本发明公开了一种双流化床低浓度甲烷浓缩方法，首先低浓度甲烷在鼓泡流化床吸附反应器内被吸附；然后部分吸附剂颗粒进入快速床解吸附反应器内发生解吸附，解吸附后进入旋风分离器；最后在旋风分离器中气固分离，吸附剂颗粒进入鼓泡流化床吸附反应器中被重复利用；水蒸气和甲烷组成的混合气体进入冷凝分离器分离，高浓度甲烷被分离出来。同时，本发明还公开了一种双流化床低浓度甲烷浓缩系统。该发明在功能不同的鼓泡流化床吸附反应器和快速床解吸附反应器中分别采用高压吸附和高温解吸的方法，实现对低浓度煤层气中甲烷的浓缩提纯，同时实现了矿区煤层气的高效利用和环境保护。
1.双流化床低浓度甲烷浓缩方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
A、将含有低浓度甲烷的煤层气输入鼓泡流化床吸附反应器（10）内，使鼓泡流化床吸附反应器（10）内的吸附剂颗粒处于鼓泡流态化状态，低浓度甲烷在鼓泡流化床吸附反应器（10）内0.3~0.7MPa的压力作用下被吸附剂颗粒吸附，吸附后的煤层气经背压阀（9）排出鼓泡流化床吸附反应器（10）；所述低浓度甲烷的煤层气是指甲烷体积含量在1～30％的煤层气；
B、部分吸附剂颗粒在鼓泡流态化状态作用下落至J型回料阀（12），向J型回料阀（12）内通入水蒸气作为流化松动风，在流化松动风的作用下，J型回料阀（12）内的吸附剂颗粒下落至快速床解吸附反应器（1）内；快速床解吸附反应器（1）的外壁面设置电加热器（2），并向快速床解吸附反应器（1）内通入水蒸气作为流化风，使快速床解吸附反应器（1）处于
200~400℃条件下；吸附剂颗粒在快速床解吸附反应器（1）内发生解吸附；解吸附后，快速床解吸附反应器（1）内部分吸附剂颗粒在流化风的作用下，经过提升管（3）带出快速床解吸附反应器（1）并进入旋风分离器（4）内；
C、在旋风分离器（4）中进行气固分离后，解吸附后的吸附剂颗粒下落至吸附剂冷却装置（5），在吸附剂冷却装置（5）中，采用循环水对吸附剂颗粒进行冷却，冷却后的吸附剂颗粒经调节阀（6）后进入吸收剂储存器（7）内，通过调节吸收剂储存器（7）下部的颗粒控制阀（8）控制进入鼓泡流化床吸附反应器（10）中固体吸附剂颗粒的量，使进入鼓泡流化床吸附反应器（10）中的固体吸附剂颗粒被重复利用；经旋风分离器（4）分离后的水蒸气和甲烷组成的混合气体进入冷凝分离器（13），冷凝分离器（13）中采用循环水对混合气体进行冷却，水蒸气被冷凝成液态水，甲烷冷却后被分离出来，形成高浓度甲烷产品；
所述鼓泡流化床吸附反应器（10）由其内竖直设置的分料隔板（11）分为左右两部分，颗粒控制阀（8）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的右部上方，所述J型回料阀（12）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的左部下方，所述背压阀（9）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的左部上方。
2.双流化床低浓度甲烷浓缩系统，其特征在于，包括鼓泡流化床吸附反应器（10）、J型回料阀（12）、快速床解吸附反应器（1）、提升管（3）、旋风分离器（4）、吸附剂冷却装置（5）、调节阀（6）、吸附剂存储器（7）、颗粒控制阀（8）、冷凝分离器（13）和蒸汽发生器（14）；所述鼓泡流化床吸附反应器（10）内填充吸附剂颗粒，所述快速床解吸附反应器（1）的外壁面设置电加热器（2）；所述鼓泡流化床吸附反应器（10）通过J型回料阀（12）与快速床解吸附反应器（1）连接，快速床解吸附反应器（1）通过提升管（3）与旋风分离器（4）连接，所述旋风分离器（4）的底部出口与吸附剂冷却装置（5）的进口连接，所述吸附剂冷却装置（5）的出口通过调节阀（6）与吸附剂存储器（7）的进口连接，所述吸附剂存储器（7）的出口通过颗粒控制阀（8）与鼓泡流化床吸附反应器（10）连接；所述旋风分离器（4）的顶部出气口与冷凝分离器（13）连接，所述冷凝分离器（13）的出气口为高浓度甲烷输出口，冷凝分离器（13）的出液口与蒸汽发生器（14）的进口连接，所述蒸汽发生器（14）的出口分别与J型回料阀（12）和快速床解吸附反应器（1）连接；所述鼓泡流化床吸附反应器（10）的气体出口设置有背压阀（9）；所述鼓泡流化床吸附反应器（10）由其内竖直设置的分料隔板（11）分为左右两部分，颗粒控制阀（8）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的右部上方，所述J型回料阀（12）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的左部下方，所述背压阀（9）位于鼓泡流化床吸附反应器（10）的左部上方。
3.根据权利2所述的双流化床低浓度甲烷浓缩系统，其特征在于，所述吸附剂冷却装置（5）采用循环水冷却器。
4.根据权利2所述的双流化床低浓度甲烷浓缩系统，其特征在于，所述冷凝分离器（13）的出气口填充固体干燥剂。
5.根据权利2所述的双流化床低浓度甲烷浓缩系统，其特征在于，所述吸附剂颗粒的粒径为300~600μm。
6.根据权利2所述的双流化床低浓度甲烷浓缩系统，其特征在于，所述冷凝分离器（13）采用循环水冷却器。
双流化床低浓度甲烷浓缩方法及其系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低浓度甲烷浓缩的方法及其系统，主要适用于低浓度煤层气及其它含有低浓度甲烷气体的浓缩和提纯。
背景技术
[0002] 随着能源需求的不断增长，发展利用分布式低品位能源成为节约能源，解决当前能源危机的主要途径之一，而分布广泛、储量丰富的煤层气资源提供了可靠的气源保证。我国煤层气资源大约为36.7万亿立方米，与天然气储量相当，位居世界第三位。据计算，1000立方米煤层气相当于1吨标准煤，据此估计我国的煤层气储量相当于350亿吨标准煤或240亿吨石油。
[0003] 目前，对于甲烷浓度高于35%的煤层气可以直接作为燃料利用。但对于甲烷浓度低于30%的部分往往没有有效的利用，而是直接稀释排放到大气中。排放到大气中的煤层气不仅造成了能源的巨大浪费，而且加剧了大气污染和温室效应。单位质量的甲烷对大气温室效应影响GWP（Global Warming Potential）是二氧化碳的21.5倍，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍。因此，低浓度的煤层气的综合有效利用对于改善和优化能源结构，减少大气污染具有重要的经济和环保意义。
[0004] 低浓度煤层气中甲烷含量往往低于30%，矿井乏风瓦斯中甲烷含量甚至低于1%，且采量波动较大，贮量分布分散，若采用管道输送系统配送则经济成本高，且不便维护。因此，工业上往往将这种不能直接远距离运输作为民用和工业原料使用的低浓度煤层气进行分离浓缩处理，以便实现安全、方便、经济的远距离输送。
[0005] 对于低浓度甲烷气体的浓缩主要有以下几种方法：低温深冷分离法、膜分离法和吸附解吸法。其中，低温深冷分离法产品气甲烷浓度高，但装置复杂，设备投资大，C02、水等杂质在低温精馏时易堵塞管道，要先除去，工艺复杂；膜分离法技术虽设备简单、运行投资少，但尚属实验阶段，离工业化应用还有很大差距；吸附解吸法包括吸附和脱附再生两个过程，即利用升压（或降温）、降压（或升温）来实现对甲烷的吸附和解吸分离过程。吸附解吸法具有能耗低、吸附剂成本较低、初期投资少、运转周期短、气体处理量大等优点，所以利用吸附解吸法浓缩低浓度煤层气的技术相对成熟。目前对于吸附解吸法的研究主要集中在塔内变压吸附浓缩甲烷，为保证能够连续浓缩提纯甲烷，往往需要多组吸附塔交替工作，既增加了设备投资，又增大了占地面积。
发明内容
[0006] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的之一在于提供一种实现矿区煤层气高效利用和环境保护的双流化床低浓度甲烷浓缩方法。
[0007] 本发明的目的之二在于提供一种结构简单、投资成本低的双流化床低浓度甲烷浓缩系统。
[0008] 本发明的目的之一是通过如下技术方案实现的：
[0009] 双流化床低浓度甲烷浓缩方法，该方法包括如下步骤：
[0010] A、将含有低浓度甲烷的煤层气输入鼓泡流化床吸附反应器内，使鼓泡流化床吸附反应器内的吸附剂颗粒处于鼓泡流态化状态，低浓度甲烷在鼓泡流化床吸附反应器内0.3~0.7MPa的压力作用下被吸附剂颗粒吸附，吸附后的煤层气经背压阀排出鼓泡流化床吸附反应器；所述低浓度甲烷的煤层气是指甲烷体积含量在1~30％的煤层气；
[0011] B、部分吸附剂颗粒在鼓泡流态化状态作用下落至J型回料阀，向J型回料阀内通入水蒸气作为流化松动风，在流化松动风的作用下，J型回料阀内的吸附剂颗粒下落至快速床解吸附反应器内；快速床解吸附反应器的外壁面设置电加热器，并向快速床解吸附反应器内通入水蒸气作为流化风，使快速床解吸附反应器处于200~400℃条件下；吸附剂颗粒在快速床解吸附反应器内发生解吸附；解吸附后，快速床解吸附反应器内部分吸附剂颗粒在流化风的作用下，经过提升管带出快速床解吸附反应器，进入旋风分离器内；
[0012] C、在旋风分离器中进行气固分离后，解吸附后的吸附剂颗粒下落至吸附剂冷却装置，在吸附剂冷却装置中，采用循环水对吸附剂颗粒进行冷却，冷却后的吸附剂颗粒经调节阀后进入吸收剂储存器内，通过调节吸收剂储存器下部的颗粒控制阀控制进入鼓泡流化床吸附反应器中固体吸附剂颗粒的量，使进入鼓泡流化床吸附反应器中的固体吸附剂颗粒被重复利用；经旋风分离器分离后的水蒸气和甲烷组成的混合气体进入冷凝分离器，冷凝分离器中采用循环水对混合气体进行冷却，水蒸气被冷凝成液态水，甲烷冷却后被分离出来，形成高浓度甲烷产品。
[0013] 作为本发明的一种优选方案，所述鼓泡流化床吸附反应器由其内竖直设置的分料隔板分为左右两部分，颗粒控制阀位于鼓泡流化床吸附反应器的右部上方，所述J型回料阀位于鼓泡流化床吸附反应器的左部下方。
[0014] 本发明的目的之二是通过如下技术方案实现的：
[0015] 双流化床低浓度甲烷浓缩系统，包括鼓泡流化床吸附反应器、J型回料阀、快速床解吸附反应器、提升管、旋风分离器、吸附剂冷却装置、调节阀、吸附剂存储器、颗粒控制阀、冷凝分离器和蒸汽发生器；所述鼓泡流化床吸附反应器内填充吸附剂颗粒，所述快速床解吸附反应器的外壁面设置电加热器；所述鼓泡流化床吸附反应器通过J型回料阀与快速床解吸附反应器连接，快速床解吸附反应器通过提升管与旋风分离器连接，所述旋风分离器的底部出口与吸附剂冷却装置的进口连接，所述吸附剂冷却装置的出口通过调节阀与吸附剂存储器的进口连接，所述吸附剂存储器的出口通过颗粒控制阀与鼓泡流化床吸附反应器连接；所述旋风分离器的顶部出气口与冷凝分离器连接，所述冷凝分离器的出气口为高浓度甲烷输出口，冷凝分离器的出液口与蒸汽发生器的进口连接，所述蒸汽发生器的出口分别与J型回料阀和快速床解吸附反应器连接。
[0016] 作为本发明的一种优选方案，所述吸附剂冷却装置采用循环水冷却器。
[0017] 作为本发明的另一种优选方案，所述冷凝分离器的出气口填充固体干燥剂。
[0018] 作为本发明的又一种优选方案，所述吸附剂颗粒的粒径为300~600μm。
[0019] 作为本发明的一种改进方案，所述冷凝分离器采用循环水冷却器。
[0020] 作为本发明的又一种改进方案，所述鼓泡流化床吸附反应器的气体出口设置有背压阀。
[0021] 与现有技术相比，本发明的双流化床低浓度甲烷浓缩方法及其系统具有以下优点：
[0022] 1、本发明采用吸附剂颗粒吸附低浓度甲烷，在功能不同的鼓泡流化床吸附反应器和快速床解吸附反应器中分别采用高压吸附和高温解吸的方法，实现对低浓度煤层气中甲烷的浓缩提纯，同时实现了矿区煤层气的高效利用和环境保护。
[0023] 2、该系统主要由鼓泡流化床吸附反应器和快速床解吸附反应器两个功能不同的反应器完成，结构简单、投资成本低。
[0024] 3、采用过热水蒸气作为快速床解吸附反应器的流化气体，在一定的高温条件下，可以有效避免吸附剂对水蒸气的吸附；在一定的高温条件下，同时可以防止水蒸气与甲烷发生反应；水蒸气与甲烷容易分离。
附图说明
[0025] 图1为双流化床低浓度甲烷浓缩系统的结构示意图。
[0026] 图中： 1—快速床解吸附反应器； 2—电加热器； 3—提升管；4—旋风分离器；5—吸附剂冷却装置； 6—调节阀； 7—吸附剂储存器； 8—颗粒控制阀； 9—背压阀；
10—鼓泡流化床吸附反应器； 11—分料隔板； 12—J型回料阀； 13—冷凝分离器； 14—蒸汽发生器。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
[0028] 双流化床低浓度甲烷浓缩方法，该方法包括如下步骤：A、将含有低浓度甲烷的煤层气输入鼓泡流化床吸附反应器10内，如图1所示。使鼓泡流化床吸附反应器10内的吸附剂颗粒处于鼓泡流态化状态，低浓度甲烷在鼓泡流化床吸附反应器10内0.3～0.7MPa的压力作用下被吸附剂颗粒吸附，吸附后的不含有或者含有较少甲烷的煤层气经背压阀9排出鼓泡流化床吸附反应器10。低浓度甲烷的煤层气是指甲烷体积含量在1~30％的煤层气。
[0029] B、部分吸附剂颗粒（主要是指吸附了甲烷密度较大的吸附剂颗粒）在鼓泡流态化状态作用下落至J型回料阀12，向J型回料阀12内通入水蒸气作为流化松动风，在流化松动风的作用下，J型回料阀12内的吸附剂颗粒下落至快速床解吸附反应器1内。快速床解吸附反应器1的外壁面设置电加热器2，并向快速床解吸附反应器1内通入水蒸气作为流化风，使快速床解吸附反应器1处于200~400℃的高温条件下，可以有效避免吸附剂对水蒸气的吸附，同时可以防止水蒸气与甲烷发生反应，水蒸气与甲烷容易分离。吸附剂颗粒在快速床解吸附反应器1内发生解吸附。解吸附后，快速床解吸附反应器1内部分吸附剂颗粒在流化风的作用下，经过提升管3带出快速床解吸附反应器1，进入旋风分离器4内。
[0030] C、在旋风分离器4中进行气固分离后，解吸附后的吸附剂颗粒下落至吸附剂冷却装置5，在吸附剂冷却装置5中，采用循环水对吸附剂颗粒进行冷却，冷却后的吸附剂颗粒经调节阀6后进入吸收剂储存器7内，通过调节吸收剂储存器7下部的颗粒控制阀8控制进入鼓泡流化床吸附反应器10中固体吸附剂颗粒的量，使进入鼓泡流化床吸附反应器10中的固体吸附剂颗粒被重复利用。经旋风分离器4分离后的水蒸气和甲烷组成的混合气体进入冷凝分离器13，冷凝分离器13中采用循环水对混合气体进行冷却，水蒸气被冷凝成液态水，甲烷冷却后被分离出来，形成高浓度甲烷产品。
[0031] 鼓泡流化床吸附反应器10由竖直设置的分料隔板11分为左右两部分，颗粒控制阀8位于鼓泡流化床吸附反应器10的右部上方，J型回料阀12位于鼓泡流化床吸附反应器10的左部下方。该分料隔板11可防止从颗粒控制阀8下落的吸附剂颗粒直接进入J型回料密封阀12。
[0032] 双流化床低浓度甲烷浓缩系统，如图1所示，包括鼓泡流化床吸附反应器10、J型回料阀12、快速床解吸附反应器1、提升管3、旋风分离器4、吸附剂冷却装置5（吸附剂冷却装置5采用循环水冷却器）、调节阀6、吸附剂存储器7、颗粒控制阀8、冷凝分离器13（冷凝分离器13采用循环水冷却器）和蒸汽发生器14。鼓泡流化床吸附反应器10内填充吸附剂颗粒（本实施例中，选用吸附剂颗粒的粒径为300~600μm），鼓泡流化床吸附反应器10的气体出口设置有背压阀9，快速床解吸附反应器1的外壁面设置电加热器2。鼓泡流化床吸附反应器10通过J型回料阀12与快速床解吸附反应器1连接，快速床解吸附反应器1通过提升管3与旋风分离器4连接，旋风分离器4的底部出口与吸附剂冷却装置5的进口连接，吸附剂冷却装置5的出口通过调节阀6与吸附剂存储器7的进口连接，吸附剂存储器7的出口通过颗粒控制阀8与鼓泡流化床吸附反应器10连接。旋风分离器4的顶部出气口与冷凝分离器13连接，冷凝分离器13的出气口为高浓度甲烷输出口（出气口填充固体干燥剂，固体干燥剂对高浓度浓缩的甲烷进行干燥处理），冷凝分离器13的出液口与蒸汽发生器14的进口连接，蒸汽发生器14的出口分别与J型回料阀12和快速床解吸附反应器1连接。
[0033] 双流化床低浓度甲烷浓缩系统用于低浓度煤层气中甲烷的浓缩分离，通过采用对甲烷具有吸附的吸附剂，使得甲烷的吸附与解吸分别在鼓泡流化床吸附反应器10及快速床解吸附反应器1中完成，从而实现甲烷的浓缩分离。
[0034] 该系统的工作过程如下：①在系统启动运行前，开启电加热器2对快速床解吸附反应器1进行加热，避免直接通入过热水蒸气，突然遇冷凝结而损坏吸附剂；直到床内温度高于100℃，关闭电加热器2，同时通入过热水蒸气，对快速床解吸附反应器1及提升管3进行排空处理，以免影响到分离后甲烷的浓度，直到排尽空气，即完成系统正常工作前的准备工作；同时在吸附剂冷却装置5中储存一定高度的吸附剂颗粒，可以防止鼓泡流化床吸附反应器10内的气体发生泄漏。②系统正常运行时，开始向鼓泡流化床吸附反应器10中通入低浓度煤层气，进行吸附过程，此时，鼓泡流化床吸附反应器10内的吸附剂颗粒在高压（0.3~0.7MPa）下对煤层气中的甲烷进行吸附，吸附足够甲烷的密度变大的吸附剂颗粒沉降在鼓泡流化床吸附反应器10底部，由于分料隔板11的存在使得底部密度较大的吸附剂颗粒绕分料隔板11的下端进入J型回料阀12，再流入快速床解吸附反应器1中。③在高温（200~400℃）的快速床解吸附反应器1中，甲烷从吸附剂颗粒中解吸出来，经过提升管3，通过旋风分离器4分离后，解吸后的吸附剂颗粒进入吸附剂冷却装置5中冷却，调节阀6由吸附剂冷却装置5中的温度反馈控制调节其阀门的开闭，从而控制进入吸附剂储存器7中的吸附剂颗粒的量，最后通过颗粒控制阀8重新进入鼓泡流化床吸附反应器10内进行吸附。④通过旋风分离器4分离后的高浓度甲烷水蒸气混合气，则进入冷凝分离器13，此冷凝分离器13采用循环水作为冷却剂，冷却后的凝结水通过蒸汽发生器14产生过热水蒸气。最终，从冷凝分离器13的气体出口得到高浓度甲烷气体。在吸附过程，可以通过调节背压阀9的开度和颗粒控制阀8的开度对鼓泡流化床吸附反应器10内的压力及吸附颗粒总量进行调节，以满足不同的运行工况，优化系统运行效率。
[0035] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
