CN207313548U - 一种用于井下抽采煤层气的提纯装置和提纯系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于井下抽采煤层气的提纯装置和提纯系统，提纯装置包括多个吸附板以及用于固定安装吸附板的框架，多个吸附板间隔排列且相邻二个吸附板之间密封，形成供煤层气流经的流道，框架的相对两端分别具有与流道的两端连通的进气口和出气口，吸附板具有分子筛功能，其能够选择性吸附甲烷而能够使煤层气中分子体积小于甲烷的气体分子通过。本实用新型提纯装置和系统在保留原井下抽采煤层气、排放煤层气系统和功能的前提下，可以对煤层气中的甲烷进行有效的提纯分离，经本实用新型提纯后的排放气体中甲烷的含量低于5％，可提高甲烷利用率同时降低大气污染，此外，本实用新型装置结构设置简单，运行高效、能耗低，占地小。

Description

一种用于井下抽采煤层气的提纯装置和提纯系统

技术领域

本实用新型属于煤层气提纯领域，具体涉及用于井下抽采煤层气的提纯装置及提纯系统。

背景技术

国内煤层气的开采，主要是地面钻井抽采和井下抽采。地面抽采是煤层气作为有用的矿产资源，通过地面钻井，在煤层中钻井完井及压裂等技术，采用煤层气多分支水平井、U型井等复杂构井技术，地面钻采煤层气取得了较好的效果。国内外已有成功经验，地面抽采煤层气可以实现煤层气的规模化生产。地面开采的煤层气甲烷浓度高，一般甲烷含量＞95％，质量比常规天然气还好。井下抽采是在煤炭开采过程中，在煤层中掘进专门的抽采巷道，在本煤层、邻近煤层和采空区钻孔抽采，通过水环泵抽采出的煤层气甲烷浓度在1％—30％之间。利用难度大，随着抽采量的增加，反而利用有所下降，大都采用高位排空。2013年国内排空的煤层气达150亿方，逐年还在增加，其温室效应高于二氧化碳。

目前国内井下抽采煤层气的提纯技术主要是真空变压吸附(VPSA)。低浓度煤层气在微正压下被吸附后，再采用抽真空的方法降低甲烷(CH₄)的分压使其解吸并汇集起来，工艺流程图参见图1。图1中Ⅰ为充压、Ⅱ为吸附、Ⅲ为并流减压、Ⅳ为逆流减压，Ⅴ为抽真空组成，吸附塔中采用活性炭颗粒填充。处理原料为抽采泵排出的CH₄含量在5％‐50％之间的煤层气，通过两级吸附提纯后CH₄的含量可达30‐90％。排出的气体CH₄的含量通常＞5％，甚至＞10％，设备复杂占地面积大，难以推广应用。因此随着井下抽采煤层气量的逐年增加，反而利用率有所下降，大都排空。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术提纯装置的不足，提供一种新的提纯装置，以对井下抽采煤层气进行有效提纯，有效提高CH₄的利用率和降低CH₄的排放含量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种用于井下抽采煤层气的提纯装置，其包括多个吸附板以及用于固定安装吸附板的框架，多个吸附板间隔排列且相邻二个吸附板之间密封，形成供煤层气流经的流道，框架的相对两端分别具有与流道的两端连通的进气口和出气口，吸附板具有分子筛功能，其能够选择性吸附甲烷而能够使煤层气中分子体积小于甲烷的气体分子通过。

根据本实用新型，煤层气中分子体积小于甲烷的气体分子包括但不限于氮气(N₂)、氧气(O₂)、水(H₂O)、氢气(H₂)、二氧化碳(CO₂)等。

优选地，所述吸附板为活性炭板，可由活性炭颗粒压制成型制得。优选地，活化后压制或者压制成型后进行活化。其中所述活化可以采用本领域公知的活性炭活化方法。

进一步优选地，构成所述吸附板的活性炭颗粒具有二种以上的直径，且二种以上直径的活性炭颗粒按形成最致密堆积的比例使用。

在根据本实用新型的一个具体实施方案中，构成所述吸附板的活性炭颗粒具有二种，其中设较大的大颗粒直径为Dp，较小的小颗粒直径为0.2Dp‐0.3Dp，较大的大颗粒活性炭与较小的小颗粒活性炭的占比分别为71.7％和28.3％。

在根据本实用新型的又一实施方案中，构成所述吸附板的活性炭颗粒具有三种以上，所述活性炭颗粒根据Horsfield最紧密堆积要求设计。

优选地，所述压制成型包括以下过程：将活性炭颗粒置于模具内，先施加第一压力进行第一阶段压缩，使颗粒密度达到振实密度，然后施加第二压力进行第二阶段压缩，使颗粒层进一步密实，其中第二压力大于第一压力，在第二压力的作用下，活性炭颗粒局部尖角及凸出部位发生一定程度的破碎，微细颗粒发生不可逆性的强制渗透流动，而填充在较小的空隙内。

根据本实用新型的一个优选方面，所述吸附板为人字波纹板。进一步优选地，所述吸附板的人字波纹沿吸附板的横向分布排列。优选地，人字波的夹角为大夹角，例如90‐120°

根据本实用新型，所述吸附板的厚度可以为例如40‐100mm，波纹高为例如25‐40mm，波距为70‐120mm。

根据本实用新型，所述吸附板的透气率为5％‐20％。根据本实用新型的一个具体方面，所述吸附板的透气率为5％‐9％。

根据本实用新型，所述提纯装置由于采用类似换热器的结构形式，其可被设置为供煤层气通过的各种流程或流程组合，具体可以为单流程、多流程或二者的任意组合，其中组合方式可以为串联或并联。

根据本实用新型的一个优选方面，所述提纯装置采用单流道、多回流、混联形式的流程组合或单流道、多回流、串联形式的流程组合。采取这些流程组合可以提高相邻二个吸附板之间的压力差，有助于充分发挥吸附板的分子筛功能从而有利于提高提纯效果。

根据本实用新型的一个具体且优选方面，所述框架采用类似于板式换热器的结构形式。具体的，所述框架包括固定压紧板、活动压紧板、支柱、上下导杆以及夹紧螺栓，所述的多个吸附板直立安装在所述固定压紧板与活动压紧板之间，在吸附板的角上设有角孔，所述的吸附板的的上部和下部分别设有导向槽，通过上、下导杆把吸附板的位置确定在所述固定压紧板与活动压紧板之间，由夹紧螺栓压紧固定，所述的固定压紧板、活动压紧板上分别设置有法兰孔，所述固定压紧板、活动压紧板上的法兰孔分别构成所述进气口和出气口。

进一步优选地，在所述框架四周设置有可拆卸的不锈钢板，以构成一个封闭箱体，其中所述法兰孔露出，所述箱体与所述吸附板之间形成有隔离腔，所述隔离腔体内用于填充氮气，在所述箱体顶部设有自动放气阀。

本实用新型进一步提供一种用于井下抽采煤层气的提纯系统，该提纯系统包括本实用新型的提纯装置以及真空泵，其中提纯装置的进气口与抽采煤层压缩机连接，提纯装置的出气口与真空泵的进口连接，真空泵的出口与甲烷管线连接。

根据本实用新型，所述的抽采煤层压缩机、甲烷管线均是目前国内井下抽采煤层气系统所具有的。

优选地，所述的提纯系统包括2个、3个或更多个所述提纯装置，所述多个提纯装置的进气口与所述抽采煤层压缩机的出口并连，且在各所述提纯装置的进气端和出气端分别安装有气动切换阀，在各所述提纯装置的出气口与出气端的气动切换阀之间分别设有连接管与真空泵的进口连接，在所述的连接管上设置有气动闸阀。

采用如上所述的煤层气提纯系统进行井下抽采煤层气的提纯的步骤如下：

煤层气的吸附提纯：使抽采煤层压缩机输送的抽采煤层气压力输送至所述提纯装置内，在所述提纯装置内，所述煤层气在吸附板与吸附板之间的表面流动，既进行传热传质又吸附甲烷，而让煤层气中其他的分子体积小于甲烷的气体分子渗过进入下一流程，含甲烷较低的煤层气进入下一流程的吸附板与吸附板之间的表面进行流动，再进行传热传质、吸附、渗过再进入下一流程，最后甲烷含量低于5％的煤层气，通过出气口流入排空系统排放，甲烷被吸附板吸附；

甲烷的解析：开启真空泵，通过抽真空使被吸附板吸附的甲烷解吸出来，获得甲烷纯度90％以上的天然气。

根据本实用新型的一个优选方面，所述提纯装置为2个，向其中的一个提纯装置送入煤层气进行煤层气的吸附提纯的同时，利用真空泵对另外一个提纯装置抽真空进行甲烷的解析。

根据本实用新型的又一优选方面，所述提纯装置为3个，向其中的一个提纯装置送入煤层气进行煤层气的吸附提纯的同时，利用真空泵对另外一个提纯装置抽真空进行甲烷的解析，同时还有一个提纯装置完成煤层气的吸附提纯准备进入甲烷的解析。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有如下优势：

本实用新型提纯装置和系统在保留原井下抽采煤层气、排放煤层气系统和功能的前提下，可以对煤层气中的甲烷进行有效的提纯分离，经本实用新型装置提纯后的排放气体中甲烷的含量低于5％，本实用新型既提高了甲烷的利用率，又降低了甲烷的排空，减少了大气污染。此外，本实用新型装置结构设置简单，运行高效、能耗低，占地小。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明，其中：

图1为现有技术中采用的真空变压吸附(VPSA)工艺流程图，其中Ⅰ为充压，Ⅱ为吸附，Ⅲ为并流减压，Ⅳ为逆流减压，Ⅴ为抽真空；

图2显示了一种形式的活性炭板块，其中1、横向大夹角人字波，2、密封槽，3、角孔，4、导向槽；

图3是图2中A‐A向剖面示意图(横向大夹角人字波的法向剖面)，其中用于煤层气压力为0.05MPa(G)；

图4是图2中A‐A向剖面示意图(横向大夹角人字波的法向剖面)，其中用于煤层气压力为0.4MPa(G)；

图5是煤层气压力为0.05MPa(G)的二回流混联形式的流程组合，其中5、并联的一回流至出口端，6、二回流从入口端开始；

图6是煤层气压力为0.4MPa(G)的二回流串联形式的流程组合图，其中7、一回流至出口端，8、二回流从入口端开始；

图7是提纯装置的外形图，其中9、煤层气出口法兰，10、自动放气阀，11、进口法兰，12、安放脚；

图8是煤层气提纯系统的结构示意图，其中13、提纯装置，14、气动切换阀，15、气动闸阀，16、真空泵，17、抽采煤层气压缩机。

具体实施方式

本实用新型提出一种具有分子筛功能，采用物理吸附和解吸原理的提纯装置，用于井下抽采煤层气的提纯。其工作原理是，由活性炭颗粒(优选多种不同直径的活性炭颗粒按一定比例)压制而成的吸附板(以下又称活性炭板块)形状的吸附床，经过活化后具备透气性。它能够让氮N₂、氧O₂、水H₂O、氢H₂、二氧化碳CO₂分子进入，通过吸附床排出。而分子比较大的甲烷CH₄进入，被吸附在活性炭分子的表面上。在吸附单层后，被吸附的CH₄分子还可以利用CH₄分子间的引力再吸附第二层、第三层分子……可以形成多分子吸附层。根据此机理构成的提纯装置，既有分子筛功能又有物理吸附CH4的功能。再通过抽真空使CH4解吸出来，就可以获得CH4纯度90％以上的天然气。

2、设计方法：

(1)物理吸附及解吸计算：

采用热力学的吸附方程，以Polanyi的吸附势理论的吸附率方程进行计算。微孔径为3.6nm—4.0nm构成的活性炭吸附势函数(ε)呈高斯分布，被吸附介质所占的体积V_c与吸附剂总的空隙V₀及吸附势(ε)之间存在的关系式如下：

式中B代表吸附剂微孔结构参数，B值随吸附剂空隙率的增加而减小，β为亲和系数与吸附质有关。

根据以上推导出D‐A方程的另一种形式：

式中，Va和V₀分别为吸附体积和极限微孔容积(m³)；T为吸附剂温度(K)；P为吸附质压力；T与Ps是吸附质温度T对应的饱和压力Ps。

根据D‐A方程进行吸附的模拟计算，吸附率(X)，可按下式计算：

X₀＝X(Ps)＝X(Ts)

式中，Ps为对应Ts的饱和压力。活性炭微孔径为3.6nm‐4.0nm，n＝2。X₀取0.138；n取2。X₀为极限吸附率，K为吸附剂结构系数，定型活性炭盘K取4.6，X₀取0.138，n取2。

(2)吸附床的设计：

吸附床由两种或两种以上不同直径的活性碳颗粒，按一定比例压制而成的活性炭板块。

采用两种不同直径的活性炭颗粒堆积，采用每一个空隙只有一个小球填充，这个填充球的直径是填充空隙空间的最大球径。若大颗粒直径为Dp，小颗粒直径为(0.3‐0.2)Dp，大颗粒占71.7％，小颗粒占28.3％。可以达到最佳堆积，形成最致密堆积。二个以上不同直径的活性炭采用Horsfield最紧密堆积。

吸附床采用压制成型，活性炭颗粒在一定容积的模具内受压时，颗粒之间发生由松散到紧密的渐变过程。压力由小到大的压缩过程，可分为大孔填充阶段和小孔填充阶段两个阶段。压缩的第一阶段，通过压力使颗粒重新排列使之相互紧密地堆集，使颗粒中的搭接桥架形成的大孔隙发生崩溃，其空间由固体颗粒取而代之。第一阶段结束后的颗粒密度相当于振实密度。压缩的第二阶段，更大的压力使颗粒局部尖角及凸出部位发生一定程度的破碎，并使微细颗粒发生不可逆性的强制渗透流动，从而有效地填充在较小的空隙内，实现颗粒层的进一步密实。

在模具内压制活性炭板块时，通过实验在完成第一阶段压缩后，进入第二阶段颗粒局部尖角发生破碎小孔局部填充式的压缩压力，为最佳压缩。此时透过率R_D约为0.07左右。通过活性炭板块的单位时间的流量为Q，流体的粘度为μ，活性炭板块的迎流断面积为A，厚度为L，压力损失为ΔP，则通过一块活性炭板块的平均流速μ为：

式中：Q——通过活性炭板块的单位时间的流量m³/s

A——活性炭板块的迎流断面积m²

ΔP——通过活性炭板块的压力损失Pa

μ——通过活性炭流体的粘度Pa·s

L——活性炭板块的厚度m

S_V——活性颗粒的体积比表面积m²/m³

S_V——ρ_PS_w

ρ_P——颗粒的密度Kg/m²

S_w——单位质量的粉体表面积m²/kg

ε——空隙率

3、活性炭板块型式及流程组合：

例1：板块厚50mm，选用横向大夹角多人字波1(见图2)，波纹高30mm左右，波距80mm。(见图3)用于煤层气的压力为0.05MPa(G)。煤层气通过板块上的角孔3，在板片与板片间的表面进行流动，既进行传热传质又进行吸附CH₄，还具有透气性，让N₂、O₂、H₂O、H₂、CO₂渗过进入下一流程。含CH₄较低的煤层气进入下一流程的板片与板片之间的表面进行流动，再进行传热传质、吸附、渗过再进入下一流程。最后含CH₄＜5％以下的煤层气，通过出口流入排空系统排放：CH₄被活性炭板块吸附，通过抽真空使CH₄解吸出来，就可以获得CH₄纯度90％以上的天然气。

采用单流道、二回流、混联形式的流程组合，可用于煤层气的压力为0.05MPa(G)(见图5)。

当一回流至出口端5(见图5)利用板块上的角孔3(见图2)把煤层气引至入口端6(见图5)，开始第二个流程直至从出口排出。这样在两个板块之间，形成一定的压力差，有助于充分发挥分子筛功能；有利于物理吸附和解吸。

例2：板块厚为80mm，选用横向大夹角人字波1(见图2)，波高位30mm左右，波距为90mm(见图4)，用于煤层气的压力为0.4MPa(G)。

采用单流道、二回流、串联形式的流程组合，可用于煤层气的压力为0.4MPa(G)(见图6)。

当一回流至出口端7(见图6)利用板块上的角孔3(见图2)把煤层气引至入口端8(见图6)，开始第二个流程直至从出口排出。这样在两个板块之间，形成一定的压力差，有助于充分发挥分子筛功能，有利于物理吸附和解吸。

4、提纯装置的整体结构：

采用可拆式板式换热器结构，由压制而成的活性炭具有横向大夹角人字波的板块1(见图2)，作为吸附床和分子筛，按一定间隔交替排放，每张板块都有垫片封在密封槽2处并用螺栓压紧在框架内。板块的角上有角孔3，煤层气从入口通道，按单流道、二回流、混联或串联形式的流程，被分配到各板块之间的流道内，CH₄被吸附：N₂、O₂、H₂O、H₂、CO₂被排出。

框架上、下四周设有可拆卸的不锈钢板，构成一个封闭箱体(见图7)，在活性炭板块与箱体之间，形成一个充满以N₂为主要气体的隔离腔，防止受外力碰撞。提纯装置的进口法兰11，出口法兰9露出。在封闭箱体顶上设有自动放气阀10。

实施例

煤矿井下抽采煤层气的气量为60m³/m，煤层气的甲烷含量为30％‐10％，己有完善的煤层气抽采和排放系统。现要增设一套提纯装置及系统。

1、提纯装置的设计：

吸附床采用大颗粒活性炭的直径为dp＝2mm占71.7％，小颗粒活性炭的直径为0.5mm占28.3％的比例堆积后，压制成的活性炭板块吸附床，其宽为1.5米、高为2.5米、厚为80mm(见图2)，采用横向120°夹角多人字波，波高28mm、波距90mm(见图4)。压制成形后再活化，其透气率为0.09‐0.05之间，共有52块活性炭块组成，采用单流道、二回流、串联形式的流程组合(见图6)。当一回流至出口端7，利用板块上的角孔，把煤层气引至入口端8，开始第二流程，直至从出口处排出。在一流程和第二流程之间的活性炭板块之间形成一定的压力差，充分发挥分子筛功能；有利于物理吸附和解吸。

2、提纯装置的整体结构：

采用板式换热器的框架结构，除板片采用活性炭板块外，其余部件都与板式换热器的部件原理相同。有固定压紧板、活动压紧板、支柱、上下导杆、夹紧螺栓构成整个框架。在固定压紧板与活动压紧板之间，安装活性炭板块，活性炭板块之间设有密封垫，活性炭板块的上下设有导向槽4(见图2)通过上、下导杆把活性炭板块的位置确定在两压紧板之间，由夹紧螺栓压紧固定。煤层气经固定压紧板上的法兰孔进入活性炭板块的角孔3(见图2)流入板块人字波纹。按单流道、二回流、串联形式的流程组合(见图6)组成流道。煤层气在各流道中，充分发挥分子筛功能和物理吸附和解吸。含CH4＜5％的煤层气从第二流程流至活动压紧板上的法兰孔11(见图7)也就是提纯装置的排出口、进入排放管网排空。

固定压紧板、活动压紧板、支柱都可以作为提纯装置的安放脚12(见图7)，把它固定在水泥基础上。

在固定压紧板和支柱的上、下四周设有可拆卸的不锈钢板、构成一个封闭箱体。进口法兰11、出口法兰9露出(见图7)。在箱体顶上设有二个自动放气阀10。

3、提纯系统(见图8)：

在保留原井下抽采煤层气、排放煤层气系统和功能的前提下，在抽采煤层气压缩机17的出口处，安装一套提纯装置13。系统的出口与原高位排放煤层气的系统连接，用以排放CH₄含量低于5％的低浓度煤层气。

在每台提纯装置13的出口处，都与真空泵16的进口连接，用来解吸被吸附的CH₄，通过真空泵16的出口把CH₄提纯后的煤层气(CH₄的体积分数90％以上)送入CH₄管线。这样既能保证原抽采、排放系统的功能不变。又能提纯煤层气，获得高浓度的CH₄，减少大气污染。

一套提纯系统，可由二套(或三套)提纯装置13组成。两套装置的进口与抽采煤层压缩机17的出口并连，每套装置的进、出口各安装一套气动切换阀14，一共四个气动阀14。当一个提纯装置进行吸附时，它的进口与抽采煤层气压缩机17的出口相通，它的出口与排放煤层气的系统相通，进、出口切换阀14都处于开启状态。另一个提纯装置进行解吸，它的进、出口切换阀14都处于关闭状态。在提纯装置13的出口处与切换阀14之间设有连接管与真空泵16的进口相连。在连接管上安装有气动闸阀15，当真空泵16开启时，气动闸阀15处于开启状态，提纯装置13内就形成负压，CH₄就从中解吸出来，经过真空泵16的出口处就可以获得90％浓度的CH₄气体，送入CH₄管网。

一套提纯系统还可以采用三套提纯装置13。三套装置的进口与抽采煤层气压缩机的出口并连，每套装置的进、出口各装一套气动切换阀，一共六个气动切换阀。一个提纯装置进行吸附，另一个提纯装置进行解吸，还有一个己完成吸附准备进入解吸。提纯获得的CH₄气体，就可以不间断地输入CH₄管线。

每套提纯系统所采用的金属材料，都选用不锈钢。防止受外力碰撞发生火花。

每套提纯装置，都要接地、防止静电；整个提纯系统的接地，应连成一个管网。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于井下抽采煤层气的提纯装置，其特征在于：所述提纯装置包括多个吸附板以及用于固定安装所述吸附板的框架，多个所述吸附板间隔排列且相邻二个吸附板之间密封，形成供煤层气流经的流道，所述框架的相对两端分别具有与所述流道的两端连通的进气口和出气口，所述吸附板具有分子筛功能，其能够选择性吸附甲烷而能够使煤层气中分子体积小于甲烷的气体分子通过。

2.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述吸附板为活性炭板。

3.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述吸附板为人字波纹板。

4.根据权利要求3所述的提纯装置，其特征在于：所述吸附板的人字波纹沿吸附板的横向分布排列，人字波的夹角为90‐120°。

5.根据权利要求3或4所述的提纯装置，其特征在于：所述吸附板的厚度为40‐100mm，波纹高为25‐40mm，波距为70‐120mm。

6.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述吸附板的透气率为5％‐20％。

7.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述框架包括固定压紧板、活动压紧板、支柱、上下导杆以及夹紧螺栓，所述的多个吸附板直立安装在所述固定压紧板与活动压紧板之间，在所述吸附板的角上设有角孔，所述的吸附板的的上部和下部分别设有导向槽，通过上、下导杆把吸附板的位置确定在所述固定压紧板与活动压紧板之间，由夹紧螺栓压紧固定，所述的固定压紧板、活动压紧板上分别设置有法兰孔，所述固定压紧板、活动压紧板上的法兰孔分别构成所述进气口和出气口。

8.根据权利要求7所述的提纯装置，其特征在于：在所述框架四周设置有可拆卸的不锈钢板，以构成一个封闭箱体，其中所述法兰孔露出，所述箱体与所述吸附板之间形成有隔离腔，所述隔离腔体内用于填充氮气，在所述箱体顶部设有自动放气阀。

9.一种用于井下抽采煤层气的提纯系统，其特征在于：所述的提纯系统包括如权利要求1至7中任一项权利要求所述的提纯装置以及真空泵，所述的提纯装置的进气口与抽采煤层压缩机连接，所述提纯装置的出气口与所述真空泵的进口连接，所述真空泵的出口与甲烷管线连接。

10.根据权利要求9所述的提纯系统，其特征在于：所述的提纯系统包括2个、3个或更多个所述提纯装置，所述多个提纯装置的进气口与所述抽采煤层压缩机的出口并连，且在各所述提纯装置的进气端和出气端分别安装有气动切换阀，在各所述提纯装置的出气口与出气端的气动切换阀之间分别设有连接管与真空泵的进口连接，在所述的连接管上设置有气动闸阀。