一种温压协同气体吸附分离提纯方法与流程

本发明涉及气体提纯技术领域，具体涉及一种温压协同气体吸附分离提纯方法，尤其适用于煤矿抽采低浓度瓦斯及通风瓦斯的吸附分离提纯。

背景技术：

瓦斯是煤的伴生产物，是一种宝贵的不可再生的能源，同时也是一种强温室效应气体。从煤矿瓦斯的排放而言，通风瓦斯的排放约占煤矿瓦斯排放总量的70％。由于通风瓦斯的浓度低(≤1％)、流量波动大，很难对其进行直接利用。因此，如何实现煤矿抽采瓦斯与通风瓦斯有效利用，对于提升煤矿安全高效的生产水平、减少温室气体排放具有十分重要意义。

针对类似煤矿瓦斯等混合气体，常规变压吸附是在等温条件下通过加压吸附、减压解吸的方式组合成吸附分离操作循环过程，吸附剂对吸附质的吸附量随着压力的升高而增加，并随着压力的降低而减少，同时在减压(降至常压或抽真空)过程中，放出被吸附的气体，使吸附剂再生，得到高纯产品气体。

煤矿低浓度瓦斯和通风瓦斯中主要的成分包括甲烷、氮气、氧气等组分，其中甲烷和氮气具有相似的理化结构特性，然而常规变压吸附技术手段很难将其有效分离，目前尚无针对难分离气体组分的温压协同气体吸附分离提纯方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种温压协同气体吸附分离提纯方法，安全高效、能耗低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种温压协同气体吸附分离提纯方法，采用变温变压吸附系统，该系统包括进气单元、排气单元以及两个并联的装填有吸附剂的吸附塔i和吸附塔ii，吸附塔i内部设置有换热器i，吸附塔ii内部设置有换热器ii，提纯步骤如下：

1)混合原料气通过进气单元经空气压缩机加压后，首先进入冷干机脱除水分，再进入吸附塔i，对吸附塔i进行降温升压完成杂质气体吸附过程，产品气从吸附塔i塔顶流出，经排气单元排出；同时开启真空泵对吸附塔ii进行吹扫，使吸附塔ii保持抽真空状态；

2)当吸附塔i内杂质吸附接近饱和时，关闭吸附塔i的进口，换热器i和换热器ii进行热量交换，待两塔间的温度平衡后对吸附塔i进行升温降压完成杂质气体解吸过程，杂质气体从吸附塔i塔底通过真空泵排出装置，同时混合原料气通过进气单元经空气压缩机加压后，首先进入冷干机脱除水分，再进入吸附塔ii，对吸附塔ii进行降温升压完成杂质气体吸附过程，产品气从吸附塔ii塔顶流出，经排气单元排出；

3)当吸附塔ii内杂质吸附接近饱和时，关闭吸附塔ii的进口，同时原料气切换至吸附塔i，并再次进行两塔间的热量交换，吸附塔i和吸附塔ii交替循环运行。

优选的，杂质气体吸附过程具体操作如下：吸附塔在温度t2条件下升压至p1，达到高温低压吸附点a，随后保持吸附压力不变并对吸附塔进行降温至t1，达到低温低压吸附点b后，吸附塔保持低温t1不变并升压至p2，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成杂质气体吸附过程；

杂质气体解吸过程具体操作如下：保持吸附塔的吸附压力p2不变，对吸附塔进行升温至t2，达到高温高压吸附点d后，吸附塔保持高温t2不变并降压至p1，达到高温低压吸附点a，完成杂质气体解吸过程。

优选的，杂质气体吸附过程具体操作如下：吸附塔在温度t2条件下升压至p1，达到高温低压吸附点a，随后保持温度t2不变并对吸附塔进行升压至p2，达到高温高压吸附点d后，吸附塔保持吸附压力p2不变并降温至t1，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成杂质气体吸附过程；

杂质气体解吸过程具体操作如下：保持吸附塔低温t1不变，对吸附塔进行降压至p1，达到低温低压吸附点b后，吸附塔保持吸附压力p1不变并升温至t2，达到高温低压吸附点a，完成杂质气体解吸。

优选的，所述吸附剂为炭吸附材料、分子筛、金属有机骨架材料等。

优选的，所述换热器i、换热器ii均为蛇形管式换热器。

整个吸附分离过程存在工况点高温低压吸附点a、低温低压吸附点b、低温高压吸附点c、高温高压吸附点d，所对应吸附量大小顺序为qc＞qb＞qd＞qa；所述的工况点温度及压力设定可根据吸附剂种类和待分离混合气体组分进行调节，混合气体吸附分离提纯基于不同气体组分吸附平衡差异原理实现；所述的高温低压吸附点a和高温高压吸附点d为吸附塔内吸附剂对混合气体在高温t2条件下同一等温吸附线上工况点；所述的低温低压吸附点b和低温高压吸附点c为吸附塔内吸附剂对混合气体在低温t1条件下同一等温吸附线上工况点；所述的吸附过程与分离过程可由两个吸附塔交替完成，两塔之间可通过热交换器或压缩机进行能量传导，降低系统能耗。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用温度变化对不同气体在吸附剂上的吸附差异性，在相同吸附-解吸循环过程中，气体吸附量增加的同时，也提高了对特定气体的吸附选择性，大大提高了变压吸附过程中相同吸附压力条件下的混合气体吸附分离效率，并且多个吸附塔并联使用，吸附过程与分离过程交替进行，吸附塔之间可通过热交换器或压缩机进行能量传导，提高了系统温度调节效率。该方法操作简单，解决了目前针对变压吸附提纯制备气体过程中分离过程能耗较高、产品收率较低、系统自身能量未能充分利用等问题。

本发明特别适用于煤矿抽采低浓度瓦斯及通风瓦斯的综合利用，在减少温室气体瓦斯(甲烷)排放的同时获取煤矿瓦斯的清洁能源转换，实现煤矿瓦斯的清洁生产利用及煤矿区的循环经济发展。

附图说明

图1为本发明的变温变压吸附系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1的混合气体吸附分离过程示意图。

图3为本发明实施例2的混合气体吸附分离过程示意图。

图中，1、进气单元，2、空气压缩机，3、冷干机，4、吸附塔i，5、换热器i，6、吸附塔ii，7、换热器ii，8、排气单元，9、真空泵，10、冷热交换装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例中，待分离气体为甲烷/氮气混合原料气(甲烷浓度低于30％)。采用如图1所示的变温变压吸附系统，该系统包括进气单元1、排气单元8以及两个并联的吸附塔i4和吸附塔ii6，吸附塔i4内部设置有换热器i5，吸附塔ii6内部设置有换热器ii7，所述换热器i5、换热器ii7均为蛇形管式换热器。吸附塔i4装填有活性炭吸附剂，吸附塔ii6装填有分子筛吸附剂。

提纯步骤如下：

(1)混合原料气通过进气单元1经空气压缩机2加压后，首先进入冷干机3脱除水分，再进入吸附塔i4，吸附塔i4在温度t2(80℃)条件下升压至p1(1mpa)，达到高温低压吸附点a，随后保持吸附压力不变并对吸附塔i4进行降温至t1(0℃)，达到低温低压吸附点b后，吸附塔i4保持低温t1(0℃)不变并升压至p2(5mpa)，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成甲烷气体吸附过程(如图2所示)，氮气从吸附塔i4塔顶流出，经排气单元8排出；同时开启真空泵9对吸附塔ii6进行吹扫，使吸附塔ii6保持抽真空状态；

(2)当吸附塔i4内甲烷吸附接近饱和时，关闭吸附塔i4的进口，换热器i5和换热器ii7通过冷热交换装置10进行热量交换，待两塔间的温度平衡后保持吸附塔i4的吸附压力p2(5mpa)不变，对吸附塔i4进行升温至t2(80℃)，达到高温高压吸附点d后，吸附塔i4保持高温t2(80℃)不变并降压至p1(1mpa)，达到高温低压吸附点a，完成甲烷解吸过程(如图2所示)，甲烷气体从吸附塔i4塔底通过真空泵9排出装置，同时混合原料气通过进气单元1经空气压缩机2加压后，首先进入冷干机3脱除水分，再进入吸附塔ii6，吸附塔ii6在温度t2(80℃)条件下升压至p1(1mpa)，达到高温低压吸附点a，随后保持吸附压力不变并对吸附塔ii6进行降温至t1(0℃)，达到低温低压吸附点b后，吸附塔ii6保持低温t1(0℃)不变并升压至p2(5mpa)，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成甲烷气体吸附过程(如图2所示)，氮气从吸附塔ii6塔顶流出，经排气单元8排出；

(3)当吸附塔ii6内甲烷吸附接近饱和时，关闭吸附塔ii6的进口，同时原料气切换至吸附塔i4，并再次进行两塔间的热量交换，吸附塔i4和吸附塔ii6交替循环工作，保证了系统运行的稳定性和连续性。

通过多次变温变压吸附循环，出口氮气纯度可达99％，收集甲烷气体纯度可达99％。

实施例2

本实施例中，待分离气体为甲烷/氮气混合原料气(甲烷浓度低于30％)。采用如图1所示的变温变压吸附系统，该系统包括进气单元1、排气单元8以及两个并联的吸附塔i4和吸附塔ii6，吸附塔i4内部设置有换热器i5，吸附塔ii6内部设置有换热器ii7，所述换热器i5、换热器ii7均为蛇形管式换热器。吸附塔i4装填有分子筛吸附剂，吸附塔ii6装填有金属有机骨架材料吸附剂。

提纯步骤如下：

(1)混合原料气通过进气单元1经空气压缩机2加压后，首先进入冷干机3脱除水分，再进入吸附塔i4，吸附塔i4在温度t2(100℃)条件下升压至p1(2mpa)，达到高温低压吸附点a，随后保持温度t2(100℃)不变并对吸附塔i4进行升压至p2(6mpa)，达到高温高压吸附点d后，吸附塔i4保持吸附压力p2(6mpa)不变并降温至t1(20℃)，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成混合气体吸附过程(如图3所示)，产品气从吸附塔i4塔顶流出，经排气单元8排出；同时开启真空泵9对吸附塔ii6进行吹扫，使吸附塔ii6保持抽真空状态；

(2)当吸附塔i4内甲烷吸附接近饱和时，关闭吸附塔i4的进口，换热器i5和换热器ii7通过冷热交换装置10进行热量交换，待两塔间的温度平衡后保持吸附塔i4低温t1(20℃)不变，对吸附塔i4进行降压至p1(2mpa)，达到低温低压吸附点b后，吸附塔i4保持吸附压力p1(2mpa)不变并升温至t2(100℃)，达到高温低压吸附点a，完成甲烷解吸(如图3所示)，甲烷气体通过真空泵9排出装置，同时混合原料气通过进气单元1经空气压缩机2加压后，首先进入冷干机3脱除水分，再进入吸附塔ii6，吸附塔ii6在温度t2(100℃)条件下升压至p1(2mpa)，达到高温低压吸附点a，随后保持温度t2(100℃)不变并对吸附塔ii6进行升压至p2(6mpa)，达到高温高压吸附点d后，吸附塔ii6保持吸附压力p2(6mpa)不变并降温至t1(20℃)，达到最大吸附量工况点低温高压吸附点c，完成混合气体吸附过程(如图3所示)氮气从吸附塔ii6塔顶流出，经排气单元8排出；

(3)当吸附塔ii6内甲烷吸附接近饱和时，关闭吸附塔ii6的进口，同时原料气切换至吸附塔i4，并再次进行两塔间的热量交换，吸附塔i4和吸附塔ii6交替循环工作，保证了系统运行的稳定性和连续性。

通过多次变温变压吸附循环，出口氮气纯度可达99％，收集甲烷气体纯度可达99％。

工作原理：

以甲烷、氮气双组分待分离混合气体为例，不同温度条件下，甲烷和氮气在吸附剂上的平衡吸附差异性有所不同，低温条件有利于二者的选择性吸附，而高温条件有利于气体解吸，而类似于甲烷、氮气这种难分离混合气体组分，其吸附分离主要是基于吸附平衡差异原理实现的，吸附温度的变化能够增加这种差异性，有利于混合气体组分的吸附分离。因此混合原料气经过空气压缩机压缩后，首先进入冷干机脱除水分，然后进入两台吸附塔组成的吸附分离系统，利用塔中装填的吸附剂选择性地吸附掉甲烷气体，氮气则以高纯气体的形式从吸附塔顶排出并利用，随后系统降压，吸附剂中吸附的甲烷气体解吸出来，通过塔底逆放排出得到高纯甲烷，整个过程为低温吸附、高温解吸，两吸附塔交替使用，两塔之间可通过热交换器或压缩机进行能量传导，降低系统能耗，达到连续分离混合气体的目的。