楊 雄,張傳釗,孟 宇,劉應(yīng)書(shū),李永玲,李 堅(jiān),宋燕民

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083;2.北京科技大學(xué)北京高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心,北京 100083;3.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124;4.北京時(shí)代桃源環(huán)境科技有限公司,北京 100085)

煤礦乏風(fēng)瓦斯富集中試試驗(yàn)研究

楊 雄1,2,張傳釗1,孟 宇1,劉應(yīng)書(shū)1,2,李永玲1,2,李 堅(jiān)3,宋燕民4

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083;2.北京科技大學(xué)北京高校節(jié)能與環(huán)保工程研究中心,北京 100083;3.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100124;4.北京時(shí)代桃源環(huán)境科技有限公司,北京 100085)

針對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊?無(wú)法有效利用,并大量排放這一現(xiàn)狀,對(duì)乏風(fēng)瓦斯的富集開(kāi)展了研究,建立了首套乏風(fēng)瓦斯富集中試試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置瓦斯處理量為500 m3/h,采用三塔兩級(jí)分離工藝,并引入了抽排和排放氣充壓的流程。研究結(jié)果表明,利用自主改性的椰殼活性炭可將甲烷濃度為0.2%的乏風(fēng)瓦斯氣體富集到1.2%以上;抽排流程用于乏風(fēng)瓦斯富集中試系統(tǒng)可有效提高產(chǎn)品氣濃度,如抽排比由0增大到0.224時(shí),產(chǎn)品氣中的甲烷濃度增大到了原來(lái)的1.89倍;吸附劑熱效應(yīng)對(duì)乏風(fēng)瓦斯富集的影響較小,試驗(yàn)過(guò)程中吸附塔內(nèi)溫度波動(dòng)不超過(guò)3℃。

變壓吸附;乏風(fēng)瓦斯;甲烷;活性炭

我國(guó)每年因采煤向大氣排放大量的甲烷氣體,其中90%由礦井乏風(fēng)瓦斯排出[1]。瓦斯氣體的大量排放不但對(duì)大氣環(huán)境造成了較大的損害,還使大量的優(yōu)質(zhì)能源白白浪費(fèi)。然而乏風(fēng)瓦斯中甲烷含量低,平均濃度僅為0.25%[2],遠(yuǎn)低于甲烷氣體穩(wěn)定燃燒所需要的濃度,利用難度大。即使采用氧化的方法將甲烷氣體銷(xiāo)毀,也需甲烷濃度超過(guò)一定值才有可能維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并向外輸出能量。如甲烷濃度超過(guò)0.5%后瓦斯氧化裝置產(chǎn)生的熱量才有可能輸出產(chǎn)生電能[3],超過(guò)0.8%后可推動(dòng)稀燃燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電[4－5]。因此,將低濃度的乏風(fēng)瓦斯進(jìn)行富集,不但可以減少溫室氣體的排放,同時(shí)還可以回收部分能量,具有節(jié)能減排的雙重意義。

變壓吸附法是最適合乏風(fēng)瓦斯富集的方法。目前對(duì)于乏風(fēng)瓦斯富集的研究比較少,且停留在實(shí)驗(yàn)室階段,王琰[6]在300 kPa的吸附壓力下,利用2塔變壓吸附帶清洗步驟的流程可將1.316%的模擬瓦斯氣富集到5%;雷利春等[7]利用活性炭在0.4 MPa的吸附壓力下,可將甲烷濃度為0.506%的CH4/N2混合氣提升到1.132%以上;Thiruvenkatachari[8]通過(guò)甲烷氣體單塔穿透特性的研究指出了碳纖維可用于煤礦乏風(fēng)瓦斯富集的可行性。本課題組在基于低濃度煤層氣富集[9]研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯的富集開(kāi)展了吸附劑篩選和工藝流程的研究工作,研究過(guò)程中篩選出了適合于煤礦乏風(fēng)瓦斯富集的活性炭,開(kāi)發(fā)出了適合于煤礦乏風(fēng)瓦斯富集的工藝流程[10－12]。在此基礎(chǔ)上,在冀中能源邯礦集團(tuán)建立了首套煤礦乏風(fēng)瓦斯富集中試試驗(yàn)裝置,文章通過(guò)對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯富集的中試實(shí)驗(yàn)研究,旨在為瓦斯氣體分離富集工業(yè)應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 吸附劑

中試中使用的吸附劑為椰殼活性炭,該活性炭為商業(yè)活性炭通過(guò)改性后獲得,其改性工藝依次為焙燒、酸洗、過(guò)濾和干燥4個(gè)過(guò)程。焙燒過(guò)程在梭式窯中進(jìn)行,箱體尺寸為1 000 mm×500 mm×1 000 mm,使用N2作為保護(hù)氣,焙燒溫度為600～650℃,酸洗液為工業(yè)鹽酸。

吸附劑吸附等溫線(xiàn)由美國(guó)康塔公司的Autosorb－1型吸附儀測(cè)量得出,吸附劑在298,308和318 K時(shí)甲烷和氮?dú)獾奈降葴鼐€(xiàn)如圖1所示,由于活性炭對(duì)氮?dú)夂脱鯕獾奈叫阅芟嘟?此處將氧氣與氮?dú)饪紤]成一種氣體。通過(guò)Langmuir方程擬合可以計(jì)算出吸附劑在298 K時(shí)CH4對(duì)N2的平衡分離因子為5.12,說(shuō)明了改性椰殼活性炭對(duì)甲烷具有較好的選擇性吸附能力,比較適合于煤礦乏風(fēng)瓦斯氣體的分離富集。

2 中試試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)裝置

圖1 甲烷和氮?dú)獾奈降葴鼐€(xiàn)Fig.1 Adsorption isotherms for CH4and N2

本中試裝置安裝在冀中能源邯礦集團(tuán),試驗(yàn)裝置采用三塔兩級(jí)真空變壓吸附工藝流程,圖2為煤礦乏風(fēng)瓦斯富集中試系統(tǒng)流程示意。原料瓦斯由煤礦乏風(fēng)瓦斯和低濃度抽排煤層氣混合而成,可以根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)節(jié)進(jìn)入分離系統(tǒng)的乏風(fēng)瓦斯?jié)舛?。混合后的乏風(fēng)瓦斯經(jīng)過(guò)濾器和羅茨風(fēng)機(jī)升壓后進(jìn)入吸附塔進(jìn)行分離。富甲烷的產(chǎn)品氣由真空泵從吸附塔下端抽出。試驗(yàn)過(guò)程中第1級(jí)分離系統(tǒng)和第2級(jí)分離系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)兩級(jí)同時(shí)運(yùn)行時(shí),第1級(jí)分離系統(tǒng)的解吸氣經(jīng)緩沖罐后由羅茨風(fēng)機(jī)升壓進(jìn)入第2級(jí)分離系統(tǒng)。第1級(jí)和第2級(jí)分離系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別為8.40和3.36 m3/min,升壓能力為60 kPa。吸附分離過(guò)程中各工藝步驟的切換均由PLC控制氣動(dòng)閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中的溫度、壓力、流量、濃度測(cè)量點(diǎn)的模擬量信號(hào)(電流信號(hào))均通過(guò)PLC和數(shù)據(jù)采集卡輸入到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。本試驗(yàn)系統(tǒng)中第1級(jí)吸附器和第2級(jí)吸附器裝填吸附劑部分的尺寸分別為?1 000 mm×1 840 mm和?550 mm×1 440 mm。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

2.2 工藝流程

常見(jiàn)的三塔工藝富集強(qiáng)吸附相組分氣體時(shí)一般采用產(chǎn)品氣置換的方法提高產(chǎn)品氣濃度[13－14]。但置換步驟發(fā)生時(shí)吸附塔內(nèi)還保持一定的正壓,為實(shí)現(xiàn)此步驟通常需增加一個(gè)用于置換的升壓泵,這不但增大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和投資,還將進(jìn)一步加大系統(tǒng)能耗。

本中試系統(tǒng)創(chuàng)新性地將排放氣充壓流程和抽排流程共同用于三塔真空變壓吸附流程,并應(yīng)用于乏風(fēng)瓦斯富集中試系統(tǒng)中。中試系統(tǒng)中第1級(jí)和第2級(jí)工藝流程一致,循環(huán)時(shí)序見(jiàn)表1,每個(gè)吸附塔依次經(jīng)歷吸附(AD)、均壓降(PE↓)、抽排(VE)、抽真空(VA)、均壓升(PE↑)、充壓(PR)6個(gè)工藝步驟。圖4為本系統(tǒng)的循環(huán)步驟示意,整個(gè)循環(huán)步驟一共分為9步,由于3個(gè)吸附塔所經(jīng)歷的步驟一致,圖4僅給出了整個(gè)循環(huán)的1/3。與常見(jiàn)三塔工藝流程略有不同,在經(jīng)歷抽排步驟時(shí)真空泵從吸附塔上端抽氣,這部分氣體不作為產(chǎn)品氣進(jìn)行收集而直接通過(guò)旁路管道輸送到原料氣入口端;充壓步驟則采用排放氣充壓,充壓時(shí)排放氣緩沖罐中的氣體經(jīng)節(jié)流后從均壓閥緩慢的對(duì)吸附塔進(jìn)行充壓。試驗(yàn)過(guò)程中若無(wú)抽排步驟時(shí),則相當(dāng)于抽排時(shí)間為0。

圖2 中試系統(tǒng)流程Fig.2 Process diagram for pilot-plant

表1 循環(huán)時(shí)序Table 1 Switching sequence

圖3 中試裝置Fig.3 Pilot-plant device

試驗(yàn)過(guò)程中原料氣經(jīng)過(guò)濾后由風(fēng)機(jī)P1升壓進(jìn)入第1級(jí)吸附塔,此時(shí)甲烷被吸附塔內(nèi)的活性炭吸附,未被吸附的氣體(氮?dú)夂脱鯕?流入緩沖罐V－2后從排放氣口排出。充壓時(shí)排放氣從緩沖罐V－2經(jīng)KV5,由吸附塔上端進(jìn)入第1級(jí)吸附塔進(jìn)行充壓。產(chǎn)品氣由真空泵VP1抽出,抽排步驟時(shí)KV8打開(kāi)從吸附塔上端抽氣,這部分氣體經(jīng)KV2送入原料氣端,抽排步驟結(jié)束后打開(kāi)閥門(mén)KV4將氣體送入緩沖罐V－3,這部分氣體即為第1級(jí)的產(chǎn)品氣。經(jīng)第1級(jí)富集后的氣體經(jīng)P2升壓后進(jìn)入第2級(jí)吸附塔進(jìn)行分離,最終的產(chǎn)品氣由真空泵VP2抽出后從緩沖罐V－6排出。為確保分離過(guò)程中第1級(jí)分離系統(tǒng)真空泵VP1產(chǎn)氣量和第2級(jí)風(fēng)機(jī)P2抽氣量的匹配,通過(guò)監(jiān)控緩沖罐V－3中的壓力調(diào)節(jié)KV1的開(kāi)閉。當(dāng)僅運(yùn)行第2級(jí)分離系統(tǒng)時(shí),原料氣經(jīng)過(guò)濾后由KV1進(jìn)入緩沖罐V－3,經(jīng)風(fēng)機(jī)P2加壓后進(jìn)入第2級(jí)吸附系統(tǒng)進(jìn)行分離。

圖4 循環(huán)步驟Fig.4 Switching sequence

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 原料氣濃度對(duì)瓦斯富集效果的影響

煤礦乏風(fēng)瓦斯中甲烷濃度不穩(wěn)定,即使同一礦井中乏風(fēng)瓦斯的濃度也隨時(shí)間而變化,研究原料氣甲烷濃度對(duì)產(chǎn)品氣濃度影響規(guī)律意義重大。

本研究中僅單獨(dú)開(kāi)啟第2級(jí)分離系統(tǒng),且無(wú)抽排步驟,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持系統(tǒng)工藝參數(shù)不變,通過(guò)調(diào)節(jié)低濃度煤層氣入口閥門(mén)開(kāi)度改變分離系統(tǒng)入口瓦斯的濃度。圖5為試驗(yàn)過(guò)程中原料氣濃度變化對(duì)產(chǎn)品氣甲烷濃度及回收率的影響情況。從圖5中可以看出,原料氣濃度的變化對(duì)產(chǎn)品氣濃度的影響基本呈線(xiàn)性變化的趨勢(shì)。原料氣中甲烷濃度從0.22%增大到0.55%時(shí),產(chǎn)品氣中甲烷濃度從0.545%增大到了1.295%,產(chǎn)品氣中甲烷的濃度提升約為原料氣濃度的2.45倍。當(dāng)原料氣瓦斯?jié)舛瘸^(guò)0.4%后可通過(guò)一級(jí)變壓吸附將其中的甲烷提純到1%以上。

圖5 原料氣濃度對(duì)富集效果的影響Fig.5 Effect of feed gas concentration on enriching efficiency

從圖5中還可以看出,當(dāng)循環(huán)參數(shù)不變時(shí),隨著原料氣濃度的增加甲烷的回收率略有降低,如原料氣中甲烷濃度為0.22%時(shí)回收率約為91%,而當(dāng)原料氣中甲烷濃度升高到0.55%時(shí)回收率降低到了約85%。這主要是由于原料氣中甲烷濃度增加后,吸附塔排氣端流出的甲烷增加導(dǎo)致回收率略有下降。

3.2 解吸壓力對(duì)瓦斯富集效果的影響

解吸壓力是影響瓦斯氣體分離效率的重要參數(shù),解吸壓力越低產(chǎn)品氣中甲烷氣體的濃度越大,然而解吸壓力的降低又將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的增加。因此,研究解吸壓力對(duì)瓦斯富集效果的影響對(duì)富集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

研究選取第2級(jí)吸附分離裝置作為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持循環(huán)時(shí)序和分離系統(tǒng)排氣端閥門(mén)開(kāi)度不變,原料氣中甲烷濃度為0.2%。解吸壓力通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵入口前的手動(dòng)閥開(kāi)度進(jìn)行控制。圖6為解吸壓力對(duì)富集效果的影響,由圖6可以看出,隨著解吸壓力的降低,產(chǎn)品氣甲烷的濃度逐漸增大,如解吸壓力從－51 kPa降低到－91 kPa,產(chǎn)品氣中甲烷的濃度由0.270%增大到了0.425%,甲烷濃度增大到了原來(lái)的1.57倍。此時(shí)排放氣中的甲烷濃度則隨著解吸壓力的降低而大幅度降低,從－51 kPa時(shí)的0.14%降低到了－91 kPa時(shí)的0.02%。因此,降低解吸壓力可以大幅度的提高乏風(fēng)瓦斯的富集濃度和回收率。

圖6 解吸壓力對(duì)富集效果的影響Fig.6 Effect of desorption pressure on enriching efficiency

3.3 抽排比對(duì)瓦斯富集效果的影響

真空變壓吸附過(guò)程中引入抽排步驟可以有效的提高產(chǎn)品氣中的甲烷濃度,研究過(guò)程中引入了抽排比這一概念,為抽排時(shí)間與抽真空時(shí)間的比值。圖7為抽排比對(duì)產(chǎn)品氣濃度的影響規(guī)律,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持工作壓力不變,原料氣甲烷濃度維持為0.2%。從圖7中可以看出產(chǎn)品氣中甲烷的濃度隨抽排比的增加而逐漸增高。無(wú)抽排時(shí)產(chǎn)品氣甲烷濃度僅為0.45%,而當(dāng)抽排比增大到0.224時(shí),產(chǎn)品氣中的甲烷濃度增大到了0.85%,濃度增大到了原來(lái)的1.89倍。這主要是由于均壓結(jié)束后完成吸附過(guò)程的吸附塔上端還有部分弱吸附組分(N2和O2)停留在吸附塔上端,導(dǎo)致吸附塔上端的甲烷含量相對(duì)較低,若采用抽空排的步驟則可以將吸附塔上端這部分甲烷濃度相對(duì)較低的氣體排出不混入產(chǎn)品氣,從而提高產(chǎn)品氣的濃度。此外,瓦斯氣體中N2和O2的分子動(dòng)力學(xué)半徑都小于CH4,在吸附劑上的擴(kuò)散速度N2和O2大于CH4,因此解吸的初始階段N2和O2解吸量較大,抽真空的初始階段甲烷濃度也較低。

圖7 抽排比對(duì)產(chǎn)品氣濃度的影響規(guī)律Fig.7 Effect of vacuum exhaust ratio on methane concentration

綜上可知,通過(guò)吸附塔排氣端抽排步驟可將抽真空初始階段濃度較低的產(chǎn)品氣排掉,從而提高產(chǎn)品氣濃度。

3.4 兩級(jí)分離實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8為原料氣甲烷濃度為0.2%系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行情況下產(chǎn)品氣中甲烷濃度的變化情況,其中第1級(jí)無(wú)抽排工藝,第2級(jí)抽排時(shí)間為8 s。從圖8中可以看出,經(jīng)兩級(jí)吸附分離后,原料氣濃度為0.20%的乏風(fēng)瓦斯氣體可以富集到1%以上,在1%～1.5%波動(dòng),平均約為1.2%。圖8中甲烷濃度波動(dòng)主要是由于隨著解吸壓力變化產(chǎn)品氣中甲烷濃度發(fā)生變化,而第1級(jí)變壓吸附分離的解吸氣作為第2級(jí)吸附的原料氣進(jìn)一步加大了產(chǎn)品氣中甲烷的濃度波動(dòng)。

圖8 產(chǎn)品氣甲烷濃度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Influences of cycle time on product gas concentration

3.5 吸附分離過(guò)程吸附塔內(nèi)的溫度變化

吸附劑在吸附過(guò)程中會(huì)放出熱量而使得吸附劑溫度升高影響氣體的吸附量,而在解吸過(guò)程中吸附劑溫度降低會(huì)影響產(chǎn)品氣的流量及產(chǎn)品氣的濃度。為研究乏風(fēng)瓦斯氣體在分離過(guò)程中溫度的變化情況,在每個(gè)吸附塔內(nèi)部均設(shè)立了一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),圖9為兩級(jí)真空變壓吸附過(guò)程中溫度的變化情況。

圖9 吸附塔內(nèi)溫度變化曲線(xiàn)Fig.9 Temperature variation of adsorption bed

從圖9中可以看出,隨著吸附塔吸附和解吸步驟的交替,吸附塔內(nèi)溫度發(fā)生小幅度的波動(dòng),無(wú)論是第1級(jí)的大吸附塔還是第2級(jí)的小吸附塔,吸附塔內(nèi)部溫度變化很小,溫差不超過(guò)3℃。這說(shuō)明了在本中試試驗(yàn)系統(tǒng)中溫度對(duì)分離效果的影響可以忽略,也說(shuō)明了在煤礦乏風(fēng)瓦斯氣體分離過(guò)程中吸附熱對(duì)吸附過(guò)程的影響很小可以忽略。

4 結(jié) 論

(1)搭建了一套瓦斯處理量為500 m3/h的兩級(jí)VPSA分離裝置,并引入了抽排和排放氣充壓的新工藝流程,利用本系統(tǒng)可以將甲烷濃度為0.2%的原料氣富集到1.2%以上。

(2)通過(guò)研究原料氣濃度對(duì)分離效率的影響可知,產(chǎn)品氣甲烷濃度隨原料氣濃度的增加而增加,基本呈現(xiàn)倍數(shù)增加的關(guān)系。當(dāng)原料氣瓦斯?jié)舛瘸^(guò)0.4%后,在無(wú)抽排的情況下可以通過(guò)一級(jí)真空變壓吸附將甲烷富集到1%以上。

(3)抽排步驟可以顯著的提高產(chǎn)品氣中甲烷的濃度,實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中無(wú)抽排的時(shí)候產(chǎn)品氣甲烷濃度僅為0.45%,而當(dāng)抽排比增大到0.224的時(shí)候,產(chǎn)品氣中的甲烷濃度增大到了0.85%,為原來(lái)的1.89倍。

(4)通過(guò)對(duì)吸附塔內(nèi)溫度變化研究可知,吸附熱對(duì)煤礦乏風(fēng)瓦斯的影響較小,分離過(guò)程中吸附塔內(nèi)溫度變化較小,溫度波動(dòng)在3℃以?xún)?nèi)。

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Pilot-scale study of ventilation air methane enrichment

YANG Xiong1,2,ZHANG Chuan-zhao1,MENG Yu1,LIU Ying-shu1,2,LI Yong-ling1,2,LI Jian3,SONG Yan-min4

(1.School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.College of Environmental and Energy Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;4.Beijing Fairyland Environmental Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

Amount of the coal mine ventilation air methane(VAM)is unable to be made effective use and discharges into the atmosphere for the low concentration of methane.It not only pollutes the environment but also results in a waste of energy resource.In this paper,the VAM was enriched experimentally.The first pilot VAM enrichment equipment with the gas processing capacity of 500 m3/h was built.The plant included two-stage VPSA separation system with three parallel connected adsorbers respectively,where we introduced a new process with the effluent gas pressurization step and vacuum exhaust step.By employing a modified coconut active carbon,the VAM concentration can raise from 0.2%to more than 1.2%.The result shows the vacuum emission process could enrich the concentration of the product significantly,when the vacuum exhaust ratio increase from 0 to 0.224,the methane concentration of the product increases 1.89 times.The adsorption heat has little influence on the temperature of the adsorber,and the temperature variation during the VPSA cycle is no more than 3℃.

pressure swing adsorption;ventilation air methane;methane;active carbon

TD712

A

0253－9993(2014)03－0486－06

楊 雄,張傳釗,孟 宇,等.煤礦乏風(fēng)瓦斯富集中試試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):486－491.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1246

Yang Xiong,Zhang Chuanzhao,Meng Yu,et al.Pilot-scale study of ventilation air methane enrichment[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(3):486－491.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1246

2013－09－04 責(zé)任編輯:畢永華

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(2009AA063201);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(FRF－TP－13－011A,FRF－SD－12－006B)

楊 雄(1984—),男,湖南益陽(yáng)人,博士后。E－mail:ustbyangx@163.com。通訊作者:劉應(yīng)書(shū)(1960—),男,湖南婁底人,教授,博士。E－mail:ysliu@ustb.edu.cn