CN102380285A - 多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯的方法及装置。它是通过变压吸附的方法，从解吸阶段获得产品气。为了在较低的压差下尽可能高的提高产品气中甲烷的体积分数，且保持较高的回收率，吸附过程中使用多塔并联加串联的工艺流程，原料气经吸附塔吸附后从吸附塔排气端流出的高压气体进入下一个吸附进行吸附，可以将吸附过程中传质区完全移出吸附塔，提高产品气的体积分数。本发明中吸附塔内使用吸附剂为椰壳活性炭沸石分子筛、MOF中的一种，可以在较低能耗下将煤矿乏风瓦斯加以富集，实现乏风瓦斯中甲烷气体的利用，同时可以减少温室气体的排放。本发明还可以用于其它富甲烷、二氧化碳、一氧化碳等强吸附组分气体的富集提浓。

Description

多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置

技术领域

本发明属于变压吸附气体分离领域，涉及一种煤矿乏风瓦斯提浓的方法，能用于甲烷、二氧化碳等强吸附组分气体的富集的多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯的方法及装置。

背景技术

我国每年有180亿m3以上的纯甲烷混入矿井风流中通过乏风排空，这相当于3600多万吨煤炭被白白浪费掉。不仅如此，甲烷是仅次于CO 2的第二大温室气体，甲烷排放对大气环境的破坏，已经成为全世界共同面临的重大环境问题。我国是一个煤炭大国，据统计2000m以内的煤层气储量为36万亿立方米，占全世界煤层气储量的12.5%，居世界第三位，但每年因采煤排放的甲烷气体占世界采煤排放煤层气总量的1/3，居世界第一位。在煤矿开采过程中大量甲烷气体排入大气中主要原因是，富含甲烷的混合气中甲烷气体体积分数较低。被排放的甲烷气中矿井乏风瓦斯占80%-90%，其平均体积分数仅为0.25%左右。如此低体积分数的甲烷气体利用难度较大，目前的乏风瓦斯氧化装置一般要求甲烷体积分数高于0.3%后才能维持稳定工作，当甲烷体积分数超过0.5%后瓦斯氧化装置才能用于发电，超过0.8%后可以利用稀燃燃气轮机发电。因此，将低甲烷体积分数的乏风瓦斯气进行富集，并加以利用具有十分重大的意义。 

在所有的气体分离方法中，变压吸附法以其投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛的关注。在提浓煤矿乏风瓦斯的过程中，甲烷一般被作为强吸附组分气体从吸附塔解吸阶段获得。在变压吸附回收如甲烷这样的强吸附组分气体的过程中，为保证回收率一般都控制排放气中强吸附组分气体的体积分数，这样势必导致传质区还停留在吸附塔内，影响产品气的体积分数。在吸附压力高的情况下一般通过顺向降压的方法将传质区移出吸附塔，提高产品气体积分数，如专利CN85103557A富集煤矿瓦斯气体，CN101422683A回收一氧化碳气体等都加入顺向降压步骤。顺向降压过程相当于在一个吸附压力相对较低的环境下使吸附塔内的吸附剂完全吸附饱和，这无疑浪费了部分能量。 

专利CN101503335A、CN101502740A中利用公布了一种多级吸附分离煤矿瓦斯的流程，甲烷作为重组分气体被吸附，通过抽真空解吸的方法获取高体积分数甲烷的产品气。在第一级吸附过程中，控制排放气中甲烷体积分数为一较大值，这样则可以将传质区移出吸附塔，含较高甲烷体积分数的排放气进入另外一级吸附分离装置进行分离，分离后获得的气体再返回到原料气入口端进行分离。这样的流程虽然可以在较高收率的情况下提高体积分数，但多级分离系统较复杂，同时也增大了设备的投资。

发明内容

为了提高煤矿乏风瓦斯气体中甲烷的体积分数，本发明的目的是提供一种在分离过程中实现多塔串联加并联的工艺流程，可以在不增大吸附压力或降低解吸压力的情况下，既保证高回收率又提高产品气中甲烷的体积分数的多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法及装置。                 

本发明的技术方案是：多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法，该方法通过真空变压吸附的方法，利用多塔并联加串联的工艺流程，将煤矿乏风瓦斯富集，所有吸附塔为并联连接，且在吸附过程中实现串联连接；所述真空变压吸附方法中甲烷气体为强吸附组分，富含甲烷的产品气在降压解吸过程中获得；所述真空变压吸附方法中使用的吸附剂为对甲烷具有选择性吸附能力的吸附剂，包括为沸石分子筛、活性炭、金属有机骨架材料；

其中，所述真空多塔变压吸附法包含至少3个吸附塔，或为3塔以上的任意吸附塔。所述的变压吸附法的工艺流程主要包括升压、吸附、均压降、降压解吸、均压升六个步骤；所述变压吸附工艺参数如下：吸附压力控制在绝压0.1MPa～0.35MPa之内，降压解吸压力控制在绝压0.01MPa～0.09MPa之内。所述变压吸附过程中，原料气体在高压下从吸附塔进气端流入一吸附塔（此塔为主吸附塔），未被吸附的气体从吸附塔排气端排出，吸附一段时间后吸附塔排气端排出的高压气体从另一吸附塔（此塔为副吸附塔）进气端流入并继续吸附。这样可以保证传质区移出待解吸的吸附塔，并回收从吸附塔排气端流出的强吸附组分气体，可以在保证回收率的前提下提高产品气体积分数。

本发明的另一目的提供上述多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法的装置，该装置包括压缩机、进气缓冲罐、单向阀、排放气缓冲罐、排放气流量调节阀、真空泵和至少三个吸附塔，所述每个吸附塔均设有进气控制阀、排放气控、均压控制阀和串联控制阀；

其中，所述压缩机经所述进气缓冲罐通过第一进气控制阀、第二进气控制阀、第三进气控制阀分别与所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的下端相连，所述第一吸附塔通过所述第一抽真控制阀与所述真空泵相连，所述第二吸附塔通过第二抽真控制阀与所述真空泵相连，所述第三吸附塔通过第二抽真控制阀与所述真空泵相连；所述第一均压控制阀、第二均压控制阀、第三均压控制阀的一端连接于同一根管道，另一端分别与所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔相连，第二抽排控制阀连接真空泵排气端和鼓风机入口端，用于回收抽排气中的甲烷气体；所述第一排放气控制阀、第二排放气控制阀和第三排放气控制阀一端分别与所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的上端相连，另一端经所述单向阀与所述排放气缓冲罐、所述排放气流量调节阀相连；所述第一吸附塔串联控制阀、第二吸附塔串联控制阀、第三吸附塔串联控制阀一端分别与所述第一吸附塔、第二吸附塔和第三吸附塔的上端相连，另一端分别与所述第二吸附塔、第三吸附塔和第一吸附塔的下端相连。

本发明的有益效果是： 

1.本发明可以使低甲烷体积分数的乏风瓦斯气得到充分的利用，减少瓦斯气体排放对环境的污染，具有重大的经济和环境意义； 

2.通过变压吸附的方法提浓煤矿乏风瓦斯，其初投资低，运行成本低，操作灵活方便；

3.使用多塔并联加串联的工艺，可以在保证回收率的前提下提高产品气体积分数；

 4.本发明还还可以用于回收二氧化碳、一氧化碳等强吸附组分的气体。 

附图说明

图1是本发明的三塔工艺流程图；

 图2是本发明的四塔工艺流程图。

 图中：1、压缩机，2、进气缓冲罐， 3A、第一进气控制阀，3B、第二进气控制阀，3C、第三进气控制阀，3D、第四进气控制阀， 4A、第一抽真控制阀，4B、第二抽真控制阀，4C、第三抽真控制阀，4D、第四抽真控制阀， 5A、第一吸附塔，5B、第二吸附塔，5C、第三吸附塔5D、第四吸附塔，6A、第一排放气控制阀，6B、第二排放气控制阀，6C、第三排放气控制阀，6D，第四排放气控制阀，7A、第一均压控制阀，7B、第二均压控制阀，7C、第三均压控制阀，7D、第四均压控制阀， 8A、第一吸附塔串联控制阀，8B、第二吸附塔串联控制阀，8C、

第三吸附塔串联控制阀，8D第四吸附塔串联控制阀，9、单向阀，10、排放气缓冲罐，11、排放气流量调节阀，12、真空泵。

 具体实施方式 

   下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1： 如图1所示为3塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯的装置，该装置包括压缩机-1，进气缓冲罐-2，第一进气控制阀-3A、第二进气控制阀- 3B，第三进气控制阀- 3C，第一抽真控制阀-4A、第二抽真控制阀-4B、第三抽真控制阀-4C，第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C，第一排放气控制阀-6A、第二排放气控制阀-6B、第三排放气控制阀-6C，第一均压控制阀-7A、第二均压控制阀-7B、第三均压控制阀-7C，第一吸附塔串联控制阀-8A、第二吸附塔串联控制阀-8B、第三吸附塔串联控制阀-8C，单向阀-9，排放气缓冲罐-10，排放气流量调节阀-11，真空泵-12； 

其中，压缩机-1经进气缓冲罐-2通过第一进气控制阀-3A、第二进气控制阀- 3B和第三进气控制阀- 3C分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B和第三吸附塔-5C下端相连，第一吸附塔-5A通过第一抽真控制阀-4A与真空泵-12相连，第二吸附塔-5B通过第二抽真控制阀-4B与真空泵-12相连，第三吸附塔-5C通过第二抽真控制阀-4C与真空泵-12相连。第一均压控制阀7A、第二均压控制阀-7B、第三均压控制阀-7C，一端连接于同一根管道，另一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、、第三吸附塔-5C相连。第二抽排控制阀13连接真空泵排气端和鼓风机入口端，用于回收抽排气中的甲烷气体。第一排放气控制阀6A、第二排放气控制阀6B和第三排放气控制阀6C一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B和第三吸附塔-5C上端相连，另一端经单向阀-9与排放气缓冲罐-10、排放气流量调节阀-11相连。第一吸附塔串联控制阀-8A、第二吸附塔串联控制阀-8B、第三吸附塔串联控制阀-8C一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B和第三吸附塔-5C上端相连，另一端分别与第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C和第一吸附塔-5A下端相连。

3塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯的方法，原料气由压缩机1压缩，经进气缓冲罐2和控制阀3A、3B、3C流入吸附塔5A、5B、5C。吸附塔5内的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分甲烷和部分氮气和氧气后，含有微量甲烷气体的混合气经6A、6B、6C从吸附塔的排气端流出。吸附结束后的吸附塔经过均压降后，产品气由真空泵12经控制阀4A、4B、4C从吸附塔5A、5B、5C中抽出。均压过程通过控制阀7A、7B、7C实现。控制阀8A、8B、8C分别实现吸附塔5A、5B、5C的排气端与下一吸附塔5B、5C、5A进气端相连。

本流程的循环时序见表1所示，下面以塔A为例对分离过程进行说明。 

1.原料气经压缩机1和进气缓冲罐2从第三控制阀3C进入第三吸附塔5C，从第三吸附塔5C流出的高压气体经第三吸附塔串联控制阀8C从第一吸附塔5A的下端流入，完成第一吸附塔5A的升压步骤； 

2.气体继续从第三吸附塔5C的排气端流入第一吸附塔5A，此时，第一排放气控制阀 6A打开，未被吸附的气体（主要为氮气和氧气）经单向阀9，排气缓冲罐10，排放气流量调节阀11后排入大气。一段时间后第三吸附塔串联控制阀8C关闭，第一进气控制阀3A打开，第一吸附塔5A改为从压缩机1流过来的原料气进气； 

3.当甲烷从第一吸附塔5A中穿透后，关闭第一排放气控制阀6A，打开第以吸附塔串联控制阀8A，此时被第一吸附塔5A吸附过的气体流入第二吸附塔5B继续吸附，这样甲烷不断从第一吸附塔5A中穿透，传质区便移出第一吸附塔5A； 

4.当第一吸附塔5A吸附结束后对完成抽真空步骤的第三吸附塔5C进行均压，第一均压控制阀7A和第三均压控制阀7C打开； 

5.关闭第一吸附塔5A连接的其它阀门，打开第一抽真控制阀4A对第一吸附塔5A抽真空，此时抽出的气体即为富含甲烷的产品气； 

6.抽真空结束后，完成吸附过程的第二吸附塔5B对第一吸附塔5A进行均压升，此时打开第一均压控制阀7A和第三均压控制阀7C； 

7.重复回到步骤（1）。 

表1 三塔循环时序表 

本实施方案中乏风瓦斯气体的甲烷体积分数为0.2%。本实施方案中装填的吸附剂为椰壳活性炭。本实施方案中工艺参数如下：原料气经鼓风机升压后吸附压力最高为150kPa（绝压），最低解析压力20 kPa（绝压）。本实施例中产品气中甲烷的体积分数大于0.4%，回收率超过95%。

实施例2： 

如图2所示为 4塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯的装置，该装置包括：压缩机-1，进气缓冲罐-2，第一进气控制阀-3A、第二进气控制阀- 3B、第三进气控制阀- 3C、第四进气控制阀- 3D，第一抽真控制阀-4A、第二抽真控制阀-4B、第三抽真控制阀-4C、第四抽真控制阀-4D，第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C、第四吸附塔-5D，第一排放气控制阀-6A、第二排放气控制阀-6B、第三排放气控制阀-6C、第四排放气控制阀-6D，第一均压控制阀-7A、第二均压控制阀-7B、第三均压控制阀-7C、第四均压控制阀-7D，第一吸附塔串联控制阀-8A、第二吸附塔串联控制阀-8B、第三吸附塔串联控制阀-8C、第四吸附塔串联控制阀-8D，单向阀-9，排放气缓冲罐-10，排放气流量调节阀-11，真空泵-12。压缩机-1经进气缓冲罐-2通过第一进气控制阀-3A、第二进气控制阀- 3B、第三进气控制阀- 3C和第四进气控制阀-3D分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C和第四吸附塔-5D下端相连，第一吸附塔-5A通过第一抽真控制阀-4A与真空泵-12相连，第二吸附塔-5B通过第二抽真控制阀-4B与真空泵-12相连，第三吸附塔-5C通过第三抽真控制阀-4C与真空泵-12相连，第四吸附塔-5D通过第四抽真控制阀-4D与真空泵-12相连。第一均压控制阀7A、第二均压控制阀-7B、第三均压控制阀-7C、第四均压控制阀-7D，一端连接于同一根管道，另一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C、第四吸附塔-5D相连。第二抽排控制阀13连接真空泵排气端和鼓风机入口端，用于回收抽排气中的甲烷气体。第一排放气控制阀6A、第二排放气控制阀6B、第三排放气控制阀6C和第四排放气控制阀6D一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C和第四吸附塔-5D上端相连，另一端经单向阀-9与排放气缓冲罐-10、排放气流量调节阀-11相连。第一吸附塔串联控制阀-8A、第二吸附塔串联控制阀-8B、第三吸附塔串联控制阀-8C、第四吸附塔串联控制阀-8D一端分别与第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C和第四吸附塔-5D上端相连，另一端分别与第二吸附塔-5B、第三吸附塔-5C、第四吸附塔-5D、第一吸附塔-5A下端相连。 

本实施例的流程图如图2所示，循环时序表见表2。 

 

从表2中可以看出在4塔分离装置中每个吸附塔经历的工艺步骤和3塔分离装置中每个吸附塔经历的步骤基本一致，下面以塔A为例对分离过程进行说明。 

 

（1）原料气从第四控制阀3D进入第四吸附塔5D，从第四吸附塔5D流出的高压气体经第四吸附塔串联控制阀8D从第一吸附塔5A的下端流入，完成第一吸附塔5A的升压步骤； 

（2）气体继续从第四吸附塔5D的排气端流入第一吸附塔5A，此时第一排放气控制阀6A打开，未被吸附的气体（主要为氮气和氧气）经单向阀9，排放气缓冲罐10，调节阀11后排入大气。一段时间后阀门8D关闭，阀门3A打开，吸附塔5A改为从压缩机机流过来的原料气进气；（3）当甲烷从第一吸附塔5A中穿透后，关闭第一排放气控制阀6A，打开第一吸附塔串联控制阀8A，此时被第一吸附塔5A吸附过的气体流入第二吸附塔5B继续吸附，这样甲烷不断从第一吸附塔5A中穿透，传质区便移出第一吸附塔5A； 

（4）当第一吸附塔5A吸附结束后对完成抽真空步骤的第三吸附塔5C进行均压，均压时第一均压控制阀7A和第三均压控制阀7C打开； 

（5）关闭第一吸附塔5A连接的其它阀门，等待第四吸附塔5D抽真空结束； 

（6）第四吸附塔5D抽真空结束后，打开第一抽真控制阀4A对第一吸附塔5A抽真空，此时抽出的气体即为富含甲烷的产品气； 

（7）抽真空结束后，完成吸附过程的5C对吸附塔5A进行均压升，此时打开第一均压控制阀7A和第三均压控制阀7C； 

（8）重复回到步骤（1）。 

本实施方案中乏风瓦斯气体的甲烷体积分数为0.2%。本实施方案中装填的吸附剂为椰壳活性炭。本实施方案中工艺参数如下：原料气经鼓风机升压后吸附压力最高为150kPa（绝压），最低解析压力 20 kPa（绝压）。本实施例中产品气中甲烷的体积分数大于0.42%，回收率超过95%。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之。

Claims (3)

1.一种多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法，其特征在于通过真空变压吸附的方法，利用多塔并联加串联的工艺流程，将煤矿乏风瓦斯富集，所有吸附塔为并联连接，且在吸附过程中实现串联连接；所述真空变压吸附方法中甲烷气体为强吸附组分，富含甲烷的产品气在降压解吸过程中获得；所述真空变压吸附方法中使用的吸附剂为对甲烷具有选择性吸附能力的吸附剂，包括为沸石分子筛、活性炭、金属有机骨架材料；

其中，真空多塔变压吸附法包含至少3个吸附塔，或为3塔以上的任意吸附塔；真空变压吸附法的工艺流程主要包括升压、吸附、均压降、抽真空排放、抽真空、均压升这个步骤；所述变真空压吸附工艺参数如下：吸附压力为绝压0.1MPa-0.35MPa，解吸压力为绝压0.01MPa-0.09MPa。

2.根据权利要求1所述的多塔真空变压吸附法提浓煤矿乏风瓦斯方法，其特征在于：所述煤矿乏风瓦斯甲烷体积分数为0.2%；所述吸附压力最高为150千帕，所述降压解吸压力最低为20千帕；最后获得的产品气甲烷体积分数大于0.4%，回收率超过95%。

3.根据权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于，该装置包括压缩机（1）、进气缓冲罐（2）、单向阀（9）、排放气缓冲罐（10）、排放气流量调节阀(11)、真空泵(12)和至少三个吸附塔，所述每个吸附塔均设有进气控制阀、排放气控、均压控制阀和串联控制阀；

其中，所述压缩机（1）经所述进气缓冲罐（2）通过第一进气控制阀（3A）、第二进气控制阀（3B）、第三进气控制阀（3C）分别与所述第一吸附塔（5A）、第二吸附塔（5B）和第三吸附塔（5C）的下端相连，所述第一吸附塔（5A）通过所述第一抽真控制阀（4A）与所述真空泵（12）相连，所述第二吸附塔（5B）通过第二抽真控制阀（4B）与所述真空泵（12）相连，所述第三吸附塔（5C）通过第二抽真控制阀（4C）与所述真空泵（12）相连；所述第一均压控制阀（7A）、第二均压控制阀（7B）、第三均压控制阀（7C）的一端连接于同一根管道，另一端分别与所述第一吸附塔（5A）、第二吸附塔（5B）和第三吸附塔（5C）相连；所述第一排放气控制阀（6A）、第二排放气控制阀(6B)和第三排放气控制阀(6C)一端分别与所述第一吸附塔（5A）、第二吸附塔（5B）和第三吸附塔（5C）的上端相连，另一端经所述单向阀（9）与所述排放气缓冲罐（10）、所述排放气流量调节阀（11）相连；所述第一吸附塔串联控制阀（8A）、第二吸附塔串联控制阀（8B）、第三吸附塔串联控制阀（8C）一端分别与所述第一吸附塔（5A）、第二吸附塔（5B）和第三吸附塔（5C）的上端相连，另一端分别与所述第二吸附塔（5B）、第三吸附塔（5C）和第一吸附塔（5A）的下端相连。

Images