专利名称：一种煤层气分离装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于气体分离提纯领域，尤其涉及煤层气分离装置。
背景技术：
煤层气主要包含两种，一种是地面抽取的煤层气，此种煤层气中的甲烷含量一般 大于9096，易于处理和利用。另一种是井下抽取的煤层气，也称瓦斯气，其中混有大量空 气，甲烷含量低，一般在3(Γ60%左右。由于甲烷爆炸极限是5 1596，瓦斯气的利用具有相 当大困难和风险，为此，煤矿常常对空排放。煤层气的利用受煤层气浓度制约，浓度低无法达到工业利用的要求，这是目前低 浓度煤层气被大量放空的主要原因。因此，低浓度煤层气需要经过浓缩，提高煤层气的质量 以便于利用。低浓度煤层气主要浓缩工艺一般都需要压缩煤层气，这样就使得煤层气的爆 炸范围变宽，降低了浓缩工艺的安全性。煤层气浓缩主要问题是其中的氧气带来的安全问 题，所以低浓度煤层气的利用首先需要解决氧气带来的安全问题，以此来提高低浓度煤层 气浓缩工艺的安全性和可靠性。因此低浓度煤层气的除氧是低浓度煤层气浓缩技术必须解 决的关键技术之一。目前我国煤层气的开发利用较少，在抽放煤层气浓缩与净化方面的工作还处于起 步阶段，低温深冷、变压吸附和膜分离3种技术都正处在快速发展的过程。低温深冷技术 (《一种煤层气分离利用新技术及市场应用分析》周红军、杜武、郭绪强，中国煤层气，第5卷 第3期2008年7月)已实现工业化试验，产品气中CH4纯度高、回收率高，但其能耗大、基础 投资高，且不适于中小规模的煤层气处理；变压吸附法(《低浓度煤层气提纯的研究现状》聂 李红，徐绍平，苏艳敏，刘淑琴，化工进展，2008年第27卷第10期)包括吸附和脱附再生两 个过程，当吸附和脱附分别由升压、降压来实现时则该过程称为变压吸附分离过程。变压吸 附气体分离过程设备简单、操作方便、运行能耗低，但其工艺适用性强、成氮仍需进一步提 高产品的纯度和回收率；膜分离(《膜法分离净化煤层气的基础研究》孟翠翠，牟文荷，罗新 荣，能源技术与管理，2009年第5期)尚处于研发阶段，其影响煤层气的分离效果的主要因 素在于膜材料的选择以及制膜工艺，膜分离适合于提浓不适合于提纯。现在低温深冷技术 在我国煤层气分离方面占据了重要地位，而变压吸附和膜分离如果开发成功，依靠其灵活 便捷的技术特点，也将发挥重要的作用，但目前变压吸附和膜分离在煤层气浓缩与净化方 面的推广应用还需要进行大量的基础研究和工艺改进工作。因此，针对国内不同地区的煤 层气开采现状，研究和开发相应的煤层气分离工艺，不仅能够提供清洁廉价能源，而且可以 改善能源结构、减少环境污染及煤矿瓦斯灾害。
发明内容本实用新型的目的是提供一种实现将低浓度煤层气浓缩到较高的浓度，同时降低 煤层气中的氧气含量的煤层气分离设备。本实用新型的煤层气分离装置的技术方案为包括气体压缩机、气体缓冲罐、活性炭过滤器、过滤器、中空纤维膜分离器、聚醋酸纤维平板膜分离器、PLC控制系统和变压吸附 器；气体压缩机1通过输气管道依次连接气体缓冲罐、活性炭过滤器、过滤器、中空纤维膜 分离器、聚醋酸纤维平板膜分离器和变压吸附器；过滤器和中空纤维膜分离器之间设置有 第一开关模块，所述中空纤维膜分离器和聚醋酸纤维平板膜分离器之间设置有第一取样模 块和第二开关模块，所述聚醋酸纤维平板膜分离器和变压吸附器之间设置有第二取样模块 和第取样与开关模块，中空纤维膜分离器通过第三开关模块连接氧气输出通道，聚醋酸纤 维平板膜分离器和变压吸附器分别通过第四开关模块和第五开关模块连接氮气输出通道， 变压吸附器的另一出口为压缩气出口；PLC控制系统分别与第一开关模块、第一取样模块、 第二开关模块、第二取样模块和取样与开关模块通过控制线连接。本实用新型的有益效果采用两级膜分离单元和变压吸附技术结合使用，浓缩 煤层气，并回收氮气，将低浓度煤层气(30飞0%)浓缩到较高的浓度(80%以上)，降低含氧煤 层气中的氧气的含量，便于安全的压缩、输送以实现低浓度抽放煤层气的综合利用。
图1为煤层气分离结构示意图；其中1-气体压缩机，2-气体缓冲罐，3-活性炭过滤器，4-过滤器，5-中空纤维膜 分离器，6-聚醋酸纤维平板膜分离器，7-PLC控制系统，8-变压吸附分离器，9-第一开关模 块，10-第一取样模块，11-第二开关模块，12-第二取样模块，13-取样与开关模块， 14-第三开关模块，15-第四开关模块，16-第五开关模块；图2为PLC控制系统连接示意图；图3为控制系统的控制原理图；其中101-现场取样，102-分析计算，103-甲烷浓度和回收率指标比较，104-控制操作。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
做进一步说明。如图1所示，煤层气分离装置包括气体压缩机1、气体缓冲罐2、活性炭过滤器3、过 滤器4、中空纤维膜分离器5、聚醋酸纤维平板膜分离器6、PLC控制系统7和变压吸附器8 ； 气体压缩机1通过输气管道依次连接气体缓冲罐2、活性炭过滤器3、过滤器4、中空纤维膜 分离器5、聚醋酸纤维平板膜分离器6和变压吸附器8 ；过滤器4和中空纤维膜分离器5之 间设置有第一开关模块9，中空纤维膜分离器5和聚醋酸纤维平板膜分离器6之间设置有第 一取样模块10和第二开关模块11，聚醋酸纤维平板膜分离器6和变压吸附器8之间设置 有第二取样模块12和第取样与开关模块13，中空纤维膜分离器5通过第三开关模块16连 接氧气输出通道，聚醋酸纤维平板膜分离器6和变压吸附器8分别通过第四开关模块15和 第五开关模块14连接氮气输出通道，变压吸附器8的另一出口为压缩气出口 ；如图2所示， PLC控制系统7通过通讯线路分别与第一开关模块9、第一取样模块10、第二开关模块11、 第二取样模块12和取样与开关模块13通过控制线连接。图3所示，PLC控制系统7的控制过程为，通过第一取样模块10、第二取样模块12 或取样与开关模块13进行现场取样101，通过对取样数值的分析计算102，根据甲烷浓度和回收率指标103进行控制操作，如果满足设置的指标，则进行打开或闭合第一开关模块9， 第二开关模块11或取样与开关模块13操作，不满足相应指标，则重新进行现场取样101。煤层气分离装置的工作过程为首先将抽采出的低浓度煤层气(30飞0%)通过气 体压缩机1，产生高压气体，此处所选用的压缩机1应为防爆、无油压缩机，避免煤层气爆 炸。由于煤层气在抽采过程中含有大量的油、水、尘，对于吸附剂使用寿命具有较大的影响， 必须净化后，再进行除氧。通过活性炭过滤器3对水、油及有害气体进行吸附脱除，经活性 炭过滤器3处理后的煤层气再经过四级过滤器4进行除水、除油、除尘净化。然后经过膜处 理单元，第一级膜处理单元为中空纤维膜分离器5除去煤层气中的氧气，第二级膜处理单 元为聚醋酸纤维平板膜分离器6，用于除去部分氮气，然后再通过变压吸附器8，进一步除 氮，纯化产品气体。PLC控制系统7是负责装置的取样和开关动作顺序及动作时间等的控 制，调整吸附剂对原料气的吸附时间及吸附工艺，控制混合气体中氧气所占的比率。例如 在第一取样模块10或第二取样模块12处，进行实时取样，并将数据传送到PLC控制系统7， 经过数据分析，与甲烷浓度和回收率指标比较后，将指令传递给相应的第一开关模块9或 第二开关模块11，进行实时调节开关闭合程度。取样与开关模块13用于调整吸附剂对原料 气的吸附时间，吸附完成后，压缩后的气体输出到相应的容器中。在装置运行过程中可以通 过第三开关模块14，第四开关模块15控制氮气的回收处理，通过第五开关模块16控制废 气的回收处理。PLC控制系统7上可以设置输入输出模块和指示模块，输入模块用于进行手动或 自动控制的设置，指示模块用于显示工作点的变化情况，以用于故障自动报警，输出模块可 以在显示屏上显示装置运行情况，使装置便于维护。本装置操作简单，维护方便，在任何环 境下不会产生记忆丢失现象。
实施例选用含02 10%,含N237. 68%，其余为甲烷的混合气体。膜分离工艺参数如下膜 孔径为<0.01 μ m，高压与低压比为>4，原料气压力>2000 P a,原料气温度<25°C ；变压 吸附工艺参数如下加压吸附的压力控制在0. 6-2. 5 M pa范围内，降压解吸的压力控制在 0. 1 - 0. 02 M pa负压范围内，温度3_25°C ；通过上述步骤，获得CH4的纯度达到90. 35%。 本发明采用变压吸附和膜分离技术结合使用，达到了预期的目标。
权利要求1.一种煤层气分离装置，包括气体压缩机(1)、气体缓冲罐(2)、活性炭过滤器(3)、过 滤器(4)、中空纤维膜分离器(5)、聚醋酸纤维平板膜分离器(6)、PLC控制系统(7)和变压吸 附器(8);其特征在于所述气体压缩机(1)通过输气管道依次连接气体缓冲罐(2)、活性炭 过滤器(3)、过滤器(4)、中空纤维膜分离器(5)、聚醋酸纤维平板膜分离器(6)和变压吸附 器(8);所述过滤器(4)和中空纤维膜分离器(5)之间设置有第一开关模块(9)，所述中空纤 维膜分离器(5)和聚醋酸纤维平板膜分离器(6)之间设置有第一取样模块(10)和第二开关 模块(11)，所述聚醋酸纤维平板膜分离器(6)和变压吸附器(8)之间设置有第二取样模块 (12)和第取样与开关模块(13)，中空纤维膜分离器(5)通过第三开关模块(16)连接氧气 输出通道，聚醋酸纤维平板膜分离器(6)和变压吸附器(8)分别通过第四开关模块(15)和 第五开关模块(14)连接氮气输出通道，变压吸附器(8)的另一出口为压缩气出口 ；PLC控制 系统(7)分别与第一开关模块(9)、第一取样模块(10)、第二开关模块(11)、第二取样模块 (12)和取样与开关模块(13)通过控制线连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤层气分离装置，其特征在于，所述压缩机(1)为防爆、 无油压缩机。
3.根据权利要求1所述的一种煤层气分离装置，其特征在于，所述PLC控制系统(7)设 有输入输出模块或指示模块。
4.根据权利要求1所述的一种煤层气分离装置，其特征在于，所述PLC控制系统(7)设 有指示模块。
专利摘要本实用新型公开一种煤层气分离装置，该装置包括气体压缩机(1)、气体缓冲罐(2)、活性炭过滤器(3)、过滤器(4)、中空纤维膜分离器(5)、聚醋酸纤维平板膜分离器(6)、PLC控制系统(7)和变压吸附器(8)；气体压缩机1通过输气管道依次连接气体缓冲罐(2)、活性炭过滤器(3)、过滤器(4)、中空纤维膜分离器(5)、聚醋酸纤维平板膜分离器(6)和变压吸附器(8)。该装置采用两级膜分离单元和变压吸附技术结合使用，浓缩煤层气，并回收氮气，将低浓度煤层气浓缩到较高的浓度，降低含氧煤层气中的氧气的含量，其设备简单，维护方便。
文档编号E21B43/34GK201924909SQ201120005618
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者于永涛, 周诗岽, 李恩田, 王树立, 谭占廷, 陈云 申请人:常州大学