CN103721519A - 一种带瓦斯提纯的内燃机预处理系统及瓦斯提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带瓦斯提纯的内燃机预处理系统及使用该系统进行瓦斯预处理的方法。该装置包括：水环真空泵、除湿罐、换热器、不少于两组的甲烷富集装置、产品气水环真空泵、产品气缓冲罐、旋风分离器、除湿换热器、罗茨风机、过滤器，甲烷吸附罐上设有排气阀、抽气阀、充气阀和均压阀。利用该系统可以将18～20%纯度的瓦斯浓度提升至31～33%，配合高浓高效机组发电可以实现更高的经济效益。

Description

一种带瓦斯提纯的内燃机预处理系统及瓦斯提纯方法

技术领域

本发明属于能源利用领域，具体涉及一种包含瓦斯提纯的发电气体内燃机预处理系统及瓦斯提纯方法。

背景技术

低浓度瓦斯在利用过程中存在诸多困难，例如输送难，在输送过程中需要采取水雾等手段确保输送安全；控制难，浓度的大幅度波动，使利用与抽采及安全变得困难重重；利用难，与高浓瓦斯发电相比，低浓发电的效率及可用率均较低，尚处于摸索阶段。

现有的瓦斯气利用，一般采用水封或水雾喷射技术来解决瓦斯气输送安全问题，再采用废气增压气增压，进入缸内燃烧。这样的方法主要存在下列问题:

(1)发生断水，瓦斯气输送就会不安全；

(2)这种发动机燃烧属于缸外混合，一旦气门磨损漏气，发动机增压气会炸坏，存在严重事故隐患。

公开号为CN1807963A的中国专利申请公开了一种瓦斯恒超低浓度输送、提纯增压系统，其包括与瓦斯气排放口相通的瓦斯恒超低浓度箱，瓦斯恒超低浓度箱通过空气吸入控制阀与空气吸入管相遇，瓦斯恒超低浓度箱的气体出口与双通道增压器的压气机相连接，双通道增压器的压气机的上层通道与发动机进气管相通，双通道增压器的压气机的下层通道通过进气控制阀与瓦斯恒超低浓度箱连通。该专利的主要目的是为了保持很定的低浓度，以确保低浓发动机稳定运行，但是该装置的效率以及利用率较差，而将瓦斯浓度提高后采用高浓的高效机组发电可以实现更高的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于为低浓度瓦斯利用寻求更高、更有效的利用途径，带来更好的经济收益及社会收益，为此本发明提供了一种带瓦斯提纯的内燃机预处理系统及瓦斯提纯方法。

为了有效解决上述问题，本系统采用了低浓度瓦斯气先富集后利用的工艺路线，具体如下：

井下抽放低浓度瓦斯（18%-20%）→甲烷富集工艺（包括抽排、过滤、脱水、富集等工艺）→30%以上高浓度瓦斯→机组发电

其涉及前置脱水单元、甲烷富集单元、脱水除尘单元、稳压输送单元，其中前置脱水单元包括一水环真空泵5、一除湿罐6和一换热器7；甲烷富集单元包括不少于两组的甲烷富集装置（每组包括两个以上的甲烷吸附罐）和产品气水环真空泵15；脱水除尘单元包括产品气缓冲罐16、旋风分离器17和除湿换热器18；稳压输送单元包括罗茨风机20、过滤器21。其中瓦斯气体经多支管和水环真空泵5连接，水环真空泵5的气体出口和除湿罐6连接，除湿罐6气体出口和换热器7连接，换热器7气体出口和甲烷吸附罐9的充气阀连接，甲烷吸附罐的抽气阀和产品气水环真空泵15连接，产品气水环真空泵15的气体出口和产品气缓冲罐16的气体入口连接，产品气缓冲罐16的气体出口和旋风分离器17的气体入口连接，旋风分离器17的气体出口和除湿换热器18连接，除湿换热器的气体出口分为两个以上的支管，每支支管上分别设置升压罗茨风机20和过滤器21，过滤器的气体出口和发电机组相连。

所述前置脱水单元包括一水环真空泵5、一除湿罐6和一换热器7，其中外部瓦斯气源分为多支管和水环真空泵5连接，每个支管上分别设置水环真空泵4，气体经水环真空泵4增压抽送后支管合并为一管道，然后进入除湿罐6进行除湿，之后在经换热器7内进行热交换降温后进入甲烷吸附罐9。

所述甲烷富集单元包括多组甲烷富集装置和产品气水环真空泵15，每组甲烷富集装置均包括多组甲烷吸附罐9，甲烷吸附罐9包括充气阀14、均压阀10、排气阀11和抽气阀13，其上分别设置阀门；其中甲烷吸附罐9的充气阀14和前置脱水单元来气管路相连，抽气阀13和水环真空泵5相连，排气阀11和一排气罐相连，用于将乏气排出。所述的甲烷富集装置有两组以上，每组甲烷富集装置都包含一定数量的甲烷吸附罐9，且甲烷吸附罐9的充气阀14、均压阀10、排气阀11和抽气阀13处相应的管路均并联设置。其中，甲烷富集单元来气管道和气体排出管道均相应的分为多支管和甲烷富集装置连接，每个支管相应的分为若干支管和甲烷吸附罐的充气阀14、抽气阀13连接；此外，；甲烷富集单元还设有均压管道，和每个甲烷吸附罐9的均压阀并联连接；甲烷富集单元乏气排放管道分为多支管和甲烷富集装置连接，每个支管和甲烷吸附罐9的排气阀13并联连接。一个可选的实施例包括了2组甲烷富集单元，每组吸附罐内均有3个甲烷吸附罐9。甲烷吸附罐采用VPSA（常压吸附真空解吸）甲烷富集技术，其具体的管路连接方式以及具体的工作方式均为本领域技术人员的公知常识。

甲烷吸附罐9采用塔式结构设计，内部装填混合型防爆吸附剂，原料气从塔体底部进入与吸附剂均匀充分接触，系统通过PLC系统控制气动阀的不同开启时序从而控制吸附过程的进度及效率，确保纯甲烷的回收率不小于90%。本发明中，甲烷富集单元内共设置2组甲烷富集装置，6座甲烷吸附罐9，吸附与解吸附过程同步进行，确保系统的不间断工作，产品气通过产品气水环真空泵15的抽排作用从吸附剂中解析进入产品气缓冲罐16。常用的气体吸附剂种类包括沸石分子筛、硅胶、活性炭、活性氧化铝等多孔物质，这些物质对瓦斯气体均具有一定的吸附作用，同时，通过改进这些吸附剂的结构比如孔径大小等可以调节其吸附特性。

所述脱水除尘单元主要包括一产品气缓冲罐16、旋风分离器17和除湿换热器18。其中甲烷富集单元来气和产品气缓冲罐16进气口相连，产品气缓冲罐16的出气口和旋风分离器17相连，旋风分离器17的气体出口和除湿换热器18的入口相连，除湿换热器18的气体出口和罗茨风机相连。

所述稳压输送单元主要包括升压罗茨风机20，气体经除湿换热器18后分为若干支路，每支支路上分别设置升压罗茨风机20，升压罗茨风机20还和过滤器21相连，之后得到的成品气体可以直接用于发电。

本发明所述的低浓度瓦斯指的是甲烷含量在3～30%的瓦斯气体。所述甲烷富集过程如下：

泵站抽采的瓦斯气经过水环真空泵的输送增压后进入一级脱水罐，脱除气体中携带的液态水后进入换热器，在换热器内部与低温冷媒发生交叉流动换热，使原料气温度降低至20℃左右；进一步降温除湿后的原料气进入富集吸附器，通过吸附剂将甲烷吸附，然后再通过真空解吸附使吸附剂吸附的气体释放，得到富集后的瓦斯气体，以＞30%浓度的高浓瓦斯气形式从吸附器中脱离后进入旋风分离装置脱湿除尘，之后再经过冷凝除湿和过滤后进入发电机组。

泵站抽采出来的低浓度瓦斯经过水环真空泵的抽排后气体内含有大量的液态水，不利于后端工艺的开展，并且后端设备长期带水运行会缩短设备使用寿命，增加故障率。因此，在系统处设置了除湿罐6及换热器7、18等设备对来气进行两级脱水处理，有效保护后端设备的同时，一定程度上提高甲烷富集过程运行的稳定性。

甲烷吸附罐9采用VPSA（常吸附真空解吸）甲烷富集技术，在确保运行安全的情况下可将甲烷浓度为18%的低浓度含氧瓦斯气富集到浓度30%以上，为确保产品气利用效率，保留适当余量，经过富集的瓦斯出口浓度设计值在31～33%之间。

水环真空泵系统设计过程中遵照AQ1076-2009中关于低浓度瓦斯利用过程中最高压力不得超过20KPa的规定，系统内最高工作压力控制在19KPa以内；混合滤料通过合理配比，有效控制甲烷与氧气的吸附比例，使原料气在处理过程中不跨越爆炸三角区，并且控制系统排放的乏气中甲烷浓度低于5%，氧气浓度低于12%，从而确保富集过程及乏气排放过程安全。

经甲烷富集单元富集后的瓦斯气在水环真空泵的抽送作用下经过产品气缓冲罐进入旋风脱水除尘器，通过内部高速旋道的设计，分离出气体中携带的液态水及部分固体粉尘颗粒；脱水除尘后的产品气被送入后端换热器，将气体温度控制在15℃左右后进入升茨风机，在罗茨风机的升压作用下，气体的温度有小幅度提升，通过冷凝再升温的途径来达到系统对气体相对湿度的控制需求；系统出口端设有精密过滤器，过滤精度为2μm，主要用于保护后端发电机组的平稳运行，延长机组年运行时间，节约维护成本。

系统采用旋风式脱水除尘设备作为单元功能实现的主题设备，通过碰撞的原理，有效分离气体中携带的液态水及大颗粒固体粉尘，有效保护后端罗茨风机等设备的高效运行。为了更好的满足发电机组对进气品质大要求，初步除尘脱水的瓦斯气进入后端换热器进一步冷凝除湿，将露点温度控制在15℃左右，后通过罗茨风机的升压输送进入过滤器进行二次除尘，过滤器采用大流通面积，微压降的设计路线，正常运行工况下，设备内压损不超过2kPa，但随着运行时间的累积，过滤芯体表面粉尘量的堆积，运行压损增大，当设备两段压力损失超过5kPa时，为了节省运行费用，建议更换滤芯。

经过后端换热器处理的低温瓦斯气在罗茨风机的升压输送过程中产生了一定幅度的升温，从而有效降低了气体的相对湿度，从而达到后端机组对气体粉尘含量及湿度的控制要求。

系统内前后端换热器冷量均有风冷式冷水机组提供，冷水机采用模块化设计，通过采集回水温度自动控制投入模块数量，从而达到提高利用率，节约运行成本的目的。冷媒循环过程中的动力设备选用立式化工泵，采用防爆设计、运行振动小，输送能力强等优点。对于具体的制冷工艺选择为本领域技术人员公知常识。

为了实现气体稳压输送，综合考虑到水环真空泵的运行工况与出口压力水平以及后端系统的运行压力损失，选定升压罗茨风机20升压能力为30KPa，并配有电机及变频器，PLC系统通过跟踪系统出口压力设定值来调节风机转速；当发电机组升负荷运行时，系统出口端压力降低，风机升频，反之风机降频运行。为了防止后端单台机组突发性停机导致系统压力剧烈波动，在风机前端设置一台缓冲罐，辅助输送设备维护系统压力平稳。

该系统还可以设置安全防护单元、计量检测单元、自动控制单元。

所述安全防护单元指的是：系统进、出口及乏气排放口均设有阻火器3，防止意外发生时火焰回火至前端设备，防止意外扩大；系统后端设有自动再循环单元，即甲烷富集单元的来气管道和过滤器21气体出口之间并联设置一再循环管路，并且该管路上设置一电动调节阀22；当后端单台机组发生突发性停机的时候，再循环管路中的电动调节阀以一定角度开始，平稳泄压，与罗茨风机联控使压力尽快回归设定值，控制压力波动不超过1.5KPa/S；为了确保系统安全，在系统末端，即过滤器21气体出口和发电机组之间设置安全放散阀，整定压力为80KPa，当系统压力超高并超过系统自调节范围时，安全阀开启，自动泄压，确保系统安全；所有甲烷吸附罐9及缓冲罐体均设有安全阀，可用于极端情况下安全泄压。

从工艺设计角度，系统内所有电气设备均采用防爆产品或防爆设计，满足安全距离要求，控制系统设置急停按钮，用于系统紧急停机；如甲烷富集采用复合式防爆吸附剂，即使管内气体处于爆炸范围内，且有引火源的情况下也不会导致爆炸发生或传爆等事故。比如在甲烷气体入口处设有阻火器、排气罐上也设有阻火器。

系统配有独立的控制单元，所有电气部件、设备均采用防爆产品或防爆设计，确保电气运行安全，控制设计采用友好的人机界面、简化的操作程序，无需大量培训、专人值守。

所述测量单元为本系统在关键点除设置仪表，用来收集或者显示对应的数据，比如入口处设置甲烷气体浓度监测装置，除湿罐处设置温度和湿度传感器。

利用上述系统可以实现瓦斯气体的提纯、发电的工艺流程如下：

瓦斯气脱除气体中携带的液态水降温，使原料气温度降低至20℃左右；进一步降温除湿后的原料气进入富集吸附器，当吸附完成后进行解吸附，使瓦斯气中的甲烷气得以富集，以＞30%浓度的高浓瓦斯气形式从吸附器中脱离。

本系统为低浓瓦斯利用工程配套工程，系统设计功能包括甲烷富集、冷凝除湿、过滤除尘、稳压输送、数据检测、自动控制等。本系统的主要特点如下：

1、安全性能好。系统采用特殊的吸附剂，运行过程中有效避免甲烷气的富集跨越爆炸区域，降低运行风险；考虑到标准AQ1076-2009中对于低浓度瓦斯升压不得超过20KPa的要求，系统最高工作压力不超过20KPa，确保运行安全；

2、有效利用率高。本系统设计瓦斯处理浓度18%，产出瓦斯气浓度31-33%，纯甲烷回收率≥90%；

3、系统功能性强。本系统集甲烷富集、冷凝除湿、过滤除尘、稳压输送、数据检测、自动控制等功能于一身，是瓦斯抽排系统与发电机组之间的有效输送桥梁，可实现自动运行；

4、系统能耗低。每方产品气能耗不超过0.2kwh。

附图说明

图1为本发明的装置示意图

1、入口阀2、入口甲烷浓度表3、阻火器4、旁路阀5、水环真空泵6、除湿罐7、换热器8、温度测量装置9、甲烷吸附罐10、均压阀11、排气阀12、排气罐13、抽气阀14、充气阀15、产品气水环真空泵16、产品气缓冲罐17、旋风分离器18、除湿换热器19、制冷机20、升压罗茨风机21、过滤器22、电动旁路阀23、阻火器（与3相同）24、循环水泵

具体实施方式

以下为本发明的一个最优选的实施例，其用来对本发明进行解释而不是限制。

请参见图1，本装置主要包括前置脱水单元、甲烷富集单元、脱水除尘单元、稳压输送单元：其中前置脱水单元包括水环真空泵5、一除湿罐6和一换热器7；甲烷富集单元包括不少于两组的甲烷富集装置和产品气水环真空泵15，且每组甲烷富集装置包括至少2个甲烷吸附罐9，甲烷吸附罐9上设有排气阀11、抽气阀13、充气阀14和均压阀10；脱水除尘单元包括产品气缓冲罐16、旋风分离器17、除湿换热器18；稳压输送单元包括罗茨风机20和过滤器21；其中外部瓦斯气源经2支管和水环真空泵5连接，水环真空泵5的气体出口管路合并为一个管路后和除湿罐6连接，除湿罐6气体出口和换热器7连接，换热器7气体出口分为2个支管，每个支管又分别分为3个支管和甲烷吸附罐9的充气阀连接，甲烷吸附罐9的抽气阀和产品气水环真空泵15连接，产品气水环真空泵15的气体出口和产品气缓冲罐16的气体入口连接，产品气缓冲罐16的气体出口和旋风分离器17的气体入口连接，旋风分离器17的气体出口和除湿换热器18连接，除湿换热器的气体出口分为两个以上的支管，每支支管上分别设置升压罗茨风机20和过滤器21，过滤器21的气体出口处支管合并后的管路和发电机组相连。

甲烷吸附罐9的排气阀11通过管道和一排气罐相连，用于将乏气排出。所述的甲烷富集单元包括6个甲烷吸附罐9，并分为两组，也可以设置为多组，其中每组甲烷富集单元内都包含一定数量的甲烷吸附罐9，且每组吸附罐内的充气阀14、均压阀10、排气阀11和抽气阀13均并联设置。甲烷吸附罐9采用VPSA（常压吸附真空解吸）甲烷富集技术。

其它具体的管路连接方式，比如排水管道的设置、乏气管道设置为本领域技术人员的公知常识。制冷装置采用风冷式水冷机组，动力源为立式化工泵。

为安全起见，在瓦斯来气管道、发电机组气体入口处以及排气罐12的乏气排放管道处设置阻火器4。系统后端设有自动再循环单元，当后端单台机组发生突发性停机的时候，再循环管路中的电动调节阀以一定角度开始，平稳泄压，与罗茨风机20联控使压力尽快回归设定值，控制压力波动不超过1.5KPa/S；为了确保系统安全，在系统末端设置机械式安全放散阀，整定压力为80KPa，当系统压力超高并超过系统自调节范围时，安全阀开启，自动泄压，确保系统安全；所有吸附器及缓冲罐体均设有安全阀，可用于极端情况下安全泄压

为了方便检测，在瓦斯来气管道、甲烷吸附罐9的充气阀、抽气阀、排气阀以及均压阀处、瓦茨风机20和过滤器21之间以及发电机组气体入口处分别设置仪表，可选的仪表包括湿度计以及甲烷气体浓度表，用于检测湿度和甲烷气体浓度。

此外，还在气体入口处设置入口阀，水环真空泵5的气体入口处以及气体出口处分别设置旁路阀，在罗茨风机气体入口处以及过滤器气体出口处设置阀门。这些阀门可以是PLC控制的阀门，这样可以实现自动操作，减少工作量，提高自动化程度。

系统遵照AQ1076-2009中关于低浓度瓦斯利用过程中最高压力不得超过20KPa的规定，系统内最高工作压力控制在19KPa以内；混合滤料通过合理配比，有效控制甲烷与氧气的吸附比例，使原料气在处理过程中不跨越爆炸三角区，并且控制系统排放的乏气中甲烷浓度低于5%，氧气浓度低于12%，从而确保富集过程及乏气排放过程安全。

系统工作过程如下：

泵站抽采的瓦斯气经过水环真空泵5的输送增压后进入一级除湿罐6，脱除气体中携带的液态水后进入换热器7，在换热器7内部与低温冷媒发生交叉流动换热，使原料气温度降低至20℃左右；进一步降温除湿后的原料气进入甲烷富集单元（甲烷吸附罐9），通过吸附剂将甲烷吸附，然后再通过真空解吸附使吸附剂吸附的气体释放，得到富集后的瓦斯气体，以＞30%浓度的高浓瓦斯气形式从吸附器中脱离后进入旋风分离装置脱湿脱尘，之后再经过冷凝除湿（换热后气体温度15℃）后，经罗茨风机20升压和过滤器21过滤（过滤精度2微米）后进入发电机组。

系统工作时，保持一组甲烷吸附罐处在吸附状态，而另外一组吸附罐则处于脱吸附状态，两者交替进行，以保证连续作业。

实施例1所采用的瓦斯气体源如下表1所示：

表1 实施例1所采用的瓦斯气体参数

本装置低浓度瓦斯处理能力为10000Nm³/h，产出成品气能力5130Nm³/h，满足后端5MW高浓瓦斯发电机组满负荷使用需求。

Claims (10)

1.一种带瓦斯提纯的内燃机预处理系统，其特征在于，所述系统包括前置脱水单元、甲烷富集单元、脱水除尘单元、稳压输送单元：

所述的前置脱水单元包括水环真空泵（5）、一除湿罐（6）和一换热器（7）；所述的甲烷富集单元包括不少于两组的甲烷富集装置和产品气水环真空泵（15），且每组甲烷富集装置包括至少2个甲烷吸附罐（9），每个甲烷吸附罐（9）上均设有排气阀（11）、抽气阀（13）、充气阀（14）和均压阀（10）；所述的脱水除尘单元包括产品气缓冲罐（16）、旋风分离器（17）、除湿换热器（18）；所述的稳压输送单元包括罗茨风机（20）和过滤器（21）；

所述水环真空泵（5）和外部瓦斯气源经多支管连接，所述水环真空泵(5)的气体出口和除湿罐（6）连接，所述除湿罐（6）气体出口和换热器（7）连接，所述换热器（7）气体出口和甲烷吸附罐(9)的充气阀连接，所述甲烷吸附罐(9)的抽气阀和产品气水环真空泵(15)连接，所述产品气水环真空泵(15)的气体出口和产品气缓冲罐(16)的气体入口连接，所述产品气缓冲罐(16)的气体出口和旋风分离器(17)的气体入口连接，所述旋风分离器(17)的气体出口和除湿换热器(18)连接，所述除湿换热器（18）的气体出口分为两个以上的支管，每个支管上分别设置升压罗茨风机(20)和过滤器(21)，过滤器（21）的气体出口和发电机组相连。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的外部瓦斯气源分为2支管和水环真空泵(5)连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述甲烷富集单元包括两组甲烷富集装置，每组甲烷富集装置有3个甲烷吸附罐(9)。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的过滤装置(21)的过滤精度不低于2微米。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述甲烷富集单元的来气管道和过滤器（21）气体出口之间并联设置一再循环管路，且该管路上设置一电动调节阀（22）。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述过滤器（21）和发电机组间管路设置安全放散阀。

7.一种利用权利要求1～6任一所述的系统进行瓦斯提纯预处理的方法，其特征在于，所述的方法包括：

瓦斯气体经过水环真空泵（5）的输送增压后进入除湿罐（6）脱除气体中携带的液态水，然后进入换热器（7）使原料气温度降低，然后进入甲烷吸附罐（9），通过吸附剂将甲烷吸附，然后再通过真空解吸附使吸附剂上吸附的气体释放，释放的气体进入旋风分离装置脱湿脱尘，之后再经过除湿换热器（18）冷凝除湿、升压和过滤后进入发电机组。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述换热器（7）将瓦斯气体冷却至约20℃。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述除湿换热器（18）将瓦斯气体冷却至约15℃。

10.根据权利要求7～9任一所述的方法，其特征在于，所述甲烷吸附罐（9）不同时处于吸附或解吸附状态。

Images