CN206252986U - 一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，包括吸附解吸系统、为所述吸附解吸系统提供混合气体的配气系统、收集已提纯甲烷的甲烷收集系统和收集废气的废气收集系统；所述吸附解吸系统包括两个结构相同的吸附塔、冷却装置和电磁阀组，所述吸附塔包括吸附管、抑尘装置、保温炉和热电偶，吸附管的出气管安装有第一压力表，吸附管内设置有用于为吸附剂加热的电极组，所述电极组与电源相连。本实用新型将变压吸附和变电吸附两者相结合，甲烷检测较准确，升温降温迅速，可以吸附大量的甲烷，适用于大量气体分离，并且甲烷的提浓效果好，装置的体积适中，能耗低。

Description

一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置

技术领域

本实用新型属于煤层气提纯实验装置技术领域，具体涉及一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置。

背景技术

煤层气是一种储集在煤层中以甲烷为主的自生自储式非常规天然气，我国的煤层气储量丰富，但是利用率较低，尤其是对于在煤炭开采过程中，大量的低浓度煤层气随着压力的减小释放到空间中，随着巷道通风抽放排至大气中，由此造成大量甲烷资源浪费，并且甲烷作为温室气体，其温室效应是CO₂的21倍，造成严重的环境问题。

在解决低浓度煤层气利用方面，如何简便快捷高效的对其浓缩净化成为重点，目前吸附法工艺成为研究的主流方向，吸附法分为变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)、变电吸附(ESA)。变压吸附分离技术相对于其他气体分离技术具有能耗少，成本低，但是由于吸附剂的性能较差，对甲烷和废气的分离系数较低，使得提浓甲烷的难度增大，提浓效果差。而变温吸附由于不适于大量气体的分离，且加热吸附剂能耗高，升降温速率慢制约了其的应用。而变电吸附具有升温速率快，循环周期短、产率高等优势，但是利用某些吸附剂的导电性，对吸附剂直接通电加热，吸附塔内温度快速变化因而不能将甲烷很好提浓。

申请号为201420607320.9的中国专利，公开了一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，该装置将变压吸附和变温吸附集合成一体，存在升温缓慢，气体浓缩时间长，甲烷吸附量较小，该装置的废气收集系统和甲烷收集系统相连，易互相影响。

申请号为201520460937.7的中国专利，公开了一种煤层气浓缩装置，该装置将变压吸附和变温吸附集合成一体，采用三个吸附塔，操作复杂，成本高，且装置体积较大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其将变压吸附和变电吸附两者相结合，甲烷检测较准确，升温降温迅速，可以吸附大量的甲烷，适用于大量气体分离，并且甲烷的提浓效果好，装置的体积适中，能耗低。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，包括吸附解吸系统、为所述吸附解吸系统提供混合气体的配气系统、收集已提纯甲烷的甲烷收集系统和收集废气的废气收集系统；其特征在于：所述吸附解吸系统包括交替配合工作的两个结构相同的吸附塔、为所述吸附塔提供冷源的冷却装置和安装在吸附塔气路管路上的电磁阀组，所述吸附塔包括用于放置吸附剂的吸附管、设置在吸附管出气端的抑尘装置、设置在吸附管外的保温炉和设置在保温炉上用于测量吸附管内温度的热电偶，吸附管的出气管安装有第一压力表，吸附管内设置有用于为吸附剂加热的电极组，所述电极组与电源连接。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：两个所述吸附塔为并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述冷却装置包括提供低温源的低温恒温槽、安装在第一吸附塔的吸附管与保温炉之间的第一冷却环和安装在第二吸附塔的吸附管与保温炉之间的第二冷却环。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述电磁阀组包括设置在所述第一吸附塔的吸附管进气管上的第一电磁阀、设置在所述第一吸附塔的吸附管出气管上的第二电磁阀、设置在所述第二吸附塔的吸附管进气管上的第三电磁阀、设置在所述第二吸附塔的吸附管出气管上的第四电磁阀、设置在所述第一吸附塔的吸附管进气端与第一电磁阀之间管路上的第五电磁阀、设置在所述第二吸附塔的吸附管进气端与第三电磁阀之间管路上的第六电磁阀、设置在所述第一吸附塔的吸附管出气端与第二电磁阀之间管路上的第七电磁阀、设置在所述第二吸附塔的吸附管出气端与第四电磁阀之间管路上的第八电磁阀、设置在第一冷却环的进液管上的第九电磁阀、设置在第一冷却环的出液管上的第十电磁阀、设置在第二冷却环进液管上的第十一电磁阀和设置在第二冷却环出液管上的第十二电磁阀。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述配气系统包括气路单元和与所述气路单元连接的混气瓶，所述气路单元包括通过管路依次连通的第一过滤器、稳压阀、质量流量计、第一止回阀和第二过滤器，所述混气罐的顶部安装有第二压力表。所述混气瓶依次通过第二止回阀、第一手动阀和第一转子流量计与所述吸附塔连接，所述气路单元的数量为多个。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述废气收集系统包括废气收集器，所述废气收集器依次通过甲烷检测器、第二转子流量计和第四手动阀与两个吸附塔均连接。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述甲烷收集系统包括甲烷收集器，所述甲烷收集器依次通过第三转子流量计和第三手动阀与真空泵连接，真空泵通过第二手动阀与两个吸附塔均连接。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：每个保温炉上的热电偶的数量为多个。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述低温恒温槽采用型号为DC-3010的低温恒温槽。

上述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述抑尘装置为三层结构，所述抑尘装置包括两层铜烧结滤芯和设置在两层铜烧结滤芯之间的滤棉。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型将通过在吸附塔出气端设置抑尘装置，防止在解吸过程中细粒微小吸附剂带入管路造成管路堵塞，减少设备故障发生几率，提高甲烷检测的准确程度。

2、本实用新型采用直接加电源的方式，不需要额外热量加热配套部件，升温速度快，不受传热介质的热容或者传热介质与吸附剂间的传热速率限制，吸附解吸速度快，周期短。

3、本实用新型设置有多个气路单元，可以制备多种混合气体，并对混合气体进行提浓实验，适用范围广。

综上所述，本实用新型能其将变压吸附和变电吸附两者相结合，甲烷检测较准确，升温降温迅速，可以吸附大量的甲烷，适用于大量气体分离，并且甲烷的提浓效果好，装置的体积适中，能耗低。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型吸附塔的结构示意图。

图3为图2的A处局部放大图。

附图标记说明:

1-1—第一过滤器； 1-2—第二过滤器； 2—稳压阀；

3—质量流量计； 4-1—第一止回阀； 4-2—第二止回阀；

5-1—第一压力表； 5-2—第二压力表； 6—混气瓶；

7—减压阀； 8-1—第一电磁阀； 8-2—第二电磁阀；

8-3—第三电磁阀； 8-4—第四电磁阀； 8-5—第五电磁阀；

8-6—第六电磁阀； 8-7—第七电磁阀； 8-8—第八电磁阀；

8-9—第九电磁阀； 8-10—第十电磁阀； 8-11—第十一电磁阀；

8-12—第十二电磁阀； 9-1—第一转子流量计； 9-2—第二转子流量计；

9-3—第三转子流量计； 10-1—第一手动阀； 10-2—第二手动阀；

10-3—第三手动阀； 10-4—第四手动阀； 11—吸附管；

12—电源； 12-1—电极组； 13—保温炉；

14-1—第一冷却环； 14-2—第二冷却环； 15—低温恒温槽；

16—热电偶； 17—抑尘装置； 17-1—铜烧结滤芯；

17-2—滤棉； 18—真空泵； 19—甲烷收集器；

20—甲烷检测器； 21—废气收集器。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型包括吸附解吸系统、为所述吸附解吸系统提供混合气体的配气系统、收集提纯甲烷的甲烷收集系统和收集废气的废气收集系统；所述吸附解吸系统包括交替配合工作的两个结构相同的吸附塔、为所述吸附塔提供冷源的冷却装置和安装在吸附塔气路管路上的电磁阀组，所述吸附塔包括用于放置吸附剂的吸附管11、设置在吸附管11出气端处的抑尘装置17、设置在吸附管11外的保温炉13和设置在保温炉13上用于测量吸附管11内温度的热电偶16，吸附管11的出气管上安装有第一压力表5-1，吸附管11内设置有用于为吸附剂加热的电极组12-1，所述电极组12-1与电源12连接。

所述吸附管11出气端安装有抑尘装置17，有效避免了吸附过程中装置的粉尘一同进入废气收集系统，影响甲烷检测器的检测精度，同时提高了气体的清洁度；废气收集系统和甲烷收集系统相互独立互不干扰，保证甲烷检测的准确性；吸附管11内设置有吸附剂，直接加电源12采用变电吸附，使吸附剂升温和降温更加迅速，甲烷的吸附量也随之增大；电源12的电极组12-1加在吸附管11的方式有两种，一种是两电极分别加在吸附管11的管口两端，一种是两电极加在吸附管11的管壁上，所述电极组包括正电极和负电极，电极组采用交流电源或直流电源直接供电，所述正电极与电源12的正电极相连，所述负电极与所述电源12的负电极相连。

本实施例中，两个所述吸附塔为并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔。

需要说明的是，吸附解吸系统并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，当其中一个吸附塔处于吸附状态时，另外一个吸附塔处于真空解吸状态，当吸附塔从吸附状态切换到真空解吸状态时，两个吸附塔均处于均压状态，双塔配合动作持续吸附，保证浓缩过程的连续性，省掉了吸附塔吸附准备和真空解吸的时间。

本实施例中，所述冷却装置包括提供低温源的低温恒温槽15、安装在第一吸附塔的吸附管11与保温炉13之间的第一冷却环14-1和安装在第二吸附塔的吸附管11与保温炉13之间的第二冷却环14-2。

本实施例中，所述电磁阀组包括设置在所述第一吸附塔的吸附管11进气管上的第一电磁阀8-1、设置在所述第一吸附塔的吸附管11出气管上的第二电磁阀8-2、设置在所述第二吸附塔的吸附管11进气管上的第三电磁阀8-3、设置在所述第二吸附塔的吸附管11出气管上的第四电磁阀8-4、设置在所述第一吸附塔的吸附管11进气端与第一电磁阀8-1之间管路上的第五电磁阀8-5、设置在所述第二吸附塔的吸附管11进气端与第三电磁阀8-3之间管路上的第六电磁阀8-6、设置在所述第一吸附塔的吸附管11出气端与第二电磁阀8-2之间管路上的第七电磁阀8-7、设置在所述第二吸附塔的吸附管11出气端与第四电磁阀8-4之间管路上的第八电磁阀8-8、设置在第一冷却环14-1的进液管上的第九电磁阀8-9、设置在第一冷却环14-1的出液管上的第十电磁阀8-10、设置在第二冷却环14-2进液管上的第十一电磁阀8-11和设置在第二冷却环14-2的出液管上的第十二电磁阀8-12。

本实施例中，所述配气系统包括气路单元和与所述气路单元连接的混气瓶6，所述气路单元包括通过管路依次连通的第一过滤器1-1、稳压阀2、质量流量计3、第一止回阀4-1和第二过滤器1-2，所述混气瓶6的顶部安装有第二压力表5-2。所述混气瓶6依次通过第二止回阀4-2、第一手动阀10-1和第一转子流量计9-1与所述吸附塔连接，所述气路单元的数量为多个。

需要说明的是，本实用新型设置有三条气路单元，分别为提供氮气的第一气路单元、提供甲烷的第二气路单元和备用的第三气路单元，增加了备用的第三气路单元，可以混合更多的气体，使装置的适用范围更广；实验室中原料气甲烷和氮气均由钢瓶供气，经稳压阀2稳定气体压力后，通过质量流量计3控制气体流量，进入混气瓶6配气，为了防止气体回流，在进入混气瓶6前分别加装了第一止回阀4-1，第二压力表5-2用于检测混合后气体的压力，稳定操作过程中的压力。

本实施例中，所述废气收集系统包括废气收集器21，所述废气收集器21依次通过甲烷检测器20、第二转子流量计9-2和第四手动阀10-4与两个吸附塔均连接。

本实施例中，所述甲烷收集系统包括甲烷收集器19，所述甲烷收集器19依次通过第三转子流量计9-3和第三手动阀10-3与真空泵18连接，真空泵18通过第二手动阀10-2与两个吸附塔均连接。

本实施例中，每个保温炉13上的热电偶16的数量为多个，确保温度测量准确性。

本实施例中，所述低温恒温槽15采用型号为DC-3010的低温恒温槽，温度范围为-30℃～100℃，能够满足系统的冷量和精度需求；冷源采用10#硅油，采用罐装方式。

如图3所示，所述抑尘装置17为三层结构，所述抑尘装置17包括两层铜烧结滤芯17-1和设置在两层铜烧结滤芯17-1之间的滤棉17-2，结构简单，易于制造，成本低廉。

本实用新型使用时，先选择活性炭纤维作为吸附剂装填于吸附管11内，装填高度以实际实验要求为准；向系统通入一定压力的氮气，待压力恒定后，维持一小时，观察第一压力表5-1以检查系统气密性，确定系统不漏气；打开真空泵18，抽真空1～2两小时，然后向配气系统的不同气路单元分别通入氮气和甲烷，且经稳压阀2调节各气路单元的气体压力，由质量流量计3测定各气路单元的气体流量，在混气瓶6内进行混合，混气瓶6上设有第二压力表5-2，以便维持操作压力恒定，混合气体经第一转子流量计9-1以设定的流量进入吸附解吸系统，在吸附解吸系统的吸附塔内进行吸附动作，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔可按不同操作顺序保持吸附动作的连续性。

两个吸附塔工作时，当第一吸附塔降温时，第二吸附塔升温；当第一吸附塔加压时第二吸附塔降压；当第一吸附塔吸附时第二吸附塔真空解吸；当第一吸附塔均压降时第二吸附塔均压升，双塔动作相互配合，降温、加压属于吸附状态，升温、减压属于解吸状态，吸附状态与解吸状态之间有均压状态过度，吸附状态变解吸状态均压降，解吸状态变吸附状态均压升。

吸附管11周围安装有冷却环14，通过冷热液体的切换可以实现对吸附管11内的吸附剂进行降温处理，从而实现解吸状态到吸附状态的转化，在保温炉13上设置有热电偶16可以实现吸附管11内的温度的实时测量；冷却环14外设置有保温炉13，大大降低了温度的散失，使得吸附管11更容易从吸附状态转化到解吸状态。

收集气体时吸附塔11塔顶废气经由甲烷检测器20测定甲烷浓度，实时监测甲烷穿透情况，由废气收集器21收集后经气相色谱检测后用于产品回收率的计算；吸附塔塔底由真空泵18抽甲烷，由甲烷收集器19收集，再由气相色谱检测其产品浓度。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，包括吸附解吸系统、为所述吸附解吸系统提供混合气体的配气系统、收集已提纯甲烷的甲烷收集系统和收集废气的废气收集系统；其特征在于：所述吸附解吸系统包括交替配合工作的两个结构相同的吸附塔、为所述吸附塔提供冷源的冷却装置和安装在吸附塔气路管路上的电磁阀组，所述吸附塔包括用于放置吸附剂的吸附管(11)、设置在吸附管(11)出气端的抑尘装置(17)、设置在吸附管(11)外的保温炉(13)和设置在保温炉(13)上用于测量吸附管(11)内温度的热电偶(16)，吸附管(11)的出气管安装有第一压力表(5-1)，吸附管(11)内设置有用于为吸附剂加热的电极组(12-1)，所述电极组(12-1)与电源(12)连接。

2.按照权利要求1所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：两个所述吸附塔为并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔。

3.按照权利要求2所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述冷却装置包括提供低温源的低温恒温槽(15)、安装在第一吸附塔的吸附管(11)与保温炉(13)之间的第一冷却环(14-1)和安装在第二吸附塔的吸附管(11)与保温炉(13)之间的第二冷却环(14-2)。

4.按照权利要求3所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述电磁阀组包括设置在所述第一吸附塔的吸附管(11)进气管上的第一电磁阀(8-1)、设置在所述第一吸附塔的吸附管(11)出气管上的第二电磁阀(8-2)、设置在所述第二吸附塔的吸附管(11)进气管上的第三电磁阀(8-3)、设置在所述第二吸附塔的吸附管(11)出气管上的第四电磁阀(8-4)、设置在所述第一吸附塔的吸附管(11)进气端与第一电磁阀(8-1)之间管路上的第五电磁阀(8-5)、设置在所述第二吸附塔的吸附管(11)进气端与第三电磁阀(8-3)之间管路上的第六电磁阀(8-6)、设置在所述第一吸附塔的吸附管(11)出气端与第二电磁阀(8-2)之间管路上的第七电磁阀(8-7)、设置在所述第二吸附塔的吸附管(11)出气端与第四电磁阀(8-4)之间管路上的第八电磁阀(8-8)、设置在第一冷却环(14-1)的进液管上的第九电磁阀(8-9)、设置在第一冷却环(14-1)的出液管上的第十电磁阀(8-10)、设置在第二冷却环(14-2)进液管上的第十一电磁阀(8-11)和设置在第二冷却环(14-2)的出液管上的第十二电磁阀(8-12)。

5.按照权利要求1或4所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述配气系统包括气路单元和与所述气路单元连接的混气瓶(6)，所述气路单元包括通过管路依次连通的第一过滤器(1-1)、稳压阀(2)、质量流量计(3)、第一止回阀(4-1)和第二过滤器(1-2)，所述混气罐(6)的顶部安装有第二压力表(5-2)，所述混气瓶(6)依次通过第二止回阀(4-2)、第一手动阀(10-1)和第一转子流量计(9-1)与所述吸附塔连接，所述气路单元的数量为多个。

6.按照权利要求5所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述废气收集系统包括废气收集器(21)，所述废气收集器(21)依次通过甲烷检测器(20)、第二转子流量计(9-2)和第四手动阀(10-4)与两个所述吸附塔均连接。

7.按照权利要求5所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述甲烷收集系统包括甲烷收集器(19)，所述甲烷收集器(19)依次通过第三转子流量计(9-3)和第三手动阀(10-3)与真空泵(18)连接，真空泵(18)通过第二手动阀(10-2)与两个所述吸附塔均连接。

8.按照权利要求1所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述保温炉(13)上的热电偶(16)的数量为多个。

9.按照权利要求3所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述低温恒温槽(15)采用型号为DC-3010的低温恒温槽。

10.按照权利要求1所述的一种煤层气提纯真空变压变电耦合吸附实验装置，其特征在于：所述抑尘装置(17)由两层铜烧结滤芯(17-1)和设置在两层铜烧结滤芯(17-1)之间的滤棉(17-2)构成。