淮南礦區低濃瓦斯濃縮技術運用與實踐

張增平 葛 敏

(淮南礦業集團瓦斯利用分公司, 安徽 232001)

1 引言

淮南礦區瓦斯資源豐富, 瓦斯儲量5928．29 億m3, 預測2000m 以淺瓦斯資源為4900．38 億m3,1500m 以淺瓦斯資源為2347．86 億m3, 1000m 以淺瓦斯資源為862．29 億m3。目前淮南礦區已視煤礦瓦斯為資源, 變被動的瓦斯抽放為主動的瓦斯抽采, 礦井最高瓦斯抽采率已達60%以上, 初步實現了煤與瓦斯共采。

由于淮南礦區地質條件決定了煤層的透氣性較差, 造成煤層氣抽采濃度較低, 其中甲烷濃度在7%～29%的低濃瓦斯約占整個瓦斯抽采量的50%以上。只有研究低濃度瓦斯濃縮技術, 充分開發利用低濃瓦斯資源, 才能提高淮南礦區瓦斯綜合利用產業發展的水平, 推進淮南礦區瓦斯資源的商業化運作。

長期以來, 有關礦井低濃度瓦斯濃縮技術及裝備的研究, 一直是國內外瓦斯治理以及瓦斯利用方面的一個技術難題和重點。淮南礦區濃縮技術的運用與實踐可以徹底解決低濃度瓦斯無法利用的問題, 對推動煤礦企業瓦斯利用的發展起到重要的作用。

2 淮南礦區低濃度瓦斯濃縮技術的選用

2．1 瓦斯特性

瓦斯是在煤的生成和煤的變質過程中伴生的氣體, 主要成分是甲烷, 對空氣的相對密度是0．554, 滲透能力是空氣的1．6 倍, 難溶于水, 不助燃也不能維持呼吸。在標準狀態下瓦斯爆炸界限為5%～16% (甲烷濃度) , 隨著壓力、溫度的升高, 瓦斯爆炸范圍將增大。瓦斯濃縮技術選定要充分考慮到瓦斯濃縮過程中的安全。

2．2 低濃度瓦斯濃縮技術的選用

目前低濃度瓦斯濃縮主要技術途徑有深冷分離技術、膜分離技術、變壓吸附 (PSA) 技術和真空變壓吸附 (VPSA) 技術。

深冷分離技術也是低溫精餾法, 是利用N2和CH4的沸點差將兩者分離。該技術投資巨大, 仍在實驗階段。

膜分離法是近年來發展起來的一種新型氣體分離濃縮技術, 它是利用不同氣體組成在高分子中空纖維膜中的擴散速度不同的特性實現混合氣體的分離。如果采用膜分離技術, 就必需對原料氣升壓,而對原料瓦斯氣加壓很容易發生爆炸危險。因此,采用膜分離技術存在安全隱患。

變壓吸附 (PSA) 技術是利用吸附劑在一定溫度壓力下對不同氣體組分具有不同吸附容量的特性和吸附能力隨溫度和壓力變化而變化的特性, 進行氣體分離與濃縮的技術。但這種方法也需要對處于爆炸極限范圍內的原料氣進行升壓, 很容易發生爆炸危險。

真空變壓吸附 (VPSA) 技術是對變壓吸附(PSA) 法進一步優化的氣體分離濃縮技術。低濃瓦斯在常壓下被吸附后, 采用抽真空方式提高瓦斯純度, 即利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓, 使被吸附的組分 (CH4) 在負壓下解吸出來。該技術對原料氣不需要加壓, 沒有爆炸危險。目前已在制富氧、制CO2等工業裝置上廣泛應用。國內在吸附劑技術、吸附器技術、流程技術、控制軟件技術等方面均已完全成熟。

上海華西化工科技股份有限公司成功地完成了真空變壓吸附計算機集成液壓操縱技術和高性能三偏心金屬密封程控蝶閥的開發工作, 并合作研制成功了在低壓下具有較大吸附容量的甲烷吸附劑, 實現低壓下真空變壓吸附濃縮甲烷裝置關鍵技術的突破。將石化、化工行業成熟的吸附濃縮技術用于煤礦低濃瓦斯濃縮, 取得了中試成功。中試成功后,進行該裝置的工業實驗。

淮南礦業 (集團) 有限責任公司瓦斯利用分公司與上海華西化工科技有限公司合作取得了瓦斯濃縮技術的突破。目前建設了低濃瓦斯濃縮工業實驗項目, 一級濃縮后將瓦斯濃度由10%～29%提高到30%以上, 運送到民用聯網區域, 作為民用燃氣氣源的補充, 目前該項目已經實驗成功。下一步將建設具有二級濃縮的濃縮項目, 將30%以上的瓦斯氣濃縮到90%以上, 用作汽車燃料或用撬車外運周遍城市銷售, 推進瓦斯資源的商業化運作。

3 低濃度瓦斯濃縮技術的運用與實踐

淮南礦業 (集團) 有限責任公司建設了望峰崗地區小時處理能力為5000m3的低濃瓦斯濃縮工業實驗項目。VPSA 瓦斯濃縮裝置用氣直接引自望峰崗瓦斯抽放站, 低濃瓦斯濃縮裝置排出的產品氣(30%以上濃度的瓦斯) 送入望峰崗瓦斯儲配站內的3 萬m3儲氣罐, 作為新謝地區民用燃氣管網的補充氣源。

3．1 項目簡介

瓦斯濃縮項目的建設內容包括： (1) 原料氣供氣系統： 望峰崗瓦斯抽放站→原料緩沖罐管道。采用了符合國家低濃標準AQ1078 - 2009 的煤礦低濃度瓦斯與細水霧混合安全輸送裝置;

(2) 新建小時處理能力5000m3VPSA 瓦斯濃縮系統主體裝置;

(3) 產品氣供氣系統： 產品氣緩沖罐→水環真空泵→望峰崗瓦斯儲配站3 萬m3儲氣罐管道;

(4) 廢氣排放系統： 吸附塔→排放總管;

(5) 配套防雷、防靜電等安全設施;

(6) 配套公用工程設施： 供電、給排水及消防系統。

每小時處理能力為5000m3的低濃瓦斯濃縮工業性實驗裝置處理能力為：

·裝置公稱處理混合氣能力： 5000Nm3/h。

·裝置公稱產30%以上瓦斯氣能力： 1800Nm3/h。

·負荷調節范圍： 30%～110%

·年開工時數： 7500 小時/年

3．2 低濃度瓦斯濃縮工藝

采用真空變壓吸附法 (VPSA) , 提濃生產中,裝置的六個吸附塔始終有兩個處于進料、吸附的狀態。即： 裝置六個吸附塔其吸附和再生工藝過程由吸附、均壓降壓、抽真空、均壓升壓和產品氣升壓等步驟組成 (圖1) 。具體過程簡述如下：

(1) 吸附過程

來自瓦斯抽放站真空泵、溫度40 ℃、壓力12KPa．G的瓦斯氣, 首先經過細水霧安全輸送系統送入VPSA 提濃裝置原料氣緩沖罐, 然后由塔底進入正處于吸附狀態的吸附塔內。在多種吸附劑的依次選擇吸附下, 其中的H2O、CH4等組分被吸附下來, 未被吸附的N2等從塔頂流出, 經壓力調節系統穩壓后直接高點排空。

圖1 低濃度瓦斯濃縮工藝流程圖

當被吸附雜質的傳質區前沿 (稱為吸附前沿)到達床層出口預留段時, 關掉該吸附塔的原料氣進料閥和產品氣出口閥, 停止吸附。吸附床開始轉入再生過程。

可這搗蛋的雨，就像要證明她是錯的一樣，馬上開始滴滴答答到床頂上。床是學生的上下鋪，易非在上鋪放了個盆子，她又在滴滴答答的雨聲中慢慢睡去，她實在太累了。

(2) 均壓降壓過程

這是在吸附過程結束后, 順著吸附方向將塔內的較高壓力的CH4放入其它已完成再生的較低壓力吸附塔的過程, 該過程不僅是降壓過程, 更是回收床層死空間CH4的過程。

(3) 抽真空過程

這是在均壓過程結束后, 逆著吸附方向將被吸附劑吸附的CH4抽出來的過程。抽出來的產品CH4送產品緩沖罐。

(4) 均壓升壓過程

在真空再生過程完成后, 用來自其它吸附塔的較高壓力CH4對該吸附塔進行升壓, 這一過程與均壓降壓過程相對應, 不僅是升壓過程, 而且更是回收其它塔的床層死空間CH4的過程。

(5) 產品氣升壓過程

在均壓升壓過程完成后, 為了使吸附塔可以平穩地切換至下一次吸附并保證產品純度在這一過程中不發生波動, 需要通過升壓調節閥緩慢而平穩地用排放氣將吸附塔壓力升至吸附壓力。

3．3 低濃度瓦斯濃縮技術運用安全性分析

該裝置為保證安全地長周期正常運行, 確保正常生產及事故狀態下工藝設備和操作人員的安全,根據有關標準規范的規定, 采用了以下安全防護措施：

(1) 根據AQ1076 - 2009《煤礦低濃瓦斯管道輸送安全保障系統設計規范》要求, 低濃瓦斯輸送管道應設置阻火泄爆、抑爆和阻爆三種不同原理的阻火防爆裝置。

(2) 按照中壓乙炔和煤氣輸送管道的流速范圍, 系統管道內介質流速按小于15m/s 考慮。

(3) 由于瓦斯爆炸屬于可燃氣體爆燃現象, 爆炸的能量來源于甲烷與氧的燃燒反應, 可以計算出各種濃度下瓦斯爆炸所能產生的最大壓力為爆炸前壓力的7．1 倍, 因此, 對于吸附壓力為120kPa (A)PSA 裝置而言, 其爆炸所能產生的最高壓力為：0．85MPa (A) , 因此, 所有管道的設計壓力按2．5MPa, 設備設計壓力按1．6MPa．G考慮, 同時在吸附塔和均壓總管、真空總管上設置0．2MPa 的安全閥, 在原料總管、放空總管、產品氣總管上設置安全水封, 以防發生意外時保護設備和管道。

(4) 在原料總管、放空總管、產品氣總管上設置阻火器, 防止發生意外時對瓦斯抽排站和瓦斯氣柜產生影響而引起更大事故。

(5) 所有置于室外危險場所的儀表均采用本安結構, 因故不能構成本安回路時選用隔爆型儀表并按d ⅡCT4 防爆級別考慮。

(6) 嚴格按照國家有關標準規范采取防靜電和雷電措施, 所有接地電阻不大于10Ω。為了防止吸附塔內因非導電體材料吸附劑產生的靜電引起危險, 在吸附塔內設置了5cm 見方的鐵絲網, 以使帶電面積不大于25cm2。

(7) 所有焊接采用承插焊, 并在系統安裝完成后進行嚴格吹掃, 防止管道及設備內有存有焊渣。

(8) 所有閥門采用黃銅密封材料, 防止閥門在開關過程中產生火花。程控閥是真空變壓吸附裝置的最主要的運轉設備。本裝置的程控閥門具有高密封性, 密封等級達到ANSI 六級; 具有非常長的使用壽命, 大于100 萬次。關閉速度應非常快, 小于1 秒, 這樣才能避免開關過程中的串氣和有效組分的損失。

(9) 控制室及現場儀表供電除設置一般電源(GPS) 外, 還設置儀表專用的不間斷供電系統(UPS) , 不間斷供電時間一般為30 分鐘, 以便電網掉電時能夠使裝置處于安全保護狀態。

(10) 根據裝置的特點, 設置了可燃氣體檢測報警儀表。根據瓦斯氣的特點, 該裝置采取上述安全措施是可以確保安全運行的。

3．4 試運行情況

2011 年4 月23 日 (望峰崗地區) 低濃瓦斯濃縮工業實驗項目試運行成功, 可將10%～29%濃度的低濃瓦斯氣體提高到30%以上, 其甲烷的回收率達90%以上。

其裝置具備以下優點：

(1) 操作壓力低： 整個操作過程皆在低壓下進行, 避免了對處于爆炸極限范圍內的原料氣進行升壓極容易引起爆炸的安全危險。

(2) 工藝流程短： 采用復合床, 達到了一個塔分離多種物質的效果, 被吸附的富甲烷組分通過抽真空的方式解吸出來直接送至甲烷儲氣罐。

(3) 原料氣適應性強： 對于甲烷含量從10%～29%, 壓力在 (20KPa．G) , 均可利用真空變壓吸附濃縮。

(4) 操作彈性大, 產品純度易調節： 真空變壓吸附濃縮甲烷裝置的操作彈性一般可達30%～

100%。

(5) 操作簡便： 真空變壓吸附裝置的設備簡單、運轉設備少, 且全部是自動化操作, 開停車一般只需0．5～1 小時。

(6) 能耗低、運行費用小： 真空變壓吸附裝置一般都在常溫和低壓力下進行, 有利于保證吸附劑使用壽命。

4 結論

淮南礦區濃縮技術的運用與實踐所采用的技術和工藝是先進、可靠的, 利用煤礦濃縮技術還可以使瓦斯利用項目最大發揮其生產能力, 推進瓦斯利用商業化運作, 具有良好的社會效益和經濟效益。

[1] 張增平．煤礦低濃瓦斯濃縮技術及經濟性分析[J] ．中國煤層氣, 2010 (4) ．

[2] 王長元, 等．低濃度煤層氣變壓吸附濃縮技術研究現狀 [J] ．礦業安全與環保, 2008 (6) ．

[3] 張福凱, 等．改性煤變壓吸附分離煤層氣中甲烷的研究 [J ] ． 天然氣化工 (C1 化學與化工) , 2008(4) ．