劉立群

(天津振洪空分設(shè)備有限公司,天津 301801)

碳分子篩制氮設(shè)備和膜分離制氮設(shè)備的應(yīng)用分析

劉立群

(天津振洪空分設(shè)備有限公司,天津 301801)

Application of Two Kinds Nitrogen Making Equipments of Carbon M olecule Sieve andM embrane Separation

通過對煤礦用碳分子篩制氮設(shè)備和膜分離制氮設(shè)備原理及工藝分析,市場應(yīng)用調(diào)查,對膜分離空氣制氮設(shè)備與碳分子篩分離空氣制氮設(shè)備進(jìn)行較深層次認(rèn)識和應(yīng)用比較,為煤礦行業(yè)選定注氮防滅火設(shè)備提供一些參考。

碳分子篩分離空氣制氮;膜分離空氣制氮;注氮防滅火

當(dāng)前煤炭行業(yè)選用往井下采空區(qū)注入氮氣的方法,經(jīng)過實踐證明是較好的防滅火技術(shù)之一。

煤礦井下用氮氣防滅火的實質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定量的氮氣,使其氧含量降到7%以下,達(dá)到防滅火和抑制瓦斯爆炸的目的。與礦井其他防滅火方法相比,氮氣防滅火技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)注漿防滅火技術(shù):注氮工藝快捷、迅速。氮氣可迅速滲透充滿到采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)的各角落。而注漿工藝,由于漿體在采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)的流動受底板不平,頂板冒落堆集不均等因素影響,會形成“流動溝”,因而不能均勻、全面地覆蓋在“煤體”表面,不能真正起到“隔絕”空氣,防止煤炭氧化自燃的作用。故此,氮氣防滅火技術(shù)有其更好的防滅火效果。

選用注氮設(shè)備做為煤礦井下用于防滅火的目的而言,有兩種直接分離空氣能產(chǎn)出氮氣的注氮設(shè)備:一種是膜分離空氣的制氮設(shè)備,另一種是碳分子篩分離空氣的制氮設(shè)備。

1 膜分離空氣制氮設(shè)備原理及工藝

膜分離空氣制氮設(shè)備是采用有機(jī)高分子材料加工的中空纖維膜,對經(jīng)過相應(yīng)處理過的壓縮空氣進(jìn)行溶解和擴(kuò)散分離而獲得產(chǎn)品氮氣的裝置。其壓縮后的混合氣體在膜的高壓側(cè)表面,以不同的溶解度溶于膜內(nèi),在膜兩側(cè)壓力差的推動下,混合氣體的分子以不同的速率向低壓側(cè)擴(kuò)散,滲透速度較快的氧氣,透過膜組件后在膜透側(cè)被富集,而滲透速度相對較慢的氮氣和非氧氣體等則在滯留側(cè)被富集,從而達(dá)到氧、氮分離的目的。分離空氣的膜組件是根據(jù)產(chǎn)氮氣量的大小和產(chǎn)品氮氣的壓力而選定的。

膜分離空氣制氮設(shè)備工藝是:空氣壓縮機(jī)→壓縮空氣緩沖罐→3～4級空氣過濾器→壓縮空氣換熱器→膜分離組件→產(chǎn)品氮氣緩沖罐→產(chǎn)品氮氣。

高分子中空纖維膜是選用有機(jī)材料經(jīng)過專門工藝制成的。受環(huán)境溫度影響易老化,使用壽命一般在 3～5a。目前國內(nèi)尚沒有能分離壓縮空氣產(chǎn)出95%～99%濃度氮氣的有機(jī)高分子膜組件,必須從國外進(jìn)口,價格相對較高 (比碳分子篩要高出20%～30%)。高分子膜制氮工藝要求原料壓縮空氣壓力一般為 1.0～1.2MPa,滲透通過膜組件的壓縮空氣工藝溫度要求在 25～30°才能正常氧氮分離,對此需要配加壓縮空氣換熱器,增加了煤礦井下用制氮設(shè)備的不安全因素。特別是通過膜組件分離出來的氧氣濃度最高只能達(dá) 99%,用于降低采空區(qū)的氧濃度,使其達(dá)到 7%以下需要很長的注氮時間 (7%氧濃度和氮氣 97%～99%含氧量比很小)特別是分離膜本身最怕油和粉塵,而煤礦井下粉塵相當(dāng)高,合理配置的除油、除塵過濾器比正常使用要減少很多時間,不及時更換將嚴(yán)重影響高分子膜的壽命。再有,中空纖維膜組件不能吸收處理掉采空區(qū)內(nèi)的部份 CO和 CO2,即使通過注氮降氧,采空區(qū)氧濃度達(dá)標(biāo)了,CO,CO2濃度過高,仍不能進(jìn)入正常工作 (實際應(yīng)用中反映出的問題)。

2 碳分子篩分離空氣制氮原理及工藝

碳分篩制氮是以空氣為原料,以碳分子篩為吸附劑,運用變壓吸附原理,利用充滿微孔的碳分子篩對空氣進(jìn)行選擇性吸附,而達(dá)到氧氮分離的目的。碳分子篩在加壓時氧被優(yōu)先吸附,氮從非吸附相得到。這樣在氣相中可收到氮的富集成分。因此,利用碳分子篩對氧和氮在某一時間內(nèi)吸附量差別的這一特性,由 PLC自動控制器按特定時間程序工作,使兩組吸附塔進(jìn)行加壓吸附,減壓解吸循環(huán)工作,完成氧氮分離,從而獲得成品氮氣。

碳分子篩制氮設(shè)備工藝是:空氣壓縮機(jī)→壓縮空氣緩沖罐→專用除油器→冷干機(jī) (井下設(shè)備配置水冷卻器 +氣液分離器)→3～4級空氣過濾器→潔凈空氣緩沖罐→制氮主機(jī)→產(chǎn)品氮氣緩沖罐→產(chǎn)品氮氣。制氮主機(jī)吸附內(nèi)裝填的碳分子篩是制氮設(shè)備的核心。德產(chǎn)碳分子篩 (BF型篩)是用煤基材料制成的;日本產(chǎn)大多是用椰殼材料制成的;而中國產(chǎn)大多是用酚荃樹脂材料制成的。無論是用何種材料制成的碳分子篩其孔型都是樹狀的窄縫型結(jié)購,有大孔、中孔、微孔和超微孔。壓縮空氣中速率較快的氧氣是通過大孔、中孔進(jìn)入微孔和超微孔而被吸附,解吸時再被釋放出來。而氮氣的分子稍大于氧氣分子且不活潑,則被富集不斷產(chǎn)出。碳分子篩是疏水型的,有極性的,短時間內(nèi)微量水對其無影響 (最簡單檢驗碳分子篩的質(zhì)量方法,是把碳分子篩放進(jìn)裝滿水的玻璃杯中,看其在水中的拉線狀況)。碳分子篩的另一特點是可以吸附空氣中的 CO和 CO2(因為其本身是活性碳經(jīng)過晶化工藝加工而成),這一點經(jīng)過煤礦在使用過程中對采空區(qū)的氣體測定得到證明 (冀中能源煤礦用碳分子篩制氮設(shè)備降氧的同時,降下了礦井內(nèi)的 CO濃度)。碳分子篩最主要的弱點是懼怕油污染,一旦被油污染 (油中毒),碳分子篩的吸附量將大大降低,嚴(yán)重影響產(chǎn)氮能力,即使用再生的方法也很難恢復(fù)其吸附量,所以壓縮空氣預(yù)處理部份必須配裝高質(zhì)量專用除油器?？傊?碳分子篩對壓縮空氣質(zhì)量要求是:油含量要 <0.003mg/m3;塵顆粒含量要<0.001μ (三級空氣過濾器能達(dá)要求);水含量壓力露點在0～10°,潔凈的壓縮空氣也不需要預(yù)熱。

碳分子篩的基本特性為:真密度 1.9～2.0g/ cm3;顆粒密度 0.9～1.1g/cm3;裝填密度 0.63～0.68g/cm3;孔隙率 0.35～0.41;孔隙容積 0.5～0.6cm3/g;比表面積 450～550m2/g;平均孔徑 0.4～0.7nm。

煤礦用碳分子篩制氮設(shè)備工藝配置設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常嚴(yán)格的。制氮主機(jī)吸附塔實際上是一種填料塔的固定床。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)高徑比必須控制好氣速,且密實裝填碳分子篩,減少死空間,防止漏篩、噴篩現(xiàn)象的發(fā)生。只要吸附塔工藝設(shè)計裝填合理,吸附壓力控制在 0.75～0.8MPa(碳分子篩最佳吸附壓力),制氮主機(jī)外工藝配置到位 (具備進(jìn)氣、回氮、反吹氣調(diào)節(jié)),嚴(yán)格操作規(guī)程,產(chǎn)品氮氣就可以在 95%～99.99%純度范圍內(nèi)調(diào)定,使用壽命可達(dá) 8～10a以上。煤礦用碳分子篩制氮設(shè)備的產(chǎn)品氣調(diào)定:是在定壓的狀況下 (0.75～0.8MPa),用壓縮空氣的流量去調(diào)節(jié)氮氣的濃度,也就是說在采空區(qū)降氧時調(diào)定較小流量高純度的氮氣 (調(diào)定在 98%～99.95%純度),可迅速降低采空區(qū)的氧氣;滅火時調(diào)定較大流量、較低純度氮氣(調(diào)定在 95%～98%純度),可迅速滅火。

表 1 碳分子制氮設(shè)備與膜分離制氮設(shè)備性能

綜上所述,碳分子制氮設(shè)備與膜分離制氮設(shè)備性能如表1。

3 結(jié)束語

通過對礦用膜分離空氣制氮設(shè)備和碳分子篩分離空氣制氮設(shè)備的應(yīng)用調(diào)研、分析比較,可得出以下結(jié)論:

碳分子篩分離空氣制氮設(shè)備更適用于煤礦防滅火,防止煤的自燃,消除瓦斯爆炸的危險。但最主要的是碳分子篩分離空氣制氮設(shè)備設(shè)計、工藝配置,特別是制氮主機(jī)吸附塔的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計控制合理,就能研制出理想的,適合煤礦安全用的空氣分離制氮設(shè)備。

[1]MT/T-774-1998煤礦用移動式膜分離制氮裝置 (煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))(S).北京:煤炭工業(yè)出版社,1997.

[責(zé)任編輯:王興庫]

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2010-08-17

劉立群 (1950-),男,北京人,高級工程師,從事空分設(shè)備研制,現(xiàn)任天津振洪空分設(shè)備有限公司總工。