一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构

本发明涉及一种对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，即一种通过集旋转分离、分区隔断、中柱集采、底周羽扇释放与抽吸外排作用功能一体化的结构，对煤层气中的低浓度甲烷组分进行加强富集，并与空气和二氧化碳气体进行初步分离的装置单元体，属于非常规天然气勘探开发工程设备领域。

背景技术：

1、煤层气属于具有高热值的新型清洁能源。有效开发和利用煤层气，对于减少煤矿瓦斯灾害、缓解能源供需矛盾、改善能源结构需要、改善大气环境和促进社会经济协调可持续发展，具有重要的现实意义。

2、在我国经济高速发展，能源供应紧张，环境保护和煤矿生产安全压力不断加大的形势下，含有大量二氧化碳、氧气、氮气的煤层气中，对低浓度甲烷进行初步富集与分离是煤层气综合发展利用的核心问题，对煤层气低浓度甲烷进行富集和分离的设备、装置单元也是研究设计与开发者关注的焦点问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是，提供对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离的装置单元结构，借助旋转构件和隔断构件，对煤层气中具有密度差的甲烷和非甲烷组分按分布区域实现隔断，同时借助覆有选择性透过膜的旋转构件底周孔外的羽扇结构，将隔断在外围的二氧化碳、氧气、氮气等重组分气体释放至抽吸外排区域，而在装置单元结构中轴区域的被隔断富集的甲烷气体经出口输出。

2、本发明解决其技术难题所采用的技术方案是：

3、该装置单元结构的主体由三段组成，分别是进气管段、出气管段，以及由倒钵体与移动隔断复合体、渐扩收口旋转罩层、外排罩层构成的三层富集分离段。其中，三层富集分离段的三层结构同轴且一体化成型连接；三层富集分离段的层间作为隔段区域，由内向外依次为甲烷富集区、非甲烷组分富集与释放区、非甲烷组分外排区；甲烷富集区和非甲烷组分富集与释放区之间的隔断带是收叠式移动隔断；移动隔断的折片完全收合时，移动隔断与倒钵体、上口环组合成笼形体，甲烷与非甲烷组分气体处于待富集与分离的状态，在渐扩式收口旋转罩层内壁弧形肋骨的旋转作用下，甲烷与非甲烷组分气体产生三维气体涡旋，并且基于煤层气中各组分的密度差，甲烷在气体涡旋下处于旋转的中轴区域，而煤层气中非甲烷组分将处于中轴区域的外围；移动隔断的折片完全展开时，呈现为水瓶体，其圈闭区域内部即甲烷富集区，圈闭区域外部与渐扩式收口旋转罩层之间的区域即非甲烷组分富集与释放区；非甲烷组分富集与释放区的气体，下沉运行通过渐扩收口旋转罩层，经沿口底周孔处的选择性透过性膜，在羽扇结构展开状态下被释放至抽吸外排区域，并通过位于外排罩层与渐扩式底周收口旋转罩层之间抽吸外排区域侧壁上部的出口，被抽吸至装置单元结构的外部。气体涡旋下，处于旋转中轴区域甲烷气体被富集，并经由折片处于完全展开状态下的移动隔断所形成的圈闭区域，进入该装置单元结构的出气管段，进而实现对煤层气低浓度甲烷进行初步富集与分离。

4、上述进气管段由下扣环和进气管节组成，下扣环由锁面和锁圈构成，进气管节是具有柔性和压弹性的管带。下扣环锁圈为圆柱环，圆柱环的柱面内侧壁加工有螺纹；下扣环锁面为渐扩形弧面或斜平面圆环，锁面圆环内径与锁圈圆柱环内径一致，锁面圆环外径大于锁圈圆柱环；下扣环锁面大口端面，其圆环内周与下扣环锁圈圆柱环的一端一体化成型连接。进气管节为柔性圆管，圆管两端端口分别内嵌端口圆柱环和圆圈环；内嵌圆圈环的端口在下扣环锁面小端面一侧，与下扣环锁面圆环内周一体化成型连接；内嵌圆柱环的端口在圆柱环柱面外侧壁加工有螺纹，用以与其他具有互为匹配管径且加工有内螺纹的管段相连接。

5、上述三层富集分离段的主体构件，由内向外依次为复合体、旋转罩层及外排罩层，三层构件均与进气管段共轴。三层富集分离段主体构件的上方附属构件由上扣环及阀门a组成。

6、上扣环是实现三层富集分离段与进气管段对接的构件，由锁面和锁圈构成。上扣环锁圈为圆柱环，圆柱环的柱面外侧壁加工有与进气管段下扣环锁圈内螺纹相匹配的外螺纹；上扣环锁圈内径与三层富集分离段复合体的倒钵体端口外径相匹配，且其一端与三层富集分离段复合体一体化成型连接，另一端与上扣环锁面一体化成型连接。上扣环锁面为渐扩形弧面或斜平面圆环，且弧面曲率或斜平面斜率与进气管段下扣环的锁面保持一致，上扣环锁面圆环内径与锁圈圆柱环内径一致，锁面圆环外径大于锁圈圆柱环，以保证在三层富集分离段的上扣环与进气管段的下扣环在螺纹对接的过程中，上、下扣环的锁面能够将进气管段的柔性圆管压紧，进而实现进气管段与三层富集分离段之间的密封闭合；上扣环锁面大口端面一侧，其圆环内周与上扣环锁圈圆柱环的一端一体化成型连接。

7、阀门a装配于上扣环锁圈的圆柱环内部，阀门a的门芯为空或根据使用环境需要选择性加载滤水膜、附水膜。门芯为空，即装置单元内部对气体无特殊要求；滤水膜用以配合装置单元内部对气体干燥性的需求；附水膜用以配合装置单元内部在额外加载电流使潮湿气体荷电的需求。

8、复合体是呈倒扣碗状的倒钵体与环柱体的旋转移动式移动隔断两者进行上下组合的构件。

9、倒钵体碗口及碗底两端均无封面，由颈部和锥台部构成，颈部和锥台部同轴且均与进气管段共轴。颈部为环柱面，颈部环柱面的外径与上扣环锁圈的内径保持一致；颈部环柱面的柱高大于上扣环锁圈环柱面的柱高，且颈部环柱面的一个端口与上扣环锁圈环柱面内侧壁一体化成型连接；颈部环柱面的另一个端口与复合体倒椎体的锥台部小口端内径保持一致，且与锥台部小口端端口一体化成型连接；在颈部两个端面与其上、下游构件部位一体化连接前，进气管段的下扣环被套装在颈部外围，使得进气管段的下扣环在倒钵体颈部进行上下活动范围被定为，上限为下扣环的锁面和锁圈的连接线，下限为倒钵体颈部和锥台部的连接线。锥台部是一个圆台体的侧壁面，锥台部的小口端朝向颈部一侧，大口端朝向移动隔断，锥台部的渐扩形侧壁保证了气体在经由进气管段、复合体倒钵体的颈部，进入三层富集分离段主体的三层区域时，能够在区域内充分扩散。

10、移动隔断是一个由环柱状框架、折片、磁封条和增件管组成的收叠式构件。呈环柱状的框架由上圈轨、下圈轨、立杆组成。上圈轨、下圈轨垂直正对，与进气管段共轴；上圈轨和下圈轨是大小相等的圆环形轨道，轨道大小与倒钵体锥台部大口端的端面保持一致，上圈轨和下圈轨的轨道牙口朝向分别是向下和向上，且轨道牙口的背部分别与倒钵体锥台部大口端的端面和三层富集分离段的外排罩层大口端的端面一体化成型连接。在垂直方向上，上圈轨和下圈轨通过立杆进行支撑连接，即立杆两个端头分别与上圈轨和下圈轨垂直连接，立杆数量大于等于2，立杆与圈轨的连接点将圈轨圆周均分；立杆呈圆柱形，以减小气体涡旋对框架的振动程度；立杆的高度需要保证，垂直高度方向上在立杆的侧壁面，移动隔断能够一体化连接有折片，即折片以立杆为起始端头，沿圈轨滑动进行展开和收合。移动隔断的折片个数与立杆数量保持一致，即从每个立杆侧部均可拉伸出一个折片并沿圈轨进行圆周运动；折片是波纹型材或其他折叠式型材，折片中的折骨为刚性材料，若干个平行排列的折骨内嵌于折片中，且折骨与折片的拉伸方向相垂直；刚性折骨的两个端头各装配有1个刚性轨芯，轨芯形状不受限，但在外接控制设备的控制下，需要轨芯在上、下圈轨的轨道牙口中做同向同步顺滑运动，运动过程中折页的折骨始终平行于移动隔断的立杆，即无论轨芯是在外接电力、电磁或机械传动等方式驱动下，均需保证折片在刚性折骨的带动下沿移动隔断的框架上、下圈轨无障碍的展开和合拢；轨芯与圈轨之间采用半固化态油封方式，在一定程度上避免气体通过轨芯与圈轨之间的缝隙；最大展开状态下的折片长度，至少满足沿圈轨轨道运行形成的环柱面侧壁面上的相邻两个立杆间弧面长度，即所有折片被最大展开时，折片与立柱将移动隔断的环柱状框架变成一个侧壁面为圈闭状态下的环柱，此时移动隔断与倒钵体、上口环组合成一个水瓶体，而最大收合状态下的折片将使移动隔断与倒钵体、上口环组合成一个笼形体；未与立杆一体化连接的折页的另一端端头，装配有与折骨等长且平行于折骨的磁封条，当折页从与其一体化连接的立杆被沿圈轨进行展开并与相邻立杆接触时，磁封条与相邻立杆发生磁性吸附以保证相邻两个立杆间形成闭合，立杆与磁封条材料及组配采用常规电磁和磁吸原理。增件管为空心管，管的横截断面形状不受限，增件管的数量与立杆数量一致，所有增件管的材质和尺寸规格均需相同；增件管与立杆平行且一体化连接固定于立杆的下部，并分布于移动隔断所形成圈闭体中；根据装置单元的需要，增件管内部装配线路、浓度监测器、电极板等，没有特殊要求的增件管内部仅装配线路，增件管内部允许空置。

11、旋转罩层是呈帽状渐扩式底周收口的构件，由渐扩面、沿口、肋骨、上内圈轨、下内圈轨、和羽扇窗组成，旋转罩层与进气管段共轴。旋转罩层的渐扩面是一个圆台体的侧壁面；渐扩面所围成的圆台体小口端的外径一体化成型连接于上内圈轨，上内圈轨为空心或实心圆环体，在电力、电磁或机械传动等方式驱动下，与三层富集分离段外排罩层中的上外圈轨相配合；渐扩面的内壁一体化成型有螺旋式肋骨，当渐扩面绕轴旋转时，渐扩面内部的空间区域将产生三维气体涡旋，在移动隔断的框架折片处于最大收合状态下，笼形体的移动隔断处于非圈闭状态，存在较大密度差的煤层气中的甲烷和非甲烷组分气体在三维气体涡旋中进行规律分布，渐扩面所围成的圆台体小口端在上而大口端在下的装设条件下，密度较小的甲烷气体集中于旋转罩层整个内部中轴位置且向渐扩面所围成的圆台体小口端方向游走，密度较大的非甲烷组分气体则集中于旋转罩层内部中轴位置的外围区域且向渐扩面所围成的圆台体大口端方向游走。旋转罩层的沿口位于呈帽状旋转罩层的帽沿部位，即旋转罩层渐扩面所围成的圆台体小口端在上而大口端在下的装设条件下，沿口是旋转罩层的渐扩式底周收口区域，由上沿面和下沿面构成，沿口上、下沿面的垂直投影均为圆环形；沿口的上、下沿面均为圆环形弧面或斜平面，沿口上、下沿面分别呈渐扩式和渐缩式，上沿面的大端口与下沿面的大端口尺寸保持一致且一体化成型连接；沿口上沿面的小口端与渐扩面大口端尺寸保持一致且一体化成型连接，沿口中轴线所在平面与上、下沿面相交所形成母线是一条折线，该折线在朝向沿口中心向内的指向上形成的折线夹角小于180度，即沿口继渐扩面之后，经沿口上沿面先增加旋转罩层的渐扩程度，后又经沿口下沿面向内进行底边收口，这种形状促使了三维涡旋状态下煤层气中密度较大的非甲烷组分气体被富集于底周沿口靠近壁面的内侧区域，有如避风港口区域在一定程度上能够避免对非甲烷组分气体形成再次扰动而破坏其已被集中存在的状态；沿口上、下沿面之间的交线呈圆形，且圆的外径小于圆所在平面与三层富集分离段的外排罩层所产生的圆形交线的内径，即作为沿口的最大尺寸处，沿口上、下沿面之间的交线位置与三层富集分离段的外排罩层的内壁仍保持一定的空间区域；沿口下沿面沿周线均匀分布有规格相同的圆孔，即底周孔，数量多个，孔口覆膜，该膜为选择性透过性膜，使隔断圈闭与旋转罩层之间区域的非甲烷组分气体经由膜传输至旋转罩层与外排罩层之间的区域，被膜阻隔的甲烷气体将于移动断层折片被合拢时再次经旋转操作，以增加其作为甲烷富集气体存在于移动隔断圈闭内部区域的几率；沿口下沿面的小口端端口一体化成型连接于下内圈轨，下内圈轨为空心或实心圆环体，在电力、电磁或机械传动等方式驱动下，与三层富集分离段外排罩层底面的下外圈轨相配合，下内圈轨作为外排罩层底面下外圈轨的轨芯，在下外圈轨的轨道牙口中进行旋转运动。沿口下沿面的小口端端面即旋转罩层的底面，该底面实际上是外排罩层的底面。旋转罩层渐扩面的上内圈轨和沿口下内圈轨所做的旋转运动具有同向和相同大小的运动角速度。沿口下沿面底周孔处，在沿口外壁面上一体化连接有羽扇窗，羽扇窗由窗骨、连轴和扇片组成，窗骨所在面与沿口面完全吻合；窗骨的轴侧投影为外廓呈梯形且内部区域带有蜂窝形骨架的形状；窗骨的中轴线与沿口下沿面的母线同轴，窗骨面在与沿口下沿面母线垂直的方向上装配有与下沿口周线相吻合的连轴，连轴为弧状或直线状，数量多个且相互平行；连轴上穿有紧密排布的轻质扇片，扇片呈羽毛状或叶片状，扇片的长度大于母线方向相邻连轴之间的距离，每个扇片的一端均带有能够通过连轴串起来的环孔，相邻扇片按照旋转罩层的旋转方向采用先上后下的压肩式布设方式，扇片布满整个窗口内部区域，上下层相邻连轴的扇片采用上外下内的压叠方式布设，旋转罩层通过线路，在电力、电磁或机械传动等方式驱动下进行旋转运行时，旋转罩层内部的离心和气旋作用使得先上后下的叠压扇片紧紧闭合于沿口底周孔，有如窗帘覆于沿口底周孔处的膜外侧，在一定程度上阻碍旋转罩层内部气体通过底周孔处的膜，而旋转罩层静止时，旋转罩层与外排罩层之间的区域在负压条件下使得扇片在其端部环孔受连轴束缚下被绕轴扬起，沿口底周孔处的膜外侧有如窗帘被拉开，旋转罩层内部气体将通过底周孔处的膜，经由旋转罩层与外排罩层之间的区域，流向外排罩层的外排孔口。

12、外排罩层的主体是一个圆台形构件，由罩体、上外圈轨、下外圈轨和阀门b组成，罩体底面中心孔处一体化连接有出气管连接段，外排罩层、出气管连接段与进气管段共轴。外排罩层的罩体由顶面，侧面、底面和外排孔口组成；顶面是一个圆环面，圆环面的内径与三层富集分离段复合体的倒钵体大口端外径一体化成型连接，连接处且位于圆环面内侧一体化成型有上外圈轨，旋转罩层的上内圈轨作为轨芯，在上外圈轨的轨道牙口中进行旋转运动；底面是一个圆环面，圆环内径小于三层富集分离段复合体的移动隔断上、下圈轨的内径且与出气管连接段的内螺纹圈口尺寸保持一致，圆环面上一体化成型连接有与旋转罩层沿口下沿面小口端的下内圈轨进行组配的下外圈轨，下外圈轨与上外圈轨共轴，旋转罩层的下内圈轨作为外排罩层下外圈轨的轨芯，在下外圈轨的轨道牙口中进行旋转运动；旋转罩层的上内圈轨与外排罩层的上外圈轨之间、旋转罩层的下内圈轨与外排罩层的下外圈轨之间，采用半固化态油封方式，在一定程度上避免气体通过圈轨之间的缝隙；罩体侧面围成的区域呈圆台状，圆台的高度与三层富集分离段复合体的移动隔断高度一致，罩体侧面小口端和大口端的端口分别与外排罩层罩体的顶面和底面外径一体化成型连接；侧面顶部分布有1个或多个外排孔口，孔口处覆允许非甲烷组分气体通过的选择性透过膜；通过外接设备，外排孔口处为旋转罩层与外排罩层之间的区域创造负压条件，使得旋转罩层与移动断层形成圈闭之间的区域的气体，更有利于通过底周孔外的选择性透过膜，被抽吸并经外排罩层的覆膜外排孔口排出。出气管连接段呈环柱状，由环台a和内螺纹圈口两部分构成；环台a是具有一定厚度的圆环体，圆环内径与外排罩层的罩体底面圆环内径、装置单元出气管段芯管的外径相匹配，圆环内口处装设有阀门b，用以开启或关闭三层富集分离段移动隔断产生的圈闭区域与出气管段之间的通道；环台a圆环体的一个端面与外排罩层罩体的底面共轴且一体化成型连接，另一个端面与内螺纹圈口的端面一体化成型连接；内螺纹圈口是一个内侧壁加工有螺纹的空心管段，出气管连接段环台a的圆环外径与内螺纹圈口的空心管段外径保持一致。

13、上述出气管段呈塞状，由环台b和芯管组成。芯管是一个中空的管段，管段外径与旋转罩层的出气管连接段环台a圆环的内径相匹配，管段长度等于旋转罩层出气管连接段环台a圆环厚度与出气管段带有外螺纹的环台b圆环的厚度总和；芯管中空管段的外侧壁与出气管段带有外螺纹的环台b圆环体的内侧壁一体化成型连接。出气管段带有外螺纹的环台b圆环体的外部加工有外螺纹，圆环体的外螺纹旋合长度大于出气管连接段内螺纹圈口的旋合长度，即出气管段的环台b外螺纹一部分用于与三层富集分离段外排罩层出气管连接段内螺纹圈口进行螺纹连接，另一部分用以与其他装置单元构件进行螺纹连接。

14、本发明由进气管段、出气管段以及由复合体、旋转罩层、外排罩层组合的三层富集分离段构成的一种使低浓度甲烷煤层气中的甲烷组分气体与非甲烷组分气体进行初步富集与分离的装置单元。装置单元利用煤层气中甲烷与非甲烷组分气体存在较大密度差的优势，借助旋转罩层使混合气体在形成的三维气体涡旋中实现甲烷气体初步富集于旋转体中轴区域，非甲烷组分气体则初步富集于甲烷气体的外围并通过选择性透过膜进行分离；借助移动隔断在旋转体中轴区域形成折片圈闭，将富集的甲烷气体在一定程度上被隔离在移动断层圈闭内部区域，并通过与出气管段相连接的其他外接装置构件被抽吸储存；被富集的非甲烷组分气体在移动隔断形成的圈闭与旋转罩层之间的区域，在旋转罩层与外排罩层之间的区域创造负压条件，使得位于移动断层圈闭内部以及移动隔断形成的圈闭与旋转罩层之间这两个区域底部的羽扇窗的压叠扇片被扬起，促使非甲烷组分气体由内向外经旋转罩层沿口底周孔口处的选择性透过膜流动至旋转罩层与外排罩层之间的区域，最终通过与外排罩层覆膜外排孔口相连接的其他外接装置构件被抽吸排放，进而实现对煤层气低浓度甲烷气体的进一步富集与分离。该装置单元结构组件简单，无需进行化学处理，作为复杂处理流程中的处理单元之一，易于装配和实际应用，极具技术推广前景。