CN116272239B - 一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，包括原料气供应管路、洗脱气供应管路、泵气装置、干燥除尘净化装置、三通控制阀、流量控制阀和分离提纯单元；分离提纯单元包括吸附分离装置、气体检测装置、五通控制阀、抽真空装置、高浓度氮气收集装置和高浓度甲烷回收装置。本发明以气相色谱分析分离原理为基础，以具有选择吸附性的吸附剂为固定相，吸附柱作为吸附剂的载体，采取多柱并联的方式，引入洗脱气，利用含甲烷气体中各气体成分穿透吸附柱的时间差异实现高浓度氮气的回收利用和甲烷的高效提纯，能够在常压环境下进行甲烷的分离提纯，可长时间重复使用，工艺简单、成本低、安全性高，特别适用于低浓度煤层气的提纯。

Description

一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统

技术领域

本发明涉及一种针对煤层气、页岩气、沼气、焦炉煤气等含甲烷气体的分离提纯系统，具体是一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，属于气体提纯技术领域。

背景技术

煤层气、页岩气、沼气、焦炉煤气等气体中均含有甲烷气体，以煤层气为例，煤层气俗称“瓦斯”，是指储存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。我国煤层气储量巨大，目前可探明的煤层气储量约为36.8万亿立方米，这比我国常规的天然气资源的储量还略高(35万亿立方米)，全国埋深2000米以上的煤层气储量30万亿立方米，可采资源量12.5万亿立方米。煤层气根据抽采方式可分为地面抽采和井下抽采煤层气。地面抽采可以得到甲烷含量在95％以上的气体，是煤层气资源化利用的有效途径，但目前规模较小；井下抽采煤层气是为了采煤安全从矿井下抽采的煤层气，由于煤层气抽采过程中空气的混入，因此井下煤层气抽采管道的甲烷浓度大部分介于3％～40％之间。我国是煤炭生产大国，因此井下抽采的煤层气数量巨大，但由于煤层气中空气浓度达到5％～16％时遇明火就会爆炸，低浓度煤层气无论在输送还是提纯过程中均存在爆炸风险，因此目前我国对这部分低浓度煤层气的利用主要为矿区民用燃料和坑口发电，利用率仅占总排放量的5％～7％，绝大部分直接排放到大气中。然而低浓度煤层气直接排空的方式一方面会造成资源浪费，另一方面同体积甲烷气体引起的温室效应是二氧化碳的21倍、会加剧温室效应，因此针对低浓度煤层气进行提纯不仅能提高煤矿安全、降低环境污染，还有助于解决我国能源结构不合理、能源短缺等难题。

低浓度煤层气中除了含有一定量甲烷外还含有大量的二氧化碳和氮气及少量氧气。低浓度煤层气的提纯主要就是把产物中的甲烷浓度提高。目前对低浓度煤层气进行提纯的方法主要包括深冷分离法、膜分离法、溶剂吸收法和变压吸附法等。深冷分离法是把气体压缩、冷却后利用不同气体沸点上的差异进行精馏以使不同气体得到分离，虽然深冷分离法分离的气体纯度高，但压缩、冷却的能耗巨大，仅适用于日处理量几百万立方米煤层气的大型煤矿；膜分离法是在压力驱动下借助气体中各组分在表面的吸附能力及在膜内溶解-扩散的差异(即渗透速率差)进行分离，但膜的渗透选择性机理有流动选择性和溶解选择性两方面，膜渗透选择性低制约着膜分离技术在低浓度煤层气分离中的应用；溶剂吸收法是利用气体混合物中各组分在溶剂中溶解度的差别实现分离，分为物理吸收和化学吸收，但气体的溶解度较低、处理量较小、溶剂再生速度较慢，仅适用于小量的氮气吸收，对于低浓度煤层气分离提纯并不适用；变压吸附法是通过控制压力的升降来实现吸附和脱附过程，但其分离效果受吸附剂热力学性质限制，使得低浓度煤层气中甲烷的浓缩效果较差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，能够在常压环境下进行甲烷的分离提纯，可长时间重复使用，工艺简单、成本低、安全性高，特别适用于低浓度煤层气的提纯。

为实现上述目的，本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统包括原料气供应管路、洗脱气供应管路、泵气装置、干燥除尘净化装置、三通控制阀、流量控制阀和分离提纯单元；

原料气供应管路与泵气装置的气体输入端连接，泵气装置的气体泵输出端通过干燥除尘净化装置与三通控制阀的第一支路连接，三通控制阀的第二支路与洗脱气供应管路连接，三通控制阀的第三支路通过流量控制阀和通断阀与分离提纯单元连接；

分离提纯单元包括吸附分离装置、气体检测装置、五通控制阀、抽真空装置、高浓度氮气收集装置和高浓度甲烷回收装置，吸附分离装置包括多根并联布置的吸附柱，吸附柱内满注填充作为固定相的吸附剂，吸附剂对进入吸附柱内气体的吸附顺序为洗脱气＞甲烷＞氮气＞氧气，吸附柱的入口端通过气体分流装置与通断阀的出口端连通，吸附柱的出口端通过气体集流装置和气体检测装置与五通控制阀的第一支路连接，五通控制阀的第二支路与抽真空装置连接，五通控制阀的第三支路与高浓度氮气收集装置连接，五通控制阀的第四支路与高浓度甲烷回收装置连接，五通控制阀的第五支路通过连通大气端口与大气连通。

作为本发明的进一步改进方案，分离提纯单元还包括二氧化碳脱除装置，五通控制阀的第四支路通过二氧化碳脱除装置与高浓度甲烷回收装置连接。

作为本发明的进一步改进方案，含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统还包括集中电控单元，集中电控单元包括控制器和阀组控制回路，三通控制阀、流量控制阀、通断阀和五通控制阀均是分别与控制器电连接的电控阀，控制器还分别与泵气装置、气体检测装置和抽真空装置电连接。

作为本发明的优选方案，洗脱气是二氧化碳气体。

作为本发明的进一步改进方案，抽真空装置的出口端与洗脱气供应管路连接。

作为本发明的进一步改进方案，分离提纯单元并联设置为多组，通断阀是多路通断阀，多组分离提纯单元分别与多路通断阀连接。

作为本发明的进一步改进方案，多组分离提纯单元共用同一个抽真空装置，多组分离提纯单元共用同一个高浓度氮气收集装置，多组分离提纯单元共用同一个高浓度甲烷回收装置，多组分离提纯单元共用同一个连通大气端口。

作为本发明的进一步改进方案，洗脱气供应管路上也设有流量控制阀。

作为本发明的一种实施方式，吸附剂是活性炭或5A分子筛。

作为本发明的一种实施方式，吸附柱是不锈钢材质或PVC材质。

与现有技术相比，本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统以气相色谱分析分离原理为基础，以具有选择吸附性的吸附剂为固定相，吸附柱作为吸附剂的载体，采取多柱并联的方式，引入洗脱气，吸附剂的吸附顺序为洗脱气＞甲烷＞氮气＞氧气，利用含甲烷气体中各气体成分穿透吸附柱的时间差异实现高浓度氮气的回收利用和甲烷的高效提纯，可大大提高分离效率；引入洗脱气的方式一方面能够在常压环境下进行甲烷的分离提纯，可长时间重复使用，工艺简单、安全性高，另一方面可以使甲烷浓度实现脉冲式提高，可将超低浓度瓦斯(甲烷<5％)提升至95％以上，回收率达到90％以上，洗脱气可为甲烷或二氧化碳，利用二氧化碳作为洗脱气时洗脱气二氧化碳可循环利用、成本低，适用于各种含不同浓度甲烷气体的原料气的分离提纯，适用范围广，同时附属产物高浓度氮气也可以实现收集利用，特别适用于低浓度煤层气的提纯。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例1中原料气单柱分离效果图；

图3是本发明实施例2中十柱并联情况下原料气甲烷浓度为5％的分离效果图；

图4是本发明实施例2中十柱并联情况下原料气甲烷浓度为10％的分离效果图；

图5是本发明实施例2中十柱并联情况下原料气甲烷浓度为15％的分离效果图。

图中：1、原料气供应管路，2、洗脱气供应管路，3、泵气装置，4、干燥除尘净化装置，5、三通控制阀，6、流量控制阀，7、通断阀，8、气体分流装置，9、吸附分离装置，10、气体集流装置，11、气体检测装置，12、五通控制阀，13、抽真空装置，14、高浓度氮气收集装置，15、二氧化碳脱除装置，16、高浓度甲烷回收装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统包括原料气供应管路1、洗脱气供应管路2、泵气装置3、干燥除尘净化装置4、三通控制阀5、流量控制阀6和分离提纯单元。

原料气供应管路1与泵气装置3的气体输入端连接，泵气装置3的气体泵输出端通过干燥除尘净化装置4与三通控制阀5的第一支路连接，三通控制阀5的第二支路与洗脱气供应管路2连接，洗脱气是甲烷或二氧化碳气体，三通控制阀5的第三支路通过流量控制阀6和通断阀7与分离提纯单元连接。

分离提纯单元包括吸附分离装置9、气体检测装置11、五通控制阀12、抽真空装置13、高浓度氮气收集装置14和高浓度甲烷回收装置16，吸附分离装置9包括多根并联布置的吸附柱，吸附柱可以是不锈钢材质或PVC材质，吸附柱内满注填充作为固定相的吸附剂，吸附剂可以是5A分子筛或活性炭，吸附剂对进入吸附柱内气体的吸附顺序为洗脱气＞甲烷＞氮气＞氧气，吸附柱的入口端通过气体分流装置8与通断阀7的出口端连通，吸附柱的出口端通过气体集流装置10和气体检测装置11与五通控制阀12的第一支路连接，五通控制阀12的第二支路与抽真空装置13连接，五通控制阀12的第三支路与高浓度氮气收集装置14连接，五通控制阀12的第四支路与高浓度甲烷回收装置16连接，五通控制阀12的第五支路通过连通大气端口与大气连通。

利用本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统对来源于煤层气、页岩气、沼气、焦炉煤气等的含甲烷气体原料气进行提纯时，以二氧化碳气体作为洗脱气为例，启动泵气装置3后，原料气通过原料气供应管路1供入，控制打开通断阀7，原料气经泵气装置3泵压进入干燥除尘净化装置4去除水分、粉尘、油脂等物质后经三通控制阀5进入吸附分离装置9的吸附柱，通过流量控制阀6的反馈控制关闭通断阀7以使设定体积的原料气进入吸附分离装置9的吸附柱，随后二氧化碳洗脱气通过洗脱气供应管路2供入，由于吸附剂的选择吸附性，在二氧化碳洗脱气的带动下，氧气优先于氮气穿过吸附柱、氮气优先于甲烷穿过吸附柱、甲烷优先于二氧化碳穿过吸附柱，根据气体检测装置11对各气体成分实时浓度的反馈、利用各气体成分穿过吸附柱的时间差异实现高浓度氮气的收集和甲烷的提纯，具体的，当氧气穿过吸附柱时，控制五通控制阀12切换至第五支路连通，即大气端与吸附柱的出口端连通以排空氧气，当氧气完全穿过吸附柱时，控制五通控制阀12切换至第三支路连通，即高浓度氮气收集装置14与吸附柱的出口端连通以收集高浓度氮气，当甲烷开始穿过吸附柱时，控制五通控制阀12切换至第四支路连通，即高浓度甲烷回收装置16与吸附柱的出口端连通以收集甲烷，当甲烷几乎完全穿过吸附柱时，此时吸附柱内只剩二氧化碳，控制五通控制阀12切换至第二支路连通，即抽真空装置13与吸附柱的出口端连通，通过抽真空装置13抽空吸附柱内的二氧化碳以完成吸附剂的再生，等待开始下一次吸附分离提纯作业即可。

控制五通控制阀12切换至第四支路连通以收集甲烷时，由于此时收集的甲烷气体中还还有少量的氮气和二氧化碳，为了进一步实现提高甲烷气体的纯度，作为本发明的进一步改进方案，分离提纯单元还包括二氧化碳脱除装置15，五通控制阀12的第四支路通过二氧化碳脱除装置15与高浓度甲烷回收装置16连接，二氧化碳脱除装置15可以通过膜分离或变压吸附的分离方式，控制五通控制阀12切换至第四支路连通以收集甲烷时，收集的甲烷气体可经二氧化碳脱除装置15脱除二氧化碳，进而获得高纯度的甲烷。

为了实现自动控制，作为本发明的进一步改进方案，本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统还包括集中电控单元，集中电控单元包括控制器和阀组控制回路，三通控制阀5、流量控制阀6、通断阀7和五通控制阀12均是分别与控制器电连接的电控阀，控制器还分别与泵气装置3、气体检测装置11和抽真空装置13电连接。控制器可以根据气体检测装置11对各气体成分实时浓度的反馈、利用各气体成分穿过吸附柱的时间差异实现高浓度氮气的自动回收利用和甲烷的提纯。

在以二氧化碳气体作为洗脱气时，为了实现洗脱气的循环利用，作为本发明的进一步改进方案，抽真空装置13的出口端与洗脱气供应管路2连接，可以实现二氧化碳洗脱气的重复循环利用。

为了提高提纯效率，作为本发明的进一步改进方案，分离提纯单元并联设置为多组，通断阀7是多路通断阀，多组分离提纯单元分别与多路通断阀连接，可在一个分离提纯单元完成一次吸附分离提纯作业后开启另一个分离提纯单元进行吸附分离提纯作业，实现不间断地连续吸附分离提纯作业。为减少机构设置，多组分离提纯单元可共用同一个抽真空装置13、多组分离提纯单元共用同一个高浓度氮气收集装置14、多组分离提纯单元共用同一个高浓度甲烷回收装置16，多组分离提纯单元共用同一个连通大气端口。

为了实现准确控制洗脱气的流量，作为本发明的进一步改进方案，洗脱气供应管路2上也设有流量控制阀6。

实施例1：

吸附柱规格是管径为0.6厘米、长度为2米的不锈钢管，吸附分离装置9为单根吸附柱，吸附柱内满注5A分子筛，原料气为甲烷含量5％的瓦斯，甲烷气体作为洗脱气，控制甲烷洗脱气流量控制为270毫升/分钟，通过吸附柱出口端气体检测装置11的反馈切换吸附柱出口端的五通控制阀12，分别收集高浓度氮气(>99％)和高浓度甲烷气体(>99％)。

通过实验得出，本实施例原料气中各气体分离的时间如图2所示，前65秒流出的为氮气和氧气，此时可切换五通控制阀12至大气端；后5秒主要流出的为高浓度氮气(>99％)，此时可切换五通控制阀12至高浓度氮气收集装置14端；接着后2秒流出的为含有少量氮气的甲烷气体，此时可切换五通控制阀12至高浓度甲烷回收装置16端。一个分离提纯单元整个过程保持在2分钟左右，一次进样量为4.2升、每分钟可以处理2.1升的原料气。

实施例2：

吸附柱规格同实施例1，吸附分离装置9包括10根吸附柱，吸附柱内满注5A分子筛，原料气为甲烷含量5％的瓦斯，二氧化碳气体作为洗脱气，控制二氧化碳洗脱气流量控制为1600毫升/分钟，原料气中各气体分离的时间如图3所示，分离提纯过程原料气体积增大到6升，分离提纯效果并未随着流量的增加而变弱，这样一个分离提纯单元可以处理6～10升的原料气，随着流量的增大，一个分离提纯单元的效率得到提升。原料气甲烷浓度为10％和15％的分离结果分别如图4和图5所示。

随着吸附柱直径、长度的增大，一个分离提纯单元每分钟可处理的原料气量增加。下表1给出了不同直径和长度吸附柱的原料气临界体积和吸附效率。单根管径1.0厘米、1.4厘米的吸附柱(长度均为2米)可分离原料气体积分别为390毫升、750毫升，远大于管径0.6厘米吸附柱可分离原料气体积(140毫升)。长度为2米、2.5米的吸附柱(管径为0.6厘米)可分离原料气体积分别为140毫升、185毫升，大于长度为1.5米的吸附柱可分离原料气体积(105毫升)。可以通过增加吸附柱的数量、增大吸附柱的管径和长度的方式提高吸附效率。

表1不同直径和长度吸附柱的原料气临界体积和吸附效率

本含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统以气相色谱分析分离原理为基础，以具有选择吸附性的吸附剂为固定相，吸附柱作为吸附剂的载体，采取多柱并联的方式，利用含甲烷气体中各气体成分穿透吸附柱的时间差异实现高浓度氮气的回收利用和甲烷的高效提纯，可长时间重复使用，工艺简单、安全性高，适用于各种含不同浓度甲烷气体的原料气的分离提纯，适用范围广，同时附属产物高浓度氮气也可以实现收集利用，特别适用于低浓度煤层气的提纯。

Claims (9)

1.一种含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，包括原料气供应管路（1）、洗脱气供应管路（2）、泵气装置（3）、干燥除尘净化装置（4）、三通控制阀（5）、流量控制阀（6）和分离提纯单元；

原料气供应管路（1）与泵气装置（3）的气体输入端连接，泵气装置（3）的气体泵输出端通过干燥除尘净化装置（4）与三通控制阀（5）的第一支路连接，三通控制阀（5）的第二支路与洗脱气供应管路（2）连接，三通控制阀（5）的第三支路通过流量控制阀（6）和通断阀（7）与分离提纯单元连接；

分离提纯单元包括吸附分离装置（9）、气体检测装置（11）、五通控制阀（12）、抽真空装置（13）、高浓度氮气收集装置（14）和高浓度甲烷回收装置（16），吸附分离装置（9）包括多根并联布置的吸附柱，吸附柱内满注填充作为固定相的吸附剂，吸附剂是活性炭或5A分子筛，吸附剂对进入吸附柱内气体的吸附顺序为洗脱气＞甲烷＞氮气＞氧气，吸附柱的入口端通过气体分流装置（8）与通断阀（7）的出口端连通，吸附柱的出口端通过气体集流装置（10）和气体检测装置（11）与五通控制阀（12）的第一支路连接，五通控制阀（12）的第二支路与抽真空装置（13）连接，五通控制阀（12）的第三支路与高浓度氮气收集装置（14）连接，五通控制阀（12）的第四支路与高浓度甲烷回收装置（16）连接，五通控制阀（12）的第五支路通过连通大气端口与大气连通。

2.根据权利要求1所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，分离提纯单元还包括二氧化碳脱除装置（15），五通控制阀（12）的第四支路通过二氧化碳脱除装置（15）与高浓度甲烷回收装置（16）连接。

3.根据权利要求1所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统还包括集中电控单元，集中电控单元包括控制器和阀组控制回路，三通控制阀（5）、流量控制阀（6）、通断阀（7）和五通控制阀（12）均是分别与控制器电连接的电控阀，控制器还分别与泵气装置（3）、气体检测装置（11）和抽真空装置（13）电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，洗脱气是二氧化碳气体。

5.根据权利要求4所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，抽真空装置（13）的出口端与洗脱气供应管路（2）连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，分离提纯单元并联设置为多组，通断阀（7）是多路通断阀，多组分离提纯单元分别与多路通断阀连接。

7.根据权利要求6所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，多组分离提纯单元共用同一个抽真空装置（13），多组分离提纯单元共用同一个高浓度氮气收集装置（14），多组分离提纯单元共用同一个高浓度甲烷回收装置（16），多组分离提纯单元共用同一个连通大气端口。

8.根据权利要求1或2或3所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，洗脱气供应管路（2）上也设有流量控制阀（6）。

9.根据权利要求1或2或3所述的含甲烷气体全浓度范围脉冲式分离提纯系统，其特征在于，吸附柱是不锈钢材质或PVC材质。