專利名稱：一種煤層氣分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于氣體分離提純領(lǐng)域，尤其涉及煤層氣分離裝置。
背景技術(shù)：
煤層氣主要包含兩種，一種是地面抽取的煤層氣，此種煤層氣中的甲烷含量一般 大于9096，易于處理和利用。另一種是井下抽取的煤層氣，也稱瓦斯氣，其中混有大量空 氣，甲烷含量低，一般在3(Γ60%左右。由于甲烷爆炸極限是5 1596，瓦斯氣的利用具有相 當大困難和風險，為此，煤礦常常對空排放。煤層氣的利用受煤層氣濃度制約，濃度低無法達到工業(yè)利用的要求，這是目前低 濃度煤層氣被大量放空的主要原因。因此，低濃度煤層氣需要經(jīng)過濃縮，提高煤層氣的質(zhì)量 以便于利用。低濃度煤層氣主要濃縮工藝一般都需要壓縮煤層氣，這樣就使得煤層氣的爆 炸范圍變寬，降低了濃縮工藝的安全性。煤層氣濃縮主要問題是其中的氧氣帶來的安全問 題，所以低濃度煤層氣的利用首先需要解決氧氣帶來的安全問題，以此來提高低濃度煤層 氣濃縮工藝的安全性和可靠性。因此低濃度煤層氣的除氧是低濃度煤層氣濃縮技術(shù)必須解 決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國煤層氣的開發(fā)利用較少，在抽放煤層氣濃縮與凈化方面的工作還處于起 步階段，低溫深冷、變壓吸附和膜分離3種技術(shù)都正處在快速發(fā)展的過程。低溫深冷技術(shù) (《一種煤層氣分離利用新技術(shù)及市場應(yīng)用分析》周紅軍、杜武、郭緒強，中國煤層氣，第5卷 第3期2008年7月)已實現(xiàn)工業(yè)化試驗，產(chǎn)品氣中CH4純度高、回收率高，但其能耗大、基礎(chǔ) 投資高，且不適于中小規(guī)模的煤層氣處理；變壓吸附法(《低濃度煤層氣提純的研究現(xiàn)狀》聶 李紅，徐紹平，蘇艷敏，劉淑琴，化工進展，2008年第27卷第10期)包括吸附和脫附再生兩 個過程，當吸附和脫附分別由升壓、降壓來實現(xiàn)時則該過程稱為變壓吸附分離過程。變壓吸 附氣體分離過程設(shè)備簡單、操作方便、運行能耗低，但其工藝適用性強、成氮仍需進一步提 高產(chǎn)品的純度和回收率；膜分離(《膜法分離凈化煤層氣的基礎(chǔ)研究》孟翠翠，牟文荷，羅新 榮，能源技術(shù)與管理，2009年第5期)尚處于研發(fā)階段，其影響煤層氣的分離效果的主要因 素在于膜材料的選擇以及制膜工藝，膜分離適合于提濃不適合于提純?，F(xiàn)在低溫深冷技術(shù) 在我國煤層氣分離方面占據(jù)了重要地位，而變壓吸附和膜分離如果開發(fā)成功，依靠其靈活 便捷的技術(shù)特點，也將發(fā)揮重要的作用，但目前變壓吸附和膜分離在煤層氣濃縮與凈化方 面的推廣應(yīng)用還需要進行大量的基礎(chǔ)研究和工藝改進工作。因此，針對國內(nèi)不同地區(qū)的煤 層氣開采現(xiàn)狀，研究和開發(fā)相應(yīng)的煤層氣分離工藝，不僅能夠提供清潔廉價能源，而且可以 改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染及煤礦瓦斯災(zāi)害。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種實現(xiàn)將低濃度煤層氣濃縮到較高的濃度，同時降低 煤層氣中的氧氣含量的煤層氣分離設(shè)備。本實用新型的煤層氣分離裝置的技術(shù)方案為包括氣體壓縮機、氣體緩沖罐、活性炭過濾器、過濾器、中空纖維膜分離器、聚醋酸纖維平板膜分離器、PLC控制系統(tǒng)和變壓吸附 器；氣體壓縮機1通過輸氣管道依次連接氣體緩沖罐、活性炭過濾器、過濾器、中空纖維膜 分離器、聚醋酸纖維平板膜分離器和變壓吸附器；過濾器和中空纖維膜分離器之間設(shè)置有 第一開關(guān)模塊，所述中空纖維膜分離器和聚醋酸纖維平板膜分離器之間設(shè)置有第一取樣模 塊和第二開關(guān)模塊，所述聚醋酸纖維平板膜分離器和變壓吸附器之間設(shè)置有第二取樣模塊 和第取樣與開關(guān)模塊，中空纖維膜分離器通過第三開關(guān)模塊連接氧氣輸出通道，聚醋酸纖 維平板膜分離器和變壓吸附器分別通過第四開關(guān)模塊和第五開關(guān)模塊連接氮氣輸出通道， 變壓吸附器的另一出口為壓縮氣出口；PLC控制系統(tǒng)分別與第一開關(guān)模塊、第一取樣模塊、 第二開關(guān)模塊、第二取樣模塊和取樣與開關(guān)模塊通過控制線連接。本實用新型的有益效果采用兩級膜分離單元和變壓吸附技術(shù)結(jié)合使用，濃縮 煤層氣，并回收氮氣，將低濃度煤層氣(30飛0%)濃縮到較高的濃度(80%以上)，降低含氧煤 層氣中的氧氣的含量，便于安全的壓縮、輸送以實現(xiàn)低濃度抽放煤層氣的綜合利用。

圖1為煤層氣分離結(jié)構(gòu)示意圖；其中1-氣體壓縮機，2-氣體緩沖罐，3-活性炭過濾器，4-過濾器，5-中空纖維膜 分離器，6-聚醋酸纖維平板膜分離器，7-PLC控制系統(tǒng)，8-變壓吸附分離器，9-第一開關(guān)模 塊，10-第一取樣模塊，11-第二開關(guān)模塊，12-第二取樣模塊，13-取樣與開關(guān)模塊， 14-第三開關(guān)模塊，15-第四開關(guān)模塊，16-第五開關(guān)模塊；圖2為PLC控制系統(tǒng)連接示意圖；圖3為控制系統(tǒng)的控制原理圖；其中101-現(xiàn)場取樣，102-分析計算，103-甲烷濃度和回收率指標比較，104-控制操作。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步說明。如圖1所示，煤層氣分離裝置包括氣體壓縮機1、氣體緩沖罐2、活性炭過濾器3、過 濾器4、中空纖維膜分離器5、聚醋酸纖維平板膜分離器6、PLC控制系統(tǒng)7和變壓吸附器8 ； 氣體壓縮機1通過輸氣管道依次連接氣體緩沖罐2、活性炭過濾器3、過濾器4、中空纖維膜 分離器5、聚醋酸纖維平板膜分離器6和變壓吸附器8 ；過濾器4和中空纖維膜分離器5之 間設(shè)置有第一開關(guān)模塊9，中空纖維膜分離器5和聚醋酸纖維平板膜分離器6之間設(shè)置有第 一取樣模塊10和第二開關(guān)模塊11，聚醋酸纖維平板膜分離器6和變壓吸附器8之間設(shè)置 有第二取樣模塊12和第取樣與開關(guān)模塊13，中空纖維膜分離器5通過第三開關(guān)模塊16連 接氧氣輸出通道，聚醋酸纖維平板膜分離器6和變壓吸附器8分別通過第四開關(guān)模塊15和 第五開關(guān)模塊14連接氮氣輸出通道，變壓吸附器8的另一出口為壓縮氣出口 ；如圖2所示， PLC控制系統(tǒng)7通過通訊線路分別與第一開關(guān)模塊9、第一取樣模塊10、第二開關(guān)模塊11、 第二取樣模塊12和取樣與開關(guān)模塊13通過控制線連接。圖3所示，PLC控制系統(tǒng)7的控制過程為，通過第一取樣模塊10、第二取樣模塊12 或取樣與開關(guān)模塊13進行現(xiàn)場取樣101，通過對取樣數(shù)值的分析計算102，根據(jù)甲烷濃度和回收率指標103進行控制操作，如果滿足設(shè)置的指標，則進行打開或閉合第一開關(guān)模塊9， 第二開關(guān)模塊11或取樣與開關(guān)模塊13操作，不滿足相應(yīng)指標，則重新進行現(xiàn)場取樣101。煤層氣分離裝置的工作過程為首先將抽采出的低濃度煤層氣(30飛0%)通過氣 體壓縮機1，產(chǎn)生高壓氣體，此處所選用的壓縮機1應(yīng)為防爆、無油壓縮機，避免煤層氣爆 炸。由于煤層氣在抽采過程中含有大量的油、水、塵，對于吸附劑使用壽命具有較大的影響， 必須凈化后，再進行除氧。通過活性炭過濾器3對水、油及有害氣體進行吸附脫除，經(jīng)活性 炭過濾器3處理后的煤層氣再經(jīng)過四級過濾器4進行除水、除油、除塵凈化。然后經(jīng)過膜處 理單元，第一級膜處理單元為中空纖維膜分離器5除去煤層氣中的氧氣，第二級膜處理單 元為聚醋酸纖維平板膜分離器6，用于除去部分氮氣，然后再通過變壓吸附器8，進一步除 氮，純化產(chǎn)品氣體。PLC控制系統(tǒng)7是負責裝置的取樣和開關(guān)動作順序及動作時間等的控 制，調(diào)整吸附劑對原料氣的吸附時間及吸附工藝，控制混合氣體中氧氣所占的比率。例如 在第一取樣模塊10或第二取樣模塊12處，進行實時取樣，并將數(shù)據(jù)傳送到PLC控制系統(tǒng)7， 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，與甲烷濃度和回收率指標比較后，將指令傳遞給相應(yīng)的第一開關(guān)模塊9或 第二開關(guān)模塊11，進行實時調(diào)節(jié)開關(guān)閉合程度。取樣與開關(guān)模塊13用于調(diào)整吸附劑對原料 氣的吸附時間，吸附完成后，壓縮后的氣體輸出到相應(yīng)的容器中。在裝置運行過程中可以通 過第三開關(guān)模塊14，第四開關(guān)模塊15控制氮氣的回收處理，通過第五開關(guān)模塊16控制廢 氣的回收處理。PLC控制系統(tǒng)7上可以設(shè)置輸入輸出模塊和指示模塊，輸入模塊用于進行手動或 自動控制的設(shè)置，指示模塊用于顯示工作點的變化情況，以用于故障自動報警，輸出模塊可 以在顯示屏上顯示裝置運行情況，使裝置便于維護。本裝置操作簡單，維護方便，在任何環(huán) 境下不會產(chǎn)生記憶丟失現(xiàn)象。
實施例選用含02 10%,含N237. 68%，其余為甲烷的混合氣體。膜分離工藝參數(shù)如下膜 孔徑為<0.01 μ m，高壓與低壓比為>4，原料氣壓力>2000 P a,原料氣溫度<25°C ；變壓 吸附工藝參數(shù)如下加壓吸附的壓力控制在0. 6-2. 5 M pa范圍內(nèi)，降壓解吸的壓力控制在 0. 1 - 0. 02 M pa負壓范圍內(nèi)，溫度3_25°C ；通過上述步驟，獲得CH4的純度達到90. 35%。 本發(fā)明采用變壓吸附和膜分離技術(shù)結(jié)合使用，達到了預(yù)期的目標。
權(quán)利要求1.一種煤層氣分離裝置，包括氣體壓縮機(1)、氣體緩沖罐(2)、活性炭過濾器(3)、過 濾器(4)、中空纖維膜分離器(5)、聚醋酸纖維平板膜分離器(6)、PLC控制系統(tǒng)(7)和變壓吸 附器(8);其特征在于所述氣體壓縮機(1)通過輸氣管道依次連接氣體緩沖罐(2)、活性炭 過濾器(3)、過濾器(4)、中空纖維膜分離器(5)、聚醋酸纖維平板膜分離器(6)和變壓吸附 器(8);所述過濾器(4)和中空纖維膜分離器(5)之間設(shè)置有第一開關(guān)模塊(9)，所述中空纖 維膜分離器(5)和聚醋酸纖維平板膜分離器(6)之間設(shè)置有第一取樣模塊(10)和第二開關(guān) 模塊(11)，所述聚醋酸纖維平板膜分離器(6)和變壓吸附器(8)之間設(shè)置有第二取樣模塊 (12)和第取樣與開關(guān)模塊(13)，中空纖維膜分離器(5)通過第三開關(guān)模塊(16)連接氧氣 輸出通道，聚醋酸纖維平板膜分離器(6)和變壓吸附器(8)分別通過第四開關(guān)模塊(15)和 第五開關(guān)模塊(14)連接氮氣輸出通道，變壓吸附器(8)的另一出口為壓縮氣出口 ；PLC控制 系統(tǒng)(7)分別與第一開關(guān)模塊(9)、第一取樣模塊(10)、第二開關(guān)模塊(11)、第二取樣模塊 (12)和取樣與開關(guān)模塊(13)通過控制線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣分離裝置，其特征在于，所述壓縮機(1)為防爆、 無油壓縮機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣分離裝置，其特征在于，所述PLC控制系統(tǒng)(7)設(shè) 有輸入輸出模塊或指示模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤層氣分離裝置，其特征在于，所述PLC控制系統(tǒng)(7)設(shè) 有指示模塊。
專利摘要本實用新型公開一種煤層氣分離裝置，該裝置包括氣體壓縮機(1)、氣體緩沖罐(2)、活性炭過濾器(3)、過濾器(4)、中空纖維膜分離器(5)、聚醋酸纖維平板膜分離器(6)、PLC控制系統(tǒng)(7)和變壓吸附器(8)；氣體壓縮機1通過輸氣管道依次連接氣體緩沖罐(2)、活性炭過濾器(3)、過濾器(4)、中空纖維膜分離器(5)、聚醋酸纖維平板膜分離器(6)和變壓吸附器(8)。該裝置采用兩級膜分離單元和變壓吸附技術(shù)結(jié)合使用，濃縮煤層氣，并回收氮氣，將低濃度煤層氣濃縮到較高的濃度，降低含氧煤層氣中的氧氣的含量，其設(shè)備簡單，維護方便。
文檔編號E21B43/34GK201924909SQ201120005618
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者于永濤, 周詩崠, 李恩田, 王樹立, 譚占廷, 陳云 申請人:常州大學