CN102296979B - 利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺 - Google Patents

Abstract

一种利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，其特征是：将冷空气或者地下水作为一级气液分离器中热交换器、深度冷凝热交换器(16)、二级气液分离器中热交换器(14)的热交换介质，经过热交换之后，热水分别通过各自的排放管道排出。本发明具备降温、除尘、脱水、水封阻火、储气、稳压等多种功能。利用自然冷源具有原理简单、能耗低、安全可靠、工作稳定、易于维护、压力损失小等优点。是煤层气抽采项目瓦斯输送除尘、脱水的最佳选择。

Description

利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺

技术领域

本发明涉及煤矿瓦斯处理系统，具体说是一种利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺。

背景技术

由于高瓦斯矿井越来越多，大部分矿井均建立了地面永久瓦斯抽采系统，纯瓦斯量均达100Nm3/min以上，大部分矿井抽出来的瓦斯均用于瓦斯发电。由于从抽放站出来的瓦斯压力较低、温度较高、相对湿度较大，并且含有较大灰尘颗粒物，不符合瓦斯管道输送及燃气发动机对瓦斯的要求。所以，瓦斯输送管道前端及进入燃气发动机前必须设置除尘、脱水装置，通过预处理系统的过滤、降温、脱水、增压，达到燃气发动机对瓦斯气的要求后，才能进入瓦斯管道输送及利用燃气发动机燃烧做功。通过对瓦斯进行脱水处理可以解决瓦斯输送管道存在的冷凝水冬季结冰和管道锈蚀严重等问题，减少瓦斯输送管道的维护工作量，有效延长管道的使用寿命，从而大大降低瓦斯输送管道的维护和使用成本，同时可以减少由于管道生锈产生的灰尘对瓦斯发电机组的侵害，保障瓦斯电站的正常运行。

瓦斯除尘、脱水装置是用于煤矿瓦斯发电及管道输送工程中重要的辅助机械设备。瓦斯发电机组对燃料品质有很严格的要求，而矿井瓦斯具有波动性大、高湿、高温、高粉尘等特点。因此，瓦斯发及管道输送电工程需要设置专业的设备系统对瓦斯进行预先除尘、脱水处理。

现有的处理工艺一般是采用：

1、低温及吸附双重除尘、脱水工艺；

整个除尘、脱水系统主要由在煤层气压缩机后设置的低温冷却器、初级过滤器、吸附塔、精密过滤器几大部分组成。由于来气温度较高，必须经过冷凝措施，把气体中夹带的游离水、固体杂质以及过饱和水从低温冷却器及初级过滤器中分离出来，再经过吸附塔及精密过滤器实现油雾离子小于50μm(大于1μm)的粉尘分离出来。但是这种工艺：

(1)结构比较复杂，建设投资、运行费用较高；

(2)运行环节较多，管理较复杂，系统运行可靠性较差；

(3)气体经过该套系统后压力损失较大，需要增加瓦斯加压系统，额外投资规模较大。

2、无热再生吸附脱水工艺；

整个除尘、脱水系统仍然由低温冷却器、初级过滤器、吸附塔、精密过滤器几大部分组成。只是吸附塔再生原理采取了无热再生方式，利用变压吸附进行工作和再生。在工作压力下，煤层气通过吸附剂水分被吸附；再生时再利用一定比例的成品气对吸附剂进行吹扫，使吸附剂得到脱附再生。由于进气压力比较低，所以需要的再生气比例较高，约为30％。这种工艺的问题是：

(1)运行成本费用太高；

(2)有效供气量小，损耗高，需损耗30％的成品气；

(3)供气露点受工况变化的影响比较大，稳定性差；

(4)气体经过该套系统后压力损失较大，需要增加瓦斯加压系统，额外投资规模较大；

3、蒸汽加热再生脱水工艺

利用变温吸附原理进行工作和再生。在常温下，煤气通过吸附剂水分被吸收；再生时通过蒸汽加热器，用高温蒸汽将部分煤气加热到100℃以上，再送到再生塔加热吸附剂，使吸附剂脱附再生，脱附的水分被再生气带出干燥装置。再生用煤气，通过设备上配套的冷却器，降至常温后，送入另一干燥塔进行干燥处理。干燥过程中，煤气循环使用，没有损耗。当再生塔加热再生后，需用5％的成品气将吸附剂吹至常温，以备工作。这种工艺：

(1)结构仍然比较复杂，投资费用最高；

(2)运行环节较多，管理较复杂，系统运行可靠性较差；

(3)气体经过该套系统后阻力损失较大，需要增加瓦斯加压系统，额外投资规模较大。

4、工业制冷冷凝脱水

利用工业制冷机制造冷源，通过热交换器对瓦斯进行热交换，降低瓦斯的温度，达到冷凝脱水的目的。这种工艺存在的缺陷是：

(1)、制造大量的冷源需要工业制冷机，建设投资成本高；

(2)、工业制冷机耗电高，运行成本很高。

在瓦斯气处理系统中如何大幅降低运行成本、简化系统环节，同时保证运行的可靠性、稳定性和产出率、有效提高瓦斯气的处理指标是瓦斯气工业化处理开发的长期目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺。

所述利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，经过以下步骤：

第一步，将瓦斯气通过管道进入雾化喷淋塔进行雾化喷淋，其中喷淋塔的喷淋水与冷却塔形成循环；

第二步，瓦斯气通过管道进入一级气液分离器进行气液分离与降温处理；

第三步，瓦斯气进入深度冷凝热交换器进行深度冷凝；

第四步，进入二级气液分离器进一步进行气液分离与降温处理；

其特征是：在第二步及第四步中所述的气液分离器内置的热交换器，和第三步中的深度冷凝热交换器，其热交换介质的利用有下述两种工艺方式之一：

1)、由冷源风机将冷空气通过空气冷源输送管道分别输送给一级气液分离器中热交换器的空气冷源进气阀门、深度冷凝热交换器的空气冷源进气阀门、二级气液分离器中热交换器的空气冷源进气阀门，经过热交换之后，分别通过各自的空气冷源排放阀门以及与空气冷源排放阀门相连的空气排放管道排出热气；

2)、由地下水输送水泵从深水井中抽出的地下水，分别输送给一级气液分离器中热交换器的地下水输送阀门、深度冷凝热交换器的地下水输送阀门、二级气液分离器中热交换器的地下水输送阀门，经过热交换之后，热水分别通过各自的地下水排放阀门以及与地下水排放阀门相连的地下水排放管道排出。

在第二步及第四步中所使用的气液分离器是复合式气液分离器，瓦斯气在依次通过其中的旋风分离器进行旋风分离，再进入热交换器进行热交换，凝结出一部分水，再通过高效破沫捕雾器过滤出瓦斯气体中凝结出的水分。

第三步中所述的深度冷凝热交换器是埋于可利用土壤冷源的地下。

第一步中所述冷却塔的水源补充是由地下水输送水泵从深水井中抽出的地下水通过地下水输送水管输送。

本发明达可到以下的有益效果：

(1)运行能耗低：充分利用地下自然低温冷源(土壤/地下水/空气)有利条件对瓦斯气体进行深度冷凝，无需增加额外的制冷设备，节约了大量的电能；

(2)与其它方式的除尘脱水工艺相比较，建设成本和运行成本低；

(3)有效供气量高，瓦斯气损耗小；

(4)结构相对简单，操作方便，便于管理；

(5)故障率低，系统运行可靠；

(6)设备维护成本低：除循环泵及气液分离塔需要定期维护和更换滤芯外，其它设备只需要定期检查即可；

(7)压力损失小：瓦斯气经过该套系统后压力损失较小，无需增加额外的增压系统。

本发明具备降温、除尘、脱水、水封阻火、储气、稳压等多种功能。利用自然冷源具有原理简单、能耗低、安全可靠、工作稳定、易于维护、压力损失小等优点。是煤层气抽采项目瓦斯输送前除尘、脱水的最佳选择。

附图说明

图1是本发明整体系统结构示意图，

图2是本发明工艺流程示意图。

图中：1-喷淋塔，2-瓦斯放散管，3-深水井，4-地下水输送水管，5-地下水输送水泵，6-冷却塔，7-冷却水循环泵，8-地下水输送阀门，9-空气冷源排放阀门，10-空气冷源进气阀门，11-地下水排放阀门，12-一级复合式气液分离器，13-旋风分离器，14-热交换器，15-高效破沫捕雾器，16-深度冷凝热交换器，17-空气冷源输送管道，18-二级复合式气液分离器，19-冷源风机，20-地下水排放管道，21-空气排放管道，22-补水供水管道接口，23-防爆阀门，24-雾化喷淋，25-一级复合气液分离，26-空气冷源介质，27-深度冷凝热交换，28-二级复合气液分离，29-空气冷源对介质冷却，30-热交换介质循环冷却，31-土壤冷源保温，32-地下水冷源介质。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：首先介绍本工艺的运行系统，如图1中所示利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水系统，以瓦斯气的处理顺序，处理设备依次包括通过瓦斯输送管道连接的雾化喷淋塔1、一级气液分离器12、深度冷凝热交换器16、二级气液分离器18，其中雾化喷淋塔的冷却水由冷却塔6提供，所述一级气液分离器12、二级气液分离器18中的热交换器14，和置于地下的深度冷凝热交换器16，它们的热交换介质输入口各自通过其自身的地下水输送阀门8、空气冷源进气阀门10分别与地下水输送水管4、空气冷源输送管道17连接，它们的热交换介质输出口各自通过其自身的地下水排放阀门11、空气冷源排放阀门9分别与地下水排放管道20、空气排放管道21连接；其中空气冷源输送管道17的输入端与冷源风机19的出风口连接。

所述地下水输送水管4的输入口深入深水井3中，通过地下水输送水泵5连接到各个热交换设备的地下水输送阀门8。同时通过地下水输送水泵5连接到冷却塔6的补水供水管道接口22。

所述一级气液分离器12或二级气液分离器18是高效复合式气液分离器，所述高效复合式气液分离器内部由下至上依次安装有旋风分离器13、列管式热交换器14、高效破沫捕雾器15。所述气液分离器的进气口和出气口装有防爆阀门23。在其顶端通过自动弹簧复位式防爆门和阀门与燃气管道相接。

利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，结合图1和图2所示，经过以下步骤：

第一步，将瓦斯气通过管道进入雾化喷淋塔1进行雾化喷淋24，其中喷淋塔的喷淋水与冷却塔6形成循环，在冷却塔6中进行热交换介质循环冷却30，冷却塔使用了空气冷源对介质冷却29；

第二步，瓦斯气通过管道进入一级气液分离器进行气液分离与降温处理；

第三步，瓦斯气进入深度冷凝热交换器16进行深度冷凝；

第四步，进入二级气液分离器进一步进行气液分离与降温处理；

在第二步及第四步中所述的气液分离器内置的热交换器，和第三步中的深度冷凝热交换器16，其热交换介质的利用有下述两种工艺方式之一：

1)、由冷源风机19将空气冷源介质26通过空气冷源输送管道17分别输送给一级气液分离器中热交换器14的空气冷源进气阀门10、深度冷凝热交换器16的空气冷源进气阀门10、二级气液分离器中热交换器14的空气冷源进气阀门10，经过热交换之后，分别通过各自的空气冷源排放阀门9和与空气冷源排放阀门9相连的空气排放管道21排出热气；

2)、由地下水输送水泵5从深水井3中抽出的地下水冷源介质32，分别输送给一级气液分离器中热交换器14的地下水输送阀门8、深度冷凝热交换器16的地下水输送阀门8、二级气液分离器中热交换器14的地下水输送阀门8，经过热交换之后，热水分别通过各自的地下水排放阀门11和与地下水排放阀门11相连的地下水排放管道20排出。

由于热交换介质只能选择一种，或是空气冷源或是地下水冷源作为介质，因此在不同的条件下可以选用上述二种方式中的一种实施，而在设备的构造上可以同时具备两种方式的结构。

在第二步中所使用的一级气液分离器是指一级复合式气液分离器12，瓦斯器在其中进行一级复合式气液分离25，及第四步中所使用的二级气液分离器是指二级复合式气液分离器18，瓦斯器在其中进行二级复合式气液分离28，瓦斯气在依次通过其中的旋风分离器13进行旋风分离，再进入热交换器14进行热交换，凝结出一部分水，再通过高效破沫捕雾器15过滤出瓦斯气体中凝结出的水分。

第三步中所述的深度冷凝热交换器16是埋于可利用土壤冷源的地下，在进行深度冷凝热交换27的同时，可以对深度冷凝热交换器16进行土壤冷源保温31。

第一步中所述冷却塔1的水源补充是由地下水输送水泵5从深水井3中抽出的地下水通过地下水输送水管4输送。

本发明利用温度在3-5℃的地下水以及冻土层以下的土壤或者零度以下的室外空气作为冷源，对瓦斯进行冷凝脱水、除尘。首先通过雾化喷淋的方法对瓦斯气进行降温和除尘处理(可以除去瓦斯气中的绝大部分灰尘，同时可以大大降低瓦斯气的温度)，再结合多级冷却系统使得瓦斯气中的不饱和状态水达到过饱和状态凝结并析出，然后通过旋风分离和高效破沫捕雾方法脱除冷凝并分离出来的液态水和粉尘。

经过加压机出来的高温(70-90℃)瓦斯进入雾化喷淋塔1，喷淋塔1中水浴喷头喷出高压雾状水雾，对瓦斯进行除尘，同时带走瓦斯大量的热量，凝结出一部分的水分；从雾化喷淋塔1出来的瓦斯进入一级气液分离器12，在一级气液分离器12中依次通过旋风分离器13，在离心力的作用下分离出液态水，再进入热交换器14与地下水或空气冷源进行热交换，降低瓦斯的温度，凝结出一部分水，再通过高效破沫捕雾器15过滤出瓦斯气体中凝结出的水分；然后瓦斯进入瓦斯深度冷凝热交换器16进行瓦斯与水的热交换，再次降低瓦斯的温度凝结水分，瓦斯深度冷凝热交换器16埋于冻土层以下，可以将自身的热量传递给土壤，从而完成瓦斯与土壤的热交换，能有效的保持设备的低温；从瓦斯深度冷凝热交换器16出来的瓦斯进入二级气液分离器18，依次经过旋风分离器13、热交换器14、高效破沫捕雾器15进行二次脱水除尘处理，完成瓦斯的净化处理，经过净化的瓦斯为不含游离态水的瓦斯。

在完成净化处理的过程中，冷源的利用是关键，自然冷源的利用分为‘地下水+土壤’、‘地下水+土壤+空气冷源’两部分：

1、当室外温度高于0℃时，利用地下水及土壤冷源

冷源的供给情况如下：冷源风机19停止工作，关闭空气冷源进气阀门的空气冷源进气阀门10和空气冷源排放阀门9，其余阀门全部处于开启状态。地下水输送水泵5从深水井3中输送出3-5℃的地下水，通过地下水输送水管4为冷却塔6补充地下水，同时还通过地下水输送阀门8为热交换器14，瓦斯深度冷凝热交换器16、持续输送低温地下水，深度热交换器10和热交换器14与瓦斯进行热交换后的温水通过地下水排放阀门11循环到深水井3中；冷却塔6中左半部分的为低温水，右半部分的为高温水，右半部分高温水通过管道与左半部分低温水循环进行降温，低温度的冷却水通过冷却水循环泵7供给喷淋塔1工作。

2、当室外温度低于0℃时，利用地下水+土壤+空气冷源

冷源的供给情况如下：冷源风机19工作，关闭地下水输送阀门8和地下水排放阀门11，其余阀门全部处于开启状态。地下水输送水泵5从深水井3中输送出3-5℃的地下水，为冷却塔6补给3-5℃地下水，冷却塔6中左半部分的为低温水，右半部分的为高温水，右半部分高温水通过管道与左半部分低温水循环进行降温，低温度的冷却水通过冷却水循环泵7供给雾化喷淋塔1供其工作；冷源风机19提供空气冷源，由空气冷源输送管道17通过空气冷源进气阀门10为热交换器14和深度冷凝热交换器16持续输送空气冷源，空气冷源与瓦斯进行热交换后通过空气冷源排放阀门9排出，完成瓦斯与空气冷源热交换的过程，凝结脱除瓦斯中的水分。

Claims (4)

1.一种利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，经过以下步骤：

第一步，将瓦斯气通过管道进入雾化喷淋塔(1)进行雾化喷淋，其中喷淋塔的喷淋水与冷却塔(6)形成循环；

第二步，瓦斯气通过管道进入一级气液分离器进行气液分离与降温处理；

第三步，瓦斯气进入深度冷凝热交换器(16)进行深度冷凝；

第四步，进入二级气液分离器进一步进行气液分离与降温处理；

其特征是：在第二步及第四步中所述的气液分离器内置的热交换器，和第三步中的深度冷凝热交换器(16)，其热交换介质的利用有下述两种工艺方式之一：

1)、由冷源风机(19)将冷空气通过空气冷源输送管道(17)分别输送给一级气液分离器中热交换器(14)的空气冷源进气阀门(10)、深度冷凝热交换器(16)的空气冷源进气阀门(10)、二级气液分离器中热交换器(14)的空气冷源进气阀门(10)，经过热交换之后，分别通过各自的空气冷源排放阀门(9)以及与空气冷源排放阀门(9)相连的空气排放管道(21)排出热气；

2)、由地下水输送水泵(5)从深水井(3)中抽出的地下水，分别输送给一级气液分离器中热交换器(14)的地下水输送阀门(8)、深度冷凝热交换器(16)的地下水输送阀门(8)、二级气液分离器中热交换器(14)的地下水输送阀门(8)，经过热交换之后，热水分别通过各自的地下水排放阀门(11)以及与地下水排放阀门(11)相连的地下水排放管道(20)排出。

2.根据权利要求1所述的利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，其特征是：在第二步及第四步中所使用的气液分离器是复合式气液分离器，瓦斯气在依次通过其中的旋风分离器(13)进行旋风分离，再进入热交换器(14)进行热交换，凝结出一部分水，再通过高效破沫捕雾器(15)过滤出瓦斯气体中凝结出的水分。

3.根据权利要求1所述的利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，其特征是：第三步中所述的深度冷凝热交换器(16)是埋于可利用土壤冷源的地下。

4.根据权利要求1所述的利用自然冷源对瓦斯进行深度冷凝的除尘、脱水工艺，其特征是：第一步中所述冷却塔(6)的水源补充是由地下水输送水泵(5)从深水井(3)中抽出的地下水通过地下水输送水管(4)输送。

Images