專利名稱：一種帶吸附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于變壓吸附氣體分離領(lǐng)域，涉及一種真空變壓吸附富集煤礦乏風(fēng)瓦斯的方法，能用于甲烷、二氧化碳等強吸附組分氣體的富集。
背景技術(shù)：
我國每年有180億m3以上的純甲烷混入礦井風(fēng)流中通過乏風(fēng)排空，這相當(dāng)于3600 多萬噸煤炭被白白浪費掉。不僅如此，甲烷是僅次于(X)2的第二大溫室氣體，甲烷排放對大氣環(huán)境的破壞，已經(jīng)成為全世界共同面臨的重大環(huán)境問題。我國是一個煤炭大國，據(jù)統(tǒng)計2000m以內(nèi)的煤層氣儲量為36萬億立方米，占全世界煤層氣儲量的12. 5%，居世界第三位，但每年因采煤排放的甲烷氣體占世界采煤排放煤層氣總量的1/3，居世界第一位。大量甲烷氣體排入大氣中主要是由于甲烷氣體濃度較低。被排放的甲烷氣中礦井乏風(fēng)瓦斯占 80%-90%，其平均濃度約為0. 25%。如此低濃度的瓦斯氣體利用難度較大，目前的乏風(fēng)瓦斯氧化裝置一般要求甲烷濃度高于0. 3%后才能維持穩(wěn)定工作，當(dāng)甲烷濃度超過0. 5%后瓦斯氧化裝置才能用于發(fā)電，超過0.8%后可以利用稀燃燃氣輪機發(fā)電。因此，將低甲烷濃度的乏風(fēng)瓦斯氣進行富集，并加以利用具有十分重大的意義。在所有的氣體分離方法中，變壓吸附法以其投資小，運行費用低等優(yōu)勢在氣體分離領(lǐng)域方面受到廣泛的關(guān)注。在回收重組分氣體的吸附分離過程中，為保證回收率一般都控制排放氣中強吸附組分氣體的濃度，這樣勢必導(dǎo)致傳質(zhì)區(qū)還停留在吸附塔內(nèi)，影響產(chǎn)品氣體的濃度。在吸附壓力高的情況下一般通過順向降壓的方法將傳質(zhì)區(qū)移出吸附塔，提高產(chǎn)品氣濃度，如專利CN85103557A富集煤礦瓦斯氣體，CN101422683A回收一氧化碳氣體等都加入順向降壓步驟。但當(dāng)吸附壓力較低時則無法實現(xiàn)順向降壓，或者順向降壓的幅度比較小。專利CN101503335A、CN101502740A中利用公布了一種多級吸附分離煤礦瓦斯的流程，甲烷作為重組分氣體被吸附，通過抽真空解吸的方法獲取高濃度甲烷的產(chǎn)品氣。在第一級吸附過程中，控制排放氣中甲烷濃度為一較大值，這樣則可以將傳質(zhì)區(qū)移出吸附塔，較高濃度的排放氣進入另外一級吸附分離裝置進行分離，分離后獲得的氣體再返回到原料氣入口端進行分離。這樣的流程雖然可以在較高收率的情況下提高濃度，但系統(tǒng)較復(fù)雜，同時也增大了設(shè)備的投資。

發(fā)明內(nèi)容
了提高變壓吸附分離過程中瓦斯氣的濃度，本發(fā)明提供一種吸附塔排氣端抽排的吸附分離方法。該方法可以提高產(chǎn)品氣甲烷的濃度。一種帶吸附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法，通過真空變壓吸附的方法實現(xiàn)低濃度瓦斯氣體的富集。所述真空變壓吸附方法中甲烷氣體為強吸附組分，富含甲烷的產(chǎn)品氣在降壓解吸過程中獲得。所述提高變壓吸附提濃煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊姆椒ㄖ谐檎婵盏臍怏w部分排放。所述變壓吸附法中使用的吸附劑為對甲烷具有選擇性吸附能力的吸附劑，可以為沸石分子篩、活性炭、MOF (金屬有機骨架材料)等。所述變壓吸附分離裝置包含至少2個吸附塔，也可以為2塔以上的任意吸附塔。所述的變壓吸附法的工藝流程主要包括升壓、吸附、均壓降、抽真空排放、抽真空、均壓升這六個步驟。所述變壓吸附工藝參數(shù)如下吸附壓力控制在絕壓0. IMPa 0. 16ΜΙ^之內(nèi)，降壓解吸壓力控制在絕壓0. OlMPa 0. 08MPa之內(nèi)。所述變壓吸附過程中，在均壓降結(jié)束后先從吸附塔上端抽真空，將抽出的部分氣體排放掉。這樣可以避免解吸初始階段流出的甲烷體積分數(shù)相對較低的氣體進入產(chǎn)品氣中，可以提高真空變壓吸附富集煤礦乏風(fēng)瓦斯氣的濃度。本系統(tǒng)主要由以下部分組成鼓風(fēng)機-1，進氣緩沖罐_2，第一進氣控制閥-3A、第二進氣控制閥-3B，第一抽真控制閥-4A、第二抽真控制閥-4B，第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B，第一排放氣控制閥-6A、第二排放氣控制閥6B，第一均壓控制閥-7A、第二均壓控制閥-7B，第一抽排控制閥-8、第二抽排控制閥-13、第三抽排控制閥-14，單向閥-9，排放氣緩沖罐-10，排放氣流量調(diào)節(jié)閥-11，真空泵-12。鼓風(fēng)機-1經(jīng)進氣緩沖罐-2通過第一進氣控制閥-3A和第二進氣控制閥-:3B分別與第一吸附塔-5A和第二吸附塔-5B下端相連， 第一吸附塔-5A通過第一抽真控制閥-4A與真空泵-12相連，第二吸附塔-5B通過第二抽真控制閥-4B與真空泵-12相連。第一吸附塔-5A、第一抽排控制閥8 一端與第一均壓控制閥7A、第二均壓控制閥7B相連，另一端與真空泵相連，實現(xiàn)吸附塔排氣端的抽真空步驟。 第二抽排控制閥13連接真空泵排氣端和鼓風(fēng)機入口端，用于回收抽排氣中的甲烷氣體，第三抽排控制閥14 一端與真空泵相連，另一端作為產(chǎn)品氣的輸出端；第一排放氣控制閥6A和第二排放氣控制閥6B —端分別與第一吸附塔-5A和第二吸附塔-5B上端相連，另一端經(jīng)單向閥-9與排放氣緩沖罐-10、排放氣流量調(diào)節(jié)閥-11相連。本發(fā)明的有益效果是
1)可以提高真空變壓吸附富集煤礦乏風(fēng)瓦斯中產(chǎn)品氣甲烷的體積分數(shù)；
2)通過變壓吸附的方法富集混合氣體中的某一種氣體，其初投資低，運行成本低，操作靈活方便；
3)本發(fā)明可以使低濃度的乏風(fēng)瓦斯氣得到充分的利用，減少瓦斯氣體排放對環(huán)境的污染，具有重大的經(jīng)濟和環(huán)境意義。4)本發(fā)明還還可以用于回收其他含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳等強吸附組分的氣體。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明的工藝流程圖中標(biāo)記為鼓風(fēng)機-1，進氣緩沖罐-2，第一進氣控制閥-3A、第二進氣控制閥-3B， 第一抽真控制閥-4A、第二抽真控制閥-4B，第一吸附塔-5A、第二吸附塔-5B，第一排放氣控制閥-6A、第二排放氣控制閥-6B，第一均壓控制閥-7A、第二均壓控制閥-7B，第一抽排控制閥-8、第二抽排控制閥-13、第三抽排控制閥-14，單向閥-9，排放氣緩沖罐-10，排放氣流量調(diào)節(jié)閥-11，真空泵-12。
具體實施例方式實施例將甲烷體積分數(shù)為0. 2%的乏風(fēng)氣體濃縮到0. 5%以上。如圖1所示，一種帶吸附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法，原料氣由鼓風(fēng)機1加壓，經(jīng)進氣緩沖罐2和第一進氣控制閥3A、第二進氣控制閥;3B流入第一吸附塔 5A、第二吸附塔5B。第一吸附塔5A和第二吸附塔5B內(nèi)的吸附劑吸附原料氣中的強吸附組分甲烷和部分氮氣和氧氣后，余下的含有微量甲烷氣體的混合氣經(jīng)第一排放氣控制閥6A、 第二排放氣控制閥6B過單向閥-9通過排放氣緩沖罐-10、排放氣流量調(diào)節(jié)閥-11流出。吸附結(jié)束后的吸附塔經(jīng)過均壓降后，產(chǎn)品氣由真空泵12經(jīng)第一抽真控制閥4A、第二抽真控制閥4B、從第一吸附塔5A、第二吸附塔5B中抽出。均壓過程通過第一均壓控制閥7A、第二均壓控制閥7B實現(xiàn)。第一抽排控制閥8 一端與第一均壓控制閥7A、第二均壓控制閥7B相連， 另一端與真空泵相連，實現(xiàn)吸附塔排氣端的抽真空步驟。第二抽排控制閥13連接真空泵排氣端和鼓風(fēng)機入口端。其循環(huán)時序如表1所示，下面以第一吸附塔5A為例對分離過程進行說明。(1)原料氣經(jīng)鼓風(fēng)機1加壓，經(jīng)進氣緩沖罐2和第一進氣控制閥3A進入第一吸附塔5A，完成充壓步驟；
(2)充壓結(jié)束后原料氣繼續(xù)進入第一吸附塔5A，此時第一排氣控制閥6A打開，氣體在流動過程中甲烷被吸附，未被吸附的含有較低甲烷體積分數(shù)的氣體通過第一排氣控制閥6A 排出；
(3)當(dāng)甲烷從第一吸附塔5A中穿透后，關(guān)閉第一排氣控制閥6A，打開第一均壓控制閥 7A和第二均壓控制閥7B對吸附塔進行均壓，此時第一吸附塔5A內(nèi)壓力降低，第二吸附塔 5B壓力升高；
(4)完成均壓后關(guān)閉第二均壓控制閥7B和第一進氣控制閥3A，打開第一抽排控制閥8 對第一吸附塔5A抽真空，此時抽出的氣體甲烷體積分數(shù)相對較低，這部分氣經(jīng)過第二抽排控制閥13返入原料氣中；
(5)抽排結(jié)束后關(guān)閉第一抽排控制閥8和第二抽排控制閥13打開第一抽真控制閥4A 和第三抽排控制閥14，此時抽出的氣為含有較高甲烷體積分數(shù)的產(chǎn)品氣；
(6)抽真空結(jié)束后，關(guān)閉第一抽真控制閥4A，打開第一均壓控制閥7A和第二均壓控制閥7B，對第一吸附塔5A進行均壓升；
(7)重復(fù)步驟(1)-(6)。如此則完成了一個循環(huán)。表1循環(huán)時序表
權(quán)利要求
1.一種附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法，其特征是通過真空變壓吸附的方法實現(xiàn)低濃度瓦斯氣體的富集，并在吸附過程中引入抽真空排放的工藝步驟；所述真空變壓吸附方法中甲烷氣體為強吸附組分，富含甲烷的產(chǎn)品氣在降壓解吸過程中獲得，真空變壓吸附中抽真空的氣體部分排放；所述真空變壓吸附方法中使用的吸附劑為對甲烷具有選擇性吸附能力的吸附劑，包括為沸石分子篩、活性炭、金屬有機骨架材料；其中變壓吸附分離裝置包含至少2個吸附塔，或為2塔以上的任意吸附塔；真空變壓吸附法的工藝流程主要包括升壓、吸附、均壓降、抽真空排放、抽真空、均壓升這六個步驟；所述變真空壓吸附工藝參數(shù)如下吸附壓力控制在絕壓0. IMPa 0. 16MPa之內(nèi)，降壓解吸壓力控制在絕壓0. OlMI^a 0. OSMI^a之內(nèi)；完成吸附過程的吸附塔在均壓降結(jié)束過程后，先利用真空泵從吸附塔排氣端抽氣，此部分氣體不進入產(chǎn)品氣中。
2.如權(quán)利要求1所述的一種帶吸附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法，其特征是采用的富集裝置由以下部分組成鼓風(fēng)機-(1)、進氣緩沖罐-(2)、第一進氣控制閥-(3A)、第二進氣控制閥-(3B)、第一抽真控制閥_(4A)、第二抽真控制閥44B)、第一吸附塔_(5A)、第二吸附塔_(5B)、第一排放氣控制閥_(6A)、第二排放氣控制閥- 、第一均壓控制閥_(7A)、第二均壓控制閥_(7B)、第一抽排控制閥_(8)、第二抽排控制閥-(13)、 第三抽排控制閥-(14)、單向閥-(9)、排放氣緩沖罐-(10)、排放氣流量調(diào)節(jié)閥-(11)、真空泵-(1 ；鼓風(fēng)機-(1)經(jīng)進氣緩沖罐-( 通過第一進氣控制閥-(3A)和第二進氣控制閥-(3B)分別與第一吸附塔_(5A)和第二吸附塔_(5B)下端相連；第一吸附塔_(5A) 通過第一抽真控制閥_(4A)與真空泵-(1 相連，第二吸附塔_(5B)通過第二抽真控制閥-GB)與真空泵-(1 相連；第一吸附塔_(5A)、第一抽排控制閥-(8) —端與第一均壓控制閥_(7A)、第二均壓控制閥-(7B)相連，另一端與真空泵(12)相連，實現(xiàn)吸附塔排氣端的抽真空步驟；第二抽排控制閥(13)連接真空泵排氣端和鼓風(fēng)機入口端；第三抽排控制閥-(14) 一端與真空泵相連，另一端作為產(chǎn)品氣的輸出端；第一排放氣控制閥_(6A)和第二排放氣控制閥_(6B) —端分別與第一吸附塔_(5A)和第二吸附塔_(5B)上端相連，另一端經(jīng)單向閥_(9)與排放氣緩沖罐_(10)、排放氣流量調(diào)節(jié)閥-(11)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的的一種帶吸附塔排氣端抽排步驟的煤礦乏風(fēng)瓦斯富集方法，其特征是所述煤礦乏風(fēng)瓦斯甲烷體積分數(shù)為0. 2% ；所述吸附劑采用椰殼活性炭；所述吸附壓力最高為150kPa，所述降壓解吸壓力最低為20kPa ；最后獲得的產(chǎn)品氣甲烷體積分數(shù)大于0. 5%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高真空變壓吸附富集煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊姆椒?。它是通過抽真空的方法，從解吸階段獲得產(chǎn)品氣。為提高產(chǎn)品氣中甲烷氣體的體積分數(shù)，在抽真空初始階段從吸附塔排氣端抽氣，抽出的這部分氣體再返入原料氣中。本發(fā)明中吸附塔內(nèi)使用的吸附劑為對甲烷具有選擇性吸附能力的吸附劑可以為活性炭、沸石分子篩、MOF。本發(fā)明中控制吸附壓力在0.16MPa以內(nèi)，可以在較低能耗下將煤礦乏風(fēng)瓦斯中的甲烷加以富集，實現(xiàn)煤礦乏風(fēng)瓦斯中甲烷氣體的利用，同時可以減少溫室氣體的排放。本發(fā)明還可以用于其它富甲烷、二氧化碳、一氧化碳等強吸附組分氣體的富集提濃。
文檔編號B01D53/047GK102389685SQ201110305728
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者劉應(yīng)書, 孟宇, 張傳釗, 施紹松, 李永玲, 楊海軍, 楊雄 申請人:北京科技大學(xué)