一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備的制作方法
【專利摘要】一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備，包括：空氣壓縮機、質量流量計、電磁閥、紅外線氣體分析器、真空泵、在線采集系統等。本設備優點：雙塔吸附解吸系統，一個塔進行吸附的同時另一個塔進行脫附；室溫、常壓吸附，真空解析，反應條件容易達到，有工業化大生產的可能；能夠分離提純低于0.5%的超低濃度瓦斯，有效解決低于1%的礦井瓦斯無法利用的難題。吸附塔內設置有3條相互串聯的吸附管道，增加了氣體穿透時間，提高吸附劑的吸附效率；吸附塔內設置有緩沖區域，并通過管道將吸附解析塔相連接，減少在切換工作過程中，真空泵的能耗，提高經濟效率；多級濃度提升裝置，可滿足不同工作條件，并能夠回收產品氣中低濃度的甲烷，進一步減少甲烷的排放。
【專利說明】一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備
【技術領域】
[0001]本實用新型公開一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備，屬于資源和能源領域，主要包括:空氣壓縮機、質量流量計、電磁閥、紅外線氣體分析器、真空泵、在線采集系統等。
【背景技術】
[0002]我國煤層氣資源儲量豐富，埋深2000m以淺的煤層氣資源儲量中，可開采量約36.86萬億m3，但在開采的過程中，煤層氣因空氣的混入使甲烷濃度僅有20%-45%，甚至更低，過低濃度的煤層氣燃燒熱值太低且沒有長距離管路輸送的經濟價值。為防止發生煤礦瓦斯爆炸，過去的處理方法是礦井通風排空或進行瓦斯抽放，使礦井瓦斯濃度避開5%-15%的爆炸濃度范圍。我國每年向大氣排放150億m3的煤層氣主要含甲烷，約占世界排放總量的1/3。CH4產生的溫室效應是CO2的21倍，甲烷排人大氣而引起氣候異常以及對臭氧層的破壞，已經成為全世界共同面臨的重大問題。
[0003]因此，如何將甲烷濃縮加以利用，已成為煤層氣開發的首要問題。開發低濃度煤層氣提純技術不僅能提高煤礦安全、降低環境污染，還有助于解決我國能源結構不合理、能源短缺等難題。變壓吸附法能夠有效解決這一技術難題，該方法能夠將低濃度煤礦瓦斯分離提純，得到高濃度甲烷氣體，是一種有效可行的解決礦井瓦斯浪費問題的裝置。但目前設計的變壓吸附裝置都停留在吸附提純濃度> 1%的礦井瓦斯氣體，低于1%的瓦斯氣體的吸附提純領域有待開發。
[0004]本實用新型的裝置，吸附提純0.1%-5%的瓦斯氣體，彌補低于1%的瓦斯氣體無法吸附提純的技術和設備空白。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種含超度濃度甲烷氣低于1%的氣體分離吸附裝置，它解決了現有礦井乏風直接排放到大氣中存在的浪費能源和污染環境等問題，并達到資源化利用的效果。本實用新型中S型串聯的吸附管道的設計，可以延長穿透時間，提高甲烷的吸附效率；兩塔之間緩沖區域的設計是對現有工藝中均壓方式的進一步改善，很大程度上使純化氣體在吸附塔內吸附更合理，并減少能耗；多級濃度提升裝置，可以根據不同的要求得到不同濃度的甲烷氣體，尾氣回收站裝置的設置，能夠最大限度的利用甲烷，進一步提高甲烷回收率。本實用新型總體結構設計合理，體積小，減少投資成本和占地面積，可以有效利用煤礦乏風中的甲烷來提供大量清潔能源，促進煤礦通風的體積性，推進煤礦安全生產。
[0006]本實用新型要解決的技術問題是提供一種變壓吸附塔，有效地提高了對低濃度瓦斯氣體的吸附效率。本實用新型的裝置可使濃度低于0.5%的煤礦瓦斯氣富集到具有高熱值并廣泛用途的高濃度甲烷氣體。
[0007]—種超低濃度瓦斯高效富集分離設備，該設備第一級濃度提升裝置包括空氣壓縮機1、第一質量流量計2、第二質量流量計7，第一緩沖罐3、第二緩沖罐6、第三緩沖罐11，第一電磁閥4a、第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第四電磁閥4d、第五電磁閥4e、第六電磁閥4f、第七電磁閥4g、第八電磁閥4h，真空泵5，第一紅外線氣體分析器8a、第二紅外線氣體分析器Sb、第三紅外線氣體分析器Sc，第一限壓閥9、第二限壓閥16，單向閥10，采集卡12，計算機13，第一級吸附塔14a、第一級解析塔14b，轉子流量計15，PLC17，第一壓力表18a、第二壓力表18b、第三壓力表18c、第四壓力表18d,第一液量顯不儀19a、第二液量顯不儀19b,第一干燥管20a、第二干燥管20b、第三干燥管20c，真空顯示儀21，所述第一級吸附塔14a內設第一吸附管道22、第二吸附管道23、第三吸附管道24、第一連接管道25、第一緩沖區域A和第九電磁閥26a、所述第一級解析塔14b內設第一解析管道27、第二解析管道28、第三解析管道29、第二連接管道30、第二緩沖區域B和第十電磁閥26b ;第二級、第三級和第四級濃度提升裝置和第一級濃度提升裝置設備組成和安裝位置相同；
[0008]其中，所述空氣壓縮機I經所述第一質量流量計2和第一緩沖罐3串連，所述第一緩沖罐3通過第二電磁閥4b、第四電磁閥4d分別與第一級吸附塔14a和第一級解析塔14b的下端相連；所述第一緩沖罐3與第一干燥管20a、第二限壓閥16和第一紅外線氣體分析器8a所組成的氣路串連；所述第一電磁閥4a、第三電磁閥4c分別連接第一級吸附塔14a和第一級解析塔14b的下端，并與第二電磁閥4b、第四電磁閥4d相連；所述第一級吸附塔14a和第一級解析塔14b塔體中部通過第八電磁閥4h相連；說述第一電磁閥4a、第三電磁閥4c相互并聯后依次與真空泵5、第二緩沖罐6、第二干燥管20b、第二質量流量計7、第二紅外線氣體分析器8b相連；所述第二紅外線氣體分析器Sb末端解析氣出氣口與第二級濃度提升裝置的原料氣進氣口相連；所述第二級濃度提升裝置的解析氣出氣端與第三級濃度提升裝置原料氣進氣口相連；所述第三級濃度提升裝置的解析氣出氣端與第四級濃度提升裝置原料氣進氣口相連；所述第一級吸附塔14a上端與第五電磁閥4e和第一壓力表18a相連；所述第一級解析塔14b上端與第六電磁閥4f和第二壓力表18b相連；所述第一壓力表18a和第二壓力表18b通過第七電磁閥4g相連；所述第五電磁閥4e和第六電磁閥4f并聯后與單向閥10前段相連；所述單向閥10后端與第三緩沖罐11前段相連；說述第三緩沖罐11依次與第三干燥管20c、第一限壓閥9、轉子流量計15、第三紅外線氣體分析器Sc串聯；所述第三紅外線氣體分析器8c末端產品氣出氣口接尾氣回收裝置；所述尾氣回收裝置與第一級濃度提升裝置原料氣進氣端相連；所述第二級、第三級和第四級濃度提升裝置和第一級濃度提升裝置設備組成和安裝位置相同。
[0009]所述質量第一流量計2、第二流量計7與計算機12相連；所述安置在第一級吸附塔14a和第一級解析塔14b下端的第三壓力表18c和第四壓力表18d相連；所述第一電磁閥4a、第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第四電磁閥4d、第五電磁閥4e、第六電磁閥4f、第七電磁閥4g、第八電磁閥4h、第九電磁閥26a、第十電磁閥26b與PLC17相連；所述PLC17和在線采集卡12串聯后與計算機13相連。
[0010]第一級吸附塔14a內部結構為:包括由第一吸附管道22、第二吸附管道23、第三吸附管道24三段管道呈S形串聯的管道和第一緩沖區域A組成。管道內放置有吸附劑活性碳，管道以外吸附塔以內區域為第一緩沖區域A，第一緩沖區域A與第三吸附管道24通過第一連接管道25相連，第一連接管道25內設置有第九電磁閥26a。
[0011]第一級解析塔14b內部結構為:包括由第一解析管道27、第二解析管道28、第三解析管道29三段管道呈S形串聯的管道和第二緩沖區域B組成。管道內放置有吸附劑活性碳，管道以外吸附塔以內區域為第二緩沖區域B，第二緩沖區域B與第三解析管道29通過第二連接管道30相連，第二連接管道30內設置有第十電磁閥26b。
[0012]進一步，吸附塔或解析塔內呈S形串聯的管道的管道直徑和總長度的比值為1:4 ?1:12。
[0013]內置S型串聯吸附塔設計參數
[0014]本吸附塔內部結構如圖2和圖3所示，第一吸附管道22、第二吸附管道23、第三吸附管道24為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，第一緩沖區域A與第三吸附管道24通過第一連接管道25相連，第一連接管道25內設置有第九電磁閥26a ;第一解析管道27、第二解析管道28、第三解析管道29為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，第二緩沖區域B與第三解析管道29通過第二連接管道30相連，第二連接管道30內設置有第十電磁閥26b。
[0015]吸附解析塔內管道直徑和總長度的比值一般為1:4?1:12，管道直徑和長度通過影響甲烷穿透時間，從而影響甲烷的吸附效率和最終的甲烷回收效率，因此需根據具體的原料氣流量和流速選定具體的數值。
[0016]本實用新型具體選取吸附解析塔內管道直徑和總長度的最優比值為1:9，來設計500sCCm的原料氣流量設計吸附塔和解析塔。因此，吸附塔內第一吸附管道、第二吸附管道、第三吸附管道尺寸均為Φ80_Χ4mm,長240mm,吸附塔尺寸為Φ 126_X IOmm,長250mm ;吸附管道外壁和吸附塔內壁之間的空隙作為緩沖區域。吸附管道內和緩沖區域放置特質鐵絲網，吸附塔內吸附管道填裝原材料比表面積為600-800m2/g經改性后比表面積達1000-2500m2/g的活性炭250g，緩沖區域內填裝活性炭25g ;解析塔與吸附塔的結構尺寸和填裝物均相同。
[0017]與一般的吸附塔相比，本實用新型內置S型串聯吸附塔，S型管道的設計增加了氣體在吸附塔內的穿透時間，能夠更充分的吸附低濃度的甲烷氣體，最終得到的氣體甲烷濃度可達70%-99%以上，最高可達99.88% ;回收效率能達95-99%以上，最高可達99.99%，比一般吸附塔效率高出5-8%，并且由于緩沖區域的存在，減少在切換工作過程中，真空泵的能耗，提高經濟效率。
[0018]本實用新型具有如下優點:雙塔吸附解吸系統，一個塔進行吸附的同時另一個塔進行脫附；室溫、常壓吸附，真空解析，反應條件容易達到，有工業化大生產的可能；能夠分離提純低于0.5%的超低濃度瓦斯，有效解決低于1%的礦井瓦斯無法充分利用的難題。
[0019]與其他實用新型的不同之處在于，吸附解析塔內設置有3條相互串聯的吸附解析管道，增加了氣體穿透時間，提高吸附劑的吸附效率；吸附解析塔內設置有緩沖區域，并通過管道將處于不同工作狀態的兩個吸附解析塔相連接，減少在切換工作過程中，真空泵的能耗，提高經濟效率；多級濃度提升裝置，可以滿足不同工作條件，并能夠回收產品氣中低濃度的甲烷，進一步減少甲烷的排放。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]以下結合附圖對本實用新型型作進一步描述。
[0021]圖1是本實用新型的一種結構框架圖。
[0022]圖中序號說明第一級濃度提升裝置:空氣壓縮機1、第一質量流量計2、第二質量流量計7，第一緩沖罐3、第二緩沖罐6、第三緩沖罐11，第一電磁閥4a、第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第四電磁閥4d、第五電磁閥4e、第六電磁閥4f、第七電磁閥4g、第八電磁閥4h，真空泵5，第一紅外線氣體分析器8a、第二紅外線氣體分析器Sb、第三紅外線氣體分析器Sc，第一限壓閥9、第二限壓閥16，單向閥10，采集卡12，計算機13，第一吸附塔14a、第一級解析塔14b，轉子流量計15，PLC17，第一壓力表18a、第二壓力表18b、第三壓力表18c、第四壓力表18d,第一液量顯不儀19a、第二液量顯不儀19b,第一干燥管20a、第二干燥管20b、第三干燥管20c，真空顯示儀21 ；
[0023]第二級、第三級和第四級濃度提升裝置和第一級濃度提升裝置設備組成和安裝位置相同；
[0024]圖2a是第一級吸附塔內置結構俯視圖
[0025]圖2b是第一級解析塔內置結構俯視圖
[0026]22、23、24管道為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，緩沖區域A與吸附管道24通過管道25相連，管道25內設置有第九電磁閥26a ;27、28、29管道為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，緩沖區域B與吸附管道29通過管道30相連，管道30內設置有第十電磁閥26b。
[0027]圖3a是第一級吸附塔內置管道側視圖
[0028]圖3b是第一級解析塔內置管道側視圖
[0029]第一吸附管道22、第二吸附管道23、第三吸附管道24為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，第一緩沖區域A與第三吸附管道24通過第一連接管道25相連，第一連接管道25內設置有第九電磁閥26a ;第一解析管道27、第二解析管道28、第三解析管道29管道為S形串聯的吸附管道，管道里放置有吸附劑活性碳，第二緩沖區域B與第三解析管道29通過第二連接管道30相連，第二連接管道30內設置有第十電磁閥26b。
【具體實施方式】
[0030]根據圖1詳細說明本實用新型的具體結構。該含低濃度甲烷氣的分離吸收裝置包括配氣裝置空氣壓縮機I將原料氣純度為99.99%的甲烷氣與空氣配成一定濃度的低濃度甲烷氣體；氣體流量控制和緩沖干燥裝置第一質量流量計2、第二質量流量計7，第一緩沖罐3、第二緩沖罐6、第三緩沖罐11以及連接在緩沖罐和流量計之間的第一干燥管20a、第二干燥管20b、第三干燥管20c，通過第一質量流量計2檢測和控制進入本實用新型型裝置內的氣體量，通過第一緩沖罐3、第二緩沖罐6和第三緩沖罐11來限制裝置管道內氣體壓強，通過第一干燥管20a、第二干燥管20b、第三干燥管20c除去氣體中的水分，減少對后續精密儀器的耗損；氣體流向控制系統，第一電磁閥4a、第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第四電磁閥4d、第五電磁閥4e、第六電磁閥4f、第七電磁閥4g、第八電磁閥4h和單向閥10 ;在線采集系統，氣體濃度在線采集卡12和PLC17以及計算機13 ;主吸附解析裝置，第一吸附塔14a、第一級解析塔14b。
[0031]該實驗裝置通過PLC控制電磁閥的開關，以實現甲烷和氮氣分離過程的循環連續進行。煤層氣經壓縮機升壓后，經控制閥的開閉，交替的流入兩個裝有活性炭的吸附塔。煤層氣流經吸附塔時甲烷被活性炭吸附留在吸附塔內，剩余氣體從吸附塔的上端排出。排放氣的流量通過浮子流量計調節。含高濃度甲烷的解析氣通過抽真空的方法從吸附塔下端抽出，抽真空壓力約為20kPa。解析氣流量由質量流量計測量。循環時序通過歐姆龍PLC控制器實現。
[0032]兩塔真空變壓吸附過程，每個吸附塔都要經歷充壓、吸附、均壓降、抽真空、均壓升五個工藝步驟。以第一級吸附塔14a進行吸附工作，第一級解析塔14b進行解析工作為例進行說明:
[0033](I)充壓:第一級吸附塔14a完成均壓升后，原料氣進入第一級吸附塔14a對吸附塔進行升壓；
[0034](2)吸附:第一級吸附塔14a完成升壓后，原料氣繼續進入吸附塔，同時打開第一級吸附塔14a上端的排氣閥，含低濃度甲烷的產品氣從吸附塔上端流出；
[0035](3)均壓降:當第一級吸附塔14a吸附達到飽和后，將兩吸附塔連通，此時第一級吸附塔14a壓力降低，第一級解析塔14b壓力升高；
[0036](4)抽真空:均壓降結束后，對第一級吸附塔14a抽真空，此時吸附塔壓力降低，被吸附的甲烷氣體從吸附劑中解析出來，獲得含高濃度甲烷的解析氣，并使得吸附劑再生，為下一次吸附做準備；
[0037](5)均壓升:抽真空后，將兩吸附塔連通，利用第一級解析塔14b中的部分高壓氣體對第一級吸附塔14a升壓。
[0038]以第一級吸附塔14a進行甲烷吸附工作、第一級解析塔14b進行甲烷解析工作來詳細說明具體流程圖。原料氣經空氣壓縮機I與空氣配成低濃度甲烷氣體后，流經第一質量流量計2顯示出氣體流量，大部分氣體流經第一緩沖罐3后進入主體吸附解析裝置，小部分流入第一干燥管20a經第二限壓閥16最終進入第一紅外線分析器8a分析濃度；此時第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第五電磁閥4e、第七電磁閥4g打開，第一電磁閥4a、第四電磁閥4d、第六電磁閥4f、第八電磁閥4h閉合，含低濃度甲烷的氣體在第一級吸附塔14a內的活性炭吸附劑吸附提純，大部分產品氣流被第一壓力表18a記錄氣體壓強，經第五電磁閥4e，從單向閥10經緩沖第三干燥管20c，被第三紅外線氣體分析儀Sc記錄產品氣濃度后流出，小部分產品氣經第六電磁閥4f流入第一級解析塔14b，作為反吹氣將第一級解析塔14b內活性炭吸附的甲烷釋放出來，形成含高濃度甲烷的解析氣，解析氣流入第三電磁閥4c，后經真空泵5及后設的第二緩沖罐6和第二干燥管20b，小部分解析氣流入第三紅外線氣體分析器8c記錄濃度,大部分解析氣被集氣裝備收集起來。當第一級吸附塔14a中的活性炭吸附飽和、第一級解析塔14b中的活性炭解析完全后，通過自動切換，第一連接管道25內的第九電磁閥26a、第二連接管道30內的第十電磁閥26b打開，第三吸附管道24、第三解析管道29分別與第一緩沖區域A、第二緩沖區域B連通，第八電磁閥4h打開，第一級吸附塔14a與第一級解析塔14b連通，第一級吸附塔14a內較高氣壓的氣體經第一級吸附塔14a內設的第一緩沖區域A流經第八電磁閥4h進入第一級解析塔14b內設的第二緩沖區域B，之后進入第一級解析塔14b中，氣壓平衡后，第一連接管道25、第二連接管道30內置的第九電磁閥26a、第十電磁閥26b閉合，第三吸附管道24、第三解析管道29分別與第一緩沖區域A、第二緩沖區域B斷開，第八電磁閥4h關閉，第一電磁閥4a、第四電磁閥4d、第五電磁閥4e、第六電磁閥4f打開，第二電磁閥4b、第三電磁閥4c、第七電磁閥4g閉合，第一級吸附塔14a進行甲烷解析工作，第一級解析塔14b進行甲烷吸附工作，循環工作直至下一次循環開始。
[0039]被提升的甲烷氣體逐步進入二級、三級甚至四級濃度提升裝置，進行進一步濃度提升，根據要求，設置3-4級濃度提升裝置，尾氣進入尾氣回收裝置，當甲烷濃度超過0.1%時，尾氣將循環至一級甲烷循環裝置，再次進行甲烷變壓吸附，提高甲烷的吸附效率。
[0040]本實用新型采用的含低濃度分離吸附裝置中，吸附濃縮原理是利用比表面高、孔隙發達的活性炭在一定壓力和溫度下對低濃度甲烷及其他組分如隊和02的吸附特性不同，而將其中的甲烷進行吸附分離。由于選用的吸附劑-活性炭對甲烷的吸附能力比N2、o2大，所以甲烷被吸附在吸附劑上，而脫除甲烷的產品氣作為潔凈的排放氣體由排空口排出。在真空環境下，飽和的活性炭將甲烷解析形成解析氣被后置的氣體收集裝置收集，活性炭在真空解析甲烷的過程中吸附特性也得到回復，為下一輪吸附運行做好準備。
[0041]本實用新型裝置的系統控制方式分為手動及自動兩種，手動方式適用于設備的調試、維修等。自動方式既可以減去變壓吸附過程中同時控制多閥門的難題，減去繁瑣的操作，而且自動切換兩塔吸附解析的情景，提高自動化水平。甲烷吸附分離控制裝置是通過在線采集卡12將所有數據采集，經電信號傳遞到計算機13，計算機對PLC17發出指令，自動控制各電磁閥開關和兩主塔的吸附解析情況。該控制裝置具有技術先進、運行穩定可靠、數據采集及時準確、指令下達和執行及時到位、設備質量經久耐用、數據采集和控制界面設計人性化等優點。
[0042]為保證本設備安全穩定運行及防止意外事故的發生，本實用新型在各控制點特別是進氣口處、分離吸附前后設置第一緩沖罐3、第二緩沖罐6、第三緩沖罐11，單向閥10以及限壓閥16 ;當裝置內部壓力超過第一壓力表18a和第二壓力表18b預先設置的安全壓力值范圍后，就會自動報警并運行安全控制程序，降低設備內部壓力保護設備安全運行，或者直接自動切斷電源終止反應進行。在廠房內部及關鍵部位安裝甲烷濃度傳感器，當發生甲烷泄露時甲烷濃度傳感器能夠及時觸發保護裝置例如通風系統，同時給裝置一個報警信號，以提示操作人員采取相應措施。
[0043]在常壓、25_35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm的條件下，不同吸附解析塔內吸附、解析管道直徑和總長度的比值1:4、1:9和1:12，吸附塔解析內吸附、解析管道和緩沖區域內填裝原材料比表面積為600-800m2/g經改性后比表面積達1000-2500m2/g的活性炭，進行變壓吸附，并根據實際情況設置3_4級濃度提升裝置，對甲烷濃度進行逐級提升。
[0044]具體實施例1.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:4，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級解析塔流出的解析氣濃度為2.88%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.02% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為2.88%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為17.92%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.21%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為17.92%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為47.81%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.36%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第四級進口原料氣甲烷濃度為47.81%，第四級解析塔流出的解析氣濃度為78.86%，第四級吸附塔流出的產品氣濃度為0.43%，第四級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置，最終排入大氣的甲烷濃度低于0.02% ；甲烷的回收效率為95.12%。[0045]具體實施例2.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:9，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級解析塔流出的解析氣濃度為3.12%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.01% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為3.12%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為19.26%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.15%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為19.26%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為56.95%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.27%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第四級進口原料氣甲烷濃度為56.95%，第四級解析塔流出的解析氣濃度為82.32%，第四級吸附塔流出的產品氣濃度為0.38%，第四級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置，最終排入大氣的甲烷濃度低于0.01% ;甲烷回收效率為96.56%。
[0046]具體實施例3.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:12，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.10%，第一級解析塔流出的解析氣濃度為3.02%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.02% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為3.02%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為18.63%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.19%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為18.63%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為51.41%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為1.28%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第二級吸附塔；第四級進口原料氣甲烷濃度為51.41%，第四級解析塔流出的解析氣濃度為79.95%，第四級吸附塔流出的產品氣濃度為0.38%，第四級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置，最終排入大氣的甲烷濃度低于0.02% ；甲烷的回收效率為95.82%。
[0047]具體實施例4.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為15kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:4，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下原料氣甲烷濃度為0.50%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.50%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為4.32%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.02% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為4.32%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為27.66%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.09%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為27.66%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為71.69%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.26%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.02% ;甲烷的回收效率為96.44%。
[0048]具體實施例5.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:9，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下原料氣甲烷濃度為0.50%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.50%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為4.86%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.01% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為4.86%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為30.42%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.07%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為30.42%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為74.55%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.21%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第二級吸附塔；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.01% ;甲烷的回收效率為97.30%ο
[0049]具體實施例6.在常壓、25°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:12，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下原料氣甲烷濃度為0.50%，第一級進口原料氣甲烷濃度為0.50%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為4.55%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.03% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為4.55%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為29.31%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.08%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為29.31%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為72.86%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.23%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.03% ；甲烷的回收效率為96.93%。
[0050]具體實施例7.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:4，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為1.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為1.00%，第一級解析塔流出的解析氣濃度為19.12%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.05% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為19.12%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為65.23%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.33%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為65.23%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為84.88%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.41%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第二級吸附塔；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.05% ;甲烷的回收效率為98.25%。
[0051]具體實施例8.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:9，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為1.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為1.00%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為20.32%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.03%;第二級吸附塔流出的產品氣濃度為20.32%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為70.36%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.29%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為70.36%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為86.69%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.35%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.03% ;甲烷的回收效率為98.96%ο
[0052]具體實施例9.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:12，使用IOOOmVg的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為1.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為1.00%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為18.75%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.06%;第二級吸附塔流出的產品氣濃度為18.75%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為59.85%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.35%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為59.85%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為83.91%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.43%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.06% ；甲烷的回收效率為97.47%ο
[0053]具體實施例10.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:4，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為5.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為5.00%，第一級解析塔流出的解析氣濃度為36.52%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為0.02% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為36.52%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為83.38%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.31%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為83.38%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為96.75%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.40%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.02% ；甲烷的回收效率為99.36%。
[0054]具體實施例11.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500SCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:9，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為5.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為5.00%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為39.76%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為
0.01% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為39.76%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為87.21%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.25%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為87.21%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為99.88%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.36%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.01% ;甲烷的回收效率為99.99%。
[0055]具體實施例12.在常壓、35°C吸附，抽真空壓力為20kPa進行真空解析，氣體流量為500sCCm，吸附塔解析內吸附、解析管道直徑和總長度的比值為1:12，使用2500m2/g的改性活性炭作為吸附劑的條件下，原料氣甲烷濃度為5.00%，第一級進口原料氣甲烷濃度為5.00%,第一級解析塔流出的解析氣濃度為35.85%，第一級吸附塔流出的產品氣濃度為
0.03% ;第二級進口原料氣甲烷濃度為35.85%，第二級解析塔流出的解析氣濃度為80.38%，第二級吸附塔流出的產品氣濃度為0.34%，第二級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；第三級進口原料氣甲烷濃度為80.38%，第三級解析塔流出的解析氣濃度為94.43%，第三級吸附塔流出的產品氣濃度為0.41%，第三級產品氣進入廢氣回收裝置進行回收，回流進入第一級濃度提升裝置；最終排入大氣的甲烷濃度低于0.03% ;甲烷的回收效率為99.04%。
【權利要求】
1.一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備，其特征在于:該設備第一級提濃系統包括:空氣壓縮機(I)、第一質量流量計(2)、第二質量流量計(7)，第一緩沖罐(3)、第二緩沖罐(6)、第三緩沖罐(11)，第一電磁閥(4a)、第二電磁閥(4b)、第三電磁閥(4c)、第四電磁閥(4d)、第五電磁閥(4e)、第六電磁閥(4f)、第七電磁閥(4g)、第八電磁閥(4h)，真空泵(5)，第一紅外線氣體分析器(8a)、第二紅外線氣體分析器(Sb)、第三紅外線氣體分析器(Sc)，第一限壓閥(9)、第二限壓閥(16)，單向閥(10)，采集卡(12)，計算機(13)，第一吸附塔(14a)、第一級解析塔(14b)，轉子流量計(15)，PLC (17)，第一壓力表(18a)、第二壓力表(18b)、第三壓力表(18c)、第四壓力表(18d),第一液量顯不儀(19a)、第二液量顯不儀(19b)，第一干燥管(20a)、第二干燥管(20b)、第三干燥管(20c)和真空顯示儀(21)； 所述第二級、第三級和第四級濃度提升裝置和第一級濃度提升裝置設備組成和安裝位置相同； 所述第一級吸附塔(14a)內部結構為:包括由第一吸附管道(22)、第二吸附管道(23)、第三吸附管道(24)三段管道呈S形串聯的管道和第一緩沖區域A組成；管道內放置有吸附劑活性碳，管道以外吸附塔以內區域為第一緩沖區域A，第一緩沖區域A與第三吸附管道(24)通過第一連接管道(25)相連，第一連接管道(25)內設置有第九電磁閥(26a);第一級解析塔(14b)內部結構為:包括由第一解析管道(27)、第二解析管道(28)、第三解析管道(29)三段管道呈S形串聯的管道，管道內放置有吸附劑活性碳，管道以外吸附塔以內區域為第二緩沖區域B，第二緩沖區域B與第三解析管道(29)通過第二連接管道(30)相連，第二連接管道(30)內設置有第十電磁閥(26b)； 其中，所述空氣壓縮機(I)經所述第一質量流量計(2)和第一緩沖罐(3)串連，所述第一緩沖罐(3)通過第二電磁閥(4b)、第四電磁閥(4d)分別與第一級吸附塔(14a)和第一級解析塔(14b)的下端相連；所述第一緩沖罐(3)與第一干燥管(20a)、第二限壓閥(16)和第一紅外線氣體分析器(8a)所組成的氣路串連；所述第一電磁閥(4a)、第三電磁閥(4c)分別連接第一級吸附塔(14a)和第一級解析塔(14b)的下端，并與第二電磁閥(4b)、第四電磁閥(4d)相連；所述第一級吸附塔(14a)和第一級解析塔(14b)塔體中部通過第八電磁閥(4h)相連；所述第一電磁閥(4a)、第三電磁閥(4c)相互并聯后依次與真空泵(5)、第二緩沖罐(6)、第二干燥管(20b)、第二質量流量計(7)、第二紅外線氣體分析器(Sb)相連；所述第一紅外線氣體分析器(Sb)末端解析氣出氣口與第二級濃度提升裝置原料氣進氣口相連；所述第二級濃度提升裝置的解析氣出氣端與第三級濃度提升裝置原料氣進氣口相連；所述第三級濃度提升裝置的解析氣出氣端與第四級濃度提升裝置原料氣進氣口相連；所述第一級吸附塔(14a)上端與第五電磁閥(4e)和第一壓力表(18a)相連；所述第一級解析塔(14b)上端與第六電磁閥(4f)和第二壓力表(18b)相連；所述第一壓力表(18a)和第二壓力表(18b)通過第七電磁閥(4g)相連，所述第五電磁閥(4e)和第六電磁閥(4f)并聯后與單向閥(10)前段相連；所述單向閥(10)后端與第三緩沖罐(11)前段相連；所述第三緩沖罐(11)依次與第三干燥管(20c)、第一限壓閥(9)、轉子流量計(15)、第三紅外線氣體分析器(8c)串聯；所述第三紅外線氣體分析器(Sc)末端產品氣出氣口接尾氣回收裝置；所述尾氣回收裝置與第一級濃度提升裝置原料氣進氣端相連； 所述質量第一流量計(2)、第二流量計(7)與計算機(12)相連；所述安置在第一級吸附塔(14a)和第一級解析塔(14b)下端的第三壓力表(18c)和第四壓力表(18d)相連；所述第一電磁閥(4a)、第二電磁閥(4b)、第三電磁閥(4c)、第四電磁閥(4d)、第五電磁閥(4e)、第六電磁閥(4f)、第七電磁閥(4g)、第八電磁閥(4h)、第九電磁閥(26a)、第十電磁閥(26b)與PLC (17)相連；所述PLC (17)和在線采集卡(12)串聯后與計算機(13)相連。
2.根據權利要求1所述的一種超低濃度瓦斯高效富集分離設備，其特征在于:吸附塔或解析塔內呈S形串聯管 道的管道直徑和總長度比值為1:4~1:12。
【文檔編號】C10L3/10GK203447948SQ201320343301
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年6月16日 優先權日:2013年6月16日
【發明者】竹濤, 周昊, 周金蘭, 陸玲, 李光騰, 陳莎, 何緒文 申請人:中國礦業大學(北京)