СИСТЕМА КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЯЮЩЕГОСЯ ГАЗА
INFLAMMABLE GAS CONCENTRATION SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе концентрирования воспламеняющегося газа для генерирования газообразного продукта, в которой воспламеняющийся газ концентрируется из неочищенного газа, содержащего метан или другой воспламеняющийся газ.
Предпосылки создания изобретения
Точно так же, как компоненты воздуха (в первую очередь азот, кислород и углекислый газ) содержатся в дополнение к воспламеняющемуся газу метану, который содержится в каменноугольном рудничном газе, например, получаемом из угольной шахты, воспламеняющиеся газы, которые существуют в природе, часто получаются как неочищенный газ, который содержит компоненты воздуха в дополнение к воспламеняющемуся газу. Для того чтобы эффективно использовать такой неочищенный газ в качестве топлива, компоненты воздуха, включенные в неочищенный газ, должны быть удалены, и воспламеняющийся газ, включенный в неочищенный газ, должен быть концентрирован.
Концентрирующее устройство адсорбционного типа, которое использует адсорбент, состоящий из природного цеолита, для селективного адсорбирования компонентов воздуха по отношению к метану, является известным как концентрирующее устройство для удаления компонентов воздуха из каменноугольного рудничного газа и концентрирования метана (смотри, например, патентный документ 1).
Концентрирующее устройство адсорбционного типа, рассмотренное в патентном документе 1, обеспечено адсорбционной колонной, заполненной адсорбентом для селективного адсорбирования компонентов воздуха, иных, чем воспламеняющийся газ, и сконструировано так, чтобы поочередно осуществлять адсорбционную обработку вводимого каменноугольного рудничного газа или другого неочищенного газа при относительно высоком давлении в адсорбционной колонне и вынуждать селективно адсорбироваться в адсорбенте компоненты воздуха, включенные в каменноугольный рудничный газ, и десорбционную обработку для снижения давления внутри адсорбционной колонны ниже атмосферного давления и отвод концентрированного газа, который включает в себя большое количество воспламеняющегося газа, который не был адсорбирован адсорбентом или был селективно десорбирован из адсорбента.
Патентный документ 1 - выложенная Японская заявка № 58-198591.
Раскрытие сущности изобретения
При обращении с газом обычно должны быть приняты адекватные меры предосторожности, когда концентрация воспламеняющегося газа находится во взрывоопасном интервале концентрации, например от примерно 5% мас. или выше до примерно 15% мас. или ниже.
В случае неочищенного газа, такого как каменноугольный рудничный газ или подобное, который включает воспламеняющийся газ вместе с компонентами воздуха, имеется риск того, что концентрация воспламеняющегося газа находится в или вблизи взрывоопасного интервала концентрации, и очень опасно концентрировать такой неочищенный газ в концентрирующем устройстве для того, чтобы использовать газ.
Имеется также высокая возможность того, что концентрация воспламеняющегося газа приблизится или войдет во взрывоопасный интервал концентрации даже в способе концентрирования неочищенного газа, в котором концентрация воспламеняющегося газа составляет менее примерно 5% мас.
Для газа, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в низком интервале концентрации, например менее 30% мас., риск того, что концентрация воспламеняющегося газа находится в или вблизи взрывоопасного интервала концентрации, является обычно высоким, и предпочтительно газ прямо не используется, не транспортируется и не хранится. Также естественно предпочтительно, что такой газ не используется в концентрирующем устройстве или другом устройстве, использующем газ. В прошлом газ, в котором концентрация воспламеняющегося газа находилась в низком интервале концентрации, выпускался в атмосферу и, таким образом, сбрасывался после того, как концентрация его воспламеняющегося газа снижалась до 1,5% мас. или ниже при использовании, например, вентиляционного устройства или подобного. Когда газ, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в низком интервале концентрации, выпускается в атмосферу, должно быть предусмотрено устройство предотвращения обратного воспламенения или другое оборудование для предотвращения распространения пламени вверх, когда по какой-либо причине имеет место воспламенение/взрыв, и имеются проблемы в том, что воспламеняющийся газ не может использоваться, и стоимость оборудования также увеличивается.
Настоящее изобретение разработано ввиду описанных выше проблем, и целью настоящего изобретения является создание системы концентрирования воспламеняющегося газа, способной безопасно генерировать газообразный продукт, который может эффективно использоваться в качестве топлива, в котором воспламеняющийся газ концентрируется даже из газа, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в низком интервале концентрации, например менее 30% мас.
Система концентрирования воспламеняющегося газа согласно настоящему изобретению для достижения вышеуказанных целей представляет собой систему концентрирования воспламеняющегося газа для генерирования газообразного продукта, в которой воспламеняющийся газ концентрируется из неочищенного газа, который включает в себя воспламеняющийся газ, и система концентрирования воспламеняющегося газа содержит концентрирующее устройство для поступления в него, по меньшей мере, части газообразного продукта, концентрирования воспламеняющегося газа, включенного в поступающий газообразный продукт, и генерирования газа высокой концентрации; и смесительное устройство для поступления в него неочищенного газа и газа высокой концентрации, генерированного концентрирующим устройством, смешения поступающего газа высокой концентрации и неочищенного газа и генерирования газообразного продукта.
Согласно аспекту, описанному выше, часть газообразного продукта, которая включает в себя воспламеняющийся газ в интервале относительно высокой концентрации (например, 40% мас.), концентрируется концентрирующим устройством, и может быть генерирован газ высокой концентрации, который включает в себя воспламеняющийся газ в интервале довольно более высокой концентрации (например, 60% мас.), чем газообразный продукт.
Газ высокой концентрации, генерированный концентрирующим устройством, смешивается смесительным устройством с неочищенным газом, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в интервале низкой концентрации, например менее 30% мас., поэтому может быть получен газообразный продукт, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в более высоком интервале (например, примерно 40% мас.), чем в неочищенном газе, в котором концентрация воспламеняющегося газа ниже, чем в газе высокой концентрации.
Соответственно, система концентрирования воспламеняющегося газа согласно настоящему изобретению делает возможным безопасное генерирование газообразного продукта, который может эффективно использоваться в качестве топлива, в котором воспламеняющийся газ является концентрированным, без подачи неочищенного газа, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в интервале низкой концентрации, например менее 30% мас., непосредственно в вышеуказанное концентрирующее устройство или другое оборудование, использующее газ, в способе концентрирования.
В другом аспекте системы концентрирования воспламеняющегося газа настоящего изобретения концентрирующее устройство содержит адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом для селективного адсорбирования воспламеняющегося газа и сконструированную таким образом, чтобы поочередно осуществлять адсорбционную обработку, чтобы вынуждать газообразный продукт проходить через внутреннюю часть адсорбционной колонны, и десорбционную обработку для удаления газа высокой концентрации из внутренней части адсорбционной колонны при давлении ниже, чем давление в процессе адсорбционной обработки.
Согласно аспекту, описанному выше, когда осуществляется адсорбционная обработка, воспламеняющийся газ, включенный в идущий газообразный продукт, адсорбируется в адсорбенте внутри адсорбционной колонны, например, примерно при атмосферном давлении, а оставшийся выходящий газ сбрасывается наружу. Небольшое количество воспламеняющегося газа, не поглощенного адсорбентом, может остаться в выходящем газе, который сбрасывается наружу из адсорбционной колонны, но поскольку его концентрация ниже взрывоопасного интервала концентрации, обработка может осуществляться безопасно.
Затем когда после адсорбционной обработки осуществляется десорбционная обработка, воспламеняющийся газ десорбируется из адсорбента при вытяжке в газ в адсорбционной колонне, в которой давление снижается ниже, чем давление в процессе адсорбционной обработки, и газ, который включает в себя воспламеняющийся газ, удаляется как газ высокой концентрации. Поскольку газ высокой концентрации, удаляемый из адсорбционной колонны, включает в себя большое количество воспламеняющегося газа, десорбировавшего из адсорбента, его концентрация выше, чем взрывоопасный интервал концентрации, и обработка может осуществляться безопасно.
В таком концентрирующем устройстве, когда концентрация воспламеняющегося газа в газе, подаваемом в адсорбционную колонну в адсорбционной обработке, составляет менее примерно 5%, например, воспламеняющийся газ плохо адсорбируется в адсорбенте, и концентрация воспламеняющегося газа высокой концентрации, полученного после концентрирования, может находиться вблизи или во взрывоопасном интервале концентрации. Однако в системе концентрирования воспламеняющегося газа согласно настоящему изобретению, поскольку газообразный продукт, в котором воспламеняющийся газ находится в относительно высокой концентрации, подается в концентрирующее устройство, как можно много воспламеняющегося газа может быть адсорбировано в адсорбенте, и концентрация воспламеняющегося газа газа высокой концентрации, полученного после концентрирования, может быть установлена адекватно высокой по отношению к взрывоопасному интервалу концентрации.
Поскольку в таком концентрирующем устройстве отсутствует сжатие газообразного продукта, выходящего газа или газа высокой концентрации, опасность взрыва газа может быть даже дополнительно снижена, и также отсутствует потребление энергии для сжатия.
В другом аспекте системы концентрирования воспламеняющегося газа воспламеняющимся газом является метан.
Согласно аспекту, описанному выше, может быть предусмотрена система концентрирования метана, в которой концентрируется метан из каменноугольного рудничного газа, который содержит метан в качестве воспламеняющегося газа.
В другом аспекте системы концентрирования воспламеняющегося газа настоящего изобретения предусматривается накопитель для хранения газообразного продукта, и концентрирующее устройство конструируется таким образом, чтобы газообразный продукт поступал в него из накопителя.
Согласно аспекту, описанному выше, поскольку газообразный продукт может всегда храниться в накопителе, даже в состоянии, в котором газообразный продукт еще не генерируется смесительным устройством так, как после начала работы, газообразный продукт, уже хранившийся в накопителе, может концентрироваться концентрирующим устройством с генерированием газа высокой концентрации, и газ высокой концентрации может смешиваться с неочищенным газом в смесительном устройстве с началом генерирования газообразного продукта.
Другой аспект системы концентрирования воспламеняющегося газа настоящего изобретения содержит всасывающее устройство для отвода газообразного продукта из смесительного устройства, причем всасывающее устройство предусмотрено на стороне ниже по потоку от смесительного устройства.
В соответствии с аспектом, описанным выше, всасывающее устройство предусмотрено на стороне ниже по потоку от смесительного устройства, поэтому неочищенный газ и газ высокой концентрации могут оба подаваться в смесительное устройство силой всасывания всасывающего устройства, и нет необходимости предусматривать отдельный насос для подачи газов.
Другой аспект системы концентрирования воспламеняющегося газа настоящего изобретения содержит устройство, задающее концентрацию, для регулирования скорости подачи газа высокой концентрации в смесительное устройство и задания концентрации воспламеняющегося газа газообразного продукта, генерируемого смесительным устройством, при или выше допустимой концентрации.
В соответствии с аспектом, описанным выше, даже когда скорость подачи или концентрация воспламеняющегося газа варьируется при подаче неочищенного газа в смесительное устройство, скорость подачи газа высокой концентрации в смесительное устройство может быть отрегулирована, и концентрация воспламеняющегося газа газообразного продукта может поддерживаться при или выше допустимой концентрации (например, 30% мас. или выше).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена технологическая схема, показывающая систему концентрирования воспламеняющегося газа.
На фиг. 2 представлен частный вид, показывающий другой вариант устройства, задающего концентрацию.
На фиг. 3 схематически показано сечение, показывающее рабочее состояние концентрирующего устройства.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Варианты осуществления системы концентрирования воспламеняющегося газа согласно настоящему изобретению описываются на базе чертежей.
Система концентрирования воспламеняющегося газа 100, показанная на фиг. 1, сконструирована как система концентрирования метана для генерирования газообразного продукта PG, в которой метан концентрируется из каменноугольного рудничного газа или другого неочищенного газа IG, который включает в себя метан как воспламеняющийся газ.
Система концентрирования метана состоит из концентрирующего аппарата 10 (пример концентрирующего устройства) для поступления в него, по меньшей мере, части газообразного продукта PG через трубопровод 8, концентрирования метана, входящего в получаемый газообразный продукт PG, и генерирования газа высокой концентрации CG и смесителя 2 (пример смесительного устройства) для поступления в него через трубопровод 9 газа высокой концентрации CG, генерированного концентрирующим аппаратом 10, поступления в него неочищенного газа IG через трубопровод 1, смешения поступающих газа высокой концентрации CG и неочищенного газа IG и генерирования газообразного продукта PG.
Кроме того, предусматривается газовая емкость 5 (пример накопителя) для хранения газообразного продукта PG, которая сконструирована так, что в концентрирующий аппарат 19 газообразный продукт PG поступает через трубопровод 8 из разгрузочной части газовой емкости 5.
Газообразный продукт PG, генерированный смесителем 2, таким образом, идет в (и одновременно хранится в) газовую емкость 5 из выпускной части 5а с помощью всасывающего насоса 3 трубопровода 4, описанного далее, хранящийся газообразный продукт PG выгружается из разгрузочной части 5b, когда требуется, и подается в концентрирующий аппарат 19 через трубопровод 8, как описано выше, или подается через трубопровод 6 в газовый двигатель, бойлер или другое оборудование, использующее газ 7, которое потребляет газообразный продукт PG.
Всасывающий насос 3 (пример всасывающего устройства) для отвода газообразного продукта PG со стороны смесителя 2 предусмотрен в трубопроводе 4 на стороне ниже по потоку от смесителя 2.
Поскольку неочищенный газ IG подается из трубопровода 1 в смеситель 2 и газ высокой концентрации CG также подается из трубопровода 9 силой всасывания всасывающего насоса 3, отсутствуют отдельные насосы для подачи указанных газов.
В таким образом сконструированной системе концентрирования метана, даже когда концентрация метана в неочищенном газе IG меньше, чем допустимая концентрация, которая устанавливается до некоторой степени более высокой (например, 30% мас.), чем, например, верхний предел взрывоопасного интервала концентрации, может быть предотвращено вхождение или приближение концентрации метана во взрывоопасный интервал концентрации в способе концентрирования для получения газообразного продукта PG, в котором метан концентрируется из неочищенного газа IG, и безопасно может быть получен газообразный продукт PG, который может эффективно использоваться в качестве топлива.
3
Например, при условии концентрирования неочищенного газа IG, в котором концентрация метана составляет 20% мас. и скорость потока составляет 30 м/мин, и получения газообразного продукта PG, имеющего концентрацию метана 40% мас., концентрация метана и скорость потока каждого вида газа, которые имеют место в способе концентрирования, т.е. концентрация метана и скорость потока неочищенного газа IG в трубопроводе 1, газообразного продукта PG в трубопроводе 4, газообразного продукта PG в трубопроводе 8, газа высокой концентрации CG в трубопроводе 9 и газообразного продукта PG в трубопроводе 6, могут быть такими, как показано в таблицах 1 и 2 ниже.
3
3
3
3
В таблице 1 показаны результаты, рассчитанные для примера (пример 1), в котором концентрирующий аппарат 10 способен концентрировать газообразный продукт PG, имеющий концентрацию метана 40% мас. при скорости потока 45 м/мин, и получать газ высокой концентрации CG, имеющий концентрацию метана 60% мас. при скорости потока 30 м/мин, и в таблице 2 показаны результаты, рассчитанные для примера (пример 2), в котором концентрирующий аппарат 10 способен концентрировать газообразный продукт PG, имеющий концентрацию метана 30% мас. при скорости потока 20 м/мин, и получать газ высокой концентрации CG, имеющий концентрацию метана 60% мас. при скорости потока 10 м/мин.
Другими словами, видно, что в обоих примерах 1 и 2, даже когда концентрация метана неочищенного газа IG составляет 20% мас., которая меньше допустимой концентрации (30% мас.), неочищенный газ IG не подается непосредственно в концентрирующий аппарат 10, и концентрации метана в газе высокой концентрации CG и в газообразном продукте PG, генерируемом в способе концентрирования, всегда поддерживаются при или выше допустимой концентрации и не входят и не приближаются к взрывоопасному интервалу концентрации.
3
Даже когда неочищенный газ, имеющий концентрацию метана 20% мас. при скорости потока 30 м/мин, подается непосредственно в концентрирующий аппарат и концентрируется (обработка газа, имеющего концентрацию метана менее 30% мас., в концентрирующем аппарате или подобном обычно не считается безопасной, и газ не может обрабатываться), предполагается, что газ может быть концентрирован до концентрации метана примерно 50% мас., но не только имеется высокий риск вхождения концентрации метана в взрывоопасный интервал концентрации, но также имеется проблема колебания концентрации метана газа после концентрирования, когда имеется колебание концентрации метана неочищенного газа.
Поэтому система концентрирования метана обеспечена устройством задания концентрации 26 для регулирования скорости подачи газа высокой концентрации CG в смеситель 2 и задания концентрации метана газообразного продукта PG, генерируемого смесителем 2, при или выше 30% мас. или другой допустимой концентрации. Устройство задания концентрации 26 будет описано подробно ниже.
Датчик концентрации метана 21 для определения концентрации метана газообразного продукта PG, генерируемого смесителем 2, предусматривается в трубопроводе 4 на стороне ниже по потоку от смесителя 2. Регулирующий клапан 25, способный регулировать скорость подачи газа высокой концентрации CG в смеситель 2, также предусматривается в трубопроводе 9 на стороне выше по потоку от смесителя 2.
Кроме того, компьютер, в который вводят результаты определения датчика концентрации метана 21 и который способен контролировать степень открытия регулирующего клапана 25, настроен таким образом, чтобы действовать как устройство задания концентрации 26 для регулирования скорости подачи газа высокой концентрации CG на основе концентрации метана газообразного продукта PG при выполнении заданной программы.
Когда концентрация метана газообразного продукта PG, определенная датчиком концентрации метана 21, меньше допустимой концентрации, устройство задания концентрации 26 увеличивает степень открытия регулирующего клапана 25 и увеличивает скорость подачи газа высокой концентрации CG в смеситель 2, и концентрация метана того же газообразного продукта PG может быть поэтому увеличена. С другой стороны, когда концентрация метана газообразного продукта PG, определенная датчиком концентрации метана 21, является равной или выше верхнего предела концентрации, который значительно выше допустимой концентрации, устройство задания концентрации 26 снижает степень открытия регулирующего клапана 25 и снижает скорость подачи газа высокой концентрации CG в смеситель 2, и концентрация метана того же газообразного продукта PG может быть поэтому снижена.
Даже когда имеется колебание концентрации метана или скорости подачи неочищенного газа IG, подаваемого в смеситель 2, концентрация метана газообразного продукта PG, генерируемого смесителем 2, является стабильной и равной или выше допустимой концентрации. Поскольку может быть получен газообразный продукт PG, в котором концентрация является всегда постоянной, может поддерживаться стабильная работа оборудования, использующего газ.
Устройство задания концентрации 26 может быть также подходяще модифицировано так, как в устройстве задания концентрации 26', показанном на фигуре 2.
В частности, на фигуре 2 датчик концентрации метана 22 для определения концентрации метана неочищенного газа IG, подаваемого в смеситель 2, и датчик скорости потока 23 для определения скорости подачи неочищенного газа IG в смеситель 2 предусматриваются в трубопроводе 1 на стороне выше по потоку от смесителя 2.
Кроме того, компьютер, в который вводят результаты определения датчика концентрации метана 22 и датчика скорости потока 23 и который способен контролировать степень открытия регулирующего клапана 25, настроен таким образом, чтобы действовать как устройство задания концентрации 26' для регулирования скорости подачи газа высокой концентрации CG на основе концентрации метана и скорости подачи неочищенного газа IG при выполнении заданной программы.
Устройство задания концентрации 26' настроено так, чтобы рассчитывать скорость подачи, с которой газ высокой концентрации CG должен подаваться в смеситель 2 так, чтобы концентрация метана газообразного продукта PG, генерируемого в смесителе 2, являлась стабильной и равной или выше допустимой концентрации, на основе концентрации метана неочищенного газа IG, определяемой датчиком концентрации метана 22, и скорости подачи неочищенного газа IG, определяемой датчиком скорости потока 23, и настроено на регулирование степени открытия регулирующего клапана 25 так, что фактическая скорость подачи, с которой газ высокой концентрации CG подается в смеситель 2, является определенной скоростью подачи.
В качестве конструкции концентрирующего аппарата 10 может использоваться любая конструкция, но концентрирующий аппарат адсорбционного типа, описанный далее, может использоваться для того, чтобы увеличить безопасность и эффективность. Подробная конструкция концентрирующего аппарата 10 будет описана на основе фигуры 3.
Концентрирующий аппарат 10 обеспечен адсорбционными колоннами 11, заполненными адсорбентом 16 для предпочтительного адсорбирования метана, а также открывающимися и закрывающимися клапанами 12, 13, 14, воздуходувкой 18 и всасывающим насосом 19 или подобным. При использовании регулирующего устройства или подобного (не показано) для регулирования указанных компонентов и при введении расположения компонентов (которое будет описано ниже) открывающиеся и закрывающиеся клапаны работают так, чтобы поочередно осуществлять адсорбционную обработку, в которой газообразный продукт PG пропускается через адсорбционные колонны 11, например, примерно при атмосферном давлении, и десорбционную обработку, в которой газ высокой концентрации CG выводится из адсорбционных колонн 11 при давлении ниже давления в процессе адсорбционной обработки.
Концентрирующий аппарат 10, описанный в настоящем варианте осуществления, представляет собой вариант осуществления, в котором предусмотрены установленные параллельно две адсорбционные колонны 11 (первая адсорбционная колонна 11а и вторая адсорбционная колонна 11b), обе имеющие одинаковую конструкцию и подробное описание которых дается далее, но когда адсорбционная обработка осуществляется в одной адсорбционной колонне 11, десорбционная обработка осуществляется в другой адсорбционной колонне 11. Концентрирующий аппарат 10 также настраивается таким образом, что адсорбционная обработка и десорбционная обработка осуществляются с чередованием в двух адсорбционных колоннах.
3
3
Адсорбент 16, заполняющий адсорбционные колонны 11, специально не ограничивается, пока адсорбентом является адсорбент метана, который преимущественно адсорбирует метан, и предпочтительно, что используется адсорбент метана, которым является, по меньшей мере, один адсорбент, выбранный из группы, которая включает в себя активированный уголь, цеолит, силикагель и органический комплекс металла (фумарат меди, терефталат меди, циклогександикарбоксилат меди и т.п.), имеющий средний диаметр микропор 4,5-15 Å, как определено МР-методом, и адсорбцию газа-метана 20 Нсм/г или выше при атмосферном давлении и 298 K. Вышеуказанный средний диаметр микропор составляет предпочтительно 4,5-10 Å и более предпочтительно 5-9,5 Å, и вышеуказанная адсорбция метана составляет предпочтительно 25 Нсм/г или выше. Так, активированный уголь получается формованием углеродистого материала, в котором углеродное соединение, полученное полной карбонизацией скорлупы пальмового ореха или сажи из скорлупы пальмового ореха в газообразном азоте при 600 °C, которое измельчают в гранулы, имеющие диаметр 1-3 мм, активируется при 860 °C в атмосфере, которая содержит 10-15% мас. водяного пара, 15-20% мас. углекислого газа и остальное - азот, с использованием проточной активационной печи периодического действия, имеющей внутренний диаметр 50 мм, например.
Путем использования адсорбента метана, способного адсорбировать преимущественно метановый газ при атмосферном давлении и 298 K, как адсорбент 16, метановый газ может адекватно адсорбироваться адсорбентом 16 даже в условиях атмосферного давления и 298 K.
3
3
В частности, когда адсорбция метана адсорбентом 16 при атмосферном давлении и 298 K составляет менее 20 Нсм/г, характеристика адсорбции метана при низком давлении (в частности, при примерно атмосферном давлении) снижается, концентрация метана в постконцентрированном газе высокой концентрации CG снижается, и количество адсорбента 16 должно быть увеличено, и размер устройства должен быть увеличен для того, чтобы поддерживать характеристику адсорбции. Верхний предел вышеуказанной адсорбции метана специально не ограничивается, но адсорбция метана, получаемая в настоящее время в адсорбенте метана, составляет примерно 40 Нсм/г или ниже.
Когда средний диаметр микропор в адсорбенте 16, как определено МР-методом, составляет меньше 4,5 Å, адсорбция кислородного газа и азотного газа увеличивается, концентрация метана в постконцентрированном газе высокой концентрации CG снижается, средний диаметр микропор приближается к молекулярному диаметру метана, скорость адсорбции снижается, характеристика адсорбции метана снижается, и адсорбция становится невозможной. С другой стороны, когда средний диаметр микропор в адсорбенте 16, как определено МР-методом, составляет более 15 Å, характеристика адсорбции метана при низком давлении (в частности, при примерно атмосферном давлении) снижается, концентрация метана в постконцентрированном газе высокой концентрации CG снижается, и количество адсорбента 16 должно быть увеличено, и размер устройства должен быть увеличен для того, чтобы поддерживать характеристику адсорбции.
Кроме того, объем микропор, имеющих средний диаметр микропор 10 Å или менее, как определено НК-методом, может составлять 50% или более, предпочтительно 70% или более и более предпочтительно 80% или более, общего объема микропор в адсорбенте 16. В данном случае, поскольку объем микропор, имеющих средний диаметр микропор 10 Å или менее, которые являются способными адсорбировать преимущественно метановый газ, составляет 50% или более общего объема микропор, количество метана, которое может быть адсорбировано при атмосферном давлении (около 0,1 МПа), увеличивается, и метан может адекватно адсорбироваться даже при атмосферном давлении.
Адсорбция азота адсорбентом 16 при относительной степени давления 0,013, что соответствует среднему диаметру микропор 10 Å, как определено НК-методом при адсорбции азота при 77 K, может составить 50% или более, предпочтительно 70% или более и более предпочтительно 80% или более, адсорбции азота при относительной степени давления 0,99, что соответствует общему объему микропор. Термин «относительная степень давления» относится к степени давления по отношению к давлению насыщенного пара при температуре измерения. В данном случае адсорбция при относительной степени давления 0,99 представляет общий объем микропор, а адсорбция при относительной степени давления 0,013 представляет объем микропор, имеющих средний диаметр микропор 10 Å или менее, как определено НК-методом, и соотношение указанных значений показывает, что степень микропор, имеющих средний диаметр микропор 10 Å или менее, выше, таким же образом, как описано выше. Как результат, метан около атмосферного давления может легко и эффективно концентрироваться даже при концентрировании газообразного продукта PG, в котором смешаны метан и воздух.
Концентрирующий аппарат 10 сконструирован так, что газообразный продукт PG поступает с помощью воздуходувки 18 из трубопровода 8, а газ высокой концентрации CG выводится в трубопровод 9 с помощью всасывающего насоса 19.
Кроме того, нижние стороны середины адсорбционных колонн 11 соединены с выпускной стороной описанной ранее воздуходувки 18 с помощью открывающихся и закрывающихся клапанов 13 и соединены с впускной стороной описанного ранее всасывающего насоса 19 с помощью открывающихся и закрывающихся клапанов 12. Верхние стороны середины адсорбционных колонн 11 соединены с трубопроводом 17, который открывается до атмосферного давления с помощью открывающихся и закрывающихся клапанов 14.
Воздуходувка 18 может не использоваться, когда уместно, когда давление подачи газообразного продукта PG из газовой емкости 5 в трубопровод 8 является адекватно высоким. Всасывающий насос 19 также может не использоваться, когда уместно, когда усилие всасывания газа высокой концентрации CG в трубопровод 9 является адекватно высоким.
Когда осуществляется адсорбционная обработка, как указано состоянием первой адсорбционной колонны 11а, показанной на фиг. 3А, и состоянием второй адсорбционной колонны 11b, показанной на фиг. 3В, открывающиеся и закрывающиеся клапаны 12 являются закрытыми, а открывающиеся и закрывающиеся клапаны 13 и 14 являются открытыми, и газообразный продукт PG при примерно атмосферном давлении пропускается через внутреннюю часть адсорбционной колонны, так что газообразный продукт PG отбирается в адсорбционных колоннах 11 из трубопровода 8 с помощью воздуходувки 18, и выходящий газ, который пропускается через адсорбционные колонны 11, выгружается в трубопровод 17 из внутренней части адсорбционных колонн 11. В частности, в адсорбционной обработке метан, включенный в газообразный продукт PG, адсорбируется в адсорбенте 16, а выходящий газ, не адсорбировавший в адсорбенте 16, разгружается в трубопровод 17.
Выходящий газ OG, разгружаемый в трубопровод 17, может быть сброшен в атмосферу, но поскольку в него может быть включено небольшое количество метана, выходящий газ предпочтительно сбрасывается в атмосферу после осуществления обработки разбавления с использованием вентиляционного устройства или другой подходящей обработки.
В десорбционной обработке, осуществляемой после осуществления адсорбционной обработки, как указано состоянием второй адсорбционной колонны 11b, показанной на фиг. 3А, и состоянием первой адсорбционной колонны 11а, показанной на фиг. 3В, открывающиеся и закрывающиеся клапаны 12 являются открытыми, а открывающиеся и закрывающиеся клапаны 13 и 14 являются закрытыми, и сила всасывания всасывающего насоса 19 передается внутрь адсорбционных колонн 11, поэтому давление внутри адсорбционных колонн 11 снижается ниже давления в процессе адсорбционной обработки. Поскольку десорбция метана из адсорбента 16 ускоряется в таким образом распрессованных адсорбционных колоннах 11, газ, включающий в себя большое количество метана, в котором концентрация метана выше, чем у газообразного продукта PG, выводится как газ высокой концентрации CG в трубопровод 9 с помощью всасывающего насоса 19.
Как показано на фиг. 3А, концентрирующий аппарат 10 установлен так, чтобы осуществлять адсорбционную обработку и десорбционную обработку с чередованием между адсорбционными колоннами 11 при схеме расположения, при которой концентрирующий аппарат 10 переключается между первым состоянием, в котором десорбционная обработка осуществляется во второй адсорбционной колонне 11b, тогда как адсорбционная обработка осуществляется в первой адсорбционной колонне, и вторым состоянием, в котором адсорбционная обработка осуществляется во второй адсорбционной колонне 11b, тогда как десорбционная обработка осуществляется в первой адсорбционной колонне 11а. Указанная схема расположения делает возможным непрерывный отвод газа высокой концентрации CG в трубопровод 9.
Переключение между первым состоянием и вторым состоянием, описанными выше, может осуществляться, например, с регулярными интервалами времени, но предпочтительно принимается схема расположения, в которой датчик концентрации метана 15 для определения концентрации метана в выходящем газе OG предусмотрен в трубопроводе 17, и, когда концентрация метана превышает заданную концентрацию, считается, что характеристика адсорбции метана адсорбентом 16 в адсорбционной колонне 11, осуществляющей адсорбционную обработку, достигает предела, и осуществляется переключение между первым состоянием и вторым состоянием.
Когда используется концентрирующий аппарат адсорбционного типа 10, такой как описанный выше, влага в газообразном продукте PG, подаваемом в адсорбционные колонны 11, предпочтительно удаляется заранее для того, чтобы минимизировать снижение адсорбционной характеристики адсорбента 16 благодаря влаге.
В присутствии системы концентрирования метана принимается схема расположения, в которой неочищенный газ IG, имеющий низкую концентрацию метана, подвергается утилизации или подобному после обработки разбавления и подходяще обрабатывается, даже когда газ высокой концентрации CG не может быть генерирован благодаря неисправности или подобному концентрирующего аппарата 10.
В частности, как показано на фиг. 1, трубопровод 29, который ведет к газоперерабатывающему оборудованию 30 для утилизации газа после обработки разбавлением, соединен с трубопроводом 4, кроме того, открывающийся и закрывающийся клапан 27 предусмотрен ниже по потоку от соединительной части трубопровода 4, и открывающийся и закрывающийся клапан 27 предусмотрен в трубопроводе 29.
Когда концентрирующий аппарат 10 способен нормально генерировать газ высокой концентрации CG, открывающийся и закрывающийся клапан 27 является открытым, а открывающийся и закрывающийся клапан 28 является закрытым, и газообразный продукт PG, генерируемый в смесителе 2, может подаваться по трубопроводу 4 в газовую емкость 5.
Когда концентрирующий аппарат 10 неспособен нормально генерировать газ высокой концентрации CG, открывающийся и закрывающийся клапан 27 является закрытым, а открывающийся и закрывающийся клапан 28 является открытым, и неочищенный газ низкой концентрации IG, проходящий через смеситель 2, может подаваться по трубопроводу 29 в газоперерабатывающее оборудование 30 и здесь подвергаться утилизационной обработке.
Другие варианты осуществления
(1) В варианте осуществления, описанном выше, каменноугольный рудничный газ используют в качестве неочищенного газа IG, а метан используют в качестве воспламеняющегося газа, но неочищенный газ специально не ограничивается, если в него включен воспламеняющийся газ, и воспламеняющийся газ специально не ограничивается, если воспламеняющийся газ является газом, который воспламеняется. Конструкция концентрирующего аппарата в качестве концентрирующего устройства, например тип адсорбента, может быть подходяще модифицирована в соответствии с типом воспламеняющегося газа.
(2) В варианте осуществления, описанном выше, концентрирующее устройство для получения, по меньшей мере, части газообразного продукта PG, концентрирования воспламеняющегося газа, включенного в получаемый газообразный продукт PG, и генерирования газа высокой концентрации CG сконструировано как концентрирующий аппарат адсорбционного типа 10, но, конечно, могут использоваться различные типы концентрирующего устройства.
Внутреннее давление адсорбционных колонн в адсорбционной обработке и десорбционной обработке также может быть подходяще модифицировано, даже когда используется концентрирующий аппарат адсорбционного типа, и, когда давление внутри адсорбционных колонн устанавливается около атмосферного давления в десорбционной обработке, и газ высокой концентрации выводится изнутри адсорбционных колонн, например, газообразный продукт может вводиться в адсорбционные колонны при давлении выше атмосферного давления в адсорбционной обработке.
(3) В варианте осуществления, описанном выше, газовая емкость 5 предусмотрена как накопитель для хранения газообразного продукта, и концентрирующий аппарат 10 в качестве концентрирующего устройства сконструирован так, чтобы газообразный продукт PG поступал в него из газовой емкости 5, но может применяться конструкция, в которой в концентрирующее устройство непосредственно поступает, по меньшей мере, часть газообразного продукта, генерируемого смесительным устройством, или может быть выполнена подходящая модификация, так что отсутствует накопитель, и газообразный продукт прямо подается в оборудование, использующее газ.
(4) В варианте осуществления, описанном выше, всасывающий насос 3 предусмотрен в качестве всасывающего устройства для отвода газообразного продукта PG из смесителя 2 на сторону ниже по потоку от смесителя 2 в качестве смесительного устройства, но вместо всасывающего насоса могут быть также предусмотрены отдельные насосы для подачи неочищенного газа и газа высокой концентрации в смесительное устройство.
Промышленная применимость
Система концентрирования воспламеняющегося газа настоящего изобретения может эффективно использоваться как система концентрирования воспламеняющегося газа, способная безопасно генерировать газообразный продукт, который может эффективно использоваться как топливо, в которой воспламеняющийся газ концентрируется даже из газа, в котором концентрация воспламеняющегося газа находится в интервале низкой концентрации менее 30% мас., например, такого как каменноугольный рудничный газ, который включает в себя воспламеняющийся газ метан.