CN102661166A - 一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法，可有效解决煤矿抽采的低浓度瓦斯提纯率低，尾气污染环境，存在安全隐患的问题，方法是，将从井下抽采出的体积浓度小于30%的瓦斯气体经干燥后，通入到吸收室内的离子液体液池，待瓦斯在离子液体液池中充分吸收后，使吸收室内的气液隔绝，排空吸收室上部的氮气及未吸收的气体，收集甲烷，然后对排放尾气进行检测，若尾气中仍含有大量甲烷，则该部分尾气再次通入，进行二次吸收，直至甲烷浓度降低到排放标准之下，本发明方法简单，稳定可靠，经济实用，利用不挥发性离子液体溶解吸收甲烷提纯瓦斯，可循环多次使用，有效提高甲烷的溶解度；在负压下解吸甲烷，收集高浓度甲烷气体，减少环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法。
背景技术
高瓦斯矿井保护层及采空区常有高浓度瓦斯涌出，而这部分瓦斯中甲烷含量可达80%~90%。若不采取任何瓦斯治理措施，工作面上隅角瓦斯积聚，一旦遇到热源，将导致瓦斯爆炸事故，严重影响着煤矿的安全生产。为防止井下发生瓦斯爆炸，目前我国煤矿大多采用地面钻井开采、通过井下瓦斯抽放系统和地面输气系统三种方法对瓦斯进行抽排，并经由通风系统排入大气。但是，甲烷是一种温室气体，其温室效应是CO2的20～24倍，在全球气候变暖中的份额占15%，仅次于CO2。而且，CH4是一种高效的清洁能源，属不可再生资源，被排空无疑造成极大的资源浪费和空气污染。因此，有必要将排空瓦斯收集并有效利用。
利用瓦斯的主要方法有瓦斯发电和制造可燃冰工程，但是这两种方法对瓦斯气源中甲烷浓度有严格要求。从煤矿井下抽采的瓦斯在抽排过程中掺进了大量空气，CH4浓度只有20％~40％，属于低浓度瓦斯，数量巨大，目前还没有得到合理利用。此外，矿井的乏风中也含有大量低浓度的CH4，一般为0.1 %～0.75 %，且甲烷浓度波动范围大，不符合瓦斯发电和可燃冰工程的利用条件。若能开发低浓度甲烷富集技术或分离纯化技术，则将为开发利用煤矿抽采瓦斯和乏风中瓦斯的提供关键技术。这对增加我国能源供应，优化能源结构，增强能源可持续发展能力，都具有极其重大的战略意义。
但针对矿井低浓度瓦斯提纯的方法和装备的研究，一直是国内外瓦斯治理以及瓦斯利用方面的技术难题。 目前瓦斯提纯方法有：变压吸附、活性炭吸附和有机溶剂溶解法。我国甲烷分离提纯技术一般采用能耗较低的吸附法。 针对有机溶剂溶解甲烷的研究成果较多，但是这些溶剂多具有强挥发性，在实际应用过程中难免会造成浪费和空气污染，甚至可能发生爆炸。因此有必要寻找低挥发或不挥发的溶剂对甲烷进行溶解和吸收。
离子液体是一种“绿色溶剂”，其无味、不燃、蒸汽压极低，可减少因挥发而产生的环境污染问题；对气体地溶解性较好，可操作温度范围宽-40～300℃，具有良好的热稳定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可循环利用；而且还可根据需求调节离子液体的阴阳离子结构实现选择性吸附的功能。因此，亟需一种利用不挥发性离子液体吸收低浓度瓦斯中甲烷的方法。
发明内容
针对上述情况，为解决现有技术之缺陷，本发明的目的就是提供一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法，可有效解决现有瓦斯提纯方法对煤矿抽采的低浓度瓦斯提纯率低，排放含有大量甲烷气体的尾气污染环境，存在安全隐患的问题。
本发明的技术方案是包括以下步骤：将从井下抽采出的体积浓度小于30%的瓦斯气体经干燥后，通入到吸收室内的离子液体液池，利用恒温控制装置和温度传感器，氮气加压泵和压力传感器建立适宜离子液体吸收甲烷的环境；待瓦斯在离子液体液池中充分吸收后，使吸收室内的气液隔绝，排空吸收室上部的氮气及未吸收的气体，然后建立适宜离子液体解吸甲烷的环境，收集离子液体液池上方逸出的甲烷，然后利用甲烷传感器对排放尾气进行检测，若尾气中仍含有大量甲烷，则该部分尾气再次通入，进行二次吸收，直至甲烷浓度降低到排放标准之下。
本发明方法简单，稳定可靠，经济实用，利用不挥发性离子液体溶解吸收甲烷提纯瓦斯，减少了常规有机溶剂易挥发造成的环境污染，还可循环多次使用；通过温度和压力监测控制系统对甲烷吸收室的环境进行调节，有效提高甲烷的溶解度；在负压下解吸甲烷，从而收集高浓度甲烷气体，提高了瓦斯利用率、减少环境污染。
附图说明
图1为本发明工艺设备的结构示意图。
图2为本发明工艺设备中隔离孔板的结构示意图。
图3为本发明工艺设备中隔离孔板的活动孔板和固定孔板的俯视图。
具体实施方式
以下结合工艺设备图对本发明的具体实施方式作详细说明。
由图1-2所示，一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法，包括以下步骤：
1、关闭第三阀门17，打开第四阀门19，将从井下抽采出的体积浓度小于30%的瓦斯气体经瓦斯输入管道10通入干燥室16，然后将干燥后的瓦斯通入吸收室7内的离子液体液池13，利用恒温控制装置6和温度传感器5，将吸收室7内的温度维持在18~25℃，待压力传感器4检测到吸收室7内的压力为0.15MPa时，关闭第四阀门19，停止瓦斯输送；
2、利用氮气加压泵1将氮气输送至吸收室7内，待压力传感器4探测到吸收室内压力增加到3~5Mpa时，停止氮气输送，以建立适宜离子液体吸收甲烷的环境；
3、待瓦斯在离子液体液池中充分吸收后，调节液压装置，使隔离孔板18的活动孔板23与固定孔板24相结合，关闭隔离孔板18上的透气孔，使吸收室7内的气液隔绝，关闭第五阀门20，打开泄压阀门21，启动负压泵3，将吸收室7上部的氮气及未吸收的气体排出，当压力传感器（4）检测到吸收室（7）内的气体压力达到0.5MPa时，关闭泄压阀21；
4、调节液压装置，使隔离孔板18的活动孔板23与固定孔板24相分离，开启隔离孔板18上的透气孔，利用恒温控制装置6和温度传感器5，将吸收室7内的温度加热到30℃，利用负压泵3和压力传感器4，将吸收室7内的压力降低到0.05~0.1MPa，使离子液体中的甲烷解吸，打开第五阀门20，收集离子液体液池上方逸出的甲烷，贮存在甲烷储存容器2中；
5、利用输出管道14上装有的甲烷浓度计8对排放的尾气进行检测，若尾气中的甲烷体积浓度低于0.75%，关闭循环管道15上的第二阀门12，打开尾气排放管道9上的第一阀门11，尾气经尾气排放管道排放，若尾气中的甲烷浓度仍高于0.75%，关闭尾气排放管道9上的第一阀门11，打开循环管道15上的第二阀门12，将该部分尾气再次经瓦斯输入管道10输送到吸收室内，进行二次吸收提纯，直至甲烷的体积浓度降低到0.75%以下。
所述的离子液体为阴离子为双三氟甲磺酰亚胺盐Tf2N、阳离子为对称结构或长侧链结构的膦类离子液体。
所述隔离孔板18包括固定孔板和活动孔板，活动孔板与液压装置22连接，由液压装置控制其升降，当活动孔板与固定孔板相合时，透气孔关闭，实现吸收室内的气液隔离；当活动孔板与固定孔板相离后，透气孔开启，实现吸收室内的气液接触。
所述的恒温控制装置6包括用于调节温度的加热装置和水冷装置。
本发明所用设备为一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的装置，包括干燥室、吸收室、储存容器和输送管道，所述的吸收室7内部顶壁中间安装有液压装置22，隔离孔板18包括活动孔板23和固定孔板24，液压装置22的底部与隔离孔板18的活动孔板23相连，固定孔板24固定在吸收室的中部，吸收室的顶壁一侧上装有温度传感器5，吸收室7内下部有离子液体液池13，侧壁上装有压力传感器4，吸收室的顶部中间外侧连接有恒温控制装置6，底部中间外侧连接有瓦斯输入管道10，瓦斯输入管道上依次连接有干燥室16和第四阀门19，吸收室外部一侧经管道分别连接有氮气加压泵1和负压泵3，负压泵3的一个输出端经第五阀门20与甲烷储存容器2相连，另一输出端与泄压阀门21相连，吸收室外部另一侧连接有输出管道14，输出管道14上依次装有第三阀门17和甲烷浓度计8，输出管道的输出端与尾气排放管道9和循环管道15相连，尾气排放管道9上装有第一阀门11，循环管道15上装有第二阀门12，循环管道15与瓦斯输入管道10相连。
本发明在使用时，采用阴离子为双三氟甲磺酰亚胺盐Tf2N、阳离子为对称结构或长侧链结构的膦类离子液体溶解吸收甲烷气体，达到分离甲烷、提高瓦斯气体利用率、减少温室气体排放的作用；不挥发性离子液体在吸收甲烷气体过程中耗损低，可循环利用；通过温度、压力控制系统，对甲烷吸收室进行温度和压力调节，提高甲烷在离子液体中的溶解度；通过负压泵，降低压力，促进离子液体中溶解的甲烷解吸，收集并贮存，或者直接通过甲烷输出管道，将高浓度甲烷输出，以便瓦斯发电或供热使用；利用甲烷传感器对排放尾气进行检测，若尾气中仍含有大量甲烷，则该部分尾气再次通入，进行二次吸收，直至甲烷浓度降低到排放标准之下。
本发明操作简单，经济实用，稳定可靠，利用不挥发性离子液体溶解吸收甲烷提纯瓦斯，减少了常规有机溶剂易挥发造成的环境污染，还可循环多次使用；通过温度和压力监测控制系统对甲烷吸收室的环境进行调节，有效提高甲烷的溶解度；在负压下解吸甲烷，从而收集高浓度甲烷气体，提高了瓦斯利用率、减少环境污染。经分离提纯后的高浓度甲烷可用于瓦斯发电或作为清洁能源直接供热，既解决了低浓度瓦斯的利用问题，又减少了甲烷这种温室气体的大量排放，符合煤矿安全生产及节能减排的综合要求。
Claims (2)
1.一种利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、关闭第三阀门（17），打开第四阀门（19），将从井下抽采出的体积浓度小于30%的瓦斯气体经瓦斯输入管道（10）通入干燥室（16），然后将干燥后的瓦斯通入吸收室（7）内的离子液体液池（13），利用恒温控制装置（6）和温度传感器（5），将吸收室（7）内的温度维持在18~25℃，待压力传感器（4）检测到吸收室（7）内的压力为0.15MPa时，关闭第四阀门（19），停止瓦斯输送；
（2）、利用氮气加压泵（1）将氮气输送至吸收室（7）内，待压力传感器（4）探测到吸收室内压力增加到3~5Mpa时，停止氮气输送，以建立适宜离子液体吸收甲烷的环境；
（3）、待瓦斯在离子液体液池中充分吸收后，调节液压装置，使隔离孔板（18）的活动孔板（23）与固定孔板（24）相结合，关闭隔离孔板（18）上的透气孔，使吸收室（7）内的气液隔绝，关闭第五阀门（20），打开泄压阀门（21），启动负压泵（3），将吸收室（7）上部的氮气及未吸收的气体排出，当压力传感器（4）检测到吸收室（7）内的气体压力达到0.5MPa时，关闭泄压阀（21）；
（4）、调节液压装置，使隔离孔板（18）的活动孔板（23）与固定孔板（24）相分离，开启隔离孔板（18）上的透气孔，利用恒温控制装置（6）和温度传感器（5），将吸收室（7）内的温度加热到30℃，利用负压泵（3）和压力传感器（4），将吸收室（7）内的压力降低到0.05~0.1MPa，使离子液体中的甲烷解吸，打开第五阀门（20），收集离子液体液池上方逸出的甲烷，贮存在甲烷储存容器（2）中；
（5）、利用输出管道（14）上装有的甲烷浓度计（8）对排放的尾气进行检测，若尾气中的甲烷体积浓度低于0.75%，关闭循环管道（15）上的第二阀门（12），打开尾气排放管道（9）上的第一阀门（11），尾气经尾气排放管道排放，若尾气中的甲烷浓度仍高于0.75%，关闭尾气排放管道（9）上的第一阀门（11），打开循环管道（15）上的第二阀门（12），将该部分尾气再次经瓦斯输入管道（10）输送到吸收室内，进行二次吸收提纯，直至甲烷的体积浓度降低到0.75%以下。
2.根据权利要求1所述的利用离子液体提纯矿井抽采瓦斯的方法，其特征在于，所述的离子液体为阴离子为双三氟甲磺酰亚胺盐Tf2N、阳离子为对称结构或长侧链结构的膦类离子液体。
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