CN201500504U - 含低浓度甲烷气的分离吸附装置 - Google Patents

Abstract

一种含低浓度甲烷气的分离吸附装置，它解决了现有矿井乏风直接排放到大气中存在的浪费能源和污染环境等问题，包括分离吸附容器组、分离甲烷输送泵及其甲烷分离吸附控制装置，其技术要点是：乏风干燥预处理装置，利用乏风压力平衡装置连接分离吸附容器组，分离吸附容器之间利用连接电磁阀接通，分离吸附容器顶部排风口与大气接通，分离吸附容器底部进风口与乏风压力平衡装置连接，底部出风口与分离甲烷输送泵连接，相应传感元件、测试表、电磁阀的控制均通过所述的甲烷分离吸附控制装置进行智能自动化控制。其结构设计合理，体积小、减少了投资成本，可以有效利用煤矿乏风中的甲烷来提供大量清洁能源，促进煤矿通风的积极性，推进煤矿安全生产。

Description

含低浓度甲烷气的分离吸附装置

技术领域

本实用新型涉及一种对低浓度(0.1％-0.7％)甲烷(CH₄)的收集装置，特别是一种结构设计合理，体积小的含低浓度甲烷气的分离吸附装置。主要适用于对含低浓度甲烷气的矿井乏风中的甲烷的收集，也可用于对其它含低浓度甲烷气中的甲烷的提纯。

背景技术

随着能源需求的不断增长，发展分布式能源成为节约能源、解决当前能源危机的主要途径之一，而丰富、廉价、大量存在的乏风资源就是可靠的气源保证。矿井乏风系指甲烷浓度低于0.75％的煤矿通风瓦斯，瓦斯抽排系统将这部分甲烷随回风巷直接排放到大气中。由于乏风中甲烷含量极低，如果利用现有技术进行分离提纯，耗能要远远超过获取甲烷的能量，很不经济。现有煤矿开采中这种浓度的甲烷未经处理不能直接燃烧，无法利用和获取收益，因长期以来只能空排，用于通风的耗电量大，故造成了巨大的能源浪费和环境污染。而影响含低浓度甲烷气的乏风排放，又是某些煤矿通风不足，造成矿井瓦斯超限的原因之一。因此，实现对含低浓度甲烷气的乏风处理，达到清洁排放和富集甲烷的能量利用的目的，将造福人类、造福后代。

目前，用于浓缩含低浓度煤矿抽采煤层气(甲烷浓度20-35％)主要采用内置分子筛吸附剂的分离吸附容器的变压吸附方法或膜分离的方法。其中变压吸附方法具有能耗低、吸附剂成本较低、初期投资少、运转周期短、气体处理量大等优点，所以利用变压吸附方法浓缩低浓度煤矿抽采煤层气(浓度20-35％)的技术相对成熟。国内、外已先后开发并建立了此类大型浓缩甲烷装置，为城市供气，但他们都是局限于对成品气进行提纯，不适于对含低浓度(0.1％-0.7％)甲烷气提浓。膜分离方法的成本与变压吸附方法相当，但二者成本的构成有所不同。在膜分离方法的成本中主要是投资成本比较大，而运行成本比例较小。因此，开发适应对含低浓度甲烷气提浓，特别是对乏风的处理装置已成为当前科技人员的重要研究课题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种含低浓度甲烷气的分离吸附装置，它解决了现有矿井乏风直接排放到大气中存在的浪费能源和污染环境等问题，其结构设计合理，体积小、减少了投资成本，可以有效利用煤矿乏风中的甲烷来提供大量清洁能源，促进煤矿通风的积极性，推进煤矿安全生产。

本实用新型所采用的技术方案是：该含低浓度甲烷气的分离吸附装置包括内置分子筛吸附剂的分离吸附容器组、分离甲烷输送泵及其甲烷分离吸附控制装置，其技术要点是：带有温度传感器和湿度传感器的乏风干燥预处理装置，利用设置有压力传感器的乏风压力平衡装置，连接带有压力传感器和连续压力测试表的分离吸附容器组，所述分离吸附容器组中至少有两个分离吸附容器，所述分离吸附容器之间利用连接电磁阀接通，所述分离吸附容器顶部排风口通过排空口电磁阀与大气接通，所述分离吸附容器底部进风口通过进风口电磁阀与所述乏风压力平衡装置连接，底部出风口通过出风口电磁阀与所述分离甲烷输送泵连接，所述温度传感器、湿度传感器、压力传感器、连续压力测试表、进、出风口电磁阀、排空口电磁阀和连接电磁阀的控制均通过所述的甲烷分离吸附控制装置进行智能自动化控制。

上述甲烷分离吸附控制装置包括采用以PLC控制单元为核心，分别与配电单元及其连接的分离吸附控制单元，与以太网络交换单元及其连接的监控单元，与干燥预处理数据传感监测单元和排风数据传感监测单元，与吸附数据传感监测单元组成控制回路，通过专用的通信协议进行通讯，将所述控制回路内相关控制点分布的所述温度传感器、湿度传感器、压力传感器、连续压力测试表、进、出风口电磁阀、排空口电磁阀和连接电磁阀的运行数据和状态信号传送到所述的PLC控制单元内，所述PLC控制单元按照预定的程序及工艺过程进行计算及判断，从而执行相应的动作和流程，并判断所述运行数据和状态信号是否正常，采取相应的工艺措施，同时人机界面系统能够直观方便的对系统的所述控制单元的相应传感元件、测试表、电磁阀的控制显示和实现无人值守的自动运行、转换。

本实用新型具有的优点及积极效果是：由于本发明所分离吸附的含低浓度甲烷气的矿井乏风中，含有一定水分及多种气体，有的还含有H₂S气体，这些混合气体会严重影响乏风的变压吸附效率及威胁设备的运行寿命，经乏风干燥预处理装置先进行去除H₂S、脱水干燥等处理，所以显著降低了含甲烷气体的体积，也减少了后续应用装置的体积和投资成本。然后由乏风压力平衡装置对处理的乏风压力进行均衡处理，提供稳定的压力进入内置分子筛吸附剂的甲烷分离吸附收集容器内，这种容器是利用技术相对成熟的变压吸附原理，来对乏风中的甲烷分离、吸附，从而提高乏风中甲烷的浓度的，不断分离出来的甲烷先由暂存容器储存后，再经加压浓缩后输送，因此很容易实现乏风中的甲烷富集。由于本发明的整体设计合理，结构紧凑，所用处理装置的体积小，所以可以显著减少占用面积和降低投资成本，提高了设备的使用效率。因其充分利用煤矿乏风中的甲烷作为清洁能源，故不仅实现了通风瓦斯的清洁排放，而且还能促进煤矿通风的积极性，推进煤矿的安全生产，也较好地解决了现有处理装置存在的提高乏风中甲烷的浓度困难、只对成品气进行提纯的问题，另外本发明所有操作步骤的控制都集中到控制室内，并在甲烷富集处理控制装置的智能自动化控制下进行，可以提高运行的稳定性和可靠性。该控制装置对采集到的所有工艺参数，如压力、温度、流量、浓度等的变化量会根据预先设定的符合最佳生产工艺的数值进行优化及处理，使控制回路运行平稳、操控准确、高效，在控制装置不能使相应工艺参数达到规定范围时，例如：压力、温度、流量、浓度等，控制装置会自动启动相应级别的预警及报警或者停机程序，同时关闭各个影响安全及生产的阀门及设备，在各种监控数据都达到要求时，本发明中所有设备都会按照预先设定的最佳状态连续生产，能达到最大的生产效率及产品质量。

附图说明

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

图1是本实用新型的一种结构框图。

图2是本实用新型的一种控制装置原理示意图。

图中序号说明：1甲烷分离吸附控制装置、2乏风干燥预处理装置温度传感器、3乏风干燥预处理装置、4乏风干燥预处理装置出口湿度传感器、5乏风压力平衡装置压力传感器、6乏风压力平衡装置、7分离吸附容器进风口电磁阀、8分离吸附容器出风口电磁阀、9分离吸附容器连续压力测试表、10分离吸附容器、11分离吸附容器出口压力传感器、12分离吸附容器排空口电磁阀、13分离吸附容器排空口电磁阀、14连接电磁阀、15分离吸附容器出口压力传感器、16分离吸附容器、17分离吸附容器连续压力测试表、18分离吸附容器进风口电磁阀、19分离吸附容器出风口电磁阀、20排放甲烷浓度传感器、21分离甲烷输送泵、22分离甲烷流量传感器、23分离甲烷浓度传感器。

具体实施方式

根据图1～2详细说明本实用新型的具体结构。该含低浓度甲烷气的分离吸附装置包括带有温度传感器2和湿度传感器4的乏风干燥预处理装置3，设置有压力传感器5的乏风压力平衡装置6，内置分子筛吸附剂的分离吸附容器组及其甲烷分离吸附控制装置，设置分离甲烷流量传感器22和分离甲烷浓度传感器23的分离甲烷输送泵21。其中乏风干燥预处理装置3采用可以通过传感器控制气体的温度和湿度的通用的干燥设备。乏风压力平衡装置6采用可以均衡、稳定压力的容器。乏风干燥预处理装置3，利用乏风压力平衡装置6，连接分离吸附容器组。每组分离吸附容器中可以设置多个容器，但至少要有两个分离吸附容器相互配合。本实施例的分离吸附容器组中采用两个，即分离吸附容器10和分离吸附容器16。分离吸附容器10、16的顶部之间利用连接电磁阀14接通。分离吸附容器10、16的顶部排风口通过各自的排空口电磁阀12、13与大气接通。分离吸附容器10、16的底部进风口通过各自的进风口电磁阀7、18与乏风压力平衡装置6连接。其底部出风口通过各自的出风口电磁阀8、19与分离甲烷输送泵21连接。上述温度传感器、湿度传感器、压力传感器、连续压力测试表、进、出风口电磁阀、排空口电磁阀和连接电磁阀的控制均通过甲烷分离吸附控制装置1进行智能自动化控制。

该含低浓度甲烷气的分离吸附装置的工作过程如下：矿井乏风经乏风干燥预处理装置3先进行去除H₂S、脱水干燥等处理，然后进入乏风压力平衡装置6，此时先关闭出风口电磁阀8，打开排空口电磁阀12和进风口电磁阀7，引入经处理的稳压乏风到分离吸附容器10中进行甲烷吸附。分离脱除了甲烷的净化气体经过排空口电磁阀12排入大气。分离吸附容器10中的吸附剂吸附到临近饱和状态前，分离吸附容器16也加入到吸附进程中，为两容器的工作转换做准备(加入的程序是：关闭出风口电磁阀19，打开排空口电磁阀13和进风口电磁阀18，引入经处理的稳压乏风到分离吸附容器16中进行甲烷吸附。被吸附过的分离脱除了甲烷的净化气体经过排空口电磁阀13排入大气，连续压力测试表17在整个分离吸附容器16的工作过程中，对其压力做实时检测)。分离吸附容器16介入运行后，关闭进风口电磁阀7和排空口电磁阀12，打开出风口电磁阀8，同时将连接电磁阀14适度打开一段时间，为提高分离吸附容器10进行减压解吸效率创造条件。分离吸附容器10进行减压解吸程序中，连续压力测试表9在整个分离吸附容器10的工作过程中对其压力做实时检测。减压解吸收集到的甲烷经分离甲烷输送泵21送到分离甲烷容器中储存。

本发明采用的含低浓度甲烷气的分离吸附装置中，对乏风甲烷的浓缩是利用吸附剂在一定的压力及温度下对乏风中甲烷及其他组分(如N₂、O₂等)的吸附特性不同，而将其中的甲烷进行分离的。由于选用的吸附剂对甲烷的吸附能力比N₂、O₂大，所以被吸留在甲烷分离吸附容器10、16中的吸附剂上，而脱除了甲烷的其余成分作为洁净的排放气体由其排空口排出。然后再在低压下对甲烷分离吸附容器10、16中吸附剂上的甲烷进行解吸，吸附剂上所吸附的甲烷和残余的其它成分大部分被解吸。由于解吸气中甲烷被富集，而将其收集起来作为产品或者氧化排放。并且通过减压解吸后，其中吸附剂的吸附特性也得到恢复，为下一轮吸附运行做好准备。

系统的控制方式可以采用手动及自动控制两种，手动方式适用设备的调试、维修及特殊工作状态。由于变压吸附真空流程中控制阀门数量多，流程控制点也多，因此，为了减轻繁锁的操作，提高自动化水平，我们将所有控制集中到控制室，是在甲烷分离吸附控制装置1的智能自动化控制下进行的。该甲烷分离吸附控制装置1具有技术先进、系统可靠、运行稳定、操控性高、数据采集及时准确、控制指令下达及时到位准确、执行设备反应敏捷、按指令执行正确、系统涉及的设备质量优良、经久耐用、信价比较好、人机联系方便、界面设计人性化等优点。在控制室操作人员可以通过显示器显示的数据查看乏风处理过程的运行状态及工作流程，而复杂的处理流程及工艺参数的判断及计算都由预先编制的程序进行自动控制，既提高了乏风处理的产品质量，也提高了系统的运行效率，大大的减轻了操作工人的劳动强度及乏风的分离成本。

为保证设备的安全运行及防止意外事故，本发明在各控制点特别是分离吸附容器10或16上安装压力传感器和安全卸压阀，当甲烷分离吸附控制装置1接受到压力传感器上的压力信号超出了预先设定的安全压力值时，就会运行安全控制程序，降低压力保护设备安全运行。在厂房及关键部位安装甲烷浓度传感器，当发生甲烷泄漏时甲烷浓度传感器触发保护装置例如通风系统等，同时给甲烷分离吸附控制装置一个报警信号，以提示操作人员采取相应措施。

甲烷分离吸附控制装置1主要包括：以PLC控制单元1002为核心，分别与配电单元1001及其连接的分离吸附控制单元1050，与以太网络交换单元1003及其连接的监控单元1080，与干燥预处理数据传感监测单元1020和排风数据传感监测单元1030，与吸附数据传感监测单元1040组成控制回路，通过专用的通信协议进行通讯，将所述控制回路内相关控制点分布的相应传感元件、测试表、电磁阀的运行数据和状态信号传送到的PLC控制单元1002内，PLC控制单元1002按照预定的程序及工艺过程进行计算及判断，从而执行相应的动作和流程，并判断运行数据和状态信号是否正常，采取相应的工艺措施，同时人机界面系统能够直观方便的对控制回路的各控制单元的相应传感元件、测试表、电磁阀的控制显示和实现无人值守的自动运行、转换。其中：

处理配电单元1001可根据实际需要由高压进线柜、PT柜、变压器柜、高压馈出柜、低压进线柜、低压配电柜、低压动力柜等组成。其主要作用是将PLC控制单元1002传送过来的控制信号转换为设备的动作与运行，从而实现分配电力负荷，监控电气设备运行状态、实现电气设备的继电保护，包括过电流保护、过电压保护、短路保护、断相保护、电流电压检测等功能。

PLC控制单元1002主要由以下常用元件组成：PLC电源、PLC中央处理器、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、以太网通讯模块、设备网通讯模块等。其利用PLC中央处理器的逻辑运算功能将各种输入、输出模块采集来的信息进行综合处理判断，通过预定义的程序实现信号的采集及运算，将结果输出到处理配电单元1001或各种执行单元，来控制系统的自动运行。

以太网络交换单元1003由以太网交换机、路由器、网关等组成，它是PLC控制单元1002与监控单元1080连接的通道，通过通道的传送实现PLC控制单元1002与外部设备的无障碍连接。其顺利地将PLC控制单元1002的以太网通讯模块所传送的数据利用以太网交换机传送到广域网络，可以实现控制装置的数据共享、远程查看、远程监控、WEB发布等功能。

干燥预处理数据传感监测单元1020由乏风干燥预处理装置温度传感器2、乏风干燥预处理装置出口湿度传感器4组成。其主要是配合乏风干燥预处理装置3实现乏风湿度和温度的自动调节，为乏风的后续处理提供最佳干燥条件和安全保护。其中：乏风干燥预处理装置出口湿度传感器4配合乏风干燥预处理装置3实现乏风湿度的自动调节，为乏风的后续处理提供最佳条件，乏风干燥预处理装置温度传感器2提供的乏风干燥预处理装置3内部的温度超高时，甲烷分离吸附控制装置1做出相应动作从而保护乏风干燥预处理装置3的安全。

排风数据传感监测单元1030主要是通过排放甲烷浓度传感器20，来检测经过分离吸附处理后直接排放到空气中气体的甲烷浓度，它是乏风甲烷分离吸附控制装置1的控制作用及运行效率的体现。

吸附数据传感监测单元1040主要包括以下元件：分离吸附容器10、16的连续压力测试表9、17，乏风压力平衡装置压力传感器5、分离吸附容器10、16的出口压力传感器11、15等。它的作用是传递在吸附过程中乏风的实时重要数据，为现场操作人员提供实时状态数据，作为PLC控制单元1002计算依据及参考数据。其中：分离吸附容器10、16的连续压力测试表9、17直观显示当前工位测量点压力值，直观查看压力是否在正常范围内便于工作人员及时了解现场工况。乏风压力平衡装置压力传感器5、分离吸附容器10、16的出口压力传感器11、15能实时传送当前的压力值，并送入PLC控制单元1002用来判断当前工艺参数是否在正常范围内，为下一步的处理提供重要参数，并且PLC控制单元1002能够根据当前的压力传感数据判断，压力值是否在安全值范围内，并采取措施保护人员及设备安全。

分离吸附收集控制单元1050由分离吸附容器10、16的出风口电磁阀8、19，排空口电磁阀12、13，连接电磁阀14，进风口电磁阀7、18，分离甲烷输送泵21的分离甲烷流量传感器22和分离甲烷浓度传感器23等组成。主要是用来通过控制相关位置电磁阀门的接通与分断，以实现含甲烷乏风气体的甲烷分离吸附过程。其中：甲烷的吸附与排放是结合了排放甲烷浓度传感器20的传感信号进行控制的，由排放甲烷浓度传感器20产生的实时信号送入PLC控制单元1002中进行计算及处理，得到实际的排空甲烷浓度，当该浓度值大于设定的值时，控制装置即认为分离吸附容器10或分离吸附容器16吸附的甲烷能力饱和，这时控制装置启动两容器的工作转换及减压解析过程，解析的甲烷是由分离甲烷输送泵21将转换后已经吸附了甲烷的分离吸附容器内的甲烷，用负压的方式吸出并储存到分离甲烷储存容器内，分离甲烷流量传感器22以及分离甲烷浓度传感器23产生相应的传感信号送入PLC中进行计算及处理，得出瞬时甲烷流量及浓度，并传送到上位计算机上显示及记录。

监控单元1080主要包括工作站监控计算机、工程师监控计算机、打印机、服务器等。它是作为PLC控制单元1002与操作员之间交互的平台，操作员能够直观的看到乏风甲烷富集处理控制装置1的所有关键点的工艺参数及设备状态，并且能够在工作站监控计算机、工程师监控计算机上进行实时控制，在工作站监控计算机、工程师监控计算机中可以根据各个工艺参数的值形成各种报表及图表。通过这些图形化的界面，用户可设置所需的工况图、系统图、工艺图、曲线、棒图等，并通过这些图形对实际的工况数据、生产过程进行监视。通过系统主画面，用户只需点击有关的按钮即可进入相应的功能模块。图形系统提供了标准的用户接口，包括：菜单、工具条、对话框、状态条，用户通过这些标准的接口与图形系统进行交互，以监视过程及数据、响应甲烷分离吸附控制装置1告警事件、在图形上设置标志符号、对过程进行控制等。根据数据库中的数据，可生成各种需要的报表。

乏风甲烷分离吸附控制装置1在工作工程中的报警安全工作显得极为重要，当出现事故、异常事件或需提醒调度/操作人员的事件时，甲烷富集处理控制装置1就自动产生告警信息，同时给出告警信号。告警信息指明告警的内容：告警的原因(如甲烷超、超温度、乏风压力超标、执行设备异常、环境甲烷浓度超限、电压、电流不在规定范围等)、产生报警信息的对象、报警时间等；报警信号用以提醒监控人员，方式有：打印、图形闪烁、语音等。告警信息立即显示在告警窗口，等待监控人员的确认；告警信息存入数据库，供以后查询，查询人员可给出查询条件：告警的时间段、告警的对象、告警的类别(厂地告警、设备告警、越限告警、事故告警等)。历史告警查询功能模块可查询到甲烷富集处理控制装置1所有的告警信息，包括最近的告警信息。

Claims (2)

1.一种含低浓度甲烷气的分离吸附装置，包括内置分子筛吸附剂的分离吸附容器组、分离甲烷输送泵及其甲烷分离吸附控制装置，其特征在于：带有温度传感器和湿度传感器的乏风干燥预处理装置，利用设置有压力传感器的乏风压力平衡装置，连接带有压力传感器和连续压力测试表的分离吸附容器组，所述分离吸附容器组中至少有两个分离吸附容器，所述分离吸附容器之间利用连接电磁阀接通，所述分离吸附容器顶部排风口通过排空口电磁阀与大气接通，所述分离吸附容器底部进风口通过进风口电磁阀与所述乏风压力平衡装置连接，底部出风口通过出风口电磁阀与所述设置分离甲烷输送泵连接，所述温度传感器、湿度传感器、压力传感器、连续压力测试表、进、出风口电磁阀、排空口电磁阀和连接电磁阀的控制均通过所述的甲烷分离吸附控制装置进行智能自动化控制。

2.根据权利要求1所述含低浓度甲烷气的分离吸附装置，其特征在于：所述甲烷分离吸附控制装置包括采用以PLC控制单元为核心，分别与配电单元及其连接的分离吸附控制单元，与以太网络交换单元及其连接的监控单元，与干燥预处理数据传感监测单元和排风数据传感监测单元，与吸附数据传感监测单元组成控制回路，通过专用的通信协议进行通讯，利用所述控制回路内分布的相关控制点，把所述控制单元的传感元件、测试表、电磁阀的运行数据和状态信号传送到所述的PLC控制单元内，所述PLC控制单元按照预定的程序及工艺过程进行计算及判断，从而执行相应的动作和流程，并判断所述运行数据和状态信号是否正常，采取相应的工艺措施，同时人机界面系统能够直观方便的对系统的所述控制单元的相应传感元件、测试表、电磁阀的控制显示和实现无人值守的自动运行、转换。

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