CN101518707A - 一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置，本发明的方法通过在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上设置吸附塔，当瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度低于1℃～6℃时，对瓦斯气进行再生性吸附除湿处理。本发明的瓦斯气的吸附除湿装置，包括设置在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上的吸附塔部分；所述吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处分别设置有一组温度传感器和压力传感器；所述吸附塔的底部设有高温空气进气管道，该管道上设置再生空气阀，其上部对应设置乏气排气阀；还包括用于产生高温空气的部分。本发明不仅解决了民用瓦斯燃气系统冬季“冻表”的问题，以安全作为设计第一原则，并兼顾系统的可靠性、经济性。

Description

一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置

技术领域

本发明涉及气体除湿领域，特别涉及一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置。

背景技术

煤炭在形成过程中，由于高压和厌氧产生大量吸附在煤体上的气体，称为煤层气，也即通常所谓的“瓦斯”，其成分主要是甲烷。煤炭开采过程中，由于煤体卸压，气体在煤体上的吸附平衡条件受到破坏，大量的煤层气释放出来，形成煤矿安全生产的最大威胁。同时，在煤层气开采过程中还伴有大量的水排出，因此开采出来的煤层气既会含有饱和水蒸气，甚至还会携带一部分凝结水。

中国煤层气资源丰富。储存深度不超过2000米的煤层气储量预计有37万亿立方米。20世纪80年代以前，中国对煤层气的抽取主要是考虑煤矿安全生产，随着环保和节能的呼声日益高涨，目前煤层气抽取技术日益完善，利用水平也逐步提高。目前，国内煤层气利用方式主要是供居民生活用燃料，其甲烷浓度在35％以上；其次是作为工业锅炉燃料和化工产品原料，此外，还有少量煤层气发电。大规模的民用瓦斯利用工程取得了可观的经济效益和社会效益，同时也为煤层气的开发利用积累了宝贵的经验。

为保证供气的连续性，在地面部分设有容积较大的浮顶式储气柜，一般都在3万方左右，且气柜的密封也是依靠水封密闭，因此，煤层气的含水量在出气柜的时候并没有降低的可能，而饱和水蒸气遇冷会凝结。

在传统的供气系统中，气柜出来的气体经过调压、加臭等简单环节后即进入燃气管网，随着温度的降低，庞大的供气管网中凝结了大量的水份。这部分水份利用管系中的凝水缸排出系统，但由于管系中有水，气体的相对湿度依然会保持在100％，这样，在低温条件下，势必会在末端流量计处凝结。

由于建设及管理方面的原因，我国一些地区的居民供气支管及流量计均安装在室外且没有保温。这样，在冬季温度较低的情况下，凝结水结冰会致使仪表部位易被冻坏，影响供给系统的正常运行。例如，淮河两岸冬季的气温最低可以达到0～-10℃，瓦斯从井下抽出直到气柜，由于自然及工艺的原因，气体中含有饱和水蒸气。民用供气管道尤其在末端由于压力低、管径较小、流速较慢，气体中析出大量的凝结水，在冬季温度较低的情况下，凝结水结冰，导致诸如流量计等仪表冻结，影响了正常的供气，也造成很大的经济损失。

通常采用加压及降温的方式均可以达到气体除湿的目的，但由于需要处理的气量较大，而且气体为瓦斯，易燃易爆，加压的方式不仅要耗费较大的电能，而且燃气加压会使系统危险性增加，而降温的方式是目前常用的除湿路线，但通常只降温到3℃左右，因为降至零下结冰的问题反而难以解决，同时这种方式也要消耗大量的能源。

发明内容

本发明的目的在于，为了在民用瓦斯燃气系统中增加一套除湿装置以解决在冬季状况下解决“冻表”的问题，从而提供了一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置，以安全作为设计的第一原则，同时兼顾系统的可靠性、经济性。

为实现上述目的，本发明提供了一种瓦斯气的吸附除湿方法，一种瓦斯气的吸附除湿方法，该方法通过在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上设置吸附塔，当瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度低于1℃～6℃时，对瓦斯气进行再生性吸附除湿处理，具体步骤包括：

1)打开吸附塔的瓦斯进气阀和瓦斯出气阀，通过吸附塔内设置的吸附剂进行吸附除湿处理；并通过吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处的一组温度传感器和压力传感器，监测进、出吸附塔的瓦斯气的气体特性；

2)通过吸附塔外侧的供气管网进气管路中的温度湿度测量仪检测输出的瓦斯气的湿度，当输出的瓦斯气的相对湿度超过控制指标时，即表明其吸附剂已完全饱和，关闭吸附塔的进气阀和出气阀；这个湿度也可由当地环境温度决定，在不需要太低湿度时，只要温度湿度测量仪检测输出的瓦斯气的露点温度低于当地露点温度即可，这个可有系统自动完成，这也是检测环境温度的另一个目的；

3)打开吸附塔的底部高温空气进气管道上的再生空气阀和吸附塔上部的乏气出口管道上的乏气排气阀，通入高温空气对吸附剂进行再生处理；

4)在再生状态下，当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度高于吸附剂解析的上限温度时，减少进入吸附塔的高温空气量；当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度低于吸附剂解析的下限温度时，加大进入吸附塔的高温空气量；

5)在再生状态下，被加热解吸附的水蒸气随热空气从吸附塔上部的乏气出口排出；当两个温度传感器的温差小于10℃～20且平均温度超过150℃～170℃后，关闭再生空气阀和乏气排气阀；

吸附剂再生完成后进行气体置换，重复步骤1)～5)循环进行瓦斯气的再生性吸附除湿处理，直至瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度高于6℃时，停止除湿处理，最后进行一次再生处理。

在工业应用中，所述瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间一般需要并列设置2个或2个以上的吸附塔，当一吸附塔输出的瓦斯气的湿度超过控制指标时，切换到另外的吸附塔进行除湿处理，再生处理和除湿处理交替运行，以实现连续吸附除湿处理。

作为本发明的一种改进，所述高温空气由空气经过滤后进行热交换而成，所述热交换的热源由瓦斯气燃烧产生。

实际应用中，所述的阀门均可设置成包括一电动阀和一手动阀，正常工作时，所有手动阀保持全开状态，所有电动阀通过可编程控制器的自动控制实现吸附塔的运行及再生；停止处理时，所有手动阀关闭。

作为本发明的又一种改进，所述步骤3)的再生空气阀打开时，可编程控制器再次确认吸附塔的瓦斯进气阀和瓦斯出气阀是否处于关闭状态，以确保没有瓦斯泄漏或者空气进入瓦斯系统。

作为本发明的再一种改进，所述乏气排气阀外侧的管路上设置阻火器；所述高温空气进气管道上设有温度传感器。

本发明的另一目的在于，提供一种瓦斯气的吸附除湿装置，包括设置在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上的吸附塔部分，该吸附塔部分的瓦斯进气管路上设置瓦斯进气阀，其瓦斯出气管路上设置瓦斯出气阀；所述吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处分别设置有一组温度传感器和压力传感器；所述吸附塔的底部设有高温空气进气管道，该管道上设置再生空气阀，其上部对应设置乏气排气阀；还包括用于产生高温空气的部分，该部分包括：空气过滤器、风机、热交换器、封闭的导热油管路、油泵和瓦斯炉，其中，空气过滤器、风机、热交换器的外壳和高温空气进气管道依次布置形成气体管路，导热油管路和油泵形成往复循环的油路；所述导热油管路的一端设置于热交换器的外壳内，其另一端设置于瓦斯炉内；所述的瓦斯炉通过瓦斯支管路连接瓦斯出气管路。

经初过滤后的环境空气由风机升压后，可以再经过一级精密过滤器过滤，去除可能对吸附剂造成影响的杂质；然后，经过热交换器被导热油加热，使温度升至180℃左右，高温空气进入吸附塔对吸附剂进行再生；热交换器中的导热油被瓦斯炉加热，在油泵的作用下往复循环。应用中，导热油管路设置于热交换器的外壳内的一端和设置于瓦斯炉内的另一端，均可以采用盘管式或列管式，以增加热交换的面积。

在实际应用中，所述瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间一般并列设置2个或2个以上的吸附塔，以实现连续吸附除湿处理。

工业应用中，所述的阀门均包括一电动阀和一手动阀，所述电动阀均连接至可编程控制器。

作为本发明的又一种改进，所述乏气排气阀外侧的管路上设置阻火器，防止事故状况下火焰进入吸附塔；所述高温空气进气管道上设有温度传感器。

本发明的优点在于，本发明所提供的一种瓦斯气的吸附除湿方法及其装置，利用瓦斯原有的压力，吸附时吸附塔始终处于正压状态，防止空气进入，这样不仅解决了民用瓦斯燃气系统在冬季状况下“冻表”的问题，以安全作为设计的第一原则，同时兼顾系统的可靠性、经济性。采用物理吸附除湿，不需要消耗能源，而且，工作时主气路没有运转设备，系统的可用性及安全性也会提高。另外，吸附剂循环再生，运行费用低。

附图说明

图1为本发明瓦斯气的吸附除湿装置的结构示意图。

附图标示

1、瓦斯气柜出气管路              2、供气管网进气管路          3、吸附塔

4a、瓦斯进气电动阀               4b、瓦斯进气手动阀

5a、瓦斯出气电动阀               5b、瓦斯出气手动阀

6、温度传感器                    7、压力传感器

8a、再生空气电动阀               8b、再生空气手动阀

9、乏气排气电动阀                10、阻火器

11、空气过滤器                   12、风机                     13、热交换器

14、导热油管路                   15、油泵                     16、瓦斯炉

17、瓦斯支管路

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明所提供的瓦斯气的吸附除湿的方法及其装置。

如图1所示，本发明的瓦斯气的吸附除湿装置，吸附除湿部分包括：瓦斯气柜的瓦斯出气管路1、供气管网进气管路2、和并列设置在瓦斯出气管路1和供气管网进气管路2之间的管路上的两个吸附塔3部分，该吸附塔3的瓦斯进气管路上设置瓦斯进气阀4a，4b；其瓦斯出气管路上设置瓦斯出气阀5a，5b；所述吸附塔3内部的瓦斯进气口和出气口处分别设置有一组温度传感器6和压力传感器7；所述吸附塔3的底部设有高温空气进气管道，该管道上设置再生空气阀8a，8b；吸附塔3上部对应设置乏气排气阀9；本例中，乏气排气阀9外侧的管路上还设置有阻火器10，防止事故状况下火焰进入吸附塔。

用于产生高温空气的部分包括：空气过滤器11、风机12、热交换器13、封闭的导热油管路14、油泵15和瓦斯炉16，其中，空气过滤器11、风机12、热交换器13的外壳和高温空气进气管道依次布置形成气体管路，导热油管路14和油泵15形成往复循环的油路，本例中，在油路上并联两个油泵15。导热油管路14的一端以列管的形式设置于热交换器13的外壳内，其另一端也以列管的形式设置于瓦斯炉16内壁；所述的瓦斯炉16通过瓦斯支管路17连接瓦斯出气管路1，这样，瓦斯燃烧加热导热油管路14内位于瓦斯炉端的导热油，在油泵15的作用下，流经导热油管路14位于热交换器的一端，与热交换器外壳内的空气进行热交换，使温度升至180℃左右，高温空气进入吸附塔，被加热解吸附的水蒸气由于受热，会在吸附塔上部的乏气出口流出。本例中，高温空气采用罗茨风机提供动力源。

现以本例的双吸附塔的结构说明吸附剂再生的工作原理，每个吸附塔分别设有：瓦斯进气手动阀、进气电动阀；瓦斯出气电动阀、出气手动阀；再生空气电动阀及手动阀各一台，正常工作时手动阀保持全开状态，利用电动阀控制吸附塔的运行及再生；冬季过后，系统停运时应将所有手动阀4b，5b，8b关闭。

如图1所示，吸附塔3内每层设有圆形加料口及方形出料口(人孔门)以便于添加、更换吸附剂。湿的瓦斯气体从吸附塔3的一端入口，沿着塔体的高度方向流向同侧的另一端，在此过程中，水蒸气被吸附下来，干燥的气体从出口流出，进入供气管网。

本发明瓦斯气的吸附除湿方法，当瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度低于1℃～6℃时，打开吸附塔的瓦斯进气阀和瓦斯出气阀，通过吸附塔内设置的吸附剂进行吸附除湿处理；并通过吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处的一组温度传感器和压力传感器，监测进、出吸附塔的瓦斯气的气体特性；当输出的瓦斯气的相对湿度超过控制指标时，即表明其吸附剂已完全饱和，关闭吸附塔的进气阀和出气阀；打开吸附塔的底部高温空气进气管道上的再生空气阀和吸附塔上部的乏气出口管道上的乏气排气阀，通入高温空气对吸附剂进行再生处理。在再生状态下，当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度高于吸附剂解析的上限温度，本例中，T>250℃时，减少进入吸附塔的高温空气量；当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度低于吸附剂解析的下限温度，本例中，T<180℃时，加大进入吸附塔的高温空气量；在再生状态下，被加热解吸附的水蒸气随热空气从吸附塔上部的乏气出口排出；当两个温度传感器的温差小于10℃～20℃且平均温度超过150℃～170℃后，关闭再生空气阀和乏气排气阀；吸附剂再生完成后进行气体置换，重复步骤1)～5)循环进行瓦斯气的再生性吸附除湿处理，直至瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度高于6℃时，停止除湿处理，最后进行一次再生处理。

因为在同一个吸附床中，吸附—解吸附过程不能同时进行，然而，除湿系统需要二十四小时连续运行，在设计上至少需要一个吸附床在运行的时候另外一个床在再生，而解吸附所需要的时间小于吸附饱和的时间，这样交替运行，满足连续运行的要求，因此，在工业应用中，瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间一般需要并列设置2个或2个以上的并联的吸附塔用于气体的吸附。当气源经过第一个吸附塔时，第二个吸附塔的进气阀与出气阀都关闭，处于再生和备用状态。当第一个吸附塔出口湿度超过控制指标时，表明其吸附剂已完全饱和，而第二吸附塔中的吸附剂已经再生完成，此时第一个吸附塔的进气阀和出气阀都关闭，进行再生。同时第二吸附塔的进气阀、出气阀都打开进行除湿，当第二吸附塔的出口湿度超标时，再切换到第一吸附塔运行，第二吸附塔进行再生，如此循环。因此，多吸附塔的设置使得吸附剂再生时，整个系统不需停车处理。

在本发明中采用物理吸附较好，不需要消耗较大的能源，而且，工作时主气路没有运转设备，系统的可用性及安全性也会提高。也可采用化学吸附，某些溶液可以吸入水份，但这些溶液往往不是中性溶液，设备材料的耐腐蚀性要加强，成本提高；且吸附溶液需要循环动力，这样不仅在再生时消耗能量，吸附时也要动力驱动，耗能增加。

经过对安全性、经济性、可用性等方面的全面比较，硅胶的各项指标都优于其他的吸附剂，本例中，选用HY-W型硅铝胶，本品也可在游离水(液态水)含量很高的情况下使用，使用后可达到较低的露点。常用的吸附剂有氯化锂、分子筛、硅胶、活性炭、氧化铝等几种。吸附剂的选择主要考虑以下几个方面：

1、吸附剂的吸水能力强，但对甲烷的吸附能力弱或者没有，也即吸附的选择性好；

2、吸附剂的再生温度要尽可能低，因为处理的是可燃气体，再生时吸附剂内有可能存留甲烷，如果再生温度较高，那么在吸附剂颗粒中有可能发生微观燃烧，从而使吸附剂炸裂，降低吸附剂的寿命；

3、吸附剂的耐水性要好，很多吸附剂在吸水后容易裂开，使用寿命短。

如图1所示，一般低位的阀门包括一电动阀和一手动阀，电动阀4a，5a，8a，9均连接至可编程控制器(未图示)。本例采用可编程控制器(PLC)控制，具有数据采集、在线检测、报警和自动停机等功能，并提供标准的数据通讯端口。系统控制描述如下：采用PLC进行数据采集和处理；利用触摸屏可进行就地操作；控制系统供标准通信接通过工业以太网与外部控制系统连接；瓦斯预处理装置可以产生下列报警和/或停机信号：吸附塔压力高、吸附塔温度低、吸附塔温度高、再生温度高、再生温度低。控制系统主要实现以下功能：根据环境温度自动启动或者停止系统；吸附塔的自动解列、自动运行和切换；吸附塔的自动再生；再生温度的自动控制；再生乏气的自动排放、自动关闭。通过具体实施，验证了这套系统的可行性，同时也为今后的改进提供了很好的经验。

Claims (12)

1、一种瓦斯气的吸附除湿方法，该方法通过在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上设置吸附塔，当瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度低于1℃～6℃时，对瓦斯气进行再生性吸附除湿处理，具体步骤包括：

1)打开吸附塔的瓦斯进气阀和瓦斯出气阀，通过吸附塔内设置的吸附剂进行吸附除湿处理；并通过吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处的一组温度传感器和压力传感器，监测进、出吸附塔的瓦斯气的气体特性；

2)通过吸附塔外侧的供气管网进气管路中的温度湿度测量仪检测输出的瓦斯气的湿度，当输出的瓦斯气的相对湿度超过控制指标时，关闭吸附塔的进气阀和出气阀；

3)打开吸附完成的吸附塔的底部高温空气进气管道上的再生空气阀和吸附塔上部的乏气出口管道上的乏气排气阀，通入高温空气对吸附剂进行再生处理；

4)在再生状态下，当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度高于吸附剂解析的上限温度时，减少进入吸附塔的高温空气量；当两个温度传感器中的任何一个监测到吸附塔内的温度低于吸附剂解析的下限温度时，加大进入吸附塔的高温空气量；

5)在再生状态下，被加热解吸附的水蒸气随热空气从吸附塔上部的乏气出口排出；当两个温度传感器的温差小于10℃～20℃且平均温度超过150℃～170℃后，关闭再生空气阀和乏气排气阀；

吸附剂再生完成后进行气体置换，重复步骤1)～5)循环进行瓦斯气的再生性吸附除湿处理，直至瓦斯气柜周围的温度变送器检测到环境温度高于6℃时，停止除湿处理，最后进行一次再生处理。

2、如权利要求1所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间并列设置2个或2个以上的吸附塔，上述步骤2)当温度湿度测量仪检测输出的瓦斯气的相对湿度超过控制指标时，关闭该吸附塔的进气阀和出气阀，切换到另一个吸附塔运行，进行除湿处理，再生处理和除湿处理交替运行，以实现连续吸附除湿处理。

3、如权利要求1或2所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述高温空气由空气经过滤后进行热交换而成，所述热交换的热源由瓦斯气燃烧产生。

4、如权利要求1或2所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述的阀门均包括一电动阀和一手动阀，正常工作时，所有手动阀保持全开状态，所有电动阀通过可编程控制器的自动控制实现吸附塔的运行及再生；停止处理时，所有手动阀关闭。

5、如权利要求4所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述步骤3)的再生空气阀打开时，可编程控制器再次确认吸附塔的瓦斯进气阀和瓦斯出气阀是否处于关闭状态。

6、如权利要求1或2所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述乏气排气阀外侧的管路上设置阻火器。

7、如权利要求1或2所述的瓦斯气的吸附除湿方法，其特征在于，所述高温空气进气管道上设有温度传感器。

8、一种瓦斯气的吸附除湿装置，其特征在于，包括设置在瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间的管路上的吸附塔部分，该吸附塔部分的瓦斯进气管路上设置瓦斯进气阀，其瓦斯出气管路上设置瓦斯出气阀；所述吸附塔内部的瓦斯进气口和出气口处分别设置有一组温度传感器和压力传感器；所述吸附塔的底部设有高温空气进气管道，该管道上设置再生空气阀，其上部对应设置乏气排气阀；

还包括用于产生高温空气的部分，该部分包括：空气过滤器、风机、热交换器、封闭的导热油管路、油泵和瓦斯炉，其中，空气过滤器、风机、热交换器的外壳和高温空气进气管道依次布置形成气体管路，导热油管路和油泵形成往复循环的油路；所述导热油管路的一端设置于热交换器的外壳内，其另一端设置于瓦斯炉内；所述的瓦斯炉通过瓦斯支管路连接瓦斯出气管路。

9、如权利要求8所述的瓦斯气的吸附除湿装置，其特征在于，所述瓦斯出气管路和供气管网进气管路之间并列设置2个或2个以上的吸附塔。

10、如权利要求8所述的瓦斯气的吸附除湿装置，其特征在于，所述的阀门均包括一电动阀和一手动阀，所述电动阀均连接至可编程控制器。

11、如权利要求8所述的瓦斯气的吸附除湿装置，其特征在于，所述乏气排气阀外侧的管路上设置阻火器。

12、如权利要求8所述的瓦斯气的吸附除湿装置，其特征在于，所述高温空气进气管道上设有温度传感器。

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