煤礦乏風瓦斯富集中試試驗研究

楊 雄,張傳釗,孟 宇,劉應書,李永玲,李 堅,宋燕民

(1.北京科技大學機械工程學院,北京 100083;2.北京科技大學北京高校節能與環保工程研究中心,北京 100083;3.北京工業大學環境與能源工程學院,北京 100124;4.北京時代桃源環境科技有限公司,北京 100085)

煤礦乏風瓦斯富集中試試驗研究

楊 雄1,2,張傳釗1,孟 宇1,劉應書1,2,李永玲1,2,李 堅3,宋燕民4

(1.北京科技大學機械工程學院,北京 100083;2.北京科技大學北京高校節能與環保工程研究中心,北京 100083;3.北京工業大學環境與能源工程學院,北京 100124;4.北京時代桃源環境科技有限公司,北京 100085)

針對煤礦乏風瓦斯濃度低,無法有效利用,并大量排放這一現狀,對乏風瓦斯的富集開展了研究,建立了首套乏風瓦斯富集中試試驗裝置。試驗裝置瓦斯處理量為500 m3/h,采用三塔兩級分離工藝,并引入了抽排和排放氣充壓的流程。研究結果表明,利用自主改性的椰殼活性炭可將甲烷濃度為0.2%的乏風瓦斯氣體富集到1.2%以上;抽排流程用于乏風瓦斯富集中試系統可有效提高產品氣濃度,如抽排比由0增大到0.224時,產品氣中的甲烷濃度增大到了原來的1.89倍;吸附劑熱效應對乏風瓦斯富集的影響較小,試驗過程中吸附塔內溫度波動不超過3℃。

變壓吸附;乏風瓦斯;甲烷;活性炭

我國每年因采煤向大氣排放大量的甲烷氣體,其中90%由礦井乏風瓦斯排出[1]。瓦斯氣體的大量排放不但對大氣環境造成了較大的損害,還使大量的優質能源白白浪費。然而乏風瓦斯中甲烷含量低,平均濃度僅為0.25%[2],遠低于甲烷氣體穩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毀,也需甲烷濃度超過一定值才有可能維持系統的穩定運行并向外輸出能量。如甲烷濃度超過0.5%后瓦斯氧化裝置產生的熱量才有可能輸出產生電能[3],超過0.8%后可推動稀燃燃氣輪機發電[4－5]。因此,將低濃度的乏風瓦斯進行富集,不但可以減少溫室氣體的排放,同時還可以回收部分能量,具有節能減排的雙重意義。

變壓吸附法是最適合乏風瓦斯富集的方法。目前對于乏風瓦斯富集的研究比較少,且停留在實驗室階段,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]研究的基礎上,針對煤礦乏風瓦斯的富集開展了吸附劑篩選和工藝流程的研究工作,研究過程中篩選出了適合于煤礦乏風瓦斯富集的活性炭,開發出了適合于煤礦乏風瓦斯富集的工藝流程[10－12]。在此基礎上,在冀中能源邯礦集團建立了首套煤礦乏風瓦斯富集中試試驗裝置,文章通過對煤礦乏風瓦斯富集的中試實驗研究,旨在為瓦斯氣體分離富集工業應用提供科學參考。

1 吸附劑

中試中使用的吸附劑為椰殼活性炭,該活性炭為商業活性炭通過改性后獲得,其改性工藝依次為焙燒、酸洗、過濾和干燥4個過程。焙燒過程在梭式窯中進行,箱體尺寸為1 000 mm×500 mm×1 000 mm,使用N2作為保護氣,焙燒溫度為600～650℃,酸洗液為工業鹽酸。

吸附劑吸附等溫線由美國康塔公司的Autosorb－1型吸附儀測量得出,吸附劑在298,308和318 K時甲烷和氮氣的吸附等溫線如圖1所示,由于活性炭對氮氣和氧氣的吸附性能相近,此處將氧氣與氮氣考慮成一種氣體。通過Langmuir方程擬合可以計算出吸附劑在298 K時CH4對N2的平衡分離因子為5.12,說明了改性椰殼活性炭對甲烷具有較好的選擇性吸附能力,比較適合于煤礦乏風瓦斯氣體的分離富集。

2 中試試驗裝置

2.1 試驗裝置

圖1 甲烷和氮氣的吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms for CH4and N2

本中試裝置安裝在冀中能源邯礦集團,試驗裝置采用三塔兩級真空變壓吸附工藝流程,圖2為煤礦乏風瓦斯富集中試系統流程示意。原料瓦斯由煤礦乏風瓦斯和低濃度抽排煤層氣混合而成,可以根據試驗需求調節進入分離系統的乏風瓦斯濃度。混合后的乏風瓦斯經過濾器和羅茨風機升壓后進入吸附塔進行分離。富甲烷的產品氣由真空泵從吸附塔下端抽出。試驗過程中第1級分離系統和第2級分離系統均可實現單獨運行。當兩級同時運行時,第1級分離系統的解吸氣經緩沖罐后由羅茨風機升壓進入第2級分離系統。第1級和第2級分離系統的風機風量分別為8.40和3.36 m3/min,升壓能力為60 kPa。吸附分離過程中各工藝步驟的切換均由PLC控制氣動閥的開閉實現。系統中的溫度、壓力、流量、濃度測量點的模擬量信號(電流信號)均通過PLC和數據采集卡輸入到上位機進行存儲顯示。本試驗系統中第1級吸附器和第2級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。試驗裝置如圖3所示。

2.2 工藝流程

常見的三塔工藝富集強吸附相組分氣體時一般采用產品氣置換的方法提高產品氣濃度[13－14]。但置換步驟發生時吸附塔內還保持一定的正壓,為實現此步驟通常需增加一個用于置換的升壓泵,這不但增大了系統的復雜程度和投資,還將進一步加大系統能耗。

本中試系統創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,并應用于乏風瓦斯富集中試系統中。中試系統中第1級和第2級工藝流程一致,循環時序見表1,每個吸附塔依次經歷吸附(AD)、均壓降(PE↓)、抽排(VE)、抽真空(VA)、均壓升(PE↑)、充壓(PR)6個工藝步驟。圖4為本系統的循環步驟示意,整個循環步驟一共分為9步,由于3個吸附塔所經歷的步驟一致,圖4僅給出了整個循環的1/3。與常見三塔工藝流程略有不同,在經歷抽排步驟時真空泵從吸附塔上端抽氣,這部分氣體不作為產品氣進行收集而直接通過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,充壓時排放氣緩沖罐中的氣體經節流后從均壓閥緩慢的對吸附塔進行充壓。試驗過程中若無抽排步驟時,則相當于抽排時間為0。

圖2 中試系統流程Fig.2 Process diagram for pilot-plant

表1 循環時序Table 1 Switching sequence

圖3 中試裝置Fig.3 Pilot-plant device

試驗過程中原料氣經過濾后由風機P1升壓進入第1級吸附塔,此時甲烷被吸附塔內的活性炭吸附,未被吸附的氣體(氮氣和氧氣)流入緩沖罐V－2后從排放氣口排出。充壓時排放氣從緩沖罐V－2經KV5,由吸附塔上端進入第1級吸附塔進行充壓。產品氣由真空泵VP1抽出,抽排步驟時KV8打開從吸附塔上端抽氣,這部分氣體經KV2送入原料氣端,抽排步驟結束后打開閥門KV4將氣體送入緩沖罐V－3,這部分氣體即為第1級的產品氣。經第1級富集后的氣體經P2升壓后進入第2級吸附塔進行分離,最終的產品氣由真空泵VP2抽出后從緩沖罐V－6排出。為確保分離過程中第1級分離系統真空泵VP1產氣量和第2級風機P2抽氣量的匹配,通過監控緩沖罐V－3中的壓力調節KV1的開閉。當僅運行第2級分離系統時,原料氣經過濾后由KV1進入緩沖罐V－3,經風機P2加壓后進入第2級吸附系統進行分離。

圖4 循環步驟Fig.4 Switching sequence

3 試驗結果

3.1 原料氣濃度對瓦斯富集效果的影響

煤礦乏風瓦斯中甲烷濃度不穩定,即使同一礦井中乏風瓦斯的濃度也隨時間而變化,研究原料氣甲烷濃度對產品氣濃度影響規律意義重大。

本研究中僅單獨開啟第2級分離系統,且無抽排步驟,實驗過程中保持系統工藝參數不變,通過調節低濃度煤層氣入口閥門開度改變分離系統入口瓦斯的濃度。圖5為試驗過程中原料氣濃度變化對產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產品氣濃度的影響基本呈線性變化的趨勢。原料氣中甲烷濃度從0.22%增大到0.55%時,產品氣中甲烷濃度從0.545%增大到了1.295%,產品氣中甲烷的濃度提升約為原料氣濃度的2.45倍。當原料氣瓦斯濃度超過0.4%后可通過一級變壓吸附將其中的甲烷提純到1%以上。

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

從圖5中還可以看出,當循環參數不變時,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%時回收率約為91%,而當原料氣中甲烷濃度升高到0.55%時回收率降低到了約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致回收率略有下降。

3.2 解吸壓力對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,解吸壓力越低產品氣中甲烷氣體的濃度越大,然而解吸壓力的降低又將導致系統能耗的增加。因此,研究解吸壓力對瓦斯富集效果的影響對富集系統優化設計具有一定的指導意義。

研究選取第2級吸附分離裝置作為研究對象,實驗過程中保持循環時序和分離系統排氣端閥門開度不變,原料氣中甲烷濃度為0.2%。解吸壓力通過調節真空泵入口前的手動閥開度進行控制。圖6為解吸壓力對富集效果的影響,由圖6可以看出,隨著解吸壓力的降低,產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的1.57倍。此時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時的0.14%降低到了－91 kPa時的0.02%。因此,降低解吸壓力可以大幅度的提高乏風瓦斯的富集濃度和回收率。

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

3.3 抽排比對瓦斯富集效果的影響

真空變壓吸附過程中引入抽排步驟可以有效的提高產品氣中的甲烷濃度,研究過程中引入了抽排比這一概念,為抽排時間與抽真空時間的比值。圖7為抽排比對產品氣濃度的影響規律,實驗過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中可以看出產品氣中甲烷的濃度隨抽排比的增加而逐漸增高。無抽排時產品氣甲烷濃度僅為0.45%,而當抽排比增大到0.224時,產品氣中的甲烷濃度增大到了0.85%,濃度增大到了原來的1.89倍。這主要是由于均壓結束后完成吸附過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,導致吸附塔上端的甲烷含量相對較低,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較低的氣體排出不混入產品氣,從而提高產品氣的濃度。此外,瓦斯氣體中N2和O2的分子動力學半徑都小于CH4,在吸附劑上的擴散速度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 抽排比對產品氣濃度的影響規律Fig.7 Effect of vacuum exhaust ratio on methane concentration

綜上可知,通過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品氣排掉,從而提高產品氣濃度。

3.4 兩級分離實驗結果

圖8為原料氣甲烷濃度為0.2%系統穩定運行情況下產品氣中甲烷濃度的變化情況,其中第1級無抽排工藝,第2級抽排時間為8 s。從圖8中可以看出,經兩級吸附分離后,原料氣濃度為0.20%的乏風瓦斯氣體可以富集到1%以上,在1%～1.5%波動,平均約為1.2%。圖8中甲烷濃度波動主要是由于隨著解吸壓力變化產品氣中甲烷濃度發生變化,而第1級變壓吸附分離的解吸氣作為第2級吸附的原料氣進一步加大了產品氣中甲烷的濃度波動。

圖8 產品氣甲烷濃度隨時間變化曲線Fig.8 Influences of cycle time on product gas concentration

3.5 吸附分離過程吸附塔內的溫度變化

吸附劑在吸附過程中會放出熱量而使得吸附劑溫度升高影響氣體的吸附量,而在解吸過程中吸附劑溫度降低會影響產品氣的流量及產品氣的濃度。為研究乏風瓦斯氣體在分離過程中溫度的變化情況,在每個吸附塔內部均設立了一個溫度測點,圖9為兩級真空變壓吸附過程中溫度的變化情況。

圖9 吸附塔內溫度變化曲線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,吸附塔內溫度發生小幅度的波動,無論是第1級的大吸附塔還是第2級的小吸附塔,吸附塔內部溫度變化很小,溫差不超過3℃。這說明了在本中試試驗系統中溫度對分離效果的影響可以忽略,也說明了在煤礦乏風瓦斯氣體分離過程中吸附熱對吸附過程的影響很小可以忽略。

4 結 論

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

(2)通過研究原料氣濃度對分離效率的影響可知,產品氣甲烷濃度隨原料氣濃度的增加而增加,基本呈現倍數增加的關系。當原料氣瓦斯濃度超過0.4%后,在無抽排的情況下可以通過一級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品氣中甲烷的濃度,實驗研究過程中無抽排的時候產品氣甲烷濃度僅為0.45%,而當抽排比增大到0.224的時候,產品氣中的甲烷濃度增大到了0.85%,為原來的1.89倍。

(4)通過對吸附塔內溫度變化研究可知,吸附熱對煤礦乏風瓦斯的影響較小,分離過程中吸附塔內溫度變化較小,溫度波動在3℃以內。

[1] 鄭 斌,劉永啟,劉瑞祥,等.煤礦乏風的蓄熱逆流氧化[J].煤炭學報,2009,34(11):1475－1478.

Zheng Bin,Liu Yongqi,Liu Ruixiang.Oxidation of coal mine ventilation air methane in thermal reverse-flow reactor[J].Journal of China Coal Society,2009,34(11):1475－1478.

[2] 黃盛初,劉文革,趙國泉.中國煤層號開發利用現狀及發展趨勢[J].中國煤炭,2009,35(1):5－10.

Huang Shengchu,Liu Wenge,Zhao Guoquan.Coalbed methane development and utilization in China:status and future development [J].China Coal,2009,35(1):5－10.

[3] 陳宜亮,馬曉鐘,魏化興.煤礦通風瓦斯氧化技術及氧化熱利用方式[J].中國煤層氣,2007,4(4):27－30.

Chen Yiliang,Ma Xiaozhong,Wei Huaxing.Methane oxidation technology for VAM and mode of utilization of oxidation heat[J].China Coalbed Methane,2007,4(4):27－30.

[4] Su S,Beath A C,Mallett.Coal mine ventilation air methane catalytic combustion gas turbine[A].Greenhouse Gas Control Technologiesvol.II.[C].Amsterdam:Pergamon Press,2003:1287－92.

[5] Su S,Beath A,Guo H,et al.An assessment of mine methane mitigation and utilisation technologies[J].Progress in Energy and Combustion Science,2005,31(2):123－170.

[6] 王 琰.空氣中低含量甲烷的變壓吸附分離[D].天津:天津大學,2004.

Wang Yan.Study on the separation of low content of methane by Pressure Swing AdsorPtion[D].Tianjin:Tianjin University,2004.

[7] 雷利春.煤礦乏風中低濃度甲烷的變壓吸附提純[D].大連:大連理工大學,2010.

Lei Lichun.Upgrade of low content of methane in coal mine ventilation air by pressure swing adsorption[D].Dalian:Dalian University of Technology,2010.

[8] Ramesh Thiruvenkatachari,Shi Su,Xin Xiangyu.Carbon fibre composite for ventilation air methane(VAM)capture[J].Journal of Hazardous Materials,2009,172:2－3.

[9] 楊 雄,劉應書,李永玲,等.基于活性炭的真空變壓吸附提濃煤層氣甲烷的實驗研究[J].煤炭學報,2010,35(6):987－991.

Yang Xiong,Liu Yingshu,Li Yongling,et al.The experimental study on upgrade of coalm ine gas by vacuum pressure swing adsorption with activated carbon[J].Journal of China Coal Society,2010,35 (6):987－991.

[10] Yang Xiong,Liu Yingshu,Li yongling.Study ofadsorption characteristics on active carbon for ventilation air methane separation[J].Advanced Materials Research,2011,391－392:1253－1258.

[11] Liu Y S,Yang X,Li Y L,et al.The experiment study on ventilation air methane enrichment by vacuum pressure swing adsorption[J].Energy Education Science and Technology Part A-Energy Science and Research,2012,29(1):217－226.

[12] 張傳釗,劉應書,李永玲,等.真空變壓吸附提濃煤礦乏風瓦斯的抽真空排放過程[J].煤炭學報,2013,38(2):251－256.

Zhang Chuanzhao,Liu Yingshu,Li Yongling,et al.Vacuum exhaust process in vacuum pressure-swing adsorption for upgrading ventilation air methane[J].Journal of China Coal Society,2013,38(2): 251－256.

[13] Wang Lu,Yang Ying,Shen Wenlong,et al.Experimental evaluation of adsorption technology for CO2capture from flue gas in an existing coal-fired power plant[J].Chemical Engineering Science,2013, 101:615－619.

[14] Olajossy A,Gawdzik A.Methane separation from coalmine methane gas by vacuum pressure swing adsorption[J].Institution of Chemical Engineers,2003,81(4):474－482.

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.煤礦乏風瓦斯富集中試試驗研究[J].煤炭學報,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 責任編輯:畢永華

國家高技術研究發展計劃(863)資助項目(2009AA063201);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(FRF－TP－13－011A,FRF－SD－12－006B)

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