低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统及其方法与流程

本发明涉及一种抽采瓦斯提浓系统，具体是一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统及其方法，属于煤矿抽采瓦斯提浓技术领域。

背景技术：

煤矿瓦斯是煤炭的伴生气体，主要成分是甲烷。近年来，我国煤矿瓦斯抽采量逐年稳步增长，2018年已达178亿立方米。然而，由于煤矿井下瓦斯抽采过程极易发生漏风，大量空气进入抽采管道，导致煤矿井下抽采瓦斯浓度普遍偏低(<30％)，具有爆炸危险性，利用难度大，因此我国煤矿井下抽采瓦斯利用率低(<40％)，大量瓦斯被直接排放到大气中，造成了巨大的能源浪费和大气温室效应；将低浓度抽采瓦斯提浓后产出容易被利用、经济价值高的较高浓度瓦斯气体，有助于提高煤矿瓦斯利用率，对于促进瓦斯抽采、保障煤矿安全、增加清洁能源供应和减少温室气体排放等均具有重要意义。

煤矿低浓度瓦斯是甲烷和空气的混合气体，当甲烷浓度为5％～16％时，具有爆炸危险性，因此瓦斯分离提浓过程必须确保安全性。现有瓦斯分离提纯技术主要包括低温精馏分离技术、膜分离技术和变压吸附技术等，低温精馏分离技术利用不同气体的沸点差异实现气体分离，需将气体压缩至高压后再低温液化，气体压缩将极大地拓宽气体爆炸浓度极限范围，压缩时也极易产生高温引火源，因此可能导致瓦斯爆炸，并且低温精馏能耗很高，操作条件要求高，设备投资大，尤其分离甲烷含量很少的低浓度瓦斯时经济性很差；膜分离技术利用高分子膜对不同气体的选择通过性实现气体分离，膜分离技术同样需要对气体进行压缩从而在膜两侧形成较大的压力差，因此也具有较高的瓦斯爆炸风险，另外现阶段膜分离技术尚存在很多问题，如膜的选择性低、膜成本高、力学性能差等制约了膜分离技术在煤矿瓦斯分离提纯领域的应用；由此可知，低温精馏分离技术和膜分离技术均不适合在低浓度瓦斯分离提浓中采用；变压吸附技术利用吸附剂对不同气体组分的平衡吸附量或动力学吸附速度差异实现气体分离，变压吸附技术具有工艺简单、设备紧凑、运行费用低、可靠性高和适应性强等显著优势，因此被较多地应用于煤矿瓦斯气浓缩提纯。

目前变压吸附提纯煤矿瓦斯的方法主要利用吸附平衡选择性原理，例如煤矿瓦斯提纯相关的中国发明专利2013年7月17日公开的一种公开号为cn103205297a的“一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法”、中国发明专利1986年10月29日公开的一种公开号为cn85103557的“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”、中国发明专利2009年12月9日公开的一种公开号为cn101596391a的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”均利用吸附平衡选择性原理，将甲烷作为强吸附组分，高甲烷浓度的产品气在解吸阶段获得。

利用平衡选择性原理提纯含氧低浓度瓦斯具有明显的技术缺陷：(1)吸附塔内氧气浓度高，甲烷和高浓度氧气混合具有较高的爆炸危险性；(2)需采用较高的吸附压力才能取得较好的气体分离效果，如中国发明专利2013年7月17日公开的一种公开号为cn103205297a的“一种利用变压吸附法分离提纯矿井区煤层气中甲烷的方法”、中国发明专利1986年10月29日公开的一种公开号为cn85103557的“变压吸附法富集煤矿瓦斯气中甲烷”、中国发明专利2009年12月9日公开的一种公开号为cn101596391a的“一种低浓度瓦斯变压吸附分级浓缩的方法”采用的吸附压力分别为0.5mpa～1mpa，0.4mpa～0.7mpa和0.8mpa～2.4mpa，因此以上方法均需要利用压缩机对煤矿瓦斯气体进行加压，瓦斯气体在高压下的爆炸浓度极限范围扩大，并且加压过程中产生的高温火源可引爆瓦斯气体，加压也大幅增加了气体分离成本；(3)高气压容易导致吸附剂粉化失效，大幅缩短吸附剂的使用寿命，采用高吸附压力需要顺向/逆向减压步骤(同上述公开专利cn85103557a、cn103205297a、cn101596391a)，增加了工艺复杂性；(4)解吸阶段吸附塔体积内含有大量弱吸附组分，因此解吸得到气体中混入大量杂质气体，导致产品气甲烷浓度较低。

根据柯瓦尔德三角形对煤矿瓦斯爆炸浓度范围进行判定，当常温常压下瓦斯中氧气浓度小于12％，煤矿瓦斯失去爆炸危险性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统及其方法，可以在微正压下安全高效去除低浓度瓦斯中的氧气和氮气，在提高气体分离安全性的条件下提高甲烷浓度，并实现瓦斯提浓后的安全输送。

为了实现上述目的，本发明提供一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统，包括瓦斯抽采水环真空泵、除尘装置、脱水装置、带有压力表的进气缓冲罐，输出低浓度瓦斯气体的瓦斯抽采水环真空泵的出气口通过管路依次与除尘装置、脱水装置进气缓冲罐底部进气口连接；

还包括至少两个分别带有压力表的吸附塔，在每个吸附塔中设置吸附剂，每个吸附塔底端进气口均通过管路连接进气缓冲罐的出气口，在每个吸附塔底端进气管路上分别安装进气控制阀，每个吸附塔的顶端出气口均通过管路连接带有压力表的产品气缓冲罐ⅰ的进气口端，并在产品气缓冲罐ⅰ进气口端的管路上安装产气背压阀，在每个吸附塔顶端出气口处的管路上分别安装出气控制阀，在每个吸附塔顶端出气口与出气控制阀连接的管路上并接有管路的一端，管路的另一端并接在相邻吸附塔顶端出气口与出气控制阀连接的管路上，并在该管路上安装均压控制阀；在进气缓冲罐的出气口端还并接有管路，管路的另一端连接在产气背压阀的前端，在该管路上安装调背压控制阀；抽真空水环真空泵将每个吸附塔内部吸附的气体抽出至带有压力表的产品气缓冲罐ⅱ，并在抽真空水环真空泵与每个吸附塔连接的管路上分别安装抽真空控制阀，产品气缓冲罐ⅰ、产品气缓冲罐ⅱ中的气体分别经远距离传输管路安全运输，并在远距离传输管路上安装流量控制器。

作为本发明的进一步改进，瓦斯抽采水环真空泵输出的低浓度瓦斯中甲烷体积浓度为1％～30％。

作为本发明的进一步改进，瓦斯抽采水环真空泵输出气体的微正压为5kpa～40kpa，吸附塔抽真空解吸需达到的真空度为60kpa～80kpa。

作为本发明的进一步改进，吸附剂为商业制氮气碳分子筛。

作为本发明的进一步改进，在吸附塔内部从底部向上至塔高1/3～2/3处装填防爆防静电材料，装填区域内防爆防静电材料与吸附剂的体积比为6％～10％。

作为本发明的进一步改进，吸附塔的高度和直径之比的范围为10:1～30:1，进气缓冲罐和吸附塔体积之比的范围为7:1～12:1。

一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附方法，针对其中一个吸附塔的一个操作周期包括以下步骤：

(1)吸附产气：将吸附塔出气口连接的产气背压阀的压力调整为1kpa～10kpa，连通进气缓冲罐和已完成升压均压的吸附塔的底部，使瓦斯抽采水环真空泵输出的低浓度瓦斯依次通过除尘装置、脱水装置、进气缓冲罐后从吸附塔的底部进入吸附塔内部，低浓度瓦斯中的绝大部分氧气和部分氮气被吸附塔内部的吸附剂吸附，从吸附塔顶部连续排出的高甲烷浓度、超低氧气浓度的主要产品气进入产品气缓冲罐i，主要产品气可从产品气缓冲罐i中连续输出；在排出气体的氧气浓度升高至5％～10％之前停止向吸附塔内部通入低浓度瓦斯气体，吸附产气结束；

(2)降压均压：将完成吸附产气的吸附塔顶部和刚完成抽真空产气的相邻吸附塔顶部连通，气体从压力较高的吸附塔流向刚完成抽真空产气的相邻吸附塔；

(3)抽真空产气：使用抽真空水环真空泵从完成降压均压的吸附塔底部抽真空至预定的真空度，使吸附塔中的吸附剂得到再生，将抽出的高氧气浓度、超低甲烷浓度的次要产品气通入产品气缓冲罐ii，次要产品气可从产品气缓冲罐ii中连续输出；

(4)升压均压：连通刚完成抽真空产气的吸附塔顶部和刚完成吸附产气的相邻吸附塔顶部，气体从压力较高的相邻吸附塔流向真空状态的吸附塔，至此完成吸附塔的一个周期的操作。

作为本发明的进一步改进，吸附产气和抽真空产气步骤维持时间均为100s～200s。

作为本发明的进一步改进，当需要提高产品气缓冲罐i内的主要产品气甲烷浓度、降低氧气浓度或者简化操作步骤时，可以省略步骤(2)和步骤(4)的均压步骤，吸附产气步骤直接将低浓度瓦斯通入刚抽完真空的吸附塔，抽真空步骤直接将刚完成吸附产气的吸附塔抽至真空状态，但省略步骤2)和步骤4)的均压步骤将导致甲烷回收率降低、抽真空能耗提高。

作为本发明的进一步改进，产品气缓冲罐i内的主要产品气中甲烷体积浓度为7％～90％，氧气体积浓度小于3％；产品气缓冲罐ⅱ内的次要产品气中氧气体积浓度为30％～80％，甲烷体积浓度小于1％；主要和次要产品气均不具有爆炸危险性，可进行远距离安全输送，并可分别作为可燃气体和助燃气体加以利用。

与现有技术相比，本发明仅在煤矿已有的瓦斯抽采水环真空泵输出的微正压下实现对低浓度抽采瓦斯分离提浓，瓦斯抽采水环真空泵输出的低浓度瓦斯经除尘和脱水后进入进气缓冲罐内，之后进入吸附塔，实现吸附剂将绝大部分氧气和部分氮气吸附，不需要气体压缩环节，避免了气体压缩引起低浓度瓦斯爆炸危险性，并可防止吸附剂在高压下粉化失效，从而提高了气体分离安全性，降低了能耗成本，延长了吸附剂使用寿命；另外，吸附塔内吸附剂大量吸附氧气，吸附塔内氧气浓度低，降低了吸附塔内瓦斯爆炸风险，在塔内氧气浓度可能高于12％的爆炸危险区域填充防爆防静电材料，进一步增加了安全性；吸附阶段排出的弱吸附组分气体是高甲烷浓度和超低氧气浓度的主要产品气，与解吸阶段回收甲烷的技术相比，提高了甲烷回收率和甲烷分离浓缩效果；本发明操作流程简单，不需要顺向/逆向减压、气体置换等步骤，有助于提高气体处理效率，增加了系统运行的可靠性和稳定性，而且本发明产出的主要产品气和次要产品气不具有爆炸危险性，可实现瓦斯提浓后的远距离安全输送，分别用作可燃气体和助燃气体。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发明以两个吸附塔为例的工艺循环时序图；

图3为本发明实施例1主要产品气中甲烷浓度和氧气浓度在6个循环周期内随时间的变化图；

图4为本发明实施例1吸附塔内游离氧气和甲烷浓度的时空分布变化图：其中(a)为20s时的分布图，其中(b)为40s时的分布图，其中(c)为60s时的分布图，其中(d)为120s时的分布图；

图5为本发明实施例2主要产品气中甲烷浓度随时间的变化图；

图6为本发明实施例2主要产品气中氧气浓度随时间的变化图。

图中：1、瓦斯抽采水环真空泵，2、除尘装置，3、脱水装置，4、进气缓冲罐，5、吸附塔，5.1、进气控制阀，5.2、出气控制阀，6、产品气缓冲罐ⅰ，7、产气背压阀，8、均压控制阀，9、调背压控制阀，10、抽真空水环真空泵，11、抽真空控制阀，12、产品气缓冲罐ⅱ，13、流量控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附系统，包括瓦斯抽采水环真空泵1、除尘装置2、脱水装置3、带有压力表的进气缓冲罐4，输出低浓度瓦斯气体的瓦斯抽采水环真空泵1的出气口通过管路依次与除尘装置2、脱水装置3、进气缓冲罐4底部进气口连接；

还包括至少两个分别带有压力表的吸附塔5，在每个吸附塔5中设置吸附剂材料，每个吸附塔5底端进气口均通过管路连接进气缓冲罐4的出气口，在每个吸附塔5的底端进气管路上分别安装进气控制阀5.1，每个吸附塔5的顶端出气口均通过管路连接带有压力表的产品气缓冲罐ⅰ6的进气口端，并在产品气缓冲罐ⅰ6进气口端的管路上安装产气背压阀7，在每个吸附塔5顶端出气口处的管路上分别安装出气控制阀5.2，在每个吸附塔5顶端出气口与出气控制阀5.2连接的管路上并接有管路的一端，管路的另一端并接在相邻吸附塔5顶端出气口与出气控制阀5.2连接的管路上，并在该管路上安装均压控制阀8；在进气缓冲罐4的出气口端还并接有管路，管路的另一端连接在产气背压阀7的前端，在该管路上安装调背压控制阀9；抽真空水环真空泵10将每个吸附塔5内部吸附的次要产品气抽出至带有压力表的产品气缓冲罐ⅱ12，并在抽真空水环真空泵10与每组吸附塔连接的管路上分别安装抽真空控制阀11，产品气缓冲罐ⅰ6、产品气缓冲罐ⅱ12中的气体分别经远距离传输管路安全运输，并在远距离传输管路上安装流量控制器13。

瓦斯抽采水环真空泵1输出的低浓度瓦斯中甲烷体积浓度为1％～30％。

瓦斯抽采水环真空泵1输出气体的微正压为5kpa～40kpa，煤矿瓦斯抽采水环真空泵1以5kpa～40kpa的微正压输出低浓度瓦斯，甲烷体积浓度为1％～30％的低浓度瓦斯至除尘装置2和脱水装置3中，其中的粉尘和水蒸气被去除，净化后的瓦斯气体直接进入进气缓冲罐4内作为变压吸附的原料气，不经过气体压缩环节；吸附塔抽真空解吸需达到的真空度为60kpa～80kpa。

本发明的吸附剂为商业制氮气碳分子筛，进气缓冲罐4内气体进入吸附塔5，吸附塔5内装填商业制氮气碳分子筛，具体型号包括cms-3kt、1.5gn-h、cms-f、cms-260、cms-240、cms-220和cms-180，以上吸附剂可在5kpa～40kpa微正压下大量吸附低浓度瓦斯中的氧气，同时也吸附氮气，基本不吸附甲烷气体。

在吸附塔内部从底部向上至塔高1/3～2/3处装填防爆防静电材料，装填区域内防爆防静电材料与吸附剂的体积比为6％～10％，所述防爆防静电材料优选为网状铝合金材料。

为了同时保证较好的气体吸附效果和较低的气体流动阻力，本发明吸附塔5的高度和直径之比的范围为10:1～30:1。

保证缓冲罐内气体压力保持稳定，可平稳向吸附塔输出气体，本发明进气缓冲罐4和吸附塔5体积之比的范围为7:1～12:1。

一种低浓度瓦斯安全提浓的微正压真空变压吸附方法，其特征在于，针对某一个吸附塔5的一个操作周期包括以下步骤：

(1)吸附产气：打开调背压控制阀9，连通进气缓冲罐4和产气背压阀7的前端，将产气背压阀7的压力调整为1kpa～10kpa(相对压力)，产气背压阀7可使吸附塔内5压力迅速升高至指定的吸附压力并保持稳定，之后关闭调背压控制阀9，打开相邻两个吸附塔5底部的进气控制阀5.1，关闭其它阀门，连通进气缓冲罐4和已完成升压均压的吸附塔5的底部，使低浓度瓦斯从吸附塔5的底部进入吸附塔5内部，低浓度瓦斯中的绝大部分氧气和部分氮气被吸附塔5内部的吸附剂吸附，从吸附塔5顶部连续排出的高甲烷浓度、超低氧气浓度的主要产品气进入产品气缓冲罐i6，主要产品气可从产品气缓冲罐i6中连续输出；在排出气体的氧气浓度升高至5％～10％之前停止向吸附塔5内部通入低浓度瓦斯气体，吸附产气结束，主要产品气可从产品气缓冲罐i6中连续输出用于利用；

(2)降压均压：打开均压控制阀8，关闭其它阀门，将完成吸附产气的吸附塔5顶部和刚完成抽真空产气的相邻吸附塔5顶部连通，气体从压力较高的吸附塔流向刚完成抽真空产气的相邻吸附塔；

(3)抽真空产气：打开抽真空控制阀门11，关闭其它阀门，使用抽真空水环真空泵10从完成降压均压的吸附塔5底部抽真空至真空度为60kpa～80kpa，使吸附塔5中的吸附剂得到再生，将抽出的高氧气浓度、超低甲烷浓度的次要产品气通入产品气缓冲罐ii12，次要产品气可从产品气缓冲罐ii12中连续输出用于利用；

(4)升压均压：打开均压控制阀8，关闭其它阀门，连通刚完成抽真空产气的吸附塔顶部和刚完成吸附产气的相邻吸附塔顶部，气体从压力较高的相邻吸附塔流向真空状态的吸附塔，至此完成吸附塔的一个周期的操作。

吸附产气和抽真空产气步骤维持时间均为100s～200s。

产品气缓冲罐i6内的主要产品气中甲烷体积浓度为7％～90％，氧气体积浓度小于3％；产品气缓冲罐ⅱ12内的次要产品气中氧气体积浓度为30％～80％，甲烷体积浓度小于1％；主要和次要产品气均不具有爆炸危险性，可进行距离安全输运，并分别作为可燃气体和助燃气体，主要产品气还可用于制造石墨、甲醇等化工产品。

可使用多个吸附塔，使每个吸附塔依次循环进行从步骤1)到步骤4)的操作，从而实现原料气的连续处理和产品气的连续输出。为了明确说明每个吸附塔的工艺时序安排，以两个吸附塔为例，本发明方法的工艺循环时序图如图2所示。

当需要提高产品气缓冲罐i6内的主要产品气甲烷浓度、降低氧气浓度或者简化操作步骤时，可以省略步骤2和步骤4的均压步骤，吸附产气步骤直接将低浓度瓦斯通入刚抽完真空的吸附塔，抽真空步骤直接将刚完成吸附产气的吸附塔抽至真空状态，但省略步骤(2)和步骤(4)的均压步骤将导致甲烷回收率降低、抽真空能耗提高。

如图1所示，以两个吸附塔为例，利用本发明的系统进行低浓度抽采瓦斯安全高效提浓的微压真空变压吸附时，低浓度瓦斯被瓦斯抽采水环真空泵1抽采至地面，并以微正压输出，经过除尘装置2和脱水装置3后进入进气缓冲罐4，打开调背压控制阀9，调整产气背压阀7的压力，之后进气缓冲罐4内的气体经进气控制阀5.1后分别进入吸附塔ⅰ或吸附塔ⅱ底部；吸附塔ⅰ或吸附塔ⅱ内的吸附剂吸附低浓度瓦斯中的绝大部分氧气和部分氮气，剩余的高甲烷浓度气体从吸附塔ⅰ或吸附塔ⅱ顶部流出，依次通过出气控制阀5.2和产气背压阀7，在产气背压阀7的控制下，吸附塔内气体压力可迅速升高至设定的吸附压力并保持稳定；吸附阶段经产气背压阀7流出的高甲烷浓度、超低氧气浓度的主要产品气进入产品气缓冲罐i6，之后通过远距离输送管路和流量控制器13被安全输运至用气地点；吸附阶段结束后，打开均压控制阀8，该吸附塔ⅰ/ⅱ顶部与相邻抽真空结束的吸附塔ⅱ/ⅰ顶部连通；均压结束后，关闭均压控制阀8，打开抽真空控制阀11，高氧气浓度、超低甲烷浓度的次要产品气经抽真空水环真空泵10进入产品气缓冲罐ⅱ12，同时吸附塔内的吸附剂得到再生，之后次要产品气经远距离传输管路和流量控制器13被安全输运至用气地点。

实施例1

为了说明本发明的技术效果，本实施例1选用甲烷浓度3.5％、氧气浓度19％、氮气浓度77.5％的低浓度瓦斯作为原料气，瓦斯抽采水环真空泵1输出的微正压为20kpa，吸附塔5抽真空的真空度为80kpa，吸附塔5的高度和直径比为12:1，进气缓冲罐4和吸附塔5体积之比8:1，吸附剂采用cms-260，产气背压阀7的压力为1kpa，吸附时间120s，在吸附塔内部从底部向上至塔高2/3处装填防爆防静电材料，装填区域内防爆防静电材料与吸附剂的体积比为6％，采用本发明的上述分离步骤进行低浓度瓦斯分离浓缩，则实验得出的主要产品气中甲烷浓度和氧气浓度在6个循环周期内随时间变化图如图3所示，由图3可知经本发明的分离浓缩方法处理后气体中氧气浓度由19％降低至1％～2％左右，甲烷浓度由3.5％提高到7.5％～9.5％，甲烷分离浓缩效果明显，达到瓦斯燃烧发电所需的甲烷浓度。本实施例工况条件下吸附塔内游离氧气浓度的时空变化规律如图4所示，由图4的(a)、(b)、(c)、(c)可知吸附塔内氧气浓度很低，在120s的吸附时间内仅吸附塔下部2/3区域内氧气浓度高于12％(失爆氧浓度)，因此在吸附塔内部从底部向上至塔高2/3处装填防爆防静电材料可避免爆炸风险，由此说明了本发明提出的低浓度瓦斯分离浓缩方法具有很高的安全性。

实施例2

本实施例选用甲烷浓度4.5％、氧气浓度19％、氮气浓度76.5％的低浓度瓦斯作为原料气，瓦斯抽采水环真空泵1输出的微正压为20kpa，吸附塔抽真空的真空度为80kpa，吸附塔5的高度和直径比为24：1，进气缓冲罐4和吸附塔5的体积之比8:1，产气背压阀7的压力为1kpa，吸附剂分别采用不同类型的制氮碳分子筛cms-3kt、cms-f、cms-260、cms-240、cms-220和cms-180，在所述吸附塔内部从底部向上至塔高2/3处装填防爆防静电材料，装填区域内防爆防静电材料与吸附剂的体积比为6％，采用上述实施方案所示步骤进行低浓度瓦斯分离浓缩，则实验得出使用不同吸附剂时主要产品气中甲烷浓度和氧气浓度的变化分别如图5和图6所示，甲烷浓度最高提高至15％，氧气浓度可降低至0.5％，将图5、图6与图4对比可知，采用相同的吸附剂cms-260，实施例2的主要产品气甲烷浓度高于实施例1的甲烷浓度，且实施例2主要产品气氧气浓度低于实施例1的氧气浓度，因此实施例2的分离浓缩效果好于实施例1。这主要因为实施例2采用的吸附塔高度和直径比明显大于实施例1，导致实施例2的吸附塔气体分离效果得到提高，说明吸附塔高度和直径比的合理选择对于低浓度瓦斯分离浓缩具有重要影响。另外由图5和图6可知，不同型号的制氮气碳分子筛在本发明方法中均可起到较好的低浓度瓦斯分离浓缩效果，cms-3kt、cms-f、cms-260和cms-240的效果明显优于cms180和cms220，尤其cms-260的分离浓缩效果最好，因此本发明可选择各类不同的制氮气碳分子筛，cms-260、cms-3kt、cms-f和cms-240的效果较优。