Устройство для обогащения горючего газа
Предложена абсорбционная колонна, наполненная адсорбентом, средство подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, и сбора десорбированного газа, средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа и процесса десорбции горючего газа, датчик для детектирования концентрации горючего газа в исходном газе и секция установки рабочих условий для изменения момента завершения адсорбции для средства управления с завершением процесса адсорбции на основе концентрации горючего газа, продетектированной датчиком. Изобретение позволяет обогатить горючий газ до более высокой концентрации эффективным образом с минимальной потерей исходного материала. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для обогащения горючего газа, конструкция которого предусматривает подачу исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну для адсорбции горючего газа и его обогащения.
Предыстория создания изобретения
Для эффективного использования горючего газа необходимо обогатить горючий газ до соответствующей степени за счет удаления газа, такого как воздух, из исходного газа, содержащего горючий газ. Предложен ряд устройств и методов для такого обогащения горючего газа. Однако в случае патентного документа 1, например, в качестве исходного газа использован газ (так называемый угольный шахтный газ), добытый из угольной шахты и содержащий газообразный метан в качестве горючего газа. И предложено изобретение для обогащения газообразного метана с целью его дальнейшего применения путем отделения воздуха (содержащего главным образом азот, кислород и углекислый газ) от исходного газа с использованием адсорбента.
То есть в патентном документе 1 в качестве адсорбента использован природный цеолит, который имеет очень низкую скорость адсорбции газообразного метана по сравнению с азотом (иными словами, использован адсорбент, который поглощает в первую очередь азот, кислород и углекислый газ, а не метан). Предложено изобретение, относящееся к устройству и способу обогащения газообразного метана следующим методом. А именно, какое-то количество газа угольной шахты подают при заранее определенном давлении в адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом, при использовании компрессора или т.п. В ходе этого процесса кислород, азот и углекислый газ, содержащиеся в газе угольной шахты, поглощаются первыми в носовой части (нижней части) адсорбционной колонны, а газообразный метан, имеющий более низкую скорость адсорбции, вынужденно адсорбируется в хвостовой части (верхней части) адсорбционной колонны. Кроме того, данный газообразный метан выводится из верхней части адсорбционной колонны под атмосферным давлением.
Исходя из вышеизложенного, из газа угольной шахты, как исходного газа, газообразный метан обогащается за счет удаления воздуха с использованием адсорбента. В результате этого данный обогащенный метан может быть использован как топливо или т.п.
Документ на известное техническое решение
Патентный документ
Патентный документ 1: Публикация нерассмотренной патентной заявки Японии No. 58-198591 официальное издание.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача, достигаемая изобретением
То есть в качестве схемы обогащения газа угольной шахты принята схема, включающая
адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом для поглощения горючего газа;
средства подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну и отвода отходящего газа, который является частью исходного газа, не поглощенного адсорбентом, во внешнюю от адсорбционной колонны область;
средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, путем снижения давления внутри адсорбционной колонны до давления, ниже атмосферного, и сбора десорбированного газа через коллекторный канал; и
средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа, при котором отходящий газ выводят из адсорбционной колонны, и процесса десорбции горючего газа, где горючий газ, десорбированный средством сбора, собирается.
При описанной выше схеме, когда источник газа вводят в адсорбционную колонну, источник газа приходит в контакт с адсорбентом, так что горючий газ, содержащийся в источнике газа, поглощается им. При этом не адсорбированные компоненты исходного газа будут выходить в том виде, как они есть, в виде отходящего газа во внешнюю от адсорбционной колонны область. В результате этого внутри адсорбционной колонны обогащаться будет (процесс адсорбции) только горючий газ, содержащийся в источнике газа.
Когда адсорбент достигает своего адсорбционного предела для поглощения горючего газа, данный адсорбент разрушается, в результате чего горючий газ начинает выделяться в отходящий газ. Поэтому подачу исходного газа прекращают до того, как горючий газ начнет выделяться как таковой в отходящий газ. И, наоборот, при понижении давления в адсорбционной колонне горючий газ выводят из адсорбционной колонны, и данный выведенный горючий газ собирают через коллекторный канал. В нем, поскольку собранный горючий газ селективно адсорбирован в адсорбционной колонне, данный собранный горючий газ оказывается обогащенным до концентрации выше, чем его концентрация в источнике газа (процесс десорбции).
Так как процессы адсорбции и десорбции последовательно повторяются, обогащенный горючий газ будет собираться последовательно через коллекторный канал.
При этом средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции и процесса десорбции горючего газа, рассмотренных выше, предусматривает время завершения адсорбционного процесса, как время после окончания заранее определенного промежутка времени от начала адсорбционного процесса. В альтернативном случае, время завершения адсорбционного процесса может быть включено как время, за которое достигнута концентрация горючего газа в отходящем газе в процессе адсорбции.
Однако, если время завершения адсорбционного процесса оценивается так, как рассмотрено выше, переключение соответствующих процессов не может быть осуществлено эффективно, например, когда происходит изменение концентрации горючего газа в источнике газа.
Например, если время завершения адсорбционного процесса оценивается на основе окончания периода адсорбции, в случае, когда концентрация горючего газа в исходном газе оказывается ниже ожидаемой концентрации, процесс адсорбции будет завершаться, хотя адсорбент в адсорбционной колонне к тому моменту не достиг предельной точки адсорбции. И наоборот, если концентрация горючего газа оказывается выше ожидаемой, большое количество горючего газа будет теряться из-за неизбежного попадания в отходящий газ.
Кроме того, если о времени завершения процесса адсорбции судят на основе концентрации горючего газа в отходящем газе, ожидаемое время завершения адсорбции и реальное время завершения адсорбции будут существенно отличаться друг от друга.
По этой причине, существует такое неудобство, как необходимость мониторинга концентрации горючего газа в отходящем газе в течение необязательно длительного промежутка времени или невозможность детектирования соответствующего определения завершенности адсорбционного процесса по концентрации горючего газа в случае, когда мониторинг начался, а концентрация горючего газа уже высока.
Кроме того, время прохождения метана через адсорбент иногда может меняться вследствие таких факторов, как ухудшение адсорбционной способности адсорбента 21 или ухудшение мощности воздуходувной машины и т.п. В таком случае также концентрация газообразного метана во время завершения адсорбции будет меняться.
В такой ситуации, какая рассмотрена выше, в случае, когда произошло изменение характеристики адсорбции вследствие, например, разрушения адсорбента 21, иногда внезапно начинается выделение газообразного метана в отходящий газ OG в начале разрушения адсорбента 21 или снижения расхода газа вследствие снижения производительности воздуходувной машины. В данном случае может возникнуть ситуация, когда требуется время до разрушения адсорбента. По этой причине, если о времени завершения адсорбции судят по завершению периода адсорбции, в случае, когда количество горючего газа, подаваемого на адсорбент, снизилось из-за, например, снижения мощности воздуходувной машины, может случиться так, что процесс адсорбции завершится преждевременно, хотя адсорбент в адсорбционной колонне еще не достиг точки насыщения. И, наоборот, в случае, когда снижение мощности адсорбента произошло вследствие разрушения адсорбента, может случиться так, что большое количество горючего газа будет потеряно из-за неизбежного выделения его в отходящий газ. Кроме того, если о времени завершения процесса адсорбции судят на основе концентрации горючего газа в отходящем газе, ожидаемое время завершения адсорбции и реальное время завершения адсорбции существенно отличаются друг от друга. Следовательно, существует такое неудобство, как необходимость мониторинга концентрации горючего газа в отходящем газе в течение неопределенно длительного промежутка времени или невозможность детектирования соответствующего определения завершенности адсорбционного процесса по концентрации горючего газа в случае, когда мониторинг начался, а концентрация горючего газа уже высока.
Чтобы избежать таких ситуаций, какие описаны выше, в любом случае работа будет осуществляться и после установки некоего параметра или допуска для оценки завершенности адсорбции. Однако, когда оценку проводят при установке данного параметра, работа будет протекать по безопасному режиму; следовательно, возникает такая проблема, как концентрация исходного материала, которая не может достигнуть желательной высокой концентрации, возникновение значительной потери исходного материала или снижение эффективности работы устройства для обогащения в целом. Поэтому, существует потребность в усовершенствовании с точки зрения экономии энергии и проблемы безопасности для окружающей среды, такой как глобальное потепление и т.п.
Настоящее изобретение создано с учетом вышеуказанных проблем и его целью является разработка технологии обогащения горючего газа, которая бы позволила обогатить горючий газ до более высоких концентраций эффективным образом с минимальными потерями исходного материала.
Средства для достижения задачи изобретения
Конфигурация 1
Для достижения вышеуказанной задачи, согласно отличительному признаку настоящего изобретения,
устройство для обогащения горючего газа включает в себя:
адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом для поглощения горючего газа;
средство подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну по каналу подачи и вывода отходящего газа, который является частью исходного газа, не адсорбированного адсорбентом, наружу адсорбционной колонны по каналу вывода;
средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, за счет понижения давления внутри адсорбционной колонны до давления, ниже атмосферного, и сбора десорбированного горючего газа через коллекторный канал; и
средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство подачи/вывода подавало исходный газ в адсорбционную колонну и выводило отходящий газ из адсорбционной колонны и затем процесса десорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство сбора десорбировало и собирало горючий газ;
где устройство обогащения дополнительно включает
датчик для определения концентрации горючего газа в исходном газе, который подают в адсорбционную колонну в процессе адсорбции; и
секцию установки рабочих условий для изменения времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции на основании концентрации горючего газа, продетектированной датчиком.
Функция/Эффект 1
А именно, поскольку конфигурация по изобретению имеет основную схему процесса адсорбции вышеописанным традиционным устройством обогащения горючего газа, то обогащение горючего газа возможно за счет последовательного осуществления процесса адсорбции и процесса десорбции.
Как отмечено выше, чем выше концентрация горючего газа в источнике газа, тем короче период подачи горючего газа, необходимого для насыщения адсорбента в адсорбционной колонне. Далее следует, что чем раньше время завершения адсорбции в процессе адсорбции, тем выше концентрация горючего газа в исходном газе. Поэтому, при установке времени завершения адсорбции соответственно на основе концентрации горючего газа в исходном газе возможно завершить процесс адсорбции одновременно с точным прогнозом насыщения адсорбента в процессе адсорбции, даже когда происходит изменение в составе компонентов исходного газа.
Как отмечено выше, поскольку установлен датчик для определения концентрации горючего газа в исходном газе, который подают в адсорбционную колонну в процессе адсорбции, то можно узнать концентрацию горючего газа в исходном газе, предназначенном для подачи, когда должен быть осуществлен процесс адсорбции.
И, основываясь на информации о концентрации горючего газа в источнике газа, полученной датчиком, секция установки рабочих условий может изменяемо установить время завершения адсорбции. При этом становится возможным установить точное время завершения адсорбции, причем потери исходного материала могут быть минимизированы, а горючий газ может быть обогащен до высокой концентрации эффективным образом.
Конфигурация 2
В рассмотренной выше конфигурации предпочтительно, чтобы секция установки рабочих условий включала секцию хранения для хранения корреляции между концентрациями горючего газа и временами завершения адсорбции в форме базы данных.
Функция/Эффект 2
Когда датчик регистрирует концентрацию горючего газа в исходном газе и меняет время завершения адсорбции, необходимо решить, каким образом изменить его. В частности, если тип адсорбента и расход остаются теми же, период адсорбции от начала процесса адсорбции до его завершения описывается линейной функцией концентрации горючего газа в исходном газе. Затем, если есть секция хранения для хранения данной зависимости или параметров корреляции в виде базы данных, секция установки рабочих условий может обратиться к данной секции хранения и определить подходящее время завершения адсорбции, соответствующее концентрации горючего газа в исходном газе, и установить новое значение на его основе.
Конфигурация 3
Для достижения вышеназванной цели согласно отличительному признаку настоящего изобретения
устройство обогащения горючего газа включает
адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом для адсорбции горючего газа;
средство подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну по каналу подачи сырья и отвода отходящего газа, который является частью исходного газа, не адсорбированного адсорбентом, наружу адсорбционной колонны по каналу вывода;
средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, за счет понижения давления внутри адсорбционной колонны до давления, ниже атмосферного, и сбора десорбированного горючего газа через коллекторный канал; и
средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство подачи/вывода подавало исходный газ в адсорбционную колонну и выводило отходящий газ из адсорбционной колонны и процесса десорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство сбора десорбировало и собирало горючий газ;
где устройство обогащения дополнительно включает
датчик для определения концентрации горючего газа, выводимого из адсорбционной колонны в процессе адсорбции; и
секцию установки рабочих условий для изменения времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции на основе концентрации горючего газа, зарегистрированной датчиком.
Функция/Эффект 3
А именно, поскольку конфигурация по изобретению имеет основную схему процесса адсорбции вышеописанным традиционным устройством обогащения горючего газа, обогащение горючего газа возможно за счет последовательного осуществления процесса адсорбции и процесса десорбции.
Как отмечено выше, поскольку установлен датчик для определения концентрации горючего газа, выводимого из адсорбционной колонны в процессе адсорбции, то можно узнать концентрацию горючего газа в отходящем газе, предназначенном для вывода.
Как отмечено выше, для переключения соответствующих процессов время завершения адсорбции обычно будет устанавливаться, и действие переключателя будет основываться на том, достиг ли период адсорбции установленного времени завершения адсорбции или нет. В этой связи, чем выше концентрация горючего газа в отходящем газе, тем выше вероятность того, что адсорбент в адсорбционной колонне в достаточной степени достиг точки насыщения. Таким образом, о времени завершения адсорбции в процессе адсорбции можно судить по концентрации горючего газа в отходящем газе.
И поскольку обеспечено средство установки рабочих условий для изменяемой установки времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции на основе концентрации горючего газа, зарегистрированной датчиком, можно определить, правильно ли установлено время завершения адсорбции или нет, на основе концентрации горючего газа в отходящем газе и осуществить изменяемую установку времени завершения адсорбции на основе этого определения.
Кроме того, о переключении соответствующих процессов в альтернативном случае можно судить по пороговой величине концентрации горючего газа в отходящем газе. В данном случае, однако, также можно судить о том, правильно ли установлено время завершения адсорбции или нет в соответствии с концентрацией горючего газа в отходящем газе, и осуществить изменяемую установку времени завершения адсорбции на основе данной оценки.
При этом становится возможным установить точно время завершения адсорбции, причем потери исходного материала могут быть минимизированы, а горючий газ может быть обогащен до высокой концентрации эффективным образом.
Конфигурация 4
Предпочтительно о времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции судят по пороговой величине концентрации горючего газа, выходящего из адсорбционной колонны;
установлена секция хранения для хранения, в виде базы данных, параметров корреляции между концентрацией горючего газа, зарегистрированной датчиком, и поправочной величиной концентрации газа для коррекции пороговой величины; и
средство установки рабочих условий осуществляет изменяемую установку времени завершения адсорбции на основе предварительно полученной корреляционной зависимости.
Функция/Эффект 4
Когда датчик регистрирует концентрацию горючего газа в отходящем газе и изменяет время завершения адсорбции, необходимо определить, как его изменить. А именно, если исходный газ остается тем же, устанавливается зависимость периода адсорбции от начала процесса адсорбции до его завершения, так что чем выше адсорбционная способность адсорбента, тем продолжительнее период, а также чем больше вводимое количество исходного газа, тем короче период. Следовательно, как изменить время, не всегда можно решить, основываясь на свойстве адсорбента или изменении вводимого количества исходного газа и т.п.
Затем, согласно вышерассмотренной конфигурации, корреляционную зависимость между концентрацией горючего газа, зарегистрированной датчиком, и скорректированной величиной концентрации газа для поправки пороговой величины хранят в форме базы данных, и время завершения адсорбции устанавливают изменяемо по корреляционной зависимости, хранящейся в базе данных. При этом, время завершения адсорбции можно узнать без необходимости брать индивидуально свойства адсорбента или изменения вводимого количества исходного газа, и секция установки рабочих условий может установить изменяемо правильное время завершения адсорбции на основе предварительно полученной корреляционной зависимости.
Конфигурация 5
Предпочтительно о времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции судят по истекшему периоду от начала процесса адсорбции;
установлена секция хранения для хранения, в форме базы данных, параметров корреляции между концентрацией горючего газа, зарегистрированной датчиком, и истекшим периодом; и
средство установки рабочих условий устанавливает изменяемо время завершения адсорбции на основе заранее установленной корреляционной зависимости.
Функция/Эффект 5
Далее, аналогично вышеизложенному, при рассмотренной выше конфигурации, где параметры корреляции между концентрацией горючего газа, зарегистрированной датчиком, и истекшим периодом хранятся в виде базы данных, а о времени завершения адсорбции можно узнать без необходимости брать индивидуально свойства адсорбента или изменения подаваемого количества исходного газа, секция установки рабочих условий может устанавливать изменяемо правильное время завершения адсорбции по заранее установленной корреляционной зависимости.
Эффект от изобретения
Поэтому, даже если происходит изменение состава компонентов в исходном газе, горючий газ может быть обогащен до более высокой концентрации эффективным образом с минимальной потерей исходного материала.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема конфигурации, показывающая конфигурацию устройства обогащения горючего газа по первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.2 представлена диаграмма, показывающая адсорбционные характеристики адсорбента метана в настоящей заявке,
на фиг.3 дана диаграмма, показывающая работу устройства обогащения горючего газа по первому варианту осуществления изобретения,
на фиг.4 представлена диаграмма, показывающая работу устройства обогащения горючего газа в процессе адсорбции,
на фиг.5 представлен график, показывающий изменения концентрации газообразного метана в отходящем газе OG в зависимости от истекших периодов в процессе адсорбции газообразного метана,
на фиг.6 представлен график, показывающий изменения концентрации газообразного метана в обогащенном горючем газе PG в зависимости от истекших периодов в процессе десорбции газообразного метана, и
на фиг.7 дана таблица, показывающая изменения концентрации газообразного метана в обогащенном горючем газе PG в зависимости от давления внутри адсорбционной колонны 2 в процессе десорбции газообразного метана.
Пути осуществления изобретения
Варианты осуществления устройства 100 обогащения горючего газа (далее по тексту называемого просто как «устройство 100 по изобретению») далее будут рассмотрены со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Первый вариант осуществления изобретения
Конфигурация устройства по изобретению
На фиг.1 представлена схема конфигурации устройства 100 по изобретению. В частности, устройство 100 по изобретению, как показано на фиг.1, включает адсорбционную колонну 2, наполненную адсорбентом 21, секцию подачи 3 и секцию вывода 4 для подачи исходного газа G и отвода отходящего газа OG, коллекторную секцию 5 для сбора обогащенного горючего газа PG и средство 6 управления работой секции 3 подачи, секции 4 вывода и коллекторного узла 5. Кроме того, установлен датчик 33 со стороны ввода (датчик) для определения концентрации горючего газа в источнике газа G, подаваемого во внутреннюю часть адсорбционной колонны 2, и датчик 43 со стороны вывода (датчик) для определения газа, проходящего через адсорбционную колонну 2.
Абсорбционная колонна
Абсорбционная колонна 2 наполнена количеством адсорбента 21, способного поглощать горючий газ, так что горючий газ, содержащийся в исходном газе G, подаваемом в адсорбционную колонну 2, может селективно поглощаться.
В вышеизложенном, исходный газ G представляет газ, содержащий горючий газ и воздух. Вместо этого, данным исходным газом G может быть газ угольной шахты, содержащий, например, метан и воздух. Кроме того, горючий газ конкретно не ограничивается, поскольку он представляет собой газ, обладающий свойством горения. Например, им может быть газообразный метан, содержащийся в газе угольной шахты. При последующем обсуждении исходный газ G будет описан как газ угольной шахты, и данный исходный газ G будет рассматриваться как содержащий газообразный метан и воздух. А именно, газ угольной шахты представляет газ, добываемый из угольных шахт. Хотя газ угольной шахты будет разным, в зависимости от условий, но он обычно состоит из приблизительно 20-40 об.% газообразного метана и приблизительно 60-80 об.% воздуха (содержащего главным образом газообразный азот и газообразный кислород).
Абсорбционная колонна: адсорбент
Адсорбент 21 конкретно не ограничен, поскольку он способен селективно поглощать горючий газ, такой как газообразный метан. В качестве адсорбента 21 преимущественно используют адсорбент газообразного метана, который представляет собой, по меньшей мере, один, выбранный из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля, металлоорганического комплекса (фумарата меди, терефталата меди, циклогександикарбоксилата меди и т.п.), имеющего средний диаметр пор в интервале от 4,5 о 15 Å, определенного методом МР, и адсорбционную способность по метану 20 нмл/г или выше при атмосферном давлении и температуре 298 K. А именно, средний диаметр пор лежит в интервале предпочтительно от 4,5 до 10 Å, более предпочтительно от 5 до 9,5 Å. Кроме того, адсорбционная способность по метану составляет предпочтительно 25 нмл/г или выше. Например, данный активированный уголь, какой упомянут выше, может быть получен следующим образом. Какое-то количество скорлупы кокосового ореха или угля из скорлупы кокосового ореха полностью обугливают при 600ºС в среде газообразного азота, в результате чего получают какое-то количество карбида. Его затем измельчают в порошок с частицами диаметром в интервале от 1 до 3 мм. Полученный материал используют как углеродистый материал. Затем в реакторе с активным потоком периодического действия углеродистый материал активируют при 860ºС в атмосфере, содержащей водяной пар от 10 до 15 об.%, углекислый газ в количестве от 15 до 20 об.%, а остальное составляет азот.
При вышерассмотренном применении адсорбента 21а газообразного метана, способного селективно поглощать газообразный метан при атмосферном давлении и температуре 298 K, возможно обеспечить поглощение газообразного метана данным адсорбентом 21а газообразного метана достаточно равномерно при атмосферном давлении и температуре 298 K.
А именно, если количество адсорбированного метана при атмосферном давлении и 298 K меньше 20 нмл/г, параметры адсорбции газообразного метана при более низких давлениях (в частности, вблизи атмосферного давления) будут ухудшаться, так что концентрация газообразного метана в газообразном метане после обогащения будет ниже, а также, чтобы сохранить адсорбционную способность, будет необходимо увеличить количество адсорбента 21а для газообразного метана, что приведет к увеличению размера устройства. А именно, хотя верхний предел вышеуказанного адсорбированного количества газообразного метана конкретно не ограничивается, адсорбированное количество газообразного метана современными доступными адсорбентами 21а газообразного метана составляет приблизительно 40 нм/г или меньше.
Кроме того, если средний диаметр пор, определенный методом МР, меньше 4,5 Å, это приводит к увеличению адсорбированного количества газообразного кислорода и газообразного азота. Как результат, произойдет снижение концентрации газообразного метана после обогащения или снижение скорости адсорбции по мере приближения среднего диаметра пор к молекулярному диаметру газообразного метана, так что может возникнуть ухудшение адсорбционной способности к газообразному метану или даже полная невозможность адсорбции. С другой стороны, если средний диаметр пор, определенный методом МР, превышает 15 Å, это приводит к снижению адсорбционной способности к газообразному метану при более низких давлениях (в частности, вблизи атмосферного), так что концентрация газообразного метана в газообразном метане после обогащения будет ниже, а также, чтобы сохранить адсорбционную способность, станет необходимым увеличить количество адсорбента 21а газообразного метана, что ведет к увеличению размеров устройства.
Поэтому, предпочтительно использовать адсорбент 21а газообразного метана, который представляет собой, по меньшей мере, один, выбранный из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля, металлоорганического комплекса, имеющего средний диаметр пор в интервале от 4,5 до 15 Å, определенный методом МР, а количество поглощенного метана 20 нмл/г или выше при атмосферном давлении и температуре 298 K.
Кроме того, предпочтительно адсорбент 21а газообразного метана имеет объем пор при среднем диаметре пор, определенном методом НК, 10 Å или меньше на 50% или больше, более предпочтительно на 70% или больше, также более предпочтительно на 80% или больше. В данном случае, так как адсорбент, имеющий средний диаметр пор 10 Å или меньше, способный селективно поглощать газообразный метан, занимает 50% или больше от общего объема пор, то можно увеличить адсорбируемое количество газообразного метана при пониженном давлении (приблизительно 0,1 мПа), так что газообразный метан может быть поглощен в достаточной степени, даже при данном пониженном давлении. То есть, как показано на фиг.2, адсорбент 3а метана, имеющий средний диаметр пор 10 Å или меньше, обладает большей адсорбционной способностью к газообразному метану при пониженном давлении (приблизительно 0,1 мПа), чем адсорбент 3b газообразного метана, имеющий средний диаметр пор больше 10 Å, так что это базовое явление может быть подходящим образом использовано для адсорбции газообразного метана при пониженном давлении, как в случае устройства 100 по изобретению. А именно, на практике, объем пор со средним диаметром пор больше 4 Å, что составляет предел определения, и меньше 10 Å должен составлять 50% или больше от общего объема пор. Кроме того, более предпочтительно адсорбент 21а газообразного метана должен иметь объем пор для среднего диаметра пор больше 4 Å и меньше 10 Å 50% или больше.
С другой стороны, адсорбент 21а газообразного метана должен иметь такую адсорбционную способность к азоту при 77 K, чтобы его адсорбционная способность к азоту при относительном давлении 0,013, соответствующем среднему диаметру пор, определенному методом НК, 10 Å, составляла 50% или больше, предпочтительно 70% или больше, более предпочтительно 80% или больше. В данном случае адсорбционная способность при относительном давлении 0,99 представляет общий объем пор, а адсорбционная способность при относительном давлении 0,013 представляет объем пор размером 10 Å или меньше. Доля каждого размера выше указывает на высокую долю пор размером 10 Å или меньше, как в вышерассмотренном случае. Как результат, в случае применения газовой смеси из газообразного метана и воздуха также в качестве исходного газа G обогащение газообразного метана при давлении, близком к атмосферному, может быть осуществлено легко и эффективно.
Узел подачи
В адсорбционной колонне 2 установлена секция 3 подачи для введения исходного газа G. Узел 3 подачи включает питающий канал 30 для введения исходного газа G и воздуходувную машину 31a для введения исходного газа G в питающий канал 30. Кроме того, питающий канал 30 включает переключающий клапан 32 (переключающий клапан питающего канала) для эффективной подачи исходного газа G в питающий канал 30, переключения с подачи на остановку и регулировки подаваемого количества и дополнительно включает датчик 33а для регистрации концентрации газообразного метана для определения концентрации газообразного метана в подаваемом источнике газа G.
Воздуходувная машина 31a установлена на питающем канале 30 и сконструирована для подачи исходного газа G по данному питающему каналу 30 в адсорбционную колонну 2, так что газообразный метан, содержащийся в исходном газе G, может быть адсорбирован адсорбентом 21а газообразного метана внутри адсорбционной колонны 2. Воздуходувная машина 31a конкретно не ограничена, поскольку она способна подавать исходный газ G без повышения давления.
Кроме того, переключающий клапан 32 питающего канала способен регулировать подачу исходного газа G за счет управления переключением секции 64 управления средства 6 управления, которое будет рассмотрено ниже.
Узел выгрузки
В адсорбционной колонне 2 установлен участок 4 выпуска для отвода отходящего газа OG, который представляет часть исходного газа G, входящего из зоны 3 подачи и не поглощенного адсорбентом 21. Участок 4 выпуска включает в себя канал 40 вывода для отвода отходящего газа OG (газа, имеющего очень низкую концентрацию газообразного метана и состоящего главным образом из газообразных азота и кислорода). Кроме того, канал 40 вывода включает переключающий клапан (переключающий клапан канала вывода) 42 для эффективного вывода отходящего газа OG в канал 40 вывода, переключения с режима вывода на режим остановки и регулирования выводимого количества и дополнительно включает датчик 43а концентрации газообразного метана для определения концентрации газообразного метана в выводимом отходящем газе OG.
Кроме того, переключающий клапан 42 канала вывода способен регулировать вывод отходящего газа OG за счет управления секцией 64 управления переключением средства 6 управления, которое будет рассмотрено ниже.
Средство 31 подачи/вывода в настоящем изобретении состоит главным образом из секции подачи и секции вывода и действует так же, как средство для введения исходного газа G в адсорбционную колонну 2 при давлении, близком к атмосферному, без какого-либо повышения давления для адсорбции газообразного метана, содержащегося в исходном газе G, и способно также обеспечить отвод отходящего газа OG по каналу 40 вывода в наружную от адсорбционной колонны область 2.
То есть средство 31 подачи/вывода способно обеспечить ввод исходного газа G в адсорбционную колонну 2 при давлении, близком к атмосферному, без повышения давления для адсорбции газообразного метана в исходном газе G и вывод отходящего газа OG по каналу 40 вывода.
Коллекторный узел
С адсорбционной колонной 2 бесперебойно работает коллекторная зона 5 для сбора газообразного метана как части исходного газа G, поступающего из зоны 3 подачи и адсорбированного адсорбентом 21 как обогащенный горючий газ PG высокой концентрации. Коллекторная зона 5 включает коллекторный канал 50 для прохождения горючего газа PG высокой концентрации, вакуумный насос 51а как основной компонент средства 51 сбора для сбора горючего газа PG высокой концентрации из адсорбционной колонны 2 в коллекторный канал 50 и емкости 54 для хранения горючего газа PG высокой концентрации, поступающего в коллекторный канал 50. Коллекторный канал 50 включает переключающий клапан (переключающий клапан коллекторного канала) 52, способный регулировать работу канала для обогащенного горючего газа PG за счет управления зоной 64 регулирования переключения средства 6 управления, что будет рассмотрено ниже.
Емкость 54 для хранения может быть различной, пока она способна безопасно хранить обогащенный горючий газ PG высокой концентрации. Более предпочтительным будет применение емкости для хранения газа адсорбционного типа.
Средство 51 сбора обеспечивает десорбцию газообразного метана, адсорбированного адсорбентом 21а газообразного метана внутри адсорбционной колонны 2, за счет снижения давления внутри адсорбционной колонны 2 до величины, ниже атмосферного давления, и сбор десорбированного обогащенного горючего газа PG высокой концентрации через коллекторный канал 50 и хранение данного горючего газа PG высокой концентрации в емкости 54 для хранения газа.
Средство управления
Конкретные операции регулировки вышеуказанным переключающим клапаном 32 канала подачи, переключающим клапаном 42 канала вывода и переключающим клапаном 52 коллекторного канала осуществляются в зоне 64 управления переключением средства 6 управления.
Средство 6 управления включает
секцию 61 расчета концентрации газа для получения концентрации газообразного метана на основе выходных сигналов соответствующих датчиков 33а, 43а концентрации газообразного метана;
секцию 62 таймера для измерения промежутка времени, прошедшего после переключения соответствующего переключающего клапана 32, 42, 52,
секцию 63 установки рабочих условий для установки условий переключения при переключении соответствующего переключающего клапана 32, 42, 52,
секцию 64 управления переключением для управления переключением соответствующих переключающих клапанов на основе соответствующего установленного промежутка времени, заданного секцией 63 установки рабочих условий, и
секцию 65 хранения для хранения, в виде базы данных, данных 65а управления со стороны ввода, представляющих зависимость между концентрацией газообразного метана в исходном газе G и периодом адсорбции при подаче исходного газа G в адсорбционную колонну 2, и данных 65b управления со стороны вывода, представляющих концентрацию газообразного метана в отходящем газе OG и поправочную величину для периода адсорбции при подаче исходного газа G в адсорбционную колонну; и
средство 5 управления скомпоновано так, чтобы работать с носителем информации, ЦПУ, микрокомпьютером, имеющим секции ввода и вывода, или компьютером, управляемым компьютером, или их комбинацией. И поскольку данный компьютер выполняет заранее заданную программу, секция 61 расчета концентрации газа, секция 62 таймера, секция 63 установки рабочих условий, секция 64 управления переключением работают таким образом, чтобы управлять работой средства 31 подачи/вывода, средства 51 сбора, переключающего клапана 32 загрузочного канала, переключающего клапана 42 канала вывода, переключающего клапана 52 коллекторного канала и т.п.
Датчик 33а концентрации газообразного метана, как и датчик 33 со стороны ввода, состоит конкретно из газового датчика, имеющего устройство определения газа полупроводникового типа для определения изменения концентрации газообразного метана в исходном газе G, и определяет газообразный метан в исходном газе G и передает выводной сигнал о концентрации газа на средство 6 управления. При получении данного выводного сигнала средство 6 управления вызывает обращение секции 63 установки рабочих условий к базе данных по данным 65а управления со стороны ввода, хранящимся в секции 65 хранения, с получением концентрации газообразного метана от выходного сигнала о концентрации и периода адсорбции до прорыва адсорбента 21, если абсорбционная колонна 2 вынуждена адсорбировать газообразный метан, а затем устанавливает период завершения адсорбции от начала подачи исходного газа до истечения периода адсорбции. При этом, средство 6 управления может обращаться ко времени завершения адсорбции, установленному секцией 62 таймера в секции 63 установки рабочих условий, и определять время для завершения процесса адсорбции.
Датчик 43а концентрации газообразного метана, как и датчик 43 со стороны ввода, состоит, как правило, из газового датчика, имеющего устройство детекции полупроводникового типа для определения изменения концентрации газообразного метана в исходном газе G, и определяет газообразный метан в исходном газе G и передает выходной сигнал о его концентрации на средство 6 управления. При получении данного выходного сигнала средство 6 управления вызывает обращение секции 63 установки рабочих условий к базе данных по данным 65b управления со стороны вывода, хранящимся в секции 65 хранения, с получением секцией 63 установки рабочих условий поправочного количества для периода адсорбции для приведения адсорбционной колонны 2 в режим адсорбции газообразного метана, и корректирует период завершения адсорбции от начала подачи исходного газа G до истечения периода адсорбции, и, таким образом, изменяет время завершения адсорбции, установленное секцией 63 установки рабочих условий. При этом, может быть установлен следующий цикл процесса адсорбции, более соответствующий регулировке времени завершения адсорбции.
Операционное управление
Далее, со ссылкой на фиг.3 и фиг.4, будет конкретно рассмотрен процесс обогащения газообразного метана устройством 100 по изобретению. Устройство 100 по изобретению обеспечивает осуществление процесса адсорбции (#A), процесса десорбции (#B) и процесса повышения давления (#C) для газообразного метана.
Процесс адсорбции
Как показано на фиг.4, сначала секция 64 управления переключением открывает переключающий клапан 32 канала подачи и переключающий клапан 42 канала вывода из вышерассмотренных соответствующих закрытых состояний переключающего клапана 32 канала подачи, переключающего клапана 42 канала вывода и переключающего клапана 52 коллекторного канала (#1).
И воздуходувная машина 31a приводится в действие с подачей исходного газа G по каналу 30 подачи в адсорбционную колонну 2. При этом, адсорбент 21а газообразного метана начинает адсорбировать газообразный метан, а часть исходного газа G, подаваемого в адсорбционную колонну 2 и не адсорбированную адсорбентом 21а газообразного метана, выводится по каналу 40 вывода в пространство снаружи адсорбционной колонны 2 (#2).
Далее, аналогично вышеизложенному, секция 62 таймера средства 6 управления начинает свою операцию поддержания времени, а также датчик 33а концентрации газообразного метана, как и датчик 33 со стороны ввода, определяет концентрацию метана в загружаемом источнике газа G (#3), и если зарегистрированная концентрация газообразного метана лежит в нормальном интервале, будет дана контрольная величина в данные 65а управления со стороны ввода в секции 65 хранения с получением периода адсорбции, соответствующего данной зарегистрированной концентрации газообразного метана, и будет установлен период завершения адсорбции секцией 63 установки рабочих условий (#4).
После этого протекает мониторинг концентрации газообразного метана в отходящем газе OG датчиком 43а концентрации газообразного метана, как датчиком 43 со стороны вывода (#5). Кроме того, секция 62 таймера продолжит операцию поддерживания времени для оценки того, истек ли установленный по времени период завершения адсорбции или нет (#6).
Датчик 43а концентрации газообразного метана определяет концентрацию газообразного метана в отходящем газе OG, выводимом по каналу 40 вывода, а секция 63 таймера продолжит свою операцию поддерживания времени. Если продетектированная концентрация газообразного метана превышает заранее заданную концентрацию (установленную пороговую величину концентрации газообразного метана) (#5а), или период, измеренный секцией 62 таймера, достигает времени завершения адсорбции (период адсорбции достигает установленной пороговой величины периода адсорбции) (#6b), операция сдвигается в сторону завершения операции для завершения процесса адсорбции. С другой стороны, если продетектированная концентрация газообразного метана ниже заранее заданной концентрации (#5b) и время не достигло момента завершения адсорбции (#6а), операция поддерживания времени секцией 62 таймера и операция мониторинга концентрации газообразного метана датчиком 43 со стороны вывода будет продолжена. Кстати, соответствующая более высокая пороговая величина хранится как контрольный параметр, хранящийся в секции 63 установки рабочих условий, установленной в средстве 6 управления, и пороговая величина пополняется с каждым циклом процесса адсорбции.
При сдвиге к процессу завершения для завершения процесса адсорбции на основе выходного сигнала о концентрации газообразного метана от средства 43а установки концентрации газообразного метана в момент сдвига к процессу завершения, секция 63 установки рабочих условий обращается к данным 65b управления со стороны вывода в секции 65 хранения с получением изменения времени завершения адсорбции и осуществляет коррекцию времени завершения адсорбции (#7). И секция 63 таймера завершает операцию поддерживания времени, и подача исходного газа G заканчивается, в результате чего процесс адсорбции завершается (#8).
Исходя из вышеизложенного, возможно селективно поглощать газообразный метан адсорбентом 21а газообразного метана с подачей исходного газа G в адсорбционную колонну 2 при давлении ниже атмосферного и возможно также предотвратить эффузию ценного газообразного метана в отходящий газ OG. То есть до истечения заранее заданного периода газообразный метан будет адсорбироваться по существу полностью, без переноса в наружную область адсорбционной колонны 2. А так как концентрация газообразного метана в отходящем газе OG очень низкая, то концентрация находится за пределами взрывоопасного интервала.
Процесс адсорбции: установка момента завершения адсорбции
Установка момента завершения адсорбции на стадии #4 может быть осуществлена, например, следующим образом.
Когда датчик 33а концентрации газообразного метана, как датчик 33 со стороны ввода, определяет газообразный метан, содержащийся в исходном газе G, его выходной сигнал о детектированном газе будет передаваться как выходной сигнал о концентрации средству 6 управления. При получении данного выходного сигнала средство 6 управления получает концентрацию газообразного метана с помощью секции 61 расчета концентрации газа. С другой стороны, секция 65 хранения будет хранить, в виде базы данных, данные 65а управления со стороны ввода для определения зависимости между концентрацией газообразного метана в исходном газе G и периодом адсорбции процесса адсорбции (периода от начала процесса адсорбции до прорыва адсорбента 21 адсорбционной колонны 2) для каждого типа адсорбента 21 и для каждого установленного расхода исходного газа G. Из этих данных 65 управления со стороны ввода, хранящихся в секции 65 хранения, секция 63 установки рабочих условий получает период адсорбции, соответствующий текущим рабочим условиям и концентрации газообразного метана в исходном газе G.
Например, установлено, что в случае, когда 206,7 г активированного угля, имеющего следующие параметры адсорбции, загружают в цилиндрическую адсорбционную колонну, имеющую объем 0,333 л, и проводят процесс адсорбции с исходным газом G, проходящим со скоростью 1000 нм3/ч, по существу устанавливается следующая зависимость между концентрацией газообразного метана С (%) и периодом адсорбции Т (секунд):
T=-1,8935·C+143,61
И, основываясь на данном установленном факте, обеспечивают хранение сведений о периодах адсорбции заранее в виде базы данных, как показано ниже в таблице 1.
Поэтому, допустив, что выходной сигнал о концентрации, детектированный датчиком 33 со стороны ввода, равен 23% в единицах концентрации газообразного метана, момент завершения адсорбции будет установлен 100 секунд после начала адсорбции. Поэтому, процесс адсорбции будет проводиться с установкой 100 секунд в качестве момента завершения адсорбции.
Активированный уголь:
свойства материала: активированный уголь на основе скорлупы кокоса
диаметр пор: 8,5 Å (средний диаметр пор, определенный методом МР)
объем пор: 0,45 мл/г (объем, определенный методом НК)
доля объема пор, имеющих средний диаметр пор 10 Å или меньше, относительно общего объема пор: 83% (доля поглощенного количества азота остается той же при относительном давлении 0,013)
удельная поверхность: 1025 м2/г (удельная поверхность, определенная методом ВЕТ)
поглощенное количество газообразного метана при атмосферном давлении и 298 K: 27 нмл/г.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Концентрация газа (%) | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 |
| Период адсорбции (сек) | 106 | 104 | 102 | 100 | 98 | 96 | 94 | 92 | 91 | 89 | 87 |
Процесс адсорбции: поправка на завершение процесса адсорбции
Поправка изменения времени завершения адсорбции на стадии #7 (установка момента завершения адсорбции для использования в следующем цикле) может быть сделана, например, следующим образом.
Датчик 43а концентрации газообразного метана, как датчик 43 со стороны вывода, определяет концентрацию газообразного метана в отходящем газе OG и передает выходной сигнал на средство 6 управления. После получения данного выходного сигнала средство 6 управления получает концентрацию газообразного метана в секции 61 расчета концентрации газа. С другой стороны, вследствие таких факторов, как ухудшение адсорбционной способности адсорбента 21 и ухудшение действия воздуходувной машины и т.п., момент прорыва газообразного метана через адсорбент будет меняться, так что концентрация газообразного метана в момент завершения процесса адсорбции будет меняться. Следовательно, секция 65 хранения хранит, в виде базы данных, данные 65b управления со стороны вывода, включающие значения поправок на корректировку зависимости между концентрацией газообразного метана, содержащегося в отходящем газе OG в момент завершения процесса адсорбции, и периодом адсорбции и пороговой величиной концентрации газа для использования в качестве пороговых величин на стадиях #5, #6 к величинам, соответствующим концентрации газообразного метана в существующем на данный момент отходящем газе OG. Из соответствующих данных 65а, 65b управления, хранящихся в секции 65 хранения, секция 63 установки рабочих условий получает значения поправок к периоду адсорбции и концентрации газа для корректировки пороговых величин периода адсорбции и концентрации газа до величин, соответствующих концентрации газообразного метана в существующем на данный момент отходящем газе OG. Затем, при использовании данных пороговых величин нового периода адсорбции может быть осуществлен более подходящий процесс адсорбции.
Например, в случае работы рассмотренной выше адсорбционной колонны в условиях, аналогичных вышеуказанным, если существующая на данный момент пороговая величина для периода адсорбции равна 110 секундам, а существующая на данный момент пороговая величина для концентрации газообразного метана равна 2,5%, то новые пороговые величины для периода адсорбции и концентрации газа для использования в следующем цикле процесса адсорбции будут скорректированы, как показано ниже в таблице 2. Поэтому, допустив, что концентрация газообразного метана в отходящем газе установлена 2,0% в момент завершения процесса адсорбции, в следующем цикле процесса адсорбции начальная установка будет сделана с поправкой периода адсорбции на 112 секундах, а концентрация газообразного метана на 2,6%. При этом, становится возможным проводить процесс адсорбции более эффективным путем, с эффективным ограничением концентрации газообразного метана в отходящем газе более подходящим образом.
| Таблица 2 | ||||||||
| Концентрация газа (%) | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 |
| Величина поправки к периоду адсорбции (сек) | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 0 | -1,0 | -2,0 | -3,0 |
| Величина поправки к концентрации газа (%) | 0,20 | 0,15 | 0,10 | 0,05 | 0 | -0,05 | -0,10 | -0,15 |
Процесс десорбции
Далее, как показано на фиг.1, после того, как остановлена подача исходного газа G в адсорбционную колонну 2, секция 64 управления переключением средства 6 управления закрывает переключающий клапан 32 канала подачи и переключающий клапан 42 канала вывода и открывает переключающий клапан 52 коллекторного канала, а затем приводит в действие вакуумный насос 51а для снижения давления внутри адсорбционной колонны 2 до давления, ниже атмосферного, таким образом, заставляя адсорбированный газообразный метан десорбироваться из адсорбента 21а газообразного метана, и начинает сбор горючего газа PG высокой концентрации после данного цикла обогащения через коллекторный канал 50 и хранение газа в емкости 54 для хранения. Когда внутри адсорбционной колонны 2 давление упадет до заранее заданного давления, сбор обогащенного горючего газа PG заканчивается, и закрывается переключающий клапан 52 коллекторного канала. Данные стадии вместе составляют процесс десорбции газообразного метана.
Исходя из вышеизложенного, газообразный метан может быть обогащен до высокой концентрации путем адсорбции газообразного метана адсорбентом 21а газообразного метана и эффективного снижения концентрации газообразного метана в отходящем газе OG, и возможно предупредить возникновение в отходящем газе OG и обогащенном горючем газе концентраций диапазона взрывоопасности.
То есть, как показано на фиг.6, от периода от начала процесса десорбции газообразного метана до завершения процесса десорбции газообразного метана, по мере истечения времени концентрация газообразного метана в обогащенном горючем газе PG возрастает. Аналогичным образом, как показано на фиг.7, с истечением времени давление внутри адсорбционной колонны 2 все более снижается до давления, ниже атмосферного давления, и в связи с этим концентрация газообразного метана в обогащенном горючем газе PG возрастает. Иными словами, по мере снижения давления в процессе десорбции газообразного метана и приближения к вакууму внутри адсорбционной колонны 2 по истечении какого-то промежутка времени концентрация газообразного метана в собранном обогащенном горючем газе PG постепенно возрастает вместе с этим. Поэтому, можно понять, что возможно предупредить слишком высокую концентрацию газообразного метана в обогащенном горючем газе PG, попадающую в диапазон концентраций взрывоопасности. Кроме того, как и в случае отходящего газа OG, концентрацию газообразного метана в нем поддерживают при низкой концентрации, как рассмотрено выше, так что можно также предупредить рост данной концентрации до величин, попадающих в диапазон взрывоопасности.
Процесс повышения давления
Далее, секция 64 управления переключением средства 6 управления открывает переключающий клапан 42 канала вывода с подачей воздуха в адсорбционную колонну 2 по каналу 40 вывода, а затем закрывает данный переключающий клапан 42 канала вывода.
Исходя из вышеизложенного, давление внутри адсорбционной колонны 2 растет до давления, близкого к атмосферному, так что процесс адсорбции газообразного метана последовательно протекает, и адсорбция газообразного метана ускоряется.
В варианте осуществления изобретения, рассмотренном выше, при давлении ниже атмосферного, даже если происходит изменение концентрации газообразного метана в исходном газе G, газообразный метан может быть эффективно адсорбирован из данного исходного газа G адсорбентом 21а газообразного метана, так что горючий газ PG, как полученный газ, может быть обогащен до более высокой концентрации эффективным и безопасным образом. Кроме того, даже если происходит изменение концентрации газообразного метана в отходящем газе OG вследствие изменения адсорбционной способности адсорбционной колонны, например, операция адсорбции газообразного метана адсорбентом 21 газообразного метана может быть осуществлена эффективным образом, так что можно предупредить получение концентрации в отходящем газе OG, попадающей в диапазон взрывоопасности.
Второй вариант осуществления изобретения
В представленном выше варианте осуществления изобретения, когда проводят процесс адсорбции, момент завершения адсорбции устанавливают только один раз в момент начала подачи исходного газа G. Вместо этого, данная установка может быть осуществлена многократно. В частности, в данном случае, когда произошло существенное изменение концентрации газообразного метана в вводимом исходном газе G, предполагается, что это приведет к значительному отклонению в изменении времени завершения адсорбции. Поэтому, проведением стадии #3 и стадии #4 многократно данное отклонение может быть скорректировано для восстановления первоначальной установки.
Восстановление установки момента завершения адсорбции датчиком 33 со стороны ввода в таком случае, какой рассмотрен выше, может быть осуществлено, например, следующим образом.
В секции расчета концентрации газа получают концентрацию газообразного метана в исходном газе G. И если происходит существенное отклонение данной концентрации газообразного метана, когда истекает заранее определенный период от начала процесса адсорбции, рассчитывается предполагаемая концентрация газообразного метана для адсорбционной колонны 2 в момент возникновения данного существенного отклонения. Затем, помимо данной предполагаемой концентрации газообразного метана, получают также предполагаемое общее адсорбированное количество в виде количества газообразного метана, которое может быть адсорбировано в адсорбционной колонне 2 до ее прорыва. Затем получают разницу между ними в виде предполагаемого оставшегося адсорбированного количества. Далее получают расчетным путем скорректированный период адсорбции до прорыва данной адсорбционной колонны 2, в случае, когда исходный газ G, имеющий концентрацию газообразного метана с существенным отклонением, должен быть адсорбирован в адсорбционной колонне 2, имеющей данное предполагаемое оставшееся адсорбированное количество. Затем будет установлен период от момента наступления существенного отклонения концентрации газообразного метана до истечения периода адсорбции, как новый момент завершения адсорбции секцией установки рабочих условий.
Если рассмотренное выше восстановление установки осуществлено точно, то возможно сохранить подходящим образом момент завершения адсорбции в реальном времени в соответствии с изменением свойств подаваемого исходного газа G.
Кроме того, когда должна быть определена концентрация газообразного метана в исходном газе G, будет установлен истекший период от начала подачи исходного газа G, и может быть получен выходной сигнал о концентрации газообразного метана на данный установленный период. В вышеприведенном случае цель может быть реализована путем получения выходного сигнала о концентрации газообразного метана для каждого установленного периода и мониторинга данных выходных сигналов. При этом, выходной сигнал о концентрации газообразного метана может быть получен с использованием выходного сигнала с сенсора в момент истечения заранее заданного периода или может быть также использовано среднее значение выходных сигналов с сенсора, полученных в течение установленного периода.
Третий вариант осуществления изобретения
В рассмотренном выше варианте осуществления изобретения момент завершения адсорбции для использования в следующем цикле корректируется на основе выходного сигнала о концентрации метана в отходящем газе OG в момент завершения адсорбции. В альтернативном случае, выходной сигнал о концентрации газообразного метана может быть получен после истечения заранее заданного периода от начала прорыва газообразного метана в отходящий газ OG; и момент завершения адсорбции для использования в следующем цикле может быть скорректирован на основе данной концентрации газообразного метана. А именно, в такой ситуации, когда происходит внезапное выделение газообразного метана в отходящий газ OG, поскольку начинается прорыв адсорбента 21 или снижение расхода газа вследствие ухудшения работы воздуходувной машины из-за, например, ухудшения адсорбционной способности, являющейся результатом, например, ухудшения адсорбента 21, предполагается, что потребуется более длительное время до прорыва адсорбента. В данном случае можно исключить риск самопроизвольного выделения большого количества газообразного метана или ухудшение производительности производства.
Восстановление установки момента завершения адсорбции средством 43 управления со стороны вывода в таком случае, какой рассмотрен выше, может быть осуществлено, например, следующим образом.
В секции расчета концентрации газа получают концентрацию газообразного метана в отходящем газе OG и определяют, насколько возросла данная концентрация после истечения заранее заданного периода от прорыва адсорбента 21. Средство управления оценивает в секции установки рабочих условий, достигла ли данная величина заранее заданной концентрации газообразного метана в действующий установленный момент завершения адсорбции или нет. И если определено, что концентрация метана является высокой, момент завершения адсорбции будет переустановлен на более ранний момент. Если же определено, что концентрация метана является низкой, момент завершения адсорбции будет переустановлен на более поздний момент.
Если рассмотренное выше восстановление установки проведено точно, то можно отрегулировать момент завершения адсорбции более подходящим образом в реальном времени в соответствии с изменением свойств отходящего газа OG.
Кроме того, когда должна быть определена концентрация газообразного метана в отходящем газе OG, будет установлен истекший период от начала прорыва газообразного метана, и может быть получен выходной сигнал о концентрации газообразного метана на данный установленный период. В вышеприведенном случае цель может быть реализована путем получения выходного сигнала о концентрации газообразного метана для каждого установленного периода и мониторинга данных выходных сигналов. Кроме того, оценка концентрации газообразного метана в зоне установки рабочих условий может быть проведена сравнением с абсолютной величиной концентрации газообразного метана или абсолютной величиной выходного сигнала о концентрации газообразного метана как такового. В альтернативном случае, оценка может быть осуществлена также на основе скорости ее изменения.
Другие варианты осуществления изобретения
(1) В вариантах осуществления изобретения с первого по третий, описанных выше, может быть предусмотрен осушитель, чтобы можно было удалить влагу из подаваемого исходного газа G, с обеспечением соответствующей адсорбции горючего газа адсорбентом 21. В частности, при установке осушителя на канал 30 подачи может быть удалена влага из исходного газа G. Кроме того, при загрузке адсорбционной колонны 2 количеством адсорбента воды, способного селективно поглощать воду, также можно предотвратить ухудшение адсорбции горючего газа из-за воды.
(2) В вариантах осуществления изобретения с первого по третий, рассмотренных выше, адсорбционную колонну 2 наполняют адсорбентом 21. Данный адсорбент может быть использован самостоятельно или может представлять смесь двух или более типов адсорбента.
(3) Возможно проводить процесс продувки для подачи обогащенного горючего газа PG как полученного газа в адсорбционную колонну 2 после завершения процесса его адсорбции, таким образом выдувая любой побочный газ, такой как воздух, все еще остающийся в колонне. Для проведения такого процесса очистки будет предусмотрен продувочный канал для подачи обогащенного горючего газа PG как полученного газа из емкости для хранения в адсорбционную колонну 2, и также может быть предусмотрена зона хранения для хранения отходящего газа OG, удаленного в процессе продувки, и циркуляционный канал для его рециркуляции со стороны источника. При этом, становится возможным дополнительно увеличить чистоту обогащенного горючего газа PG как готового газа, полученного из адсорбционной колонны 2.
(4) В вариантах осуществления изобретения с первого по третий, рассмотренных выше, использована одна абсорбционная колонна 2. Вместо этого может быть использована серия абсорбционных колонн 2, 2, 2. Например, в случае использования двух колонн устройство обогащения горючего газа может работать таким образом, что первая абсорбционная колонна 2 будет работать в следующей последовательности: А: процесс адсорбции горючего газа, В: процесс десорбции горючего газа и С: процесс уравнивания давлений, тогда как в соответствии с этим вторая абсорбционная колонна 2 будет работать в следующей последовательности: А: процесс десорбции горючего газа, В: процесс адсорбции горючего газа и С: процесс уравнивания давлений, таким образом проводя обогащение горючего газа непрерывным образом.
В вышеизложенном процесс уравнивания давлений предназначен для эффективного регулирования давления с меньшей потерей энергии введением отходящего газа из адсорбционной колонны 2, имеющей высокое внутреннее давление, в адсорбционную колонну 2, имеющую низкое внутреннее давление. То есть, так как отходящий газ из адсорбционной колонны 2 при повышенном давлении диффундирует в адсорбционную колонну 2 при пониженном давлении, то горючий газ, содержащийся в отходящем газе из адсорбционной колонны 2, может быть собран в процессе уравнивания давлений. Кроме того, так как возможно установить высокую концентрацию десорбированного горючего газа в момент начала процесса десорбции, вышеуказанная компоновка может способствовать также увеличению чистоты горючего газа PG.
(5) В вариантах осуществления изобретения с первого по третий, рассмотренных выше, в качестве исходного газа G использован газ угольный шахты, а газообразный метан использован как горючий газ. Однако исходный газ G конкретно не ограничивается, пока он представляет газ, содержащий горючий газ и воздух. Кроме того, горючий газ также конкретно не ограничен, поскольку он представляет газ, обладающий свойством горючести. Кроме того, физические свойства адсорбента 21 могут меняться соответствующим образом в соответствии с типом горючего газа. Например, если средний диаметр пор, который приблизительно в 1,2 - два раза больше, чем средний диаметр пор горючего газа, выбирают как средний диаметр пор адсорбента 21, то становится возможной селективная адсорбция горючего газа.
(6) В процессе увеличения давления воздух подают в адсорбционную колонну 2, как рассмотрено выше. Изобретение не ограничивается этим. Возможно также использовать вентиляционный газообразный метан (обычно имеющий концентрацию газообразного метана 0,5%), который выбрасывается в атмосферу при воздушной вентиляции шахт во время подземной добычи угля. При этом газообразный метан, содержащийся в газообразном метане вентиляционного воздуха, может быть собран, и оказывается возможным эффективный и полезный сбор вентиляционного газообразного метана, обычно выбрасываемого в атмосферу.
Промышленная применимость
Устройство для обогащения горючего газа по настоящему изобретению может быть эффективно использовано как технология, которая позволяет эффективно обогащать горючий газ до более высоких концентраций с минимальной потерей исходного газа, даже если происходит изменение состава компонентов исходного газа G в ходе обогащения горючего газа.
Описание ссылочных позиций
| 100 | устройство для обогащения горючего газа (устройство по изобретению) |
| 2 | адсорбционная колонна |
| 21 | адсорбент |
| 21a | адсорбент газообразного метана |
| 3 | секция подачи |
| 30 | канал подачи |
| 31 | средство подачи/вывода |
| 31a | воздуходувная машина |
| 32 | переключающий клапан (переключающий клапан канала подачи) |
| 33 | датчик со стороны ввода (датчик) |
| 33a | датчик концентрации газообразного метана |
| 4 | секция вывода |
| 40 | канал вывода |
| 42 | переключающий клапан (переключающий клапан канала вывода) |
| 43 | датчик со стороны вывода (датчик) |
| 43a | датчик концентрации газообразного метана |
| 5 | секция сбора |
| 50 | канал сбора |
| 51 | средство сбора |
| 51a | вакуумный насос |
| 52 | переключающий клапан (переключающий клапан канала сбора) |
| 54 | емкость для хранения |
| 6 | средство управления |
| 61 | секция расчета концентрации газа. |
| 62 | секция таймера |
| 63 | секция установки рабочих условий |
| 64 | секция управления переключением |
| 65 | секция хранения |
| 65a | данные управления стороны ввода |
| 65b | данные управления стороны вывода |
| G | источник газа (газ угольной шахты, горючий газ) |
| PG | горючий газ высокой концентрации (обогащенный) (полученный газ) |
| OG | отходящий газ |
1. Устройство для обогащения горючего газа, включающее
адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом для адсорбции горючего газа;
средство подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну по каналу подачи и вывода отходящего газа, который является частью исходного газа, не адсорбированного адсорбентом, наружу адсорбционной колонны по каналу вывода;
средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, за счет понижения давления внутри адсорбционной колонны до давления, ниже атмосферного и сбора десорбированного горючего газа через канал сбора; и
средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство подачи/вывода подавало исходный газ в адсорбционную колонну и выводило отходящий газ из адсорбционной колонны, и процесса десорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство сбора десорбировало и собирало горючий газ;
причем устройство для обогащения дополнительно включает
датчик для определения концентрации горючего газа в исходном газе, который подают в адсорбционную колонну в процессе адсорбции; и
секцию установки рабочих условий для регулирования установки времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции на основании концентрации горючего газа, продетектированной датчиком.
2. Устройство для обогащения горючего газа по п. 1, в котором секция установки рабочих условий включает секцию хранения для хранения корреляционной зависимости между концентрациями горючего газа и временем завершения адсорбции в форме базы данных.
3. Устройство для обогащения горючего газа, включающее адсорбционную колонну, наполненную адсорбентом для
адсорбции горючего газа;
средство подачи/вывода для подачи исходного газа, содержащего горючий газ и воздух, в адсорбционную колонну по каналу подачи и вывода отходящего газа, который является частью исходного газа, не адсорбированного адсорбентом, наружу адсорбционной колонны по каналу вывода;
средство сбора для десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, за счет понижения давления внутри адсорбционной колонны до давления, ниже атмосферного, и сбора десорбированного горючего газа через канал сбора; и
средство управления для последовательного осуществления процесса адсорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство подачи/вывода подавало исходный газ в адсорбционную колонну и выводило отходящий газ из адсорбционной колонны, и процесса десорбции горючего газа для обеспечения того, чтобы средство сбора десорбировало и собирало горючий газ;
причем устройство для обогащения дополнительно включает
датчик для определения концентрации горючего газа, выводимого из адсорбционной колонны в процессе адсорбции; и
секцию установки рабочих условий для регулирования установки времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции на основе концентрации горючего газа, продетектированной датчиком.
4. Устройство для обогащения горючего газа по п. 3, в котором установку времения завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции регулируют на основе пороговой величины для концентрации горючего газа, выводимого из адсорбционной колонны;
предусмотрена секция хранения для хранения, в виде базы данных, корреляционной зависимости между концентрацией горючего газа, продетектированной датчиком, и величиной поправки к концентрации газа для корректирования пороговой величины; и
средство установки рабочих условий регулирует время завершения адсорбции на основе корреляционной зависимости, полученной заранее.
5. Устройство для обогащения горючего газа по п. 3 или 4, в котором установка времени завершения адсорбции для средства управления для завершения процесса адсорбции регулируется на основе концентрации горючего газа, продетектированной указанным датчиком, взятой в истекшем периоде от начала процесса адсорбции;
предусмотрена секция хранения для хранения, в виде базы данных, корреляционной зависимости между концентрацией горючего газа, продетектированной датчиком, и истекшим периодом; и
средство установки рабочих условий регулирует установку времени завершения адсорбции на основе корреляционной зависимости, полученной заранее.
