УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА И СПОСОБ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ГОРЮЧЕГО ГАЗА
DEVICE TO CONCENTRATE COMBUSTIBLE GAS AND METHOD TO CONCENTRATE COMBUSTIBLE GAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к устройству для концентрирования горючего газа и к способу концентрирования горючего газа, в которых неочищенный газ, содержащий горючий газ и воздух, подается в адсорбционную колонну, в которой адсорбируется и концентрируется горючий газ.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для того чтобы эффективно использовать горючий газ в качестве топлива или т.п., необходимо отделить воздух и другие газы от неочищенного газа, который содержит горючий газ, и концентрировать горючий газ до необходимой степени. Предложены различные устройства и способы для концентрирования такого горючего газа, и в Патентном документе 1, например, раскрыта технология, в которой газ (так называемый газ угольных шахт), находящийся в угольной шахте, который содержит газообразный метан в качестве горючего газа, используется как неочищенный газ; от такого неочищенного газа отделяется воздух (включающий главным образом азот, кислород и диоксид углерода) при использовании адсорбента, и метансодержащий газ концентрируется и используется требуемым образом.
Более конкретно. Патентный документ 1 предлагает устройство и способ, посредством которых природный цеолит, чрезвычайно медленно адсорбирующий газообразный метан по сравнению с азотом, используется в качестве адсорбента (другими словами, используется адсорбент, который преимущественно адсорбирует азот, кислород и диоксид углерода, а не газообразный метан), при этом газ угольных шахт вводится при заданном давлении посредством использования компрессора или т.п. в адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом, и кислород, азот и диоксид углерода, содержащиеся в газе угольных шахт, адсорбируются первыми в передней части (более низкой части) адсорбционной колонны, газообразный метан, обладающий низкой скоростью адсорбции, адсорбируется во внутренней части (более высокой части) адсорбционной колонны, газообразный метан высвобождается из более высокой части адсорбционной колонны до достижения атмосферного давления, и газообразный метан концентрируется.
Воздух тем самым отделяется от газа угольных шахт, являющегося неочищенным газом, при использовании адсорбента, газообразный метан концентрируется, и концентрированный метансодержащий газ может быть использован в качестве топлива или т.п.
[Патентный документ 1] Выложенная заявка на патент Японии №58-198591.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Горючий газ обычно потенциально взрывоопасен, и считается, что взрыв возможен, когда горючий газ содержится в неочищенном газе или т.п. в заданном интервале концентрации. Этот интервал концентрации зависит от вида горючего газа, однако обычно соответствует содержанию горючего газа в интервале примерно от 5 до 20 об.%. Взрыв считается возможным аналогичным образом в некотором интервале концентрации и в случае газообразного метана, описанного выше.
Считается, что потенциальная возможность взрыва горючего газа присутствует также, когда в неочищенном газе или т.п. содержится в заданной концентрации газообразный кислород в дополнение к заданной концентрации горючего газа. Этот интервал концентрации представляет собой интервал от 10 об.% и выше для содержащегося газообразного кислорода.
Соответственно, адекватное внимание должно быть уделено интервалам концентраций газообразного кислорода и горючего газа, когда имеют дело с газом, содержащим горючий газ. Особенно, когда газ включает горючий газ или газообразный кислород вблизи интервала концентрации, в котором возможен взрыв, важно, чтобы концентрация горючего газа или газообразного кислорода была отрегулирована таким образом, чтобы она не находилась в пределах вышеуказанного интервала концентрации.
В изобретении, раскрытом в Патентном документе 1, хотя концентрированный газообразный метан обладает сравнительно высокой концентрацией (концентрация метана составляет примерно 60 об.%) и находится вне взрывоопасного интервала концентрации, газообразный метан содержится при сравнительно низкой концентрации (концентрация метана составляет 44 об.% или менее) в отходящем газе после извлечения в заданной степени газообразного метана из газа угольных шахт (имеющего концентрацию метана примерно 44 об.% и концентрацию газообразного кислорода примерно 12 об.%), и газообразный кислород также содержится в заданной концентрации (концентрация газообразного кислорода составляет примерно 12 об.% или выше).
Поэтому имеется вероятность нахождения либо газообразного метана, либо газообразного кислорода в пределах взрывоопасного интервала концентрации, и возникают проблемы, связанные с риском взрыва отходящего газа.
Концентрация газообразного метана чрезвычайно высокая (концентрация газообразного метана составляет примерно 99 об.%), когда газ угольных шахт находится в угольной шахте, однако поскольку когда газ угольных шахт вытекает естественным образом или при использовании отсасывающего насоса или т.п. для удаления газа угольных шахт с целью его последующего использования, примешивается воздух, то возникает состояние, в котором концентрация метана низкая (в зависимости от условий, возникает, например, состояние, в котором содержится в среднем примерно от 20 до 40 об.% газообразного метана).
Соответственно, когда газ угольных шахт при концентрации вблизи интервала концентрации, в котором возможен взрыв, вводится в адсорбционную колонну посредством компрессора или т.п., как в изобретении, раскрытом в Патентном документе 1, давление газа угольных шахт увеличивается, и возникают проблемы, связанные с риском взрыва в более широких интервалах концентрации по сравнению с вышеуказанным интервалом концентрации.
А именно концентрирование газообразного метана посредством использования компрессора внутри угольной шахты не всегда целесообразно.
Возможность взрыва устройства для концентрирования газообразного метана в Патентном документе 1 имеет место не только в случае устройства для концентрирования газообразного метана, но также имеет место и в случае устройства для концентрирования других горючих газов.
Данное изобретение было разработано, принимая во внимание вышеописанные проблемы, и задачей данного изобретения является предоставление технологии, способной к выполнению концентрирования до высокой концентрации, наряду с предотвращением нахождения концентрации во взрывоопасном интервале, когда концентрируется горючий газ.
Первая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением для достижения вышеуказанных задач заключается в том, что оно содержит адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом для адсорбции горючего газа; подающее средство для подачи неочищенного газа, содержащего воздух и горючий газ, в адсорбционную колонну через подающую линию при выпуске отходящего газа, содержащегося в неочищенном газе и не адсорбированного адсорбентом, из адсорбционной колонны через выпускную линию; средство сбора для уменьшения давления в адсорбционной колонне ниже атмосферного давления и десорбции горючего газа, адсорбированного адсорбентом, и отвода горючего газа через линию для сбора; и средство управления для последовательного выполнения стадии адсорбции горючего газа, на которой подают неочищенный газ в адсорбционную колонну и выпускают отходящий газ из адсорбционной колонны подающим средством, и стадии десорбции горючего газа, на которой собирают горючий газ, десорбированным средством сбора.
В соответствии с первой особенностью, описанной выше, стадия адсорбции горючего газа, на которой адсорбируют горючий газ из неочищенного газа, подаваемого в адсорбционную колонну подающим средством, адсорбентом и выпускают отходящий газ, не адсорбированный адсорбентом из неочищенного газа, из адсорбционной колонны, и стадия десорбции горючего газа, на которой уменьшают давление внутри адсорбционной колонны ниже атмосферного давления посредством использования средства сбора, и десорбируют и собирают горючий газ, адсорбированный адсорбентом, выполняются последовательно под управлением средства управления.
На стадии адсорбции горючего газа горючий газ как таковой может быть соответственно адсорбирован адсорбентом, и концентрация горючего газа в отходящем газе может находиться в интервале чрезвычайно низких концентраций, который находится за пределами взрывоопасного интервала.
Поскольку давление адсорбционной колонны уменьшается ниже атмосферного давления и горючий газ десорбируется на стадии десорбции горючего газа, то достигнутая концентрация горючего газа может быть выше взрывоопасного интервала, одновременно может быть уменьшена концентрация кислорода, и концентрация собранного и концентрированного горючего газа может находиться за пределами взрывоопасного интервала, наряду с тем, что степень извлечения горючего газа увеличивается.
Кроме того, поскольку подающее средство одновременно подает неочищенный газ в адсорбционную колонну и выпускает отходящий газ из адсорбционной колонны и используется адсорбент, который обладает высокой способностью к адсорбции горючего газа вблизи атмосферного давления, то неочищенный газ может подаваться в адсорбционную колонну просто лишь вдуванием или т.п. без использования компрессора или т.п., и может быть предотвращено увеличение давления неочищенного газа до концентрации, соответствующей взрывоопасному интервалу, которое может быть в противном случае обусловлено компрессором или т.п. во время подачи неочищенного газа.
Вторая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с первой особенностью адсорбент представляет собой адсорбент для адсорбции газообразного метана в качестве горючего газа и является по меньшей мере одним адсорбентом, выбранным из группы, которая включает активированный уголь, цеолит, силикагель и металлоорганическое комплексное соединение, и имеющим средний диаметр микропор от 4,5 до 15 Å при измерении способом молекулярных проб (МР), для которого величина адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К составляет 20 норм. куб. см/г или более.
В соответствии со второй особенностью, описанной выше, в качестве адсорбента используется адсорбент метана, способный к селективной адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К, в соответствии с чем обеспечивается возможность удовлетворительной адсорбции газообразного метана таким адсорбентом даже при атмосферном давлении и 298 К.
2
3
Более конкретно, когда адсорбция метана при атмосферном давлении и 298 К составляет менее 20 н.см/г, эффективность адсорбции метана при низком давлении (особенно при давлении, близком к атмосферному) уменьшается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, и количество адсорбента должно быть увеличено, и увеличиваются габариты устройства для того, чтобы поддержать требуемую эффективность адсорбции. Верхний предел величины вышеуказанной адсорбции метана не ограничивается особым образом, однако полученная в настоящее время величина адсорбции метана для адсорбента метана составляет примерно 40 н.см/г или менее.
Если средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), меньше 4,5 Å, то величина адсорбции газообразного кислорода и газообразного азота увеличивается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, средний диаметр микропор приближается к диаметру молекул метана, скорость адсорбции уменьшается, эффективность адсорбции метана уменьшается, и адсорбция становится невозможной. С другой стороны, если средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), больше 15 Å, то эффективность адсорбции метана при низком давлении (особенно при давлении, близком к атмосферному) уменьшается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, и количество адсорбента должно быть увеличено, и увеличиваются габариты устройства для того, чтобы поддержать требуемую эффективность адсорбции.
3
Соответственно, адсорбент является предпочтительно по меньшей мере одним адсорбентом, выбранным из группы, которая включает активированный уголь, цеолит, силикагель и металлоорганическое комплексное соединение, и имеющим средний диаметр микропор от 4,5 до 15 Å, при его измерении способом молекулярных проб (МР), для которого величина адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К составляет 20 н. см/г или более.
Третья особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с первой или второй особенностью адсорбент представляет собой адсорбент для адсорбции газообразного метана в качестве горючего газа, в котором объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составляет 50 об.% или более от общего объема микропор.
В соответствии с третьей особенностью, описанной выше, поскольку объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составляет 50 об.% или более от общего объема микропор, то количество газообразного метана, которое может быть адсорбировано даже при атмосферном давлении, увеличивается, и газообразный метан может быть адсорбирован удовлетворительным образом. Особо заданный нижний предел для вышеуказанного среднего диаметра микропор отсутствует, и достаточно, чтобы объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, составлял 50% или более от общего объема микропор.
Четвертая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с первой или второй особенностью адсорбент представляет собой адсорбент для адсорбции газообразного метана в качестве горючего газа, и адсорбция азота при 77 К такова, что адсорбция азота при относительном давлении 0,013, соответствующая среднему диаметру микропор 10 Å, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составляет 50 об.% или более от адсорбции азота при относительном давлении 0,99, соответствующей общему объему микропор. Термин «относительное давление» относится к величине давления по отношению к давлению насыщенного пара при температуре измерения.
В соответствии с четвертой особенностью адсорбция азота при низком давлении, которое представляет собой относительное давление 0,013, соответствующая среднему диаметру микропор 10 Å, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), в качестве адсорбции азота при 77 К устанавливается при 50 об.% или более от адсорбции азота при давлении, близком к давлению насыщенного пара при 77 К, представляющему собой относительное давление 0,99, которая соответствует общему объему микропор.
Адсорбция при относительном давлении 0,99 представляет общий объем микропор, а адсорбция при относительном давлении 0,013 представляет объем микропор, имеющих средний диаметр микропор от 10 Å или менее, и соотношение этих величин указывает что, аналогично тому, как это описано выше, доля микропор, имеющих средний диаметр от 10 Å или менее, выше. В результате этого метансодержащий газ вблизи атмосферного давления может быть сконцентрирован простым и эффективным образом, даже когда в качестве неочищенного газа используется газообразная смесь метана и воздуха.
Пятая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что устройство для концентрирования горючего газа в соответствии с любой из особенностей с первой по четвертую содержит узел определения завершения адсорбции, который определяет состояние горючего газа в выпускной линии; в таком устройстве средство управления осуществляет переход от стадии адсорбции горючего газа к стадии десорбции горючего газа на основании результатов определения, выполненного узлом определения завершения адсорбции.
В соответствии с пятой особенностью, описанной выше, средство управления может осуществлять переход от стадии адсорбции горючего газа к стадии десорбции горючего газа на основании результатов определения, выполненного узлом определения завершения адсорбции.
Посредством этого определяется состояние горючего газа в выпускной линии, и когда может быть сделан вывод, что адсорбция горючего газа завершена, возможно выполнение стадии десорбции горючего газа сразу же после стадии адсорбции горючего газа и предотвращение выпуска горючего газа, который не был адсорбирован, в выпускную линию вследствие завершения адсорбции.
Шестая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с любой из особенностей с первой по пятую средство управления выполняет стадию адсорбции горючего газа после подачи воздуха в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия десорбции горючего газа.
В соответствии с шестой особенностью, описанной выше, средство управления выполняет стадию адсорбции горючего газа после подачи воздуха в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия десорбции горючего газа.
Воздух при сравнительно высоком давлении (вблизи атмосферного давления) подается в адсорбционную колонну, которая находится в состоянии, в котором стадия десорбции горючего газа выполнена, и давление уменьшено ниже атмосферного давления, при этом давление может быть увеличено до давления вблизи атмосферного давления (иногда в дальнейшем в этом документе на это ссылаются как на стадию увеличения давления воздуха), и могут быть созданы условия, при которых горючий газ, являющийся целевым адсорбируемым веществом, легко адсорбируется при выполнении стадии адсорбции горючего газа в адсорбционной колонне.
Седьмая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с шестой особенностью средство управления, кроме того, подает отобранный горючий газ в адсорбционную колонну после подачи в нее воздуха и затем выполняет стадию адсорбции горючего газа.
В соответствии с седьмой особенностью, описанной выше, средство управления может, кроме того, подавать высококонцентрированный горючий газ, отобранный на стадии десорбции горючего газа, в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия десорбции горючего газа, после подачи воздуха в адсорбционную колонну и затем выполнять стадию адсорбции горючего газа.
Более конкретно, воздух при сравнительно высоком давлении (вблизи атмосферного давления) подается в адсорбционную колонну, которая находится в состоянии, в котором стадия десорбции горючего газа завершена и давление уменьшено ниже атмосферного давления, при этом давление может быть увеличено до заданной величины, и затем может быть подан высококонцентрированный горючий газ и давление увеличено от заданной величины до давления вблизи атмосферного давления.
Неочищенный газ и горючий газ при более высокой концентрации по сравнению с неочищенным газом могут таким образом подаваться к адсорбенту, когда в адсорбционной колонне выполняется стадия адсорбции горючего газа, и скорость концентрирования горючего газа может быть повышена по сравнению со случаем, в котором подается лишь неочищенный газ. Посредством увеличения давления внутри адсорбционной колонны до давления вблизи атмосферного давления могут быть созданы условия, при которых горючий газ, являющийся целевым адсорбируемым веществом, легко адсорбируется. Также можно не выполнять увеличение давления воздухом для того, чтобы увеличить скорость концентрирования, однако когда лишь высококонцентрированный горючий газ подается в адсорбционную колонну, то только высококонцентрированный горючий газ адсорбируется на стадии адсорбции горючего газа, горючий газ сразу же достигает заданной концентрации и выпускается из выпускной линии, и неочищенный газ не может быть адсорбирован удовлетворительным образом. Поэтому необходимо вводить воздух, чтобы увеличить давление до заданной величины.
Восьмая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что устройство для концентрирования горючего газа в соответствии с любой из особенностей с первой по седьмую содержит продувочную линию для соединения адсорбционной колонны и накопительный резервуар для хранения отобранного горючего газа; в таком устройстве средство управления выполняет стадию продувки, на которой часть высококонцентрированного горючего газа из накопительного резервуара подается через продувочную линию в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия адсорбции горючего газа, перед стадией десорбции горючего газа.
В соответствии с восьмой особенностью, описанной выше, средство управления выполняет стадию продувки циркуляцией части высококонцентрированного горючего газа, хранящегося в накопительном резервуаре, через продувочную линию, соединяющую накопительный резервуар и адсорбционную колонну, в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия адсорбции горючего газа, перед стадией десорбции горючего газа.
В такой конструкции после завершения стадии адсорбции горючего газа и перед инициированием стадии десорбции горючего газа отходящий газ (рассматриваемый как включающий главным образом газообразный азот и газообразный кислород) внутри адсорбционной колонны, в котором практически отсутствует горючий газ, тем самым выводится из адсорбционной колонны и выпускается в выпускную линию высококонцентрированным горючим газом, хранящимся в накопительном резервуаре, посредством выполнения стадии продувки. Поскольку концентрация горючего газа в адсорбционной колонне увеличивается и выполняется продувка высококонцентрированным горючим газом, адсорбция горючего газа увеличивается, предотвращая тем самым уменьшение концентрации горючего газа, собираемого на выполняемой после этого стадии десорбции горючего газа.
Девятая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с восьмой особенностью средство управления выполняет стадию рециркуляции, на которой высококонцентрированный горючий газ рециркулируется в подающую линию через линию возврата продувочного газа, соединяющую выпускную линию и подающую линию, перед стадией десорбции горючего газа и после того как высококонцентрированный горючий газ, циркулируемый в адсорбционную колонну, выпускается в выпускную линию из адсорбционной колонны на стадии продувки.
В соответствии с девятой особенностью, описанной выше, средство управления может выполнять стадию рециркуляции, на которой горючий газ рециркулируется в подающую линию через линию возврата продувочного газа, соединяющую выпускную линию и подающую линию, перед стадией десорбции горючего газа и после того как газ внутри адсорбционной колонны выведен высококонцентрированным горючим газом, поданным в адсорбционную колонну на стадии продувки, и горючий газ выпускается в выпускную линию из адсорбционной колонны.
Высококонцентрированный горючий газ, использованный для вывода газа внутри адсорбционной колонны на стадии продувки, может быть тем самым возвращен в подающую линию и не выпускаться из адсорбционной колонны через выпускную линию, может быть предотвращена потеря горючего газа, сконцентрированного до высокой концентрации, и горючий газ, который сконцентрирован до более высокой концентрации по сравнению с неочищенным газом, может быть дополнительно использован при концентрировании для ускорения концентрирования горючего газа.
Десятая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с любой из особенностей с первой по седьмую адсорбционная колонна образована из двух колонн, и средство управления выполняет стадию адсорбции горючего газа и стадию десорбции горючего газа поочередным образом для двух адсорбционных колонн.
В соответствии с десятой особенностью, описанной выше, средство управления обеспечивает выполнение стадии адсорбции горючего газа и стадии десорбции горючего газа поочередным образом для двух колонн указанной адсорбционной колонны, и концентрированный горючий газ может собираться непрерывно, что улучшает производственные возможности получения горючего газа.
Одиннадцатая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с восьмой или девятой особенностью адсорбционная колонна образована из нескольких колонн, и средство управления последовательно выполняет стадию адсорбции горючего газа, стадию продувки и стадию десорбции горючего газа в данных нескольких адсорбционных колоннах.
В соответствии с одиннадцатой особенностью средство управления обеспечивает последовательное выполнение стадии адсорбции горючего газа, стадии продувки и стадии десорбции горючего газа в нескольких колоннах, составляющих адсорбционную колонну, концентрированный горючий газ может собираться непрерывным образом, и высококонцентрированный горючий газ может быть получен посредством стадии продувки. Тем самым могут быть улучшены производственные возможности получения горючего газа в более высокой концентрации.
Двенадцатая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что в устройстве для концентрирования горючего газа в соответствии с десятой или одиннадцатой особенностью средство управления выполняет стадию выравнивания давления между одной адсорбционной колонной, в которой завершена стадия десорбции горючего газа, и другой адсорбционной колонной, в которой завершена стадия адсорбции горючего газа, на которой газ из указанной другой адсорбционной колонны протекает в указанную одну адсорбционную колонну через соединительную линию, соединяющую обе адсорбционные колонны, перед стадией адсорбции горючего газа в указанной одной адсорбционной колонне и перед стадией десорбции горючего газа в указанной другой адсорбционной колонне.
В соответствии с двенадцатой особенностью, описанной выше, средство управления может обеспечивать выполнение стадии выравнивания давления протеканием газа в указанную одну адсорбционную колонну из указанной другой адсорбционной колонны через соединительную линию, связывающую указанную одну адсорбционную колонну и указанную другую адсорбционную колонну, перед стадией адсорбции горючего газа в одной адсорбционной колонне и перед стадией десорбции горючего газа в указанной другой адсорбционной колонне.
Газ в другой адсорбционной колонне таким образом протекает по соединительной линии, соединяющей адсорбционные колонны, из другой адсорбционной колонны, которая находится в состоянии сравнительно высокого давления (вблизи атмосферного давления) перед стадией десорбции горючего газа и после завершения стадии адсорбции горючего газа, в указанную одну адсорбционную колонну, которая находится в состоянии сравнительно низкого давления (от давления, близкого к атмосферному, до состояния, близкого к вакууму) перед стадией адсорбции горючего газа и после завершения стадии десорбции горючего газа; давление внутри обеих адсорбционных колонн может быть уравновешено посредством стадии выравнивания давления; и могут быть созданы условия, при которых горючий газ, являющийся целевым адсорбируемым веществом, легко адсорбируется, когда давление внутри указанной одной адсорбционной колонны увеличивается и стадия адсорбции горючего газа выполняется в данной первой адсорбционной колонне.
Когда высококонцентрированный горючий газ получают на стадии десорбции горючего газа, концентрация полученного газообразного продукта увеличивается при уменьшении давления внутри адсорбционной колонны. Соответственно, давление внутри адсорбционной колонны перед стадией десорбции горючего газа может быть дополнительно уменьшено посредством выполнения стадии выравнивания давления, при этом получают более высокую концентрацию горючего газа по сравнению со случаем, в котором стадия выравнивания давления не выполняется.
Тринадцатая особенность устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что устройство для концентрирования горючего газа в соответствии с любой из особенностей с первой по двенадцатую содержит линию повторной подачи, соединяющую подающую линию и накопительный резервуар для хранения отобранного горючего газа; при этом средство управления на стадии адсорбции горючего газа смешивает и подает в адсорбционную колонну неочищенный газ, протекающий через подающую линию, и часть высококонцентрированного горючего газа, протекающего через подающую линию из накопительного резервуара и подаваемого через линию повторной подачи.
В соответствии с тринадцатой особенностью, описанной выше, даже в таких случаях, когда концентрация горючего газа в неочищенном газе низкая, неочищенный газ может быть перед поступлением в адсорбционную колонну смешан с высококонцентрированным горючим газом, подаваемым через линию повторной подачи из накопительного резервуара в подающую линию, и может быть подан в адсорбционную колонну после увеличения концентрации неочищенного газа до определенной степени.
Концентрация концентрированного горючего газа, который собирается в накопительном резервуаре, может быть тем самым увеличена до еще более высокой степени, и может быть эффективным образом предотвращено нахождение концентрации неочищенного газа и концентрированного горючего газа во взрывоопасном интервале.
Первая особенность способа концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением для достижения вышеуказанных целей включает выполнение стадии адсорбции горючего газа, на которой неочищенный газ, содержащий воздух и горючий газ, подают через подающую линию в адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом для адсорбции горючего газа, и выпускают отходящий газ от неочищенного газа, который не адсорбирован адсорбентом, из адсорбционной колонны через выпускную линию; и последующее выполнение стадии десорбции горючего газа, на которой уменьшают давление в адсорбционной колонне ниже атмосферного давления, десорбируют горючий газ, адсорбированный адсорбентом, и собирают горючий газ через отводящую линию.
В соответствии с первой особенностью, описанной выше, стадия десорбции горючего газа с уменьшением давления внутри адсорбционной колонны ниже атмосферного давления, десорбцией и сбором горючего газа, адсорбированного на адсорбенте, может быть выполнена сразу после выполнения стадии адсорбции горючего газа с адсорбцией горючего газа из неочищенного газа, подаваемого в адсорбционную колонну к адсорбенту, и выпуском отходящего газа от неочищенного газа, который не адсорбирован адсорбентом, из адсорбционной колонны.
Горючий газ как таковой может быть соответственно адсорбирован адсорбентом, и концентрация горючего газа в отходящем газе может находиться в интервале чрезвычайно низких концентраций за пределами взрывоопасного интервала.
Поскольку давление адсорбционной колонны уменьшается ниже атмосферного давления и горючий газ десорбируется, то достигнутая концентрация горючего газа может быть выше взрывоопасного интервала, одновременно может быть уменьшена концентрация кислорода, и концентрация отобранного и концентрированного горючего газа может находиться за пределами взрывоопасного интервала, наряду с тем, что степень извлечения горючего газа увеличивается.
Кроме того, поскольку неочищенный газ подается в адсорбционную колонну одновременно с выпуском отходящего газа из адсорбционной колонны и используется адсорбент, который обладает высокой способностью к адсорбции горючего газа вблизи атмосферного давления, то неочищенный газ может подаваться в адсорбционную колонну просто лишь вдуванием или т.п. без использования компрессора или т.п., и может быть предотвращено увеличение давления неочищенного газа до концентрации, соответствующей взрывоопасному интервалу, которое может быть в противном случае обусловлено компрессором или т.п. во время подачи неочищенного газа.
Вторая особенность способа концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что способ концентрирования горючего газа в соответствии с первой особенностью включает выполнение стадии продувки, на которой часть высококонцентрированного горючего газа, который находится в накопительном резервуаре для хранения отобранного горючего газа, подается через продувочную линию в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия адсорбции горючего газа, перед выполнением стадии десорбции горючего газа.
В соответствии со второй особенностью, описанной выше, возможно выполнение стадии продувки подачей части высококонцентрированного горючего газа, хранящегося в накопительном резервуаре, через продувочную линию, соединяющую накопительный резервуар и адсорбционную колонну, в адсорбционную колонну, в которой завершена стадия адсорбции горючего газа, перед выполнением стадией десорбции горючего газа.
В такой конструкции после завершения стадии адсорбции горючего газа и перед инициированием стадии десорбции горючего газа отходящий газ (рассматриваемый как включающий главным образом газообразный азот и газообразный кислород) внутри адсорбционной колонны, в котором практически отсутствует горючий газ, тем самым выводится из адсорбционной колонны и выпускается в выпускную линию высококонцентрированным горючим газом, хранящимся в накопительном резервуаре, посредством выполнения стадии продувки. Поскольку концентрация горючего газа в адсорбционной колонне увеличивается и выполняется продувка высококонцентрированным горючим газом, адсорбция горючего газа увеличивается, предотвращая тем самым уменьшение концентрации горючего газа, собираемого на выполняемой после этого стадии десорбции горючего газа.
Третья особенность способа концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением заключается в том, что способ концентрирования горючего газа в соответствии с первой особенностью включает выполнение стадии рециркуляции, на которой горючий газ рециркулируется в подающую линию через линию возврата продувочного газа, перед выполнением стадии десорбции горючего газа и после того как горючий газ, поданный в адсорбционную колонну, выпускается в выпускную линию из адсорбционной колонны на стадии продувки.
В соответствии с третьей особенностью, описанной выше, возможно выполнение стадии рециркуляции, на которой горючий газ рециркулируется в подающую линию через линию возврата продувочного газа, соединяющую выпускную линию и подающую линию, перед выполнением стадии десорбции горючего газа и после того как газ внутри адсорбционной колонны выведен высококонцентрированным горючим газом, поданным в адсорбционную колонну на стадии продувки, и горючий газ выпускается в выпускную линию из адсорбционной колонны.
Высоко концентрированный горючий газ, использованный для вывода газа внутри адсорбционной колонны на стадии продувки, может быть тем самым возвращен в подающую линию и не выпускаться из адсорбционной колонны через выпускную линию, может быть предотвращена потеря горючего газа, сконцентрированного до высокой концентрации, и горючий газ, который сконцентрирован до более высокой концентрации по сравнению с неочищенным газом, может быть дополнительно использован при концентрировании для ускорения концентрирования горючего газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематический чертеж, иллюстрирующий структуру устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантом осуществления 1;
Фиг.2 - график, показывающий адсорбционные характеристики адсорбента 3а метана в данной заявке;
Фиг.З - блок-схема последовательности технологических операций, иллюстрирующая функционирование устройства для концентрирования горючего газа в Варианте осуществления 1;
Фиг.4 - график, показывающий изменение концентрации метана в отходящем газе OG в зависимости от времени на стадии адсорбции газообразного метана;
Фиг.5 - график, показывающий изменение концентрации метана в концентрированном метансодержащем газе PG в зависимости от времени на стадии десорбции газообразного метана;
Фиг. 6 - таблица, показывающая изменение концентрации метана в концентрированном метансодержащем газе PG в зависимости от давления внутри адсорбционной колонны 2 на стадии десорбции газообразного метана;
Фиг. 7 - схематический чертеж, иллюстрирующий структуру устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантом осуществления 2;
Фиг. 8 - блок-схема последовательности технологических операций, иллюстрирующая функционирование устройства для концентрирования горючего газа в Варианте осуществления 2;
Фиг. 9 - график, показывающий зависимость между количеством продувочного газа с разной концентрацией метана и концентрацией метана в концентрированном метансодержащем газе PG в Варианте осуществления 2;
Фиг.10 - схематический чертеж, иллюстрирующий структуру устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантом осуществления 3;
Фиг.11 - блок-схема последовательности технологических операций, показывающая функционирование устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантом осуществления 3;
Фиг.12 - блок-схема последовательности технологических операций, иллюстрирующая функционирование устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантом осуществления 3;
Фиг.13 - схематический чертеж, иллюстрирующий структуру устройства для концентрирования горючего газа в соответствии с Вариантами осуществления с 4 по 6; и
Фиг.14 - график, показывающий зависимость между концентрацией метана в газе угольных шахт G и концентрацией метана в концентрированном метансодержащем газе PG в Варианте осуществления 5.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления устройства для концентрирования горючего газа 100 (в дальнейшем в этом документе обозначаемого как «устройство 100 по данному изобретению») в соответствии с данным изобретением будут описаны на основе прилагаемых чертежей.
[Вариант осуществления 1]
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж, показывающий структуру устройства 100 согласно данному изобретению. Более конкретно, устройство 100 согласно данному изобретению содержит адсорбционную колонну 2, заполненную адсорбентом 3, как показано на фиг.1, подающее средство 4 для подачи неочищенного газа G и выпуска отходящего газа OG, средство сбора 5 для сбора концентрированного горючего газа PG (концентрированного в высокой степени), средство управления 6 для управления подающим средством 4 и средством сбора 5 и узел 7 определения завершения адсорбции для определения завершения адсорбции горючего газа адсорбентом 3 внутри адсорбционной колонны 2.
Подробное описание будет представлено ниже в этом документе, однако, когда устройство 100 по данному изобретению устанавливается в угольной шахте, в качестве подающего средства 4 используется вентилятор (воздуходувка) 4а. Более конкретно, газ угольных шахт (неочищенный газ G), образованный внутри угольной шахты, может быть втянут и подан в адсорбционную колонну 2 по существу при атмосферном давлении посредством вентилятора 4а без сжатия неочищенного газа G. В качестве средства сбора 5 используется вакуумный насос 5а.
Адсорбционная колонна 2 заполнена адсорбентом 3, способным к адсорбции горючего газ, и скомпонована таким образом, что горючий газ в неочищенном газе G, который подается в адсорбционную колонну 2, может быть адсорбирован селективным образом.
Неочищенный газ G здесь является газом, который содержит воздух и горючий газ, и может представлять собой газ угольных шахт, например, который содержит воздух и газообразный метан. Горючий газ не ограничивается особым образом, если данный газ является горючим, и он может быть газообразным метаном, содержащимся, например, в газе угольных шахт. Далее в описании в этом документе неочищенный газ G представляет собой газ угольных шахт G, и предполагается, что неочищенный газ G является газом, который содержит воздух и газообразный метан в качестве горючего газа. Газ угольных шахт G представляет собой газ, образованный в угольной шахте, и в зависимости от условий в газе угольных шахт G содержится примерно от 20 до 40 об.% газообразного метана и примерно от 60 до 80 об.% воздуха (включающего главным образом газообразный азот и газообразный кислород).
3
3
Адсорбент 3 не ограничивается особым образом, если адсорбент способен к селективной адсорбции горючего газа и в качестве адсорбента 3 может быть использован адсорбент 3а метана, который является по меньшей мере одним адсорбентом, выбранным из группы, которая включает активированный уголь, цеолит, силикагель и металлоорганическое комплексное соединение (фумарат меди, терефталат меди, циклогександикарбоксилат меди и т.п.), и имеющим средний диаметр микропор от 4,5 до 15 Å, при его измерении способом молекулярных проб (МР), для которого величина адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К составляет 20 н.см/г или более. Вышеуказанный средний диаметр микропор предпочтительно составляет от 4,5 до 10 Å и более предпочтительно от 5 до 9,5 Å, и вышеуказанная адсорбция метана предпочтительно составляет 25 н.см/г или более. Такой активированный уголь изготавливают при использовании исходного углеродистого материала, полученного полной карбонизацией шелухи кокосовых орехов или угля от них в газообразном азоте при 600°С и измельченного до размера частиц от 1 до 3 мм, который затем активируют при 860°С в атмосфере, содержащей от 10 до 15 об.% водяного пара, от 15 до 20 об.% диоксида углерода, остальное - азот, при использовании печи для активирования периодического действия с внутренним диаметром 50 мм.
Посредством использования адсорбента 3а метана, способного к селективной адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К, в качестве адсорбента 3 газообразный метан может быть адсорбирован удовлетворительным образом адсорбентом 3а метана даже в условиях атмосферного давления и 298 К.
3
3
Более конкретно, когда адсорбция метана при атмосферном давлении и 298 К составляет менее 20 н.см/г, эффективность адсорбции метана при низком давлении (особенно при давлении, близком к атмосферному) уменьшается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, и количество адсорбента 3а метана должно быть увеличено, и должны быть увеличены габариты устройства для того, чтобы поддержать требуемую эффективность адсорбции. Верхний предел величины вышеуказанной адсорбции метана не ограничивается особым образом, однако полученная в настоящее время величина адсорбции метана для адсорбента 3а метана составляет примерно 40 н.см/г или менее.
Если средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), меньше 4,5 Å, то величина адсорбции газообразного кислорода и газообразного азота увеличивается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, средний диаметр микропор приближается к диаметру молекул метана, скорость адсорбции уменьшается, эффективность адсорбции метана уменьшается, и адсорбция становится невозможной. С другой стороны, если средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), больше 15 Å, то эффективность адсорбции метана при низком давлении (особенно при давлении, близком к атмосферному) уменьшается, концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе уменьшается, и количество адсорбента 3а метана должно быть увеличено, и увеличиваются габариты устройства для того, чтобы поддержать требуемую эффективность адсорбции.
3
Соответственно, адсорбент является предпочтительно адсорбентом 3а метана, который представляет собой, по меньшей мере, один адсорбент, выбранный из группы, которая включает активированный уголь, цеолит, силикагель и металлоорганическое комплексное соединение, и имеющий средний диаметр микропор от 4,5 до 15 Å, при его измерении способом молекулярных проб (МР), для которого величина адсорбции газообразного метана при атмосферном давлении и 298 К составляет 20 н.см/г или более.
Кроме того, объем микропор, имеющих средний диаметр микропор от 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), может составлять 50% или более, предпочтительно 70% или более и предпочтительнее 80% или более от общего объема микропор в адсорбенте 3а метана. В этом случае, поскольку объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, которые способны к селективной адсорбции газообразного метана, составляет 50% или более от общего объема микропор, то количество газообразного метана, которое может быть адсорбировано при атмосферном давлении (примерно 0,1 МПа) увеличивается, и газообразный метан может быть адсорбирован удовлетворительным образом даже при атмосферном давлении. Более конкретно, как показано на Фиг.2, для адсорбента 3а метана, имеющего средний диаметр микропор 10 Å или менее, адсорбция метана при атмосферном давлении (примерно 0,1 МПа) больше, чем для адсорбента метана 3b, в котором средний диаметр микропор больше 10 Å, и адсорбент 3а метана может быть соответственно использован в случае, когда газообразный метан адсорбируется в основном при атмосферном давлении, как в устройстве 100 по данному изобретению. На практике объем микропор, для которых средний диаметр находится в интервале от 4 Å до 10 Å, который является измеримым интервалом, может составлять 50% или более от общего объема микропор. Более предпочтительно для адсорбента 3а метана, если объем микропор, для которых средний диаметр находится в интервале от 4,5 Å до 10 Å, составляет 50% или более от общего объема микропор.
Адсорбция азота адсорбентом 3а метана при относительном давлении 0,013, которое соответствует среднему диаметру микропор 10 Å при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), в случае адсорбции азота при 11 К может составлять 50% или более, предпочтительно 70% или более и предпочтительнее 80% или более от величины адсорбции азота при относительном давлении 0,99, которое соответствует общему объему микропор. В этом случае адсорбция при относительном давлении 0,99 представляет общий объем микропор, а адсорбция при относительном давлении 0,013 представляет объем микропор, имеющих средний диаметр микропор от 10 Å или менее, и соотношение этих величин указывает что, аналогично тому, как это описано выше, доля микропор, имеющих средний диаметр от 10 Å или менее, выше. В результате этого метансодержащий газ вблизи атмосферного давления может быть сконцентрирован простым и эффективным образом, даже когда в качестве неочищенного газа используется газообразная смесь метана и воздуха.
Каждая линия из подающей линии 30, которая является линией для газа угольных шахт G, подаваемого подающим средством 4, описанным далее в этом документе; выпускной линии 31, которая является линией отходящего газа OG от газа угольных шахт G, подаваемого подающим средством 4, описанным далее в этом документе, и не адсорбированного адсорбентом 3; и линии 32 для сбора, которая является линией для концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG, собираемого средством сбора 5, описанного ниже в этом документе, соединена с адсорбционной колонной 2.
Регулировочный клапан 40 подающей линии, обеспечивающий регулирование подачи газа угольных шахт G, установлен на подающей линии 30, по которой подается газ угольных шахт G, и подача газа угольных шахт G может регулироваться средством управления 6, описанным далее в этом документе.
Регулировочный клапан 41 выпускной линии, обеспечивающий регулирование выпуска отходящего газа OG, установлен на выпускной линии 31, по которой выпускается отходящий газ OG, и выпуск отходящего газа OG может регулироваться средством управления 6, описанным далее в этом документе.
Регулировочный клапан 42 линии для сбора, обеспечивающий регулирование протекания концентрированного метансодержащего газа PG, установлен на линии 32 для сбора, по которой протекает концентрированный метансодержащий газ PG во время его сбора, и поток концентрированного метансодержащего газа PG может регулироваться средством управления 6, описанным далее в этом документе.
Конкретные операции регулирования регулировочного клапана 40 подающей линии, регулировочного клапана 41 выпускной линии и регулировочного клапана 42 линии для сбора представляют собой их открытие и закрытие средством управления 6, и это открытие и закрытие будет описано далее.
Подающее средство 4 представляет собой узел, установленный на подающей линии 30 для того, чтобы подавать газ угольных шахт G через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2 и адсорбировать газообразный метан из газа угольных шахт G адсорбентом 3а метана внутри адсорбционной колонны 2, и не ограничивается особым образом, если подающее средство 4 обеспечивает подачу газа угольных шахт G без увеличения его давления, и в качестве подающего средства 4 может быть, например, использован вентилятор 4а.
В отношении функционирования подающее средство 4 является также узлом для выпуска отходящего газа OG в газе угольных шахт G, поданного в адсорбционную колонну 2, который не адсорбирован адсорбентом 3а метана, из адсорбционной колонны 2 через выпускную линию 31.
Более конкретно, подающее средство 4 обеспечивает выпуск отходящего газа OG (газа, содержащего главным образом газообразный азот и газообразный кислород, который имеет чрезвычайно низкую концентрацию метана) через выпускную линию 31, при подаче газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2 при давлении, близком к атмосферному, без увеличения давления, и адсорбции газообразного метана из газа угольных шахт G.
Средство 5 сбора является узлом для уменьшения давления внутри адсорбционной колонны 2 ниже атмосферного давления и десорбции газообразного метана, адсорбированного адсорбентом 3а метана внутри адсорбционной колонны 2, сбора десорбированного и высококонцентрированного метансодержащего газа PG через линию 32 для сбора и хранения концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG в накопительном резервуаре 8. Более конкретно, средство 5 сбора не ограничивается особым образом, если он обеспечивает возможность уменьшения давления внутри адсорбционной колонны 2, и в качестве средства 5 сбора может быть использован, например, вакуумный насос 5а.
Узел 7 определения завершения адсорбции является узлом для определения момента времени, при котором способность к адсорбции метана адсорбента 3а метана внутри адсорбционной колонны 2 достигает предела, т.е. момента времени, при котором адсорбция газообразного метана завершается (точки проскакивания), который состоит, например, из узла 7а определения концентрации метана. Узел 7а определения концентрации метана, используемый в качестве узла 7 определения завершения адсорбции, установлен на выпускной линии 31, соединенной с адсорбционной колонной 2, и определяет момент времени, при котором концентрация метана в отходящем газе OG, выпускаемом в выпускную линию 31, достигает заданной концентрации и передает результаты определения в качестве времени завершения адсорбции газообразного метана в средство управления 6, описанный далее в этом документе. Тем самым возможно определение того, что эффективность адсорбции метана адсорбентом 3а метана достигла предела и должна быть немедленно прекращена подача газа угольных шахт G, и определение того, что газообразный метан должен быть десорбирован из адсорбента 3а метана в таких случаях, когда определяется, что газообразный метан в отходящем газе OG находится при заданной концентрации.
Этого достаточно, пока накопительный резервуар 8 способен к безопасному хранению концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG, и более предпочтительно использование газовых резервуаров адсорбционного типа.
Средство управления 6 состоит из микрокомпьютера, включающего среду для записи данных, состоящую из блока памяти или т.п., центральный процессор и блок ввода-вывода и подающее средство 4, средство 5 сбора, узел 7 определения завершения адсорбции, регулировочный клапан 40 подающей линии, регулировочный клапан 41 выпускной линии, регулировочный клапан 42 линии для сбора и другие компоненты могут контролироваться посредством выполнения компьютером заданной программы.
Концентрирование газообразного метана устройством 100 по данному изобретению будет описано далее более конкретно при ссылках на фиг.3. В целом устройство 100 по данному изобретению выполняет А: стадию адсорбции газообразного метана и В: стадию десорбции газообразного метана.
Регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии открываются (этап 1) из состояния, в котором регулировочный клапан 40 подающей линии, регулировочный клапан 41 выпускной линии и регулировочный клапан 42 линии для сбора закрыты.
Газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2 вентилятором 4а, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2, выпускается из адсорбционной колонны 2 через выпускную линию 31 (этап 2). Эти этапы 1 и 2 составляют стадию адсорбции газообразного метана.
Газ угольных шахт G таким образом подается в адсорбционную колонну 2 при атмосферном давлении, и возможно предотвращение утечки ценного газообразного метана в отходящий газ OG при одновременном обеспечении селективной адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана. Более конкретно, как показано на Фиг.4, до прохождения заданного промежутка времени газообразный метан почти полностью адсорбируется, и отсутствует его вытекание из адсорбционной колонны 2, при этом концентрация метана в отходящем газе OG чрезвычайно низкая. Поэтому концентрация находится вне взрывоопасного интервала.
Узел 7а определения концентрации метана в это время определяет, равна ли или выше концентрация газообразного метана в отходящем газе OG, выпускаемом в выпускную линию 31, заданной концентрации (этап 3). Если определенная концентрация метана не равна или не выше заданной концентрации, то процесс возвращается к этапу 2, и подача газа угольных шахт G продолжается. Если определенная концентрация метана равна или выше заданной концентрации, то подача газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2 прекращается (этап 4).
Посредством этого может быть определено время завершения адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана, и может быть максимально предотвращен выпуск газа угольных шахт G, который включает газообразный метан из адсорбционной колонны 2, т.е., соответственно, может быть сделан переход к стадии десорбции газообразного метана.
Более конкретно, как показано на фиг.4, с течением времени, наряду с тем, что выполняется стадия адсорбции газообразного метана, концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается чрезвычайно низкой до прохождения заданного промежутка времени, однако, когда адсорбент 3а метана достигает предела адсорбции метана (точки проскакивания), концентрация метана резко увеличивается. Это явление может быть использовано для определения момента времени, когда адсорбент 3а метана внутри адсорбционной колонны 2 достиг предела адсорбции.
Затем после прекращения подачи газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2 регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии закрываются, а регулировочный клапан 42 линии для сбора открывается (этап 5). Давление внутри адсорбционной колонны 2 затем уменьшается ниже атмосферного давления вакуумным насосом 5а, и инициируется сбор концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG через линию 32 для сбора (этап 6), наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG сохраняется в накопительном резервуаре 8. Когда давление внутри адсорбционной колонны 2 уменьшается до заданной величины, сбор концентрированного метансодержащего газа PG прекращается (этап 7), и регулировочный клапан 42 линии для сбора закрывается 2 (этап 8). Эти этапы с 5 по 8 составляют стадию десорбции газообразного метана.
Газообразный метан, таким образом, адсорбируется адсорбентом 3а метана, и возможно концентрирование газообразного метана до высокой концентрации, наряду с уменьшением концентрации метана в отходящем газе OG, и предотвращение нахождения концентрации отходящего газа OG и концентрированного метансодержащего газа PG во взрывоопасном интервале.
Более конкретно, как показано на фиг.5, от начала стадии десорбции газообразного метана до завершения стадии десорбции газообразного метана концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG увеличивается с течением времени. Таким же образом давление внутри адсорбционной колонны 2 с течением времени постепенно уменьшается от атмосферного давления до почти полного вакуума, и концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается, как показано на фиг.6. Другими словами, очевидно, что когда давление уменьшается на стадии десорбции газообразного метана, то по прохождении определенного времени давление внутри адсорбционной колонны 2 приближается к вакууму, и концентрация метана в отобранном концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается. В соответствии с этим создается состояние, при котором концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG чрезвычайно высока, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале. Концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается низкой, как это описано выше, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Регулировочный клапан 41 выпускной линии затем открывается, воздух подается через выпускную линию 31 в адсорбционную колонну 2 (этап 9), и регулировочный клапан 41 выпускной линии затем закрывается (этап 10).
Давление внутри адсорбционной колонны 2 тем самым увеличивается до величины вблизи атмосферного давления, и может быть облегчена адсорбция газообразного метана на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана.
В варианте осуществления, описанном выше, газообразный метан может быть эффективным образом адсорбирован из газа угольных шахт G адсорбентом 3а метана при атмосферном давлении, концентрированный метансодержащий газ PG в качестве газообразного продукта может быть безопасным образом очищен до высокой концентрации, и может быть предотвращено нахождение концентрации отходящего газа OG во взрывоопасном интервале.
Далее будет описан конкретный пример, в котором устройство 100 по данному изобретению функционировало фактическим образом, чтобы получить концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG.
[Пример 1]
2
2
Цилиндрический резервуар объемом 0,333 л использовали в качестве адсорбционной колонны 2, данная адсорбционная колонна 2 была заполнена 206,7 г адсорбента 3а метана. Как показано в Таблице 1 и 7, в качестве адсорбента 3а метана был использован активированный уголь, обладающий следующими свойствами: средним диаметром микропор 8,5 Å, при его измерении способом молекулярных проб (МР), объемной долей микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), 83% по отношению к общему объему микропор (доля адсорбции азота при относительном давлении 0,013 была той же самой), удельной поверхностью 1025 м/г, общим объемом микропор 0,45 мл/г и величиной адсорбции метана 27 н.см/г при атмосферном давлении и 298 К.
Затем выполняли вакуумную сушку при предварительном удалении воздуха и заполняли адсорбционную колонну 2, из которой были удалены примеси, воздухом до атмосферного давления. При этом в адсорбционной колонне 2 присутствовало 1,87 л воздуха (0,39 л кислорода и 1,48 л азота).
Затем в адсорбционную колонну 2 подавали газообразную смесь из 21,05% метана и 78,95% воздуха в качестве искусственного газа угольных шахт G при атмосферном давлении вентилятором 4а. Скорость подачи при этом составляла 2 л/мин. Давление внутри адсорбционной колонны 2 при этом составляло 3,6 кПа.
Как показано на фиг.4, подача газа угольных шахт G осуществлялась в течение примерно 190 секунд, пока адсорбент 3а метана не достигал предела адсорбции (точки проскакивания) и концентрация метана в отходящем газе OG не достигала 5 об.%.
Наряду с подачей газа угольных шахт G осуществляли выпуск отходящего газа OG в количестве 5,48 л (0,01 л газообразного метана, 5,47 л кислорода и азота суммарно).
Давление внутри адсорбционной колонны 2 уменьшали до -97 кПа вакуумным насосом 5а и получали 2,37 л концентрированного метансодержащего газа PG (1,08 л газообразного метана (средняя концентрация метана 45,6 об.%), 0,25 л кислорода (средняя концентрация кислорода 10,4 об.%), 1,04 л азота).
В результате, как показано на фиг.4, очевидно, что концентрация метана в отходящем газе OG поддерживалась чрезвычайно низкой до тех пор, пока адсорбент 3а метана не достигал предела адсорбции (точки проскакивания), и предотвращалось нахождение концентрации отходящего газа OG во взрывоопасном интервале. Хотя концентрация газообразного кислорода, включенного в концентрированный метансодержащий газ PG, в среднем составляла 10,4 об.%, что соответствовало границе взрывоопасного интервала концентрации, концентрация метана в среднем составляла 45,6 об.%, что являлось высокой концентрацией, и предотвращалось нахождение концентрации во взрывоопасном интервале. Причина для этого заключалась в том, что высококонцентрированный метансодержащий газ получали посредством уменьшения давления в адсорбционной колонне 2 до состояния вакуума, как показано на фиг.6. Как показано на фиг.5, концентрация метана с течением времени составляла 20 об.% или более, и предотвращалось нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
[Сравнительный пример 1]
3
Выполняли расчеты при моделировании адсорбции, в котором адсорбционную колонну 2 заполняли в качестве адсорбента кислорода углеродными молекулярными ситами, кислород адсорбировали из газа угольных шахт и концентрировали газообразный метан. Газ (газообразный метан (21 об.%), кислород (17 об.%), азот (62 об.%)), соответствующий газу угольных шахт, подавался в адсорбционную колонну 2 при скорости подачи 4000 м/ч. Давление в адсорбционной колонне 2 во время подачи составляло 0,6 МПа, и температура составляла 30°С. Этот Сравнительный пример 1 представлял собой моделирование технологии в соответствии с Патентным документом 1, описанным выше.
Отходящий газ, содержащий газообразный метан (средняя концентрация метана 18,8 об.%), кислород (средняя концентрация кислорода 25,6 об.%) и азот, выпускали из адсорбционной колонны 2.
Концентрированный метансодержаший газ, содержащий газообразный метан (концентрация метана 23 об.%), кислород (концентрация кислорода 8,4 об.%) и азот, выпускали в качестве концентрированного газа из адсорбционной колонны 2.
Изучение потенциальной возможности взрыва, обусловленной концентрацией газообразного метана, и уменьшения концентрации кислорода на основании этих результатов показало следующее. Хотя концентрация кислорода в концентрированном метансодержащем газе была уменьшена до 10 об.% или менее и предотвращалось нахождение концентрации во взрывоопасном интервале, имела место чрезвычайно малая концентрация газообразного метана. Средняя концентрация кислорода в отходящем газе увеличивалась и приближалась нежелательным образом к концентрации, находящейся во взрывоопасном интервале. Имелся также риск того, что средняя концентрация метана в отходящем газе со временем станет находиться во взрывоопасном интервале.
Следовательно, поскольку в устройстве 100 по данному изобретению в соответствии с Примером 1, как описано выше, было предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале, как в Сравнительном примере 1, то газообразный метан мог быть концентрирован безопасным образом.
Таблицы 1 и 2 показывают соотношение между физическими свойствами активированного угля и адсорбцией метана, когда активированный уголь используется в качестве предпочтительного адсорбента 3а метана.
[Примеры с 1 по 7]
Таблицы 1 и 2 представляют концентрацию кислорода в газообразном метане PG и концентрацию метана в концентрированном в высокой степени метансодержащем газе PG, полученном в качестве газообразного продукта устройством 100 по данному изобретению, когда активированный уголь Примера 1 был использован в качестве адсорбента 3а метана, а также когда был использован активированный уголь, описанный в Примерах с 2 по 7. Все эти активированные угли представляли собой активированный уголь, обладающий чрезвычайно высокой способностью к адсорбции газообразного метана, в котором средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), составлял от 4,5 до 15 Å, адсорбция газообразного метана при атмосферном давлении (0,1 МПа) и 298 К составляла 20 норм. куб. см/г или более, и объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составляла 50 об.% или более от общего объема микропор.
Когда использовали активированный уголь Примеров с 1 по 7, концентрация метана в концентрированном в высокой степени метансодержащем газе PG, являющемся газообразным продуктом, составляла самое малое 37,5 об.% и концентрация кислорода в газообразном метане PG составляла самое большое 11,8 об.%. Соответственно, очевидно, что всегда предотвращалось нахождение концентрации газообразного продукта в пределах взрывоопасного
интервала.
[Таблица 1]
Активированный
Удельная
Объем
Средний
Адсорбция
уголь
поверхность (м<sup>2</sup>/г)
микропор (мл/г)
диаметр микропор при
метана при 0,1
измерении
МПа и 298
способом МР
К
(Å)
(нсм<sup>3</sup>/г)
Пример 1
1025
0,45
8,5
27
Пример 2
781
0,35
7,4
28
Пример 3
805
0,4
8,5
27
Пример 4
811
0,41
8,6
27
Пример 5
798
0,4
8,2
30
Пример 6
1427
0,7
9,1
29
Пример 7
1188
0,64
7,2
27
Сравнительный
1555
1,05
12,7
13
пример 2
Сравнительный
4,0
0,3
пример 3
[Таблица 2]
Активированныйуголь
Объемнаядолямикропор10 Å илименее приизмеренииспособомнк(%)
Количествообработанногогаза допроскакивания5 об.%газообразногометана(норм. л)
Концентрацияметана вгазообразномпродукте(об.%)
Концентрациякислородав газообразномпродукте(об.%)
Пример 1
83
6,2
45,6
10,4
Пример 2
85
6,3
41,7
11,2
Пример 3
85
6,1
43,1
10,6
Пример 4
83
6,4
43,1
10,5
Пример 5
85
5,9
39,0
11,6
Пример 6
73
5,5
37,5
11,8
Пример 7
69
4,7
40,2
11/4
Сравнительный
39
2,4
32,2
13,2
пример 2
Сравнительный
98
0,9
8,5
31,2
пример 3
[Сравнительный пример 2]
3
В качестве Сравнительного примера 2 Таблицы 1 и 2 представляют концентрацию кислорода в газообразном метане PG и концентрацию метана в концентрированном в высокой степени метансодержащем газе PG, полученном в качестве газообразного продукта устройством 100 по данному изобретению, в случае когда использовали активированный уголь, в котором средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), составлял от 4,5 до 15 Å, адсорбция газообразного метана при атмосферном давлении (0,1 МПа) и 298 К составляла менее 20 н. см/г и объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составлял менее 50 об.% от общего объема микропор.
При использовании активированного угля, описанного в Сравнительном примере 2, концентрация метана в метансодержащем газе PG в качестве газообразного продукта составляла 32,2 об.% и находилась вне пределов взрывоопасного интервала, однако концентрация кислорода составляла 13,2 об.%, что находится во взрывоопасном интервале, в котором возможен взрыв, в противоположность Примерам с 1 по 7, описанным выше.
[Сравнительный пример 3]
2
В качестве Сравнительного примера 3 Таблицы 1 и 2 представляют концентрацию кислорода в газообразном метане PG и концентрацию метана в концентрированном в высокой степени метансодержащем газе PG, полученном в качестве газообразного продукта устройством 100 по данному изобретению, в случае когда использовали активированный уголь, в котором средний диаметр микропор, при его измерении способом молекулярных проб (МР), находился вне интервала от 4,5 до 15 Å, адсорбция газообразного метана при атмосферном давлении (0,1 МПа) и 298 К составляла менее 20 н.см/г, и объем микропор, имеющих средний диаметр 10 Å или менее, при измерении способом Хорвата-Кавазое (НК), составляла 50 об.% или более от общего объема микропор.
При использовании активированного угля, описанного в Сравнительном примере 3, поскольку концентрация метана в газообразном метане PG в качестве газообразного продукта составляла 8,5 об.% и концентрация кислорода составляла 31,2 об.%, обе концентрации находились во взрывоопасном интервале, и потенциальная возможность взрыва была чрезвычайно высокой по сравнению с Примерами с 1 по 7.
Соответственно, в устройстве 100 по данному изобретению, в котором в качестве адсорбента 3а метана был использован активированный уголь, описанный в Примерах с 1 по 7, обеспечивалась возможность концентрирования метансодержащего газа безопасным образом, как это описано выше, поскольку предотвращалось нахождение концентрации во взрывоопасном интервале, как это имеет место в Сравнительных примерах 2 и 3.
Соотношение между концентрацией кислорода и концентрацией метана в полученном газообразном продукте, когда изменялась концентрация метана в неочищенном газе G, описано ниже.
Концентрацию газа угольных шахт G изменяли и получали концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG (газообразный продукт) посредством устройства 100 по данному изобретению при использовании такого же активированного угля, как в Примере 1. Более конкретно, концентрация газообразного метана в неочищенном газе G, описанном выше, составляла примерно 21 об.%, однако эта концентрация метана устанавливалась при 30 об.% и 40 об.%.
В результате, когда подавали газ угольных шахт G, имеющий концентрацию метана 30 об.%, концентрация метана в газообразном продукте составляла 57 об.% и концентрация кислорода составляла 8 об.% при единственном операционном цикле адсорбция/десорбция. Когда подавали газ угольных шахт G, имеющий концентрацию метана 40 об.%, концентрация метана в газообразном продукте составляла 68 об.% и концентрация кислорода составляла 6 об.%.
Соответственно, было подтверждено, что даже когда концентрация метана в подаваемом газе угольных шахт G изменяется, то не только концентрация метана в газообразном продукте находится вне взрывоопасного интервала, но также и концентрация кислорода составляет 10 об.% или менее и находится вне взрывоопасного интервала, и метансодержащий газ может быть безопасным образом сконцентрирован в устройстве 100 по данному изобретению при использовании активированного угля Примера 1.
Как представлено в Таблице 2, поскольку количество газа угольных шахт G, обработанного перед достижением концентрации метана 5 об.%, было выше для активированного угля Примеров с 1 по 7, чем для активированного угля Сравнительных примеров 2 и 3, то очевидно, что обеспечивалась высокая эффективность адсорбции газообразного метана и выполнялась чрезвычайно эффективная обработка, когда использовался активированный уголь, чтобы концентрировать метансодержащий газ посредством устройства 100 по данному изобретению.
[Вариант осуществления 2]
В варианте осуществления 1, описанном выше, устройство 100 по данному изобретению было скомпоновано таким образом, чтобы последовательно выполнять стадию адсорбции горючего газа и стадию десорбции горючего газа, однако устройство может быть также скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию продувки или т.п. после завершения стадии адсорбции горючего газа и перед стадией десорбции горючего газа, как описано далее в этом документе.
В случае когда выполняется стадия продувки или т.п., устройство 200 по данному изобретению может быть скомпоновано, как описано ниже, дополнительно к структуре устройства 100 по данному изобретению. Конструкции, примеры и т.п., которые аналогичны варианту осуществления 1, не будут описаны.
Более конкретно, в дополнение к структуре устройства 100 по данному изобретению устройство 200 по данному изобретению, представленное на фиг.7, содержит продувочную линию 33, через которую концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG протекает на стадии продувки, описанной далее в этом документе, в адсорбционную колонну 2 из накопительного резервуара 8, в котором хранится концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG.
Также между выпускной линией 31 и подающей линией 30 предусмотрена линия 34 возврата продувочного газа для рециркуляции в подающую линию 30 отходящего газа OG из адсорбционной колонны 2 и концентрированного метансодержащего газа PG, выпускаемого через выпускную линию 31 из адсорбционной колонны 2 на стадии продувки, описанной далее в этом документе.
На продувочной линии 33 установлен регулировочный клапан 43 продувочной линии, который предоставляет возможность регулирования протекания концентрированного метансодержащего газа PG, и поток концентрированного метансодержащего газа PG может регулироваться средством управления 6, описанным далее в этом документе.
На линии 34 возврата продувочного газа установлен регулировочный клапан 44 линии возврата, продувочного газа, и рециркуляция отходящего газа OG и концентрированного метансодержащего газа PG может регулироваться средством управления 6, описанным далее в этом документе.
Функционирование устройства 200 по данному изобретению, посредством которого концентрируется метансодержащий газ, будет далее описано более конкретно при ссылках на фиг.8. В целом, устройство 200 по данному изобретению последовательно выполняет А: стадию адсорбции газообразного метана, В: стадию продувки, С: стадию рециркуляции и D: стадию десорбции газообразного метана.
Прежде всего, регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии открываются (этап 1) из состояния, в котором регулировочный клапан 40 подающей линии, регулировочный клапан 41 выпускной линии, регулировочный клапан 42 линии для сбора, регулировочный клапан 43 продувочной линии и регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа закрыты.
Газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2 вентилятором 4а, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2, выпускается из адсорбционной колонны 2 через выпускную линию 31 (этап 2). Эти этапы 1 и 2 составляют стадию адсорбции газообразного метана.
Газ угольных шахт G таким образом подается в адсорбционную колонну 2 при атмосферном давлении, и возможно предотвращение утечки ценного газообразного метана в отходящий газ OG при одновременном обеспечении селективной адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана. Более конкретно, как показано на фиг.4, до прохождения заданного промежутка времени газообразный метан почти полностью адсорбируется, и отсутствует его вытекание из адсорбционной колонны Т2, при этом концентрация метана в отходящем газе OG чрезвычайно низкая. Поэтому концентрация находится вне взрывоопасного интервала.
Узел 7а определения концентрации метана в это время определяет, равна ли или выше концентрация газообразного метана в отходящем газе OG, выпускаемом в выпускную линию 31, заданной концентрации (этап 3). Если определенная концентрация метана не равна или не выше заданной концентрации, то процесс возвращается к этапу 2, и подача газа угольных шахт G продолжается. Если определенная концентрация метана равна или выше заданной концентрации, то подача газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2 прекращается (этап 4).
Посредством этого может быть определено время завершения адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана, и может быть максимально предотвращен выпуск газа угольных шахт G, который включает газообразный метан из адсорбционной колонны 2, и, соответственно, может быть сделан переход к выполняемым затем стадии продувки, стадии рециркуляции и стадии десорбции газообразного метана.
Более конкретно, как показано на фиг.4, с течением времени, наряду с тем, что выполняется стадия адсорбции газообразного метана, концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается чрезвычайно низкой до прохождения заданного промежутка времени, однако, когда адсорбент 3а метана достигает предела адсорбции метана (точки проскакивания), концентрация метана резко увеличивается. Это явление может быть использовано для определения момента времени, когда адсорбент 3а метана внутри адсорбционной колонны 2 достиг предела адсорбции.
Затем после остановки подачи газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2 регулировочный клапан 43 продувочной линии открывается, а регулировочный клапан 40 подающей линии закрывается (этап 5), и концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG, для которого выполнено концентрирование, протекает из накопительного резервуара 8 в адсорбционную колонну 2 через продувочную линию 33 (этап 6). Эти этапы 5 и 6 составляют стадию продувки.
Газ (отходящий газ OG, содержащий главным образом газообразный азот и газообразный кислород) внутри адсорбционной колонны 2, в котором практически отсутствует газообразный метан, посредством этого выводится в выпускную линию 31, концентрация метана в адсорбционной колонне 2 увеличивается, и может быть предотвращено уменьшение концентрации отобранного затем концентрированного метансодержащего газа PG. Более конкретно, очистка концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG делается возможной посредством выведения газообразного азота, газообразного кислорода и т.п., присутствующих в адсорбционной колонне 2, и, в частности, газов, оставшихся в зазорах адсорбента 3а метана.
После того как почти весь отходящий газ OG выведен, концентрированный метансодержащий газ PG, который подается в адсорбционную колонну 2, выпускается в выпускную линию 31, и узел 7а определения концентрации метана определяет, увеличилась ли концентрация метана в выпускной линии 31 до заданной концентрации или выше (этап 7). Если концентрация, равная или выше заданной концентрации, не достигнута, то процесс возвращается к этапу 6, и подача потока концентрированного метансодержащего газа PG в адсорбционную колонну 2 продолжается. Если концентрация метана в выпускной линии 31 равна или выше заданной концентрации, то регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа открываются, а регулировочный клапан 43 продувочной линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии закрываются (этап 8). Этот этап 8 представляет собой стадию рециркуляции.
Посредством этого предотвращается выпуск концентрированного метансодержащего газа PG из адсорбционной колонны 2 через выпускную линию 31, концентрированный метансодержащий газ PG может быть направлен для подачи снова в адсорбционную колонну 2 через подающую линию 30, и концентрированный метансодержащий газ PG может быть использован эффективным образом.
Регулировочный клапан 42 линии для сбора затем открывается, а регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа закрываются (этап 9). Давление внутри адсорбционной колонны 2 затем уменьшается ниже атмосферного давления вакуумным насосом 5а, и инициируется сбор концентрированного метансодержащего газа PG через линию 32 (для сбора этап 10), наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и метансодержащий газ сохраняется в накопительном резервуаре 8. Когда давление внутри адсорбционной колонны 2 уменьшается до заданной величины, сбор концентрированного метансодержащего газа PG прекращается (этап 11) и регулировочный клапан 42 линии для сбора закрывается 2 (этап 12). Эти этапы с 9 по 12 составляют стадию десорбции газообразного метана.
Газообразный метан, таким образом, адсорбируется адсорбентом 3а метана, и возможно концентрирование газообразного метана до высокой концентрации, наряду с уменьшением концентрации метана в отходящем газе OG, и предотвращение нахождения концентрации отходящего газа OG и концентрированного метансодержащего газа PG во взрывоопасном интервале.
Более конкретно, как показано на Фиг.5, от начала стадии десорбции газообразного метана до завершения стадии десорбции газообразного метана концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG увеличивается с течением времени. Таким же образом, давление внутри адсорбционной колонны 2 с течением времени постепенно уменьшается от атмосферного давления до почти полного вакуума, и концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается, как показано на Фиг.6. Другими словами, очевидно, что когда давление уменьшается на стадии десорбции газообразного метана, то по прохождении определенного времени давление внутри адсорбционной колонны 2 приближается к вакууму и концентрация метана в отобранном концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается. В соответствии с этим создается состояние, при котором концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG чрезвычайно высока, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале. Концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается низкой, как это описано выше, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Кроме того, посредством выполнения стадии продувки или стадии рециркуляции в соответствии с данным Вариантом осуществления 2 при тех же условиях, что и в вышеуказанном примере, метансодержащий газ PG в качестве газообразного продукта может быть концентрирован до высокой концентрации, так что средняя концентрация метана составляет примерно от 50 до 99 об.% и средняя концентрация кислорода составляет примерно от 0,2 до 10 об.%, в соответствии с количеством продувочного газа, и всегда может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Концентрацию метана в продувочном газе и количество продувочного газа изменяли при подаче в адсорбционную колонну 2 через продувочную линию 33 при использовании концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG из накопительного резервуара 8 в качестве продувочного газа на стадии продувки после завершения стадии адсорбции газообразного метана. Газообразный метан, адсорбированный в адсорбционной колонне 2, в этом случае десорбировали из адсорбента 3а метана посредством уменьшения давления внутри адсорбционной колонны 2 и измеряли концентрацию метана в концентрированном метансодержащем газе PG, отводимого в качестве газообразного продукта в накопительный резервуар 8 через линию 32 для сбора. Полученные результаты представлены на фиг.9. Фиг.9 представляет собой график, показывающий зависимость между количеством продувочного газа и концентрацией метана в концентрированном в высокой степени метансодержащем газе PG, являющемся газообразным продуктом, когда концентрация метана в продувочном газе составляла 50, 60 и 70 об.%.
Соответственно, очевидно, что концентрация метана в газообразном продукте посредством выполнения стадии продувки дополнительно повышается по сравнению с концентрацией метана (45,6 об.% самое большее) в газообразном продукте, приведенной в Таблице 2 для Варианта осуществления 1. Кроме того, продемонстрировано, что концентрация метана в газообразном продукте также увеличивается и что возможно увеличение концентрации до более высокого уровня посредством использования продувочного газа, имеющего более высокую концентрацию метана. При этом создается состояние, при котором концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG (газообразном продукте) чрезвычайно высока, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Регулировочный клапан 41 выпускной линии затем открывается, воздух подается в адсорбционную колонну 2 через выпускную линию 31 (этап 13), и регулировочный клапан 41 выпускной линии затем закрывается (этап 14).
Давление внутри адсорбционной колонны 2 тем самым увеличивается до величины вблизи атмосферного давления, и газообразный метан может быть легко адсорбирован на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана.
В вариантах осуществления, описанных выше, газообразный метан может быть эффективным образом адсорбирован из газа угольных шахт G адсорбентом 3а метана при атмосферном давлении, концентрированный метансодержащий газ PG в качестве газообразного продукта может быть безопасным образом очищен до более высокой концентрации, и может быть предотвращено нахождение концентрации отходящего газа OG во взрывоопасном интервале.
[Вариант осуществления 3]
В Варианте осуществления 2, описанном выше, устройство 200 по данному изобретению было скомпоновано при использовании единственной адсорбционной колонны 2, однако устройство 300 по данному изобретению может быть скомпоновано при использовании нескольких адсорбционных колонн 2, как описано далее в этом документе.
Устройство 300 по данному изобретению в соответствии с Вариантом осуществления 3 скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию выравнивания давления среди нескольких адсорбционных колонн 2, в дополнение к обладанию конфигурацией устройства по данному изобретению 200 в соответствии с Вариантом осуществления 2.
В случае когда стадия выравнивания давления выполняется аналогичным образом среди нескольких адсорбционных колонн 2, устройство 300 по данному изобретению может быть скомпоновано, как описано ниже, дополнительно к обладанию конфигурацией устройства 200 по данному изобретению. Конструкции, примеры и т.п., которые аналогичны Варианту осуществления 2, не будут описаны.
Устройство 300 по данному изобретению, представленное на фиг.10, скомпоновано таким образом, что содержит комбинацию нескольких адсорбционных колонн 2 в дополнение к конфигурации устройства 200 по данному изобретению. Для того чтобы упростить описание, будет описан случай, в котором используются три адсорбционные колонны 2, и на эти адсорбционные колонны 2 будут даваться ссылки как на адсорбционные колонны 2а, 2b, 2с.
Как показано на фиг.10, между каждой из трех колонн, которые включают адсорбционную колонну 2а, адсорбционную колонну 2b и адсорбционную колонну 2с, предусмотрена межсоединительная линия 35; и регулировочный клапан 45 межсоединительной линии установлен на каждой из межсоединительных линий 35, соединяющих адсорбционные колонны.
Функционирование данного устройства 300, посредством которого концентрируется метансодержащий газ, будет далее описано более конкретно при использовании фиг. с 11 по 12.
В целом, все адсорбционные колонны 2а, 2b, 2с выполняют стадии параллельно в виде последовательности от стадии А до стадии F, как показано в Таблице 3 ниже. Более конкретно, в устройстве 300 по данному изобретению адсорбционная колонна 2а функционирует в последовательности А: стадия адсорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия продувки (включая стадию рециркуляции), D: перерыв, Е: стадия десорбции газообразного метана, F: стадия выравнивания давления, адсорбционная колонна 2b соответственно функционирует в последовательности А: стадия продувки (включая стадию рециркуляции). В: перерыв. С: стадия десорбции газообразного метана, D: стадия выравнивания давления, Е: стадия адсорбции газообразного метана, F: стадия выравнивания давления; и адсорбционная колонна 2с функционирует в последовательности А: стадия десорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия адсорбции газообразного метана, D: стадия выравнивания давления, Е: стадия продувки (включая стадию рециркуляции), F: перерыв.
В Таблице 3 стадия рециркуляции включена в стадию продувки, и отсутствует позиция для стадии рециркуляции.
[Таблица 3]
А
В
С
Адсорбционная колонна 2а
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия продувки
Адсорбционная колонна 2b
стадия продувки
перерыв
стадия десорбции газообразного метана
Адсорбционная колонна 2с
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия адсорбции газообразного метана
D
Е
F
Адсорбционная колонна 2а
перерыв
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
Адсорбционная колонна 2b
стадия выравнивания давления
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
Адсорбционная колонна 2с
стадия выравнивания давления
стадия продувки
перерыв
Вначале будет описана адсорбционная колонна 2а с привлечением фиг.11 и 12 и в предположении выполнения операций, представленных в Таблице 3. Прежде всего регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии открываются (этап 1) из состояния, в котором регулировочный клапан 40 подающей линии, регулировочный клапан 41 выпускной линии, регулировочный клапан 42 линии для сбора, регулировочный клапан 43 продувочной линии, регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа и регулировочный клапан 45 на межсоединительной линии адсорбционной колонны 2а предварительно закрыты.
Газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2а вентилятором 4а, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2а, выпускается за пределы адсорбционных колонн 2 через выпускную линию 31 (этап 2). Эти этапы 1 и 2 составляют стадию адсорбции газообразного метана.
Газ угольных шахт G таким образом подается в адсорбционную колонну 2а при атмосферном давлении, и возможно предотвращение утечки ценного газообразного метана в отходящий газ OG при одновременном обеспечении селективной адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана. Более конкретно, как показано на фиг.4, до прохождения заданного промежутка времени газообразный метан почти полностью адсорбируется, и отсутствует его вытекание за пределы адсорбционных колонн 2, при этом концентрация метана в отходящем газе OG чрезвычайно низкая. Поэтому концентрация находится вне взрывоопасного интервала.
Узел 7а определения концентрации метана в это время определяет, равна ли или выше концентрация метана в отходящем газе OG, выпускаемом в выпускную линию 31, заданной концентрации (этап 3). Если определенная концентрация метана не равна или не выше заданной концентрации, то процесс возвращается к этапу 2, и подача газа угольных шахт G продолжается. Если определенная концентрация метана равна или выше заданной концентрации, то подача газа угольных шахт G в адсорбционную колонну 2а прекращается (этап 4).
Посредством этого может быть определено время завершения адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана, и может быть максимально предотвращен выпуск газа угольных шахт G, который включает газообразный метан из адсорбционной колонны 2а, и, соответственно, может быть сделан переход к выполняемым затем стадии продувки, стадии рециркуляции, стадии десорбции газообразного метана и стадии выравнивания давления.
Более конкретно, как показано на фиг.4, с течением времени, наряду с тем, что выполняется стадия адсорбции газообразного метана, концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается чрезвычайно низкой до прохождения заданного промежутка времени, однако, когда адсорбент 3а метана достигает предела адсорбции метана (точки проскакивания), концентрация метана резко увеличивается. Это явление может быть использовано для определения момента времени, когда адсорбент 3а метана внутри адсорбционной колонны 2а достиг предела адсорбции.
Регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 41 выпускной линии затем закрываются, и регулировочный клапан 45 на межсоединительной линии между адсорбционной колонной 2а и адсорбционной колонной 2с открывается (этап 5). Этот этап 5 представляет собой стадию выравнивания давления.
Адсорбционная колонна 2а, в которой завершена стадия адсорбции газообразного метана, и давление находится вблизи атмосферного давления, и адсорбционная колонна 2с, в которой завершена стадия десорбции газообразного метана, и давление находится вблизи состояния вакуума, тем самым соединяются, газ внутри адсорбционной колонны 2а поступает в адсорбционную колонну 2с, давление внутри адсорбционной колонны 2с увеличивается, и могут быть созданы условия, при которых газообразный метан может быть соответственно адсорбирован на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана. На протяжении стадии выравнивания давления давление в адсорбционной колонне 2а уменьшается, и более разбавленный метансодержащий газ, который находится в состоянии высокого давления, поступает в адсорбционную колонну 2с, посредством чего концентрация метана в газообразном продукте, полученном из адсорбционной колонны 2а, увеличивается.
Регулировочный клапан 41 выпускной линии и регулировочный клапан 43 продувочной линии открываются, регулировочный клапан 45 на межсоединительной линии между адсорбционными колоннами закрывается (этап 6), и концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG, для которого выполнено концентрирование, протекает из накопительного резервуара 8 в адсорбционную колонну 2а через продувочную линию 33 (этап 7). Эти этапы 6 и 7 составляют стадию продувки.
Газ (отходящий газ OG, содержащий главным образом газообразный азот и газообразный кислород) внутри адсорбционной колонны 2а, в котором практически отсутствует газообразный метан, посредством этого выводится в выпускную линию 31, концентрация метана в адсорбционной колонне 2а увеличивается, и может быть предотвращено уменьшение концентрации отобранного затем концентрированного метансодержащего газа PG. Более конкретно, очистка концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG делается возможной посредством выведения газообразного азота, газообразного кислорода и т.п., присутствующих в адсорбционной колонне 2а, и, в частности, газов, оставшихся в зазорах адсорбента 3а метана.
После того как почти весь отходящий газ OG выведен, концентрированный метансодержащий газ PG, который подается в адсорбционную колонну 2а, выпускается в выпускную линию 31, и выполняется определение того, увеличилась ли концентрация метана в выпускной линии 31 до заданной концентрации или выше (этап 8). Если концентрация не равна или не выше заданной концентрации, то процесс возвращается к этапу 7 и подача потока концентрированного метансодержащего газа PG в адсорбционную колонну 2а продолжается. Если концентрация метана в выпускной линии 31 равна или выше заданной концентрации, то регулировочный клапан 40 подающей линии и регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа открываются, а регулировочный клапан 41 выпускной линии закрывается, и извлеченный высококонцентрированный газообразный метан PG и газ угольных шахт G смешиваются и подаются в адсорбционную колонну 2с, в которой выполняется стадия адсорбции газообразного метана (этап 9). Этот этап 9 представляет собой стадию рециркуляции. Может также быть использована конфигурация, в которой регулировочный клапан 41 выпускной линии не открывается, и после старта процесса высококонцентрированный метансодержащий газ PG, возвращаемый по линии 34 возврата продувочного газа, и газ угольных шахт G смешиваются и подаются в адсорбционную колонну 2с, в которой выполняется стадия адсорбции газообразного метана.
Посредством этого предотвращается выпуск концентрированного метансодержащего газа PG из адсорбционной колонны 2а через выпускную линию 31, концентрированный метансодержащий газ PG может быть направлен для подачи в адсорбционную колонну 2с через подающую линию 30, и концентрированный метансодержащий газ PG может быть использован эффективным образом.
Процесс возобновляется на стадии десорбции газообразного метана (этап 10) после перерыва. В это время выполняется стадия выравнивания давления между адсорбционной колонной 2b и адсорбционной колонной 2с.
Регулировочный клапан 42 линии для сбора затем открывается, а регулировочный клапан 40 подающей линии, регулировочный клапан 43 продувочной линии и регулировочный клапан 44 линии возврата продувочного газа закрываются (этап 11). Давление внутри адсорбционной колонны 2а затем уменьшается ниже атмосферного давления, инициируется сбор концентрированного метансодержащего газа PG через линию 32 для сбора (этап 12), наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и метансодержащий газ сохраняется в накопительном резервуаре 8. Когда давление внутри адсорбционной колонны 2а уменьшается до заданной величины, сбор концентрированного метансодержащего газа PG прекращается (этап 13) и регулировочный клапан 42 линии закрывается 2 (этап 14). Эти этапы с 11 по 14 составляют стадию десорбции газообразного метана.
Газообразный метан, таким образом, адсорбируется адсорбентом 3а метана, и возможно концентрирование газообразного метана до высокой концентрации, наряду с уменьшением концентрации метана в отходящем газе OG, и предотвращение нахождение концентрации отходящего газа OG и концентрированного метансодержащего газа PG во взрывоопасном интервале.
Более конкретно, как показано на фиг.5, от начала стадии десорбции газообразного метана до завершения стадии десорбции газообразного метана концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG увеличивается с течением времени. Таким же образом, давление внутри адсорбционной колонны 2а с течением времени постепенно уменьшается от атмосферного давления до почти полного вакуума, и концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается, как показано на фиг.6. Другими словами, очевидно, что когда давление уменьшается на стадии десорбции газообразного метана, то по прохождении определенного времени давление внутри адсорбционной колонны 2а приближается к вакууму и концентрация метана в отобранном концентрированном метансодержащем газе PG соответственно увеличивается. В соответствии с этим создается состояние, при котором концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG чрезвычайно высока, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале. Концентрация метана в отходящем газе OG поддерживается низкой, как это описано выше, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Кроме того, посредством выполнения стадии продувки или стадии рециркуляции в примере, описанном выше, метансодержащий газ PG в качестве газообразного продукта может быть концентрирован до высокой концентрации, так что средняя концентрация метана составляет примерно от 50 до 99 об.% и средняя концентрация кислорода составляет примерно от 0,2 до 10 об.%, и всегда может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
Регулировочный клапан 45 на межсоединительной линии между адсорбционной колонной 2а и адсорбционной колонной 2b затем открывается (этап 15). Этот этап 15 представляет собой также стадию выравнивания давления. Когда давление между адсорбционной колонной 2а и адсорбционной колонной 2b выравнивается, то регулировочный клапан 45 на межсоединительной линии закрывается (этап 16).
Адсорбционная колонна 2а, в которой завершена стадия десорбции газообразного метана, и давление находится вблизи состояния вакуума, и адсорбционная колонна 2b, в которой завершена стадия адсорбции газообразного метана, и давление находится вблизи атмосферного давления, тем самым соединяются, газ внутри адсорбционной колонны 2b поступает в адсорбционную колонну 2а, давление внутри адсорбционной колонны 2а увеличивается, и могут быть созданы условия, при которых газообразный метан может быть соответственно адсорбирован на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана. На протяжении стадии выравнивания давления давление в адсорбционной колонне 2b уменьшается, и более разбавленный метансодержащий газ, который находится в состоянии высокого давления, поступает в адсорбционную колонну 2а, посредством чего концентрация метана в газообразном продукте, полученном из адсорбционной колонны 2b, увеличивается.
В вариантах осуществления, описанных выше, газообразный метан может быть эффективным образом адсорбирован из газа угольных шахт G адсорбентом 3а метана при атмосферном давлении, концентрированный метансодержащий газ PG в качестве газообразного продукта может быть безопасным образом очищен до более высокой концентрации, и может быть предотвращено нахождение" концентрации отходящего газа OG во взрывоопасном интервале.
Кроме того, в трех адсорбционных колоннах 2 выполняется стадия выравнивания давления, ускоряется адсорбция газообразного метана, концентрирование газообразного метана может выполняться непрерывным образом, и способность к производству концентрированного в высокой степени метансодержащего газа PG улучшается.
[Вариант осуществления 4]
Случай, в котором была использована единственная адсорбционная колонна 2, и случай, в котором было использовано множество (три) колонн, были описаны выше в Вариантах осуществления с 1 по 3, а ниже в этом документе со ссылками на Фиг.13 будет описан случай, в котором в устройстве 400 по данному изобретению используются две адсорбционные колонны 2 (адсорбционная колонна 2d и адсорбционная колонна 2е). В устройстве 400 по данному изобретению для этого случая первая адсорбционная колонна 2d функционирует в последовательности А: стадия адсорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия - десорбции газообразного метана, D: стадия выравнивания давления; и вторая адсорбционная колонна 2е соответственно функционирует в последовательности А: стадия десорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия адсорбции газообразного метана, D: стадия выравнивания давления, как показано в Таблице 4. Концентрирование метансодержащего газа может выполняться непрерывным образом, и возможно выравнивание давления между колоннами и повышение эффективности, когда выполняется стадия адсорбции газообразного метана.
[Таблица 4]
А
В
С
D
Адсорбционная колонна 2d
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
Адсорбционная колонна 2е
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
Более конкретно, если не указано иное, использовались две адсорбционные колонны 2, которые заполнены адсорбентом 3а метана, описанным в Примере 7 выше, при тех же самых условиях, что и в Примере 1 Варианта осуществления 1, при этом для метансодержащего газа выполнялись стадии адсорбции, выравнивания давления, десорбции и выравнивания давления, как показано в Таблице 4, и газообразный метан в газе угольных шахт G концентрировался. Каждая из адсорбционных колонн 2d, 2e представляла собой цилиндрическую адсорбционную колонну 2 объемом 0,333 л, заполненную 206,7 г адсорбента 3а метана.
Более конкретно, в отношении описания главным образом адсорбционной колонны 2d (открытие и закрытие регулировочного клапана 40 подающей линии и других регулировочных клапанов такое же, что и в вариантах осуществления, описанных выше, и поэтому не будет описано), газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2d вентилятором 4а в состоянии, в котором газ предварительно откачен, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2d, выпускается из адсорбционных колонн 2 через выпускную линию 31 (часть стадии адсорбции газообразного метана). Узел 7а определения концентрации метана определяет завершение адсорбции газообразного метана адсорбентом 3а метана, и затем адсорбционная колонна 2d, в которой стадия адсорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи атмосферного давления, и адсорбционная колонна 2e, в которой стадия десорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи состояния вакуума, соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2d поступает в адсорбционную колонну 2е (часть стадии выравнивания давления). Давление внутри адсорбционной колонны 2d тем самым уменьшается, и на выполняемой затем стадии десорбции газообразного метана может быть получен сравнительно высококонцентрированный газообразный продукт (концентрированный метансодержащий газ PG). Давление в адсорбционной колонне 2е также увеличивается, и становится возможным адсорбирование простым образом газообразного метана на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана. Давление внутри адсорбционной колонны 2d затем дополнительно уменьшается, и инициируется сбор концентрированного метансодержащего газа PG через линию для сбора, наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и метансодержащий газ сохраняется в накопительном резервуаре 8 (часть стадии десорбции газообразного метана). Адсорбционная колонна 2d, в которой завершена стадия десорбции газообразного метана и давление находится вблизи состояния вакуума, и адсорбционная колонна 2е, в которой завершена стадия адсорбции газообразного метана и давление находится вблизи атмосферного давления, затем соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2е поступает в адсорбционную колонну 2d (часть стадии выравнивания давления). Давление внутри адсорбционной колонны 2е тем самым уменьшается, и на выполняемой затем стадии десорбции газообразного метана может быть получен сравнительно высококонцентрированный газообразный продукт (концентрированный метансодержащий газ PG). Давление в адсорбционной колонне 2d также увеличивается, и становится возможным адсорбирование простым образом газообразного метана на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана. В данном варианте осуществления стадия увеличения давления воздуха, описанная далее в этом документе, не выполняется.
Концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG, полученного таким образом в адсорбционной колонне 2d, составляла 52,7 об.%, и концентрация кислорода составляла 9 об.%. Соответственно, очевидно, что концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG увеличивается, когда выполняется стадия выравнивания давления, как в данном варианте осуществления, по сравнению с Примером 7 (в котором стадия выравнивания давления не выполнялась), в котором концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG составляла 40,2 об.% и концентрация кислорода составляла 11,4 об.%. Посредством такого выполнения стадии выравнивания давления эффективность концентрирования метансодержащего газа может быть повышена, и может быть предотвращено нахождение концентрации во взрывоопасном интервале.
[Вариант осуществления 5]
В Варианте осуществления 4, описанном выше, устройство 400 по данному изобретению с использованием двух адсорбционных колонн 2 было скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию адсорбции газообразного метана, стадию выравнивания давления, стадию десорбции газообразного метана и стадию выравнивания давления; однако устройство 400 по данному изобретению может быть также скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию увеличения давления воздуха, на которой воздух вблизи атмосферного давления вводится в адсорбционную колонну 2, и в ней увеличивается давление, и которая выполняется перед стадией адсорбции газообразного метана. Это устройство 400 по данному изобретению будет теперь описано со ссылками на фиг.13.
В этом случае первая адсорбционная колонна 2d устройства по данному изобретению 400 функционирует в последовательности А: стадия адсорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия десорбции газообразного метана, D: стадия десорбции газообразного метана, Е: стадия выравнивания давления, F: стадия увеличения давления воздуха; и вторая адсорбционная колонна 2е соответственно функционирует в последовательности А: стадия десорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия увеличения давления воздуха, D: стадия адсорбции газообразного метана, Е: стадия выравнивания давления, F: стадия десорбции газообразного метана, как показано в Таблице 5, и концентрирование газообразного метана может выполняться непрерывным образом. При этом давление обеих колонн может быть выравнено, чтобы увеличить эффективность процесса на стадии адсорбции газообразного метана или стадии десорбции газообразного метана, и давление может быть повышено до величины вблизи атмосферного давления перед стадией адсорбции газообразного метана, чтобы увеличить эффективность при выполнении стадии адсорбции газообразного метана.
[Таблица 5]
А
В
С
Адсорбционная колонна 2d
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия десорбции газообразного метана
Адсорбционная колонна 2е
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия увеличения давления воздуха
D
Е
F
Адсорбционная колонна 2d
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия увеличения давления воздуха
Адсорбционная колонна 2е
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия десорбции газообразного метана
Более конкретно, если не указано иное, использовались две адсорбционные колонны 2 (адсорбционная колонна 2d, адсорбционная колонна 2е), которые заполнены адсорбентом 3а метана, описанным в Примере 7 выше, при тех же самых условиях, что и в Варианте осуществления 4, при этом для метансодержащего газа выполнялись стадии адсорбции, выравнивания давления, десорбции, выравнивания давления и увеличения давления воздуха, как показано в Таблице 5, и газообразный метан в газе угольных шахт G концентрировался. Каждая из адсорбционных колонн 2d, 2е представляла собой цилиндрическую адсорбционную колонну 2 объемом 0,5 л, заполненную 245,5 г адсорбента 3а метана, и газ угольных шахт G подавался в адсорбционные колонны 2 при 2 л/мин.
Более конкретно, в отношении описания главным образом адсорбционной колонны 2d (открытие и закрытие регулировочного клапана 40 подающей линии и других регулировочных клапанов такое же, что и в вариантах осуществления, описанных выше, и поэтому не будет описано), газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2d вентилятором 4а в состоянии, в котором газ предварительно откачен, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2d, выпускается из адсорбционных колонн 2 через выпускную линию 31 (часть стадии адсорбции газообразного метана).
Когда концентрация метана в отходящем газе OG, определенная узлом 7а определения концентрации метана, достигает 3,7 об.%, то это служит указанием, что адсорбция газообразного метана адсорбентом 3а метана завершена, и после этого адсорбционная колонна 2d, в которой стадия адсорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи атмосферного давления, и адсорбционная колонна 2е, в которой стадия десорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи состояния вакуума, соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2d поступает в адсорбционную колонну 2е (часть стадии выравнивания давления). Давление внутри адсорбционной колонны 2d тем самым уменьшается, и на выполняемой затем стадии десорбции газообразного метана может быть получен сравнительно высококонцентрированный газообразный продукт (концентрированный метансодержащий газ PG). Давление в адсорбционной колонне 2е также увеличивается, и становится возможным адсорбирование простым образом газообразного метана на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана.
Давление внутри адсорбционной колонны 2d затем дополнительно уменьшается, инициируется сбор концентрированного метансодержащего газа PG через линию для сбора, наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и метансодержащий газ сохраняется в накопительном резервуаре 8 (часть стадии десорбции газообразного метана). В это время в адсорбционной колонне 2е выполняются стадия увеличения давления воздуха (описанная далее в этом документе) и стадия адсорбции газообразного метана.
Адсорбционная колонна 2d, в которой завершена стадия десорбции газообразного метана и давление находится вблизи состояния вакуума, и адсорбционная колонна 2е, в которой завершена стадия адсорбции газообразного метана и давление находится вблизи атмосферного давления, затем соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2е поступает в адсорбционную колонну 2d (часть стадии выравнивания давления). На этой стадии выравнивания давления величины давления внутри адсорбционной колонны 2d и внутри адсорбционной колонны 2е обычно выравниваются до давления между состоянием вакуума и атмосферным давлением.
В адсорбционной колонне 2d, в которой после стадии выравнивания давления выполняется стадия адсорбции газообразного метана, воздух вблизи атмосферного давления вводится через вводящую линию 50, так что может быть облегчена адсорбция газообразного метана, и давление внутри адсорбционной колонны 2d повышается до величины вблизи атмосферного давления (часть стадии увеличения давления воздуха). Вводящая линия 50 соединяет наружное пространство и адсорбционную колонну 2d (со стороны выпускной линии 31) или наружное пространство и адсорбционную колонну 2е (со стороны выпускной линии 31) через соответствующие регулировочные клапаны 51 вводящей линии, и посредством открытия и закрытия регулировочного клапана 51 вводящей линии воздух при примерно атмосферном давлении может быть подан через вводящую линию 50 из наружного пространства в адсорбционную колонну 2d или адсорбционную колонну 2е. После этой стадии увеличения давления воздуха выполняется стадия адсорбции газообразного метана в адсорбционной колонне 2d. Концентрированный метансодержащий газ PG отбирается таким же образом и в адсорбционной колонне 2е.
Было полностью подтверждено, что концентрированный метансодержащий газ PG, полученный посредством использования адсорбционных колонн 2d, 2е, может производиться непрерывным образом в соответствии с концентрацией метана в подаваемом газе угольных шахт G, как показано на фиг.14. Кроме того, было подтверждено, что посредством контроля концентрации метана в отходящем газе OG в выпускной линии 31 при использовании узла 7а определения концентрации метана таким образом, чтобы получить заданную концентрацию метана (например, примерно 3,7 об.%), концентрация метана в полученном концентрированном метансодержащем газе PG находится в интервале примерно от 45 до 55 об.%, даже когда концентрация метана в газе угольных шахт G варьируется (например, даже когда концентрация метана в газе угольных шахт G находится в интервале от 20 до 30 об.%, что является концентрацией метана вблизи взрывоопасного интервала), как показано на фиг.14. Поэтому концентрации для газа угольных шахт G, отходящего газа OG и концентрированного метансодержащего газа PG находятся вне взрывоопасного интервала, и было подтверждено, что обработка газа угольных шахт G и отходящего газа OG и концентрирование метансодержащего газа PG может выполняться стабильным и безопасным образом.
[Вариант осуществления 6]
В Варианте осуществления 5, описанном выше, устройство 400 по данному изобретению с использованием двух адсорбционных колонн 2 было скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию адсорбции газообразного метана, стадию выравнивания давления, стадию десорбции газообразного метана, стадию выравнивания давления и стадию увеличения давления воздуха, однако устройство 400 по данному изобретению может быть также скомпоновано таким образом, чтобы выполнять стадию увеличения давления воздуха, на которой воздух вблизи атмосферного давления вводится в адсорбционную колонну 2, и давление в ней увеличивается до заданной величины перед выполнением стадии адсорбции газообразного метана, и затем, кроме того, после подачи отобранного высококонцентрированного горючего газа выполнять стадию адсорбции газообразного метана. Это устройство 400 по данному изобретению будет теперь описано со ссылками на фиг.13.
В этом случае первая адсорбционная колонна 2d устройства по данному изобретению 400 функционирует в последовательности А: стадия адсорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия десорбции газообразного метана, D: стадия десорбции газообразного метана, Е: стадия десорбции газообразного метана, F: стадия выравнивания давления, G: стадия увеличения давления воздуха, Н: стадия увеличения давления газообразного продукта; и вторая адсорбционная колонна 2е соответственно функционирует в последовательности А: стадия десорбции газообразного метана, В: стадия выравнивания давления, С: стадия увеличения давления воздуха, D: стадия увеличения давления газообразного продукта, Е: стадия адсорбции газообразного метана, F: стадия выравнивания давления, G: стадия десорбции газообразного метана, Н: стадия десорбции газообразного метана, как показано в Таблице 6; и концентрирование газообразного метана может выполняться непрерывным образом. При этом давление обеих колонн может быть выравнено, чтобы увеличить эффективность процесса на стадии адсорбции газообразного метана или стадии десорбции газообразного метана. Эффективность может быть улучшена, если стадия адсорбции газообразного метана выполняется, в частности, посредством повышения давления до величины вблизи атмосферного давления посредством использования воздуха и высококонцентрированного метансодержащего газа PG (газообразного продукта) перед стадией адсорбции газообразного метана. Поскольку концентрированный в высокой степени метансодержащий газ PG также подается на стадию адсорбции газообразного метана, то эффективность концентрирования может быть улучшена.
[Таблица 6]
А
В
С
Адсорбционная колонна 2d
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия десорбции газообразного метана
Адсорбционная колонна 2е
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
стадия увеличения давления воздуха
D
Е
F
Адсорбционная колонна 2d
стадия десорбции газообразного метана
стадия десорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
Адсорбционная колонна 2е
стадия увеличения давления газообразного продукта
стадия адсорбции газообразного метана
стадия выравнивания давления
G
Н
Адсорбционная колонна 2d
стадия увеличения давления воздуха
стадия увеличения давления газообразного продукта
Адсорбционная колонна 2е
стадия десорбции газообразного метана
стадия десорбции газообразного метана
Более конкретно, если не указано иное, использовались две адсорбционные колонны 2 (адсорбционная колонна 2d, адсорбционная колонна 2е), которые заполнены адсорбентом 3а метана, описанным в Примере 7 выше, при тех же самых условиях, что и в Варианте осуществления 5, при этом для метансодержащего газа выполнялись стадии адсорбции, выравнивания давления, десорбции, выравнивания давления, увеличения давления воздуха и увеличения давления газообразного продукта, как показано в Таблице 6, и газообразный метан в газе угольных шахт G концентрировался. Каждая из адсорбционных колонн 2d, 2e представляла собой цилиндрическую адсорбционную колонну 2 объемом 0,5 л, заполненную 245,5 г адсорбента 3а метана, и газ угольных шахт G подавался в адсорбционные колонны 2 при 2 л/мин.
Более конкретно, в отношении описания главным образом адсорбционной колонны 2d (открытие и закрытие регулировочного клапана 40 подающей линии и других регулировочных клапанов такое же, что и в вариантах осуществления, описанных выше, и поэтому не будет описано), газ угольных шахт G подается через подающую линию 30 в адсорбционную колонну 2d вентилятором 4а в состоянии, в котором газ предварительно откачен, газообразный метан адсорбируется адсорбентом 3а метана, и отходящий газ OG, не адсорбированный адсорбентом 3а метана из газа угольных шахт G, подаваемого в адсорбционную колонну 2d, выпускается из адсорбционных колонн 2 через выпускную линию 31 (часть стадии адсорбции газообразного метана).
Когда концентрация метана в отходящем газе OG, определенная узлом 7а определения концентрации метана, достигает 3,7 об.%, то это служит указанием, что адсорбция газообразного метана адсорбентом 3а метана завершена, и после этого адсорбционная колонна 2d, в которой стадия адсорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи атмосферного давления, и адсорбционная колонна 2e, в которой стадия десорбции газообразного метана завершена и давление находится вблизи состояния вакуума, соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2d поступает в адсорбционную колонну 2е (часть стадии выравнивания давления). Давление внутри адсорбционной колонны 2d тем самым уменьшается, и на выполняемой затем стадии десорбции газообразного метана может быть получен сравнительно высококонцентрированный газообразный продукт (концентрированный метансодержащий газ PG). Давление в адсорбционной колонне 2е также увеличивается, и становится возможным адсорбирование простым образом газообразного метана на выполняемой затем стадии адсорбции газообразного метана.
Давление внутри адсорбционной колонны 2d затем дополнительно уменьшается, инициируется сбор концентрированного метансодержащего газа PG через линию 32 для сбора, наряду с тем, что адсорбированный газообразный метан десорбируется из адсорбента 3а метана, и метансодержащий газ сохраняется в накопительном резервуаре 8 (часть стадии десорбции газообразного метана). В это время в адсорбционной колонне 2е выполняются стадия увеличения давления воздуха, описанная далее в этом документе, стадия увеличения давления газообразного продукта и стадия адсорбции газообразного метана.
Адсорбционная колонна 2d, в которой завершена стадия десорбции газообразного метана и давление находится вблизи состояния вакуума, и адсорбционная колонна 2е, в которой завершена стадия адсорбции газообразного метана и давление находится вблизи атмосферного давления, затем соединяются межсоединительной линией 35 между адсорбционными колоннами, и газ внутри адсорбционной колонны 2е поступает в адсорбционную колонну 2d (часть стадии выравнивания давления). На этой стадии выравнивания давления величины давления внутри адсорбционной колонны 2d и внутри адсорбционной колонны 2е обычно выравниваются до давления между состоянием вакуума и атмосферным давлением.
В адсорбционную колонну 2d, в которой выполняется стадия адсорбции газообразного метана после стадии выравнивания давления, вводится воздух вблизи атмосферного давления из вводящей линии 50, так что может быть облегчена адсорбция газообразного метана и давление внутри адсорбционной колонны 2d повышается до заданной величины (часть стадии увеличения давления воздуха), и через продувочную линию 33 вводится концентрированный метансодержащий газ PG из накопительного резервуара 8, чтобы повысить давление внутри адсорбционной колонны 2d от заданной величины до величины вблизи атмосферного давления (стадия увеличения давления газообразного продукта). Стадия увеличения давления воздуха в данном варианте осуществления выполняется лишь для половины промежутка времени, в течение которого на стадии увеличения давления воздуха Варианта осуществления 5 вводится лишь воздух, чтобы увеличить давление до атмосферного давления сразу, без перерыва, а в оставшееся время стадия увеличения давления газообразного продукта выполняется введением 0,3 л метансодержащего газа PG до достижения атмосферного давления. После стадии увеличения давления воздуха и стадии увеличения давления газообразного продукта в адсорбционной колонне 2d выполняется стадия адсорбции газообразного метана. Концентрированный метансодержащий газ PG отбирается таким же образом и в адсорбционной колонне 2е.
Концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG, полученном таким образом при использовании адсорбционной колонны 2d, составляла 51,5 об.%, и очевидно, что концентрация метана была увеличена по сравнению с концентрацией метана (40,2 об.%) в Примере 7 Варианта осуществления 1.
В Варианте осуществления 6 стадия увеличения давления газообразного продукта выполнялась введением 0,5 л метансодержащего газа PG до достижения атмосферного давления. В результате концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG, полученного при использовании адсорбционной колонны 2d, была увеличена до 53,5 об.%.
Также в Варианте осуществления 6 стадия увеличения давления газообразного продукта выполнялась введением 1,0 л метансодержащего газа PG до достижения атмосферного давления. В результате концентрация метана в концентрированном метансодержащем газе PG, полученного при использовании адсорбционной колонны 2d, была увеличена до 57,0 об.%.
Также было очевидно, что концентрация газообразного продукта находилась вне взрывоопасного интервала концентрации и что высококонцентрированный метансодержащий газ PG получают стабильным и безопасным образом в любом из случаев, описанных выше, посредством повторяющегося выполнения стадии адсорбции газообразного метана, стадии выравнивания давления, стадии десорбции газообразного метана, стадии выравнивания давления, стадии увеличения давления воздуха, стадии увеличения давления газообразного продукта и стадии адсорбции газообразного метана последовательно поочередным образом для двух адсорбционных колонн 2.
Также было подтверждено, что метансодержащий газ может быть сконцентрирован до высокой концентрации метана, как это описано выше, не только когда используются две адсорбционные колонны 2, но также аналогичным образом и когда используются три адсорбционные колонны 2.
[Другие варианты осуществления]
(1) В Вариантах осуществления с 1 по 6, описанных выше, может быть предусмотрен осушитель, для того чтобы удалить влагу из подаваемого газа угольных шахт G и сделать возможным адсорбирование горючего газа надлежащим образом адсорбентом 3. Более конкретно, влага в газе угольных шахт G может быть удалена размещением осушителя на подающей линии 30. Также в адсорбционную колонну 2 может быть помещен адсорбент влаги, способный к селективной адсорбции влаги, и может быть предотвращено снижение эффективности адсорбции горючего газа вследствие присутствия влаги.
(2) Адсорбент 3 помещают в адсорбционную колонну 2 в Вариантах осуществления с 1 по 6, однако адсорбент 3 может быть использован независимым образом, и может быть также использована смесь двух или более его видов.
(3) В Вариантах осуществления с 1 по 6 устройство для концентрирования горючего газа может быть скомпоновано таким образом, что содержит линию повторной подачи 36, соединяющую подающую линию 30 и накопительный резервуар 8, который хранит отобранный горючий газ, и на стадии адсорбции горючего газа средство управления 6 смешивает неочищенный газ G, протекающий через подающую линию 30, и часть высококонцентрированного горючего газа PG, протекающего к подающей линии 30 из накопительного резервуара 8 через линию повторной подачи 36, и подает смешанный газ в адсорбционную колонну 2.
Даже в таких случаях, когда концентрация горючего газа в неочищенном газе G низкая, посредством открытия регулировочного клапана 46 линии повторной подачи, установленного на линии повторной подачи 36, неочищенный газ G в подающей линии 30 перед его подачей в адсорбционную колонну 2 может быть смешан с высококонцентрированным горючим газом, поданным из накопительного резервуара 8 через линию повторной подачи 36 и имеющим концентрацию, увеличенную до определенной степени.
Концентрация концентрированного горючего газа PG, собираемого в накопительном резервуаре 8, может быть тем самым увеличена до еще более высокой степени, и может быть эффективным образом предотвращено нахождение концентрации неочищенного газа G или концентрированного горючего газа PG во взрывоопасном интервале.
(4) В Вариантах осуществления с 1 по 6 газ угольных шахт был использован в качестве неочищенного газа G, и газообразный метан был использован в качестве горючего газа, однако неочищенный газ G не ограничивается особым образом, пока включает воздух и горючий газ, и горючий газ не ограничивается особым образом, пока горючий газ является воспламеняющимся газом. Физические свойства адсорбента 3 могут варьироваться в соответствии с видом горючего газа, и горючий газ может быть селективным образом адсорбирован, когда выбирается адсорбент 3, в котором, например, средний диаметр микропор превышает примерно в 1,2-2 раза средний диаметр молекул горючего газа.
(5) В Вариантах осуществления с 1 по 6 узел 7а определения концентрации метана был использован в качестве узла 7 определения завершения адсорбции, однако вместо него может быть использован узел 7b измерения прошедшего времени.
Более конкретно, узел 7b измерения прошедшего времени способен к заблаговременному измерению времени до точки проскакивания, при которой адсорбент 3, заполняющий адсорбционную колонну 2, достигает предела адсорбции горючего газа (точки проскакивания), и, кроме того, к измерению времени, прошедшего после начала адсорбции горючего газа на стадии адсорбции горючего газа, и передаче сообщения в средство управления 6 о завершении стадии адсорбции горючего газа перед тем, как прошедшее время достигает времени достижения вышеуказанной точки проскакивания. Средство управления 6 может тем самым управлять регулировочным клапаном 40 подающей линии и прекращать подачу неочищенного газа G подающим средством 4.
В этом случае время достижения точки проскакивания и прошедшее время сравниваются узлом 7b измерения прошедшего времени, и если прошедшее время не превышает времени достижения точки проскакивания, то подача неочищенного газа G продолжается. Если прошедшее время то же самое, что и время достижения точки проскакивания или превышает его, подача неочищенного газа G прекращается, и может быть в максимальной степени предотвращен выпуск неочищенного газа G из адсорбционной колонны 2, и может быть надлежащим образом сделан переход к стадии десорбции горючего газа.
(6) В Вариантах осуществления 1, 2, 5 и 6 воздух подавался в адсорбционную колонну 2, в которой была завершена стадия десорбции горючего газа, однако эта конфигурация не является ограничительной, и может быть использован, например, вентиляционный метан (вентиляционный метансодержащий воздух; обычно имеющий концентрацию метана 0,5%), который выпускается в атмосферу вентиляционной системой шахты во время горных работ в угольной шахте. Газообразный метан, включенный в вентиляционный метансодержащий воздух, может быть тем самым извлечен, и данный вентиляционный метан, который обычно выпускался, может быть эффективно выделен.
ПРОМЫШЛЕННАЯ применимость: устройство для концентрирования горючего газа и способ концентрирования горючего газа в соответствии с данным изобретением могут быть эффективно использованы в качестве технологии концентрирования в высокой степени, наряду с предотвращением нахождения концентрации во взрывоопасном интервале при выполнении концентрирования горючего газа.