zostanie zastosowany kanał oczyszczania dla podawania wzbogaconego gazu palnego PG jako produktu ze zbiornika do kolumny adsorpcyjnej 2. Można także zastosować element magazynujący do magazynowania gazu odlotowego OG oczyszczonego w procesie oczyszczania oraz kanał obiegowy do jego recyrkulacji do źródła. Dzięki temu możliwa jest dalsza poprawa czystości wzbogaconego gazu palnego PG jako produktu uzyskanego z kolumny adsorpcyjnej 2.

(4) W przypadku wszystkich wyżej opisanych wykonań wykorzystano jedną kolumnę adsorpcyjną 2. Zamiast tego można zastosować więcej kolumn adsorpcyjnych 2. Na przykład, w przypadku wykorzystania dwóch kolumn, urządzenie do wzbogacania gazu palnego działa tak, że pierwsza kolumna adsorpcyjną 2 wykonuje sekwencję procesów: A: proces adsorpcji gazu palnego, B: proces desorpcji gazu palnego oraz C: proces wyrównywania ciśnienia, zaś w tym samym czasie druga kolumna adsorpcyjna 2 wykonuje inną sekwencję tych samych procesów, tj.: A: proces desorpcji gazu palnego, B:

PL 227 951 B1 proces adsorpcji gazu palnego oraz C: proces wyrównywania ciśnienia. Dzięki temu wzbogacanie gazu palnego odbywa się w sposób ciągły.

Proces wyrównywania ciśnienia przeprowadza się w celu efektywnego dostosowania ciśnienia przy mniejszej stracie energii, przez wprowadzenie gazu wylotowego z kolumny adsorpcyjnej 2, w której panuje wysokie ciśnienie do kolumny adsorpcyjnej 2, w której panuje niskie ciśnienie. To znaczy, że ponieważ gaz wylotowy z kolumny adsorpcyjnej 2 z podwyższonym ciśnieniem zostaje wpr owadzony do kolumny adsorpcyjnej 2 z obniżonym ciśnieniem, można pobrać gaz palny znajdujący się w gazie odlotowym z kolumny adsorpcyjnej w procesie wyrównywania ciśnienia. Skoro możliwe jest ustawienie wysokiego stężenia desorbowanego gazu palnego w momencie rozpoczęcia procesu desorpcji, powyższe rozwiązanie może przyczynić się także do zwiększenia czystości gazu palnego PG.

(5) W przypadku wszystkich wyżej opisanych wykonań zastosowano gaz kopalniany jako gaz źródłowy oraz metan jako gaz palny. Jednak nie ma szczególnych ograniczeń odnośnie gazu źródł owego, pod warunkiem, że jest to gaz, w którego skład wchodzi gaz palny i powietrze. Również nie ma szczególnych ograniczeń odnośnie gazu palnego, pod warunkiem, że jest to gaz posiadający właściwości palne. Właściwości fizyczne adsorbentu 21 mogą różnić, się odpowiednio do rodzaju gazu pa lnego. Przykładowo, jeśli, przeciętna średnica porów wynosząca ok. 1,2 do, dwóch razy więcej niż przeciętna średnica porów gazu palnego zostanie wybrana jako przeciętna średnica porów adsorbentu 21, możliwa jest selektywna adsorpcja gazu palnego.

(6) W procesie zwiększania ciśnienia powietrze jest podawane do kolumny adsorpcyjnej 2. Wynalazek nie ogranicza się jedynie do tego. Możliwe jest także wykorzystanie metanu pozostałego po wentylacji (zazwyczaj o stężeniu metanu 0,5%), który, wydalany jest do atmosfery po wentylacji powietrzem kopalni w momencie wydobywania węgla. Metan znajdujący się w powietrzu po wentylacji, który jest zazwyczaj wydalany do atmosfery, można zebrać i efektywnie wykorzystać.

Zastosowanie w przemyśle. Urządzenie do wzbogacania gazu palnego może być efektywnie wykorzystywane do wzbogacania gazu palnego do wyższego stężenia przy ograniczeniu strat materiału źródłowego, nawet jeśli nastąpi zmiana w składzie gazu źródłowego G w trakcie wzbogacania gazu palnego.

Wykaz oznaczeń

100 urządzenie kolumna adsorpcyjna 21 adsorbent

21a adsorbent metanu zespół zasilania kanał zasilania środki zasilania/wylotu 31a dmuchawa zawór przełączania (zawór kanału zasilania) środki wykrywające na wejściu (środki wykrywania)

33a środki pomiaru stężenia metanu zespół wylotowy 40 kanał wylotowy zawór przełączania (zawór kanału wylotowego) środki wykrywające na wyjściu (środki wykrywania)

43a środki pomiaru stężenia metanu zespół odbioru kanał odbioru środki odbioru 51a pompa próżniowa zawór przełączania (zawór kanału odbioru) zbiornik środki sterowania zespół pomiarowy stężenia gazu zespół zegara urządzenie ustawiające parametry działania zespół przełączników sterujących

PL 227 951 B1 zespół zbierania danych

65a dane sterujące wejściem

65b dane sterujące wyjściem

G gaz źródłowy (gaz kopalniany, gaz palny)

PG (wzbogacony) gaz palny o wysokim stężeniu (produkt)

OG gaz odlotowy

Claims (5)

1. Urządzenie do wzbogacania gazu palnego zawierające:

- kolumnę adsorpcyjną wypełnioną adsorbentem do adsorbowania gazu palnego;

- zespół zasilania do podawania gazu źródłowego zawierającego gaz palny i powietrze do kolumny adsorpcyjnej przez kanał zasilania,

- zespół wylotowy do oddawania przez kanał wylotowy poza kolumnę adsorpcyjną części gazu źródłowego, który nie został zaadsorbowany;

- zespół odbioru do desorbowania gazu palnego zaadsorbowanego, poprzez redukcję ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej poniżej ciśnienia atmosferycznego, zawierający kanał odbioru zdesorbowanego gazu;

- zespół środków sterowania procesem adsorpcji gazu palnego, do sekwencyjnego sterowania zespołem zasilania gazem źródłowym kolumny adsorpcyjnej, zespołem wylotowym gazu odlotowego z kolumny adsorpcyjnej oraz zespołem odbioru zdesorbowanego gazu palnego;

znamienne tym, że w zespole środków sterowania (6) zawiera:

- zespół pomiarowy stężenia gazu (61) palnego w gazie źródłowym podawanym do kolumny adsorpcyjnej (2);

- zespół ustawiania parametrów pracy (63) dla zmiennego czasu zakończenia adsorpcji za pomocą środków sterowania (6) dla zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o stężenie gazu palnego zmierzone przez środki pomiarowe.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że

- zespół ustawiania parametrów pracy (63) zawiera zespół zbierania danych (65), w postaci bazy danych odnośnie zależności między stężeniami gazu palnego w gazie źródłowym a czasami zakończenia adsorpcji.

3. Urządzenie do wzbogacania gazu palnego zawierające:

- kolumnę adsorpcyjną wypełnioną adsorbentem do adsorbowania gazu palnego;

- zespół zasilania do podawania gazu źródłowego zawierającego gaz palny i powietrze do kolumny adsorpcyjnej przez kanał zasilania;

- zespół wylotowy do oddawania przez kanał wylotowy poza kolumnę adsorpcyjną części gazu źródłowego, który nie został zaadsorbowany;

- zespół odbioru do desorbowania gazu palnego zaadsorbowanego, poprzez redukcję ciśnienia wewnątrz kolumny adsorpcyjnej poniżej ciśnienia atmosferycznego zawierający kanał odbioru zdesorbowanego gazu;

- zespół środków sterowania procesem adsorpcji gazu palnego, do sekwencyjnego sterowania zespołem zasilania gazem źródłowym kolumny adsorpcyjnej, zespołem wylotowym gazu odlotowego z kolumny adsorpcyjnej, oraz zespołem odbioru zdesorbowanego gazu palnego;

znamienne tym, że w zespole środków sterowania (6) zawiera:

- środki wykrywania i pomiaru stężenia (43a) gazu palnego odbieranego przez zespół odbioru (5) z kolumny adsorpcyjnej (2);

- zespół ustawiania parametrów pracy (63) dla zmiennego czasu zakończenia adsorpcji dla zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o zmierzone stężenie gazu palnego.

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że:

- czas zakończenia adsorpcji, zmierzony przez zespół środków sterowania (6), oceniany jest w oparciu o wartość progową stężenia gazu palnego odbieranego z kolumny adsorpcyjnej (2);

PL 227 951 Β1

- zawiera zespół zbierania danych (65) w postaci bazy danych, odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego, a wartością korekcji stężenia gazu w celu skorygowania wartości progowej; oraz

- zawiera zespół regulacji parametrów pracy (63) zmiennie według czasu zakończenia procesu adsorpcji w oparciu o dane z zespołu zbierania danych (65) odnośnie zależności uzyskanych wcześniej.

5. Urządzenie według zastrz. 3 albo 4, znamienne tym, że

- czas zakończenia adsorpcji, w którym zespół środków sterowania (6) kończy proces adsorpcji, ustala się na podstawie upływu okresu czasu od początku procesu adsorpcji;

- wyposażone jest w zespół zbierania danych (65), w postaci bazy danych odnośnie zależności między stężeniem gazu palnego, a upływem okresu czasu;

- gdzie zespół regulacji parametrów pracy (63) ustawia zmiennie czas zakończenia adsorpcji w oparciu o zależności ustalone wcześniej.